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JP2024119779A - Catalyst for dehydration and hydrogenation of alcohol and method for producing same - Google Patents

Catalyst for dehydration and hydrogenation of alcohol and method for producing same Download PDF

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JP2024119779A
JP2024119779A JP2024024753A JP2024024753A JP2024119779A JP 2024119779 A JP2024119779 A JP 2024119779A JP 2024024753 A JP2024024753 A JP 2024024753A JP 2024024753 A JP2024024753 A JP 2024024753A JP 2024119779 A JP2024119779 A JP 2024119779A
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JP
Japan
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catalyst
palladium
dehydration
hydrogen
hydrogenation
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Pending
Application number
JP2024024753A
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Japanese (ja)
Inventor
慎平 則岡
Shimpei NORIOKA
浩文 大塚
Hirofumi Otsuka
昭雄 平山
Akio Hirayama
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osaka Gas Co Ltd
Original Assignee
Osaka Gas Co Ltd
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Abstract

To provide a dehydration hydrogenation catalyst for alcohols that does not require reactions under extremely high pressure conditions or installation of expensive decarboxylation equipment when producing a first fuel gas primarily composed of methane through methanation of hydrogen and carbon oxide in the presence of a methanation catalyst, and is essential for preparing a second fuel gas with reduced hydrogen levels by a simple and economically beneficial method.SOLUTION: A dehydration hydrogenation catalyst for alcohols includes an inorganic oxide with palladium supported thereon, and a solid acid catalyst with no palladium supported thereon.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、水素と炭素酸化物とをメタン化触媒の存在下にメタン化反応させてメタンを主成分とする高発熱量の燃料ガスを製造するための触媒に関し、より詳細には水素濃度が低減された炭化水素濃度の高い燃料ガスを製造するための触媒およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a catalyst for producing a fuel gas with a high calorific value and mainly composed of methane by methanation reaction of hydrogen and carbon oxides in the presence of a methanation catalyst, and more specifically to a catalyst for producing a fuel gas with a high hydrocarbon concentration and a reduced hydrogen concentration, and a method for producing the same.

近年、地球温暖化対策の観点から、燃焼利用しても大気中の二酸化炭素濃度を実質的に増加させることがないカーボンニュートラル燃料に注目が集まっている。 In recent years, as a measure to combat global warming, attention has been focused on carbon-neutral fuels, which do not substantially increase the concentration of carbon dioxide in the atmosphere even when burned.

工業プロセスや火力発電などで発生する排ガスから二酸化炭素を回収し、再生可能エネルギーである太陽光発電や風力発電などによる電力を用いた電気分解により得られた水素と反応させれば、メタンが得られる。この方法によって得られたメタンは、燃焼利用しても追加的な二酸化炭素の発生がないことから、地球温暖化に影響しないカーボンニュートラル燃料と考えることができる。 Methane can be obtained by recovering carbon dioxide from exhaust gases generated during industrial processes and thermal power generation, and reacting it with hydrogen obtained through electrolysis using electricity generated by renewable energy sources such as solar and wind power. Methane obtained in this way can be considered a carbon-neutral fuel that does not contribute to global warming, as no additional carbon dioxide is produced when it is burned.

二酸化炭素と水素とを反応してメタンを得るメタン化反応(式1)は公知である。 The methanation reaction (Equation 1), in which carbon dioxide reacts with hydrogen to produce methane, is well known.

CO+4H → CH+2HO (式1)
特許文献1には、COおよびHを含むガスをメタン化するに際し、上流側にCu-Zn系低温シフト触媒を配し且つ下流側にメタン化触媒を配置したメタン化反応器を使用することを特徴とするCOおよびHを含むガスのメタン化方法が開示されている。上流側の低温シフト反応器ではCOシフト反応(式2)が進行するので、原料ガスに含まれる一酸化炭素の大部分は水蒸気と反応して二酸化炭素に転換され、下流側のメタン化触媒上では二酸化炭素のメタン化反応が進行しているものと考えられる。
CO 2 +4H 2 → CH 4 +2H 2 O (Formula 1)
In Patent Document 1, when a gas containing CO and H2 is methanated, a methanation reactor having a Cu-Zn-based low-temperature shift catalyst arranged on the upstream side and a methanation catalyst arranged on the downstream side is used. A method for methanating a gas containing CO and H2 is disclosed, characterized in that the CO shift reaction (Equation 2) proceeds in the upstream low-temperature shift reactor, and the amount of carbon monoxide contained in the raw gas is reduced. Most of the carbon dioxide reacts with water vapor and is converted to carbon dioxide, and it is believed that the methanation reaction of carbon dioxide proceeds on the downstream methanation catalyst.

CO+HO → CO+H (式2)
メタン化反応はアンモニア合成用の水素から一酸化炭素および二酸化炭素を除去する目的で古くから使用されており、NiやRuなどが担持された触媒が高活性を示すことが知られている(非特許文献1、2)。
CO+H 2 O → CO 2 +H 2 (Formula 2)
Methanation has long been used to remove carbon monoxide and carbon dioxide from hydrogen for ammonia synthesis, and it is known that catalysts carrying Ni or Ru exhibit high activity (non- Patent documents 1 and 2).

炭素酸化物(一酸化炭素および二酸化炭素)を水素と反応させてメタンを得るメタン化反応は、工業的にも確立された技術(たとえば非特許文献3)であるが、都市ガス原料として使用できる品質の燃料ガスを得るにはなお課題がある。 The methanation reaction, in which carbon oxides (carbon monoxide and carbon dioxide) are reacted with hydrogen to obtain methane, is an industrially established technology (e.g., Non-Patent Document 3), but there are still challenges to be overcome in obtaining fuel gas of a quality that can be used as a raw material for city gas.

都市ガス原料として一般に利用されているのは天然ガスであり、メタンを主成分とし、少量のエタン、プロパン、およびブタンを含有する。天然ガスには、水素および一酸化炭素は通常含まれず、二酸化炭素は天然ガスの精製過程で除去される。特に、液化天然ガスを原料として製造される都市ガスの場合には、水素、一酸化炭素、および二酸化炭素は液化精製の過程でほぼ完全に除去されるので、実質的にほとんど含まれない。 Natural gas is commonly used as a raw material for city gas, and is composed mainly of methane, with small amounts of ethane, propane, and butane. Natural gas does not normally contain hydrogen or carbon monoxide, and carbon dioxide is removed during the natural gas refining process. In particular, in the case of city gas produced from liquefied natural gas, hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide are almost completely removed during the liquefaction refining process, so it contains virtually no hydrogen, carbon monoxide, or carbon dioxide.

天然ガス中に含まれるメタン以外の炭化水素(エタン、プロパン、およびブタン)の濃度は、天然ガスの産地や精製方法などによって変動するため、都市ガスを製造する際には、通常はプロパンまたはブタンを添加して熱量を一定の範囲となるように調整したうえで、保安確保のために付臭剤を添加してから都市ガス導管で需要家に送られる。 The concentration of hydrocarbons other than methane (ethane, propane, and butane) contained in natural gas varies depending on the natural gas's production area and refining method, so when producing city gas, propane or butane is usually added to adjust the calorific value to within a certain range, and an odorant is added to ensure safety before it is sent to consumers through city gas pipelines.

水素、一酸化炭素および二酸化炭素が都市ガスに含まれると以下のような問題を引き起こす可能性がある。 When hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide are present in city gas, they can cause the following problems:

まず、一酸化炭素は、毒性が高いため、ガスが漏洩した場合に中毒事故の恐れを生じる。その許容濃度は200ppmとされており、安全上の観点から、燃料ガス中の濃度はこれ以下とするのが望ましく、空気による希釈を考慮しても、1000ppm以下とする必要がある。 Firstly, carbon monoxide is highly toxic, so if the gas leaks, there is a risk of poisoning. The permissible concentration is 200 ppm, and from a safety standpoint, it is desirable to keep the concentration in fuel gas below this level. Even taking into account dilution with air, it needs to be below 1000 ppm.

次に、二酸化炭素は、不燃性であるだけでなく、燃焼を抑える働きがある。従って、燃料ガスに高濃度で混入した場合、燃料ガスの発熱量の低下に伴う導管でのガス輸送の効率を低下させるだけでなく、燃焼機器の効率の低下を引き起こす恐れもある。 Secondly, carbon dioxide is not only non-flammable, but also acts to suppress combustion. Therefore, if it is mixed into fuel gas in high concentrations, it not only reduces the efficiency of gas transport in the ducts, which reduces the heating value of the fuel gas, but it may also cause a decrease in the efficiency of combustion equipment.

最後に、水素は、燃料ガスではあるものの、都市ガスの主成分であるメタンと比較すると単位体積当たりの発熱量が約3分の1しかない。従って、メタン主成分の燃料ガスに水素が混入すると、単位体積当たりの発熱量が低下する。さらに水素は、燃焼速度が速いことから、燃焼機器への影響が大きいことも知られている。 Finally, although hydrogen is a fuel gas, its calorific value per unit volume is only about one-third that of methane, the main component of city gas. Therefore, when hydrogen is mixed into a fuel gas whose main component is methane, the calorific value per unit volume decreases. Furthermore, hydrogen is known to have a large impact on combustion equipment due to its fast combustion speed.

以上のように、水素、一酸化炭素および二酸化炭素は、都市ガスに混入した場合、ガスの供給および消費の各段階で種々の影響を及ぼすことから、都市ガス導管網に受け入れるガスの品質基準で、水素、一酸化炭素および二酸化炭素の濃度に制約が設けられるのが一般的である。 As described above, when hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide are mixed into city gas, they have various effects at each stage of gas supply and consumption, so the quality standards for gas accepted into city gas pipeline networks generally set restrictions on the concentrations of hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide.

天然ガス自動車向けの燃料充填所が存在する導管網にあっては、水素濃度の上限を体積基準で2.0%としている例が知られている(非特許文献4)。また、水素濃度を体積基準で4.0%以下、二酸化炭素濃度を体積基準で0.50%以下、一酸化炭素濃度を体積基準で0.050%以下と規定している例(非特許文献5)、ならびに、メタンおよびエタンの合計濃度を体積基準で93%以上、かつ炭化水素以外の成分の合計濃度を体積基準で4.0%以下と規定した例(非特許文献6)も知られている。 In pipeline networks with fuel filling stations for natural gas vehicles, there are known examples where the upper limit of hydrogen concentration is set at 2.0% by volume (Non-Patent Document 4). There are also known examples where the hydrogen concentration is set at 4.0% or less by volume, the carbon dioxide concentration at 0.50% or less by volume, and the carbon monoxide concentration at 0.050% or less by volume (Non-Patent Document 5), as well as examples where the total concentration of methane and ethane is set at 93% or more by volume, and the total concentration of components other than hydrocarbons at 4.0% or less by volume (Non-Patent Document 6).

水素、一酸化炭素および二酸化炭素の混入に関しては、都市ガス品質以外の観点でも問題が存在する。都市ガスは、燃焼機器で安定して利用できるように、前述のようにプロパンまたはブタンを添加して、一定の熱量範囲に調整したうえで供給されている。従って、水素や二酸化炭素が高濃度に含まれていると、熱量調整に必要なプロパンおよびブタンなどを多量に混合する必要がある。これは、ガス製造の費用を増大させるほか、熱量調整に用いるプロパンおよびブタンとして化石燃料由来のものを用いる場合には、製造されたガスのカーボンニュートラル性を損なうことになる。 The contamination of city gas with hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide poses problems beyond the quality of the city gas. As mentioned above, city gas is supplied after being adjusted to a certain calorific value range by adding propane or butane to ensure stable use in combustion appliances. Therefore, if high concentrations of hydrogen or carbon dioxide are present, it is necessary to mix in large quantities of propane and butane, which are necessary to adjust the calorific value. This not only increases the cost of gas production, but also undermines the carbon neutrality of the produced gas if fossil fuel-derived propane and butane are used to adjust the calorific value.

二酸化炭素のメタン化反応(式1)は、平衡反応であり、通常の工業的な操作条件では、二酸化炭素と水素とを完全にメタンに転化することはできない。化学量論比(水素:二酸化炭素=4:1)の混合ガスを、常圧(0.10MPa)で反応させた場合の二酸化炭素のメタンへの平衡転化率は、反応温度が300℃の場合において95.0%であり、反応温度が250℃の場合において97.5%であり、反応温度が200℃の場合において98.9%である。 The methanation reaction of carbon dioxide (Equation 1) is an equilibrium reaction, and under normal industrial operating conditions, carbon dioxide and hydrogen cannot be completely converted to methane. When a mixed gas with a stoichiometric ratio (hydrogen:carbon dioxide = 4:1) is reacted at normal pressure (0.10 MPa), the equilibrium conversion rate of carbon dioxide to methane is 95.0% when the reaction temperature is 300°C, 97.5% when the reaction temperature is 250°C, and 98.9% when the reaction temperature is 200°C.

このように常圧では、多量に水素を含む燃料ガスしか得られない。メタン化反応は発熱反応であるため、低温になるほど、平衡転化率は向上するが、触媒反応の場合、低温になるほど触媒活性が低下する。このため、反応温度には下限があり、通常のメタン化触媒の場合、実用的な反応速度を得るには250℃以上が必要とされる(非特許文献4、特許文献2および3)。 Thus, at normal pressure, only fuel gas containing a large amount of hydrogen can be obtained. Because the methanation reaction is an exothermic reaction, the lower the temperature, the higher the equilibrium conversion rate; however, in the case of a catalytic reaction, the lower the temperature, the lower the catalytic activity. For this reason, there is a lower limit to the reaction temperature, and with a typical methanation catalyst, a temperature of 250°C or higher is required to achieve a practical reaction rate (Non-Patent Document 4, Patent Documents 2 and 3).

二酸化炭素のメタン化反応(式1)は、物質量(モル数)が減少する反応であるため、圧力が高いほど平衡転化率は高くなる。250℃で比較すると、二酸化炭素のメタンへの平衡転化率(化学量論比である水素:二酸化炭素=4:1で反応させた場合)は、常圧(0.10MPa)の97.5%に対し、0.70MPaでは98.9%、5.0MPaでは99.5%まで向上する。しかし、水素:二酸化炭素=4:1の混合ガスを250℃、5.0MPaで反応させた場合でも、その平衡組成(生成した水を除いた脱水後の体積基準の組成)は、メタン97.45%、水素2.04%、二酸化炭素0.51%となることから、水素2.0%(体積基準)以下の燃料ガスを得るには、5.0MPaを超える高圧の条件で反応を行う必要がある。 The methanation reaction of carbon dioxide (Equation 1) is a reaction in which the amount of substance (molar number) decreases, so the higher the pressure, the higher the equilibrium conversion rate. Comparing at 250°C, the equilibrium conversion rate of carbon dioxide to methane (when reacted at a stoichiometric ratio of hydrogen:carbon dioxide = 4:1) is 97.5% at normal pressure (0.10 MPa), but improves to 98.9% at 0.70 MPa and 99.5% at 5.0 MPa. However, even when a mixed gas of hydrogen:carbon dioxide = 4:1 is reacted at 250°C and 5.0 MPa, the equilibrium composition (composition by volume after dehydration excluding the water produced) is 97.45% methane, 2.04% hydrogen, and 0.51% carbon dioxide. Therefore, in order to obtain a fuel gas with 2.0% hydrogen (by volume) or less, the reaction must be carried out under high-pressure conditions exceeding 5.0 MPa.

メタン化反応によって得られる燃料ガス中の水素濃度を低減する方法はいくつか知られている。例えば、化学量論比よりも水素の少ない条件でメタン化反応を実施し、過剰の二酸化炭素を脱炭酸処理により除くと、水素含有量も二酸化炭素含有量も低減することができる(特許文献4)。この方法は、コークス炉ガスのメタン化において採用された例がある(非特許文献3)。しかし、脱炭酸設備は、一般に設備費用が高く、運転にも多量のエネルギーを消費するので、経済性が損なわれる問題がある。 There are several known methods for reducing the hydrogen concentration in fuel gas obtained by methanation reactions. For example, if methanation reactions are carried out under conditions where the amount of hydrogen is less than the stoichiometric ratio, and excess carbon dioxide is removed by decarbonation treatment, both the hydrogen content and the carbon dioxide content can be reduced (Patent Document 4). There is an example of this method being adopted in the methanation of coke oven gas (Non-Patent Document 3). However, decarbonation equipment generally requires high equipment costs and consumes a large amount of energy to operate, which reduces its economic viability.

別の方法として、メタン化反応を複数段で行い、途中段階で生成したガスを冷却して、水を凝縮分離する方法も知られている(非特許文献4、特許文献2および3)。生成した水を除くことにより、メタン化反応をさらに生成側に進行させることができ、二酸化炭素のメタンへの転化率を向上できる。しかし、この方法では、熱交換設備が必要になり、設備費用がかさむこと、また生成した水を過度に除去してしまうと、その組成が平衡的に炭素析出の起こる領域に入ることから、水を分離する工程の制御が複雑になるという課題もある。 As an alternative method, a method is known in which the methanation reaction is carried out in multiple stages, the gas produced in the intermediate stages is cooled, and the water is condensed and separated (Non-Patent Document 4, Patent Documents 2 and 3). By removing the produced water, the methanation reaction can be allowed to proceed further to the production side, improving the conversion rate of carbon dioxide to methane. However, this method requires heat exchange equipment, which increases the equipment costs, and there are also issues with the fact that if too much produced water is removed, the composition will enter the region where equilibrium carbon deposition occurs, making it difficult to control the water separation process.

さらに、化学量論比よりも水素の少ない条件でメタン化反応を実施し、過剰の二酸化炭素を脱炭酸処理により除く方法、および、メタン化反応を複数段で行い、途中段階で生成したガスを冷却して水を凝縮分離する方法、のいずれについても、平衡的に一酸化炭素を生成しやすい条件となるため、製造された燃料ガスに含まれる一酸化炭素濃度が高くなるという問題もある。 Furthermore, in both the method of carrying out the methanation reaction under conditions of less hydrogen than the stoichiometric ratio and removing excess carbon dioxide by decarbonation treatment, and the method of carrying out the methanation reaction in multiple stages and cooling the gas produced in the intermediate stages to condense and separate the water, the conditions are favorable for the production of carbon monoxide in equilibrium, resulting in a problem of high carbon monoxide concentrations in the produced fuel gas.

特許文献5、および特許文献6には、メタン化反応後の水素含有ガスにアルコールを添加したのちに、当該アルコールと、前記水素含有ガス中の水素とを、脱水水素化触媒の存在下で反応させることで、水素を低減したガスを製造する方法が記載されており、その触媒の例として、特許文献5にはシリカ担体にケイタングステン酸とパラジウムが担持された触媒(Pd/SiW/シリカ触媒)が、特許文献6にはタングステン酸化ジルコニアにパラジウムが担持された触媒(Pd/WO/ZrO触媒)が示されている。当該特許文献5及び特許文献6で例示されている、Pd/SiW/シリカ触媒およびPd/WO/ZrO触媒はアルコールの一部を水蒸気改質反応により分解し、一酸化炭素、二酸化炭素および水素に転換することが記載されているが、これは生成した燃料ガスを都市ガスとして利用する上でデメリットとなりうる。 Patent Document 5 and Patent Document 6 describe a method for producing a gas with reduced hydrogen by adding alcohol to a hydrogen-containing gas after a methanation reaction, and then reacting the alcohol with hydrogen in the hydrogen-containing gas in the presence of a dehydration hydrogenation catalyst. As an example of the catalyst, Patent Document 5 describes a catalyst in which tungstosilicic acid and palladium are supported on a silica carrier (Pd/SiW/silica catalyst), and Patent Document 6 describes a catalyst in which palladium is supported on tungsten oxide zirconia (Pd/WO 3 /ZrO 2 catalyst). It is described that the Pd/SiW/silica catalyst and the Pd/WO 3 /ZrO 2 catalyst exemplified in Patent Document 5 and Patent Document 6 decompose a part of the alcohol by a steam reforming reaction and convert it into carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen, but this can be a disadvantage in using the generated fuel gas as city gas.

特開昭60-235893号公報Japanese Patent Application Publication No. 60-235893 特開2015-124217号公報JP 2015-124217 A 特開2018-135283号公報JP 2018-135283 A 特開2019-26595号公報JP 2019-26595 A 特開2021-138927号公報JP 2021-138927 A 特開2022-133257号公報JP 2022-133257 A

社団法人化学工学協会編、化学プロセス集成、1970年、p.153Chemical Engineering Society, ed., Chemical Process Collection, 1970, p. 153 触媒学会編、触媒便覧、2008年、p.535Catalysis Society of Japan, Catalyst Handbook, 2008, p. 535 川越、松田、松島および植松、日立評論、68巻10号、1986年、p.73Kawagoe, Matsuda, Matsushima and Uematsu, Hitachi Review, Vol. 68, No. 10, 1986, p. 73 E.I.KoytsoumpaおよびS.Karellas、Renewable and Sustainable Energy Reviews、94巻、2018年、p.536E. I. Koytsoumpa and S. Karellas, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 94, 2018, p. 536 バイオガス購入要領、大阪瓦斯株式会社、2008年Biogas Purchasing Guidelines, Osaka Gas Co., Ltd., 2008 バイオガス購入要領、東京瓦斯株式会社、2008年Biogas Purchasing Guidelines, Tokyo Gas Co., Ltd., 2008

本発明が解決しようとする課題は、以上の問題に鑑み、水素と炭素酸化物とをメタン化触媒の存在下にメタン化反応させてメタンを主成分とする燃料ガスを製造するに際して、極端な高圧条件での反応や、高価な脱炭酸設備の設置などを必要とせず、簡単で経済的に有利な方法で水素濃度が低減された燃料ガスを得るために必要な触媒およびその触媒の製造方法を提供することにある。 In view of the above problems, the problem that the present invention aims to solve is to provide a catalyst and a method for producing the catalyst necessary to obtain fuel gas with a reduced hydrogen concentration in a simple and economical manner, without requiring reactions under extremely high pressure conditions or the installation of expensive decarbonation equipment, when producing fuel gas mainly composed of methane by a methanation reaction between hydrogen and carbon oxides in the presence of a methanation catalyst.

本発明に係るアルコールの脱水水素化触媒の特徴構成は、水素と炭素酸化物とをメタン化触媒の存在下でメタン化反応させることで得られる、脱水後の体積基準で水素を2.0%以上20%以下含む第一燃料ガスを、炭素数2以上4以下のアルコールの存在下に処理して、炭素数2以上4以下のアルカンを含み水素濃度が減少した第二燃料ガスに変換するための、アルコールの脱水水素化触媒であって、パラジウムが担持された無機酸化物と、パラジウムが担持されていない固体酸触媒とを含む点にある。 The alcohol dehydration and hydrogenation catalyst according to the present invention is characterized in that it is a catalyst for dehydrating and hydrogenating alcohol, which is used to convert a first fuel gas containing 2.0% to 20% hydrogen by volume after dehydration, obtained by subjecting hydrogen and carbon oxides to a methanation reaction in the presence of a methanation catalyst, into a second fuel gas containing alkanes having 2 to 4 carbon atoms and having a reduced hydrogen concentration, by treating the first fuel gas in the presence of an alcohol having 2 to 4 carbon atoms, and the first fuel gas contains an inorganic oxide carrying palladium and a solid acid catalyst not carrying palladium.

本特徴構成によれば、水素と炭素数2以上4以下のアルコールとの反応を十分な速度で行いつつ、水素や二酸化炭素を生成する水蒸気改質反応が抑制されるので、効果的に第一燃料ガスよりも脱水後の体積基準で水素濃度が低減された第二燃料ガスを得ることができる。また、本触媒は、高温耐性が高く、高温条件でも長期間、安定に使用することができる。 This characteristic configuration allows the reaction between hydrogen and alcohols having 2 to 4 carbon atoms to proceed at a sufficient rate while suppressing the steam reforming reaction that produces hydrogen and carbon dioxide, effectively producing a second fuel gas that has a lower hydrogen concentration on a volumetric basis after dehydration than the first fuel gas. In addition, this catalyst has high resistance to high temperatures and can be used stably for long periods of time even under high temperature conditions.

本発明に係るアルコールの脱水水素化触媒の特徴構成は、前記無機酸化物におけるパラジウムの担持量は0.2質量%以上15質量%以下であり、前記パラジウムが担持されていない固体酸触媒は、前記パラジウムが担持された無機酸化物の質量を1として1.0以上10以下の質量比で含まれる点にある。 The characteristic configuration of the alcohol dehydration hydrogenation catalyst according to the present invention is that the amount of palladium supported on the inorganic oxide is 0.2% by mass or more and 15% by mass or less, and the solid acid catalyst on which palladium is not supported is contained in a mass ratio of 1.0 to 10, with the mass of the inorganic oxide on which palladium is supported being taken as 1.

本特徴構成によれば、適切な量のパラジウムが無機酸化物に担持されているとともに、パラジウムが担持されていない固体酸触媒が上記質量比にて含まれるため、高いエタン選択率を有するアルコールの脱水水素化触媒となる。 According to this characteristic configuration, an appropriate amount of palladium is supported on the inorganic oxide, and a solid acid catalyst not supporting palladium is included in the above mass ratio, resulting in an alcohol dehydration/hydrogenation catalyst with high ethane selectivity.

本発明に係るアルコールの脱水水素化触媒の特徴構成は、前記固体酸触媒がSiW/シリカ触媒又はタングステン酸化ジルコニアである点にある。 The characteristic feature of the alcohol dehydration hydrogenation catalyst according to the present invention is that the solid acid catalyst is a SiW/silica catalyst or tungsten oxide zirconia.

本特徴構成によれば、水素とアルコールとの反応を十分な速度で行うことができるため、効果的に水素濃度が低減された燃料ガスを得ることができる触媒を製造できる。 This characteristic configuration allows the reaction between hydrogen and alcohol to occur at a sufficient rate, making it possible to produce a catalyst that can effectively produce fuel gas with a reduced hydrogen concentration.

本発明に係るアルコールの脱水水素化触媒の製造方法の特徴構成は、水素と炭素酸化物とをメタン化触媒の存在下でメタン化反応させることで得られる、脱水後の体積基準で水素を2.0%以上20%以下含む第一燃料ガスを、炭素数2以上4以下のアルコールの存在下に処理して、炭素数2以上4以下のアルカンを含み水素濃度が減少した第二燃料ガスに変換するための、アルコールの脱水水素化触媒の製造方法であって、パラジウムが担持された無機酸化物と、パラジウムが担持されていない固体酸触媒とを混合する混合工程を含む点にある。 The characteristic configuration of the method for producing an alcohol dehydration hydrogenation catalyst according to the present invention is that the method includes a mixing step of mixing an inorganic oxide carrying palladium with a solid acid catalyst not carrying palladium, and a mixing step of mixing a first fuel gas containing 2.0% to 20% hydrogen by volume after dehydration, which is obtained by subjecting hydrogen and carbon oxides to a methanation reaction in the presence of a methanation catalyst, in the presence of an alcohol having a carbon number of 2 to 4, to convert the first fuel gas into a second fuel gas containing alkanes having a carbon number of 2 to 4 and having a reduced hydrogen concentration.

本特徴構成によれば、水素と炭素数2以上4以下のアルコールとの反応を十分な速度で行いつつ、水素や二酸化炭素を生成する水蒸気改質反応が抑制されるので、効果的に第一燃料ガスよりも脱水後の体積基準で水素濃度が低減された第二燃料ガスを得ることが可能であるとともに、高温耐性が高く、高温条件でも長期間、安定に使用することも可能なアルコールの脱水水素化触媒を製造できる。また、パラジウムが担持されていない固体酸触媒を必ずしも高温で焼成する必要がないため、耐熱性の低い固体酸触媒を使用することができる。また、パラジウムが担持された無機酸化物として、担体である無機酸化物にパラジウムが担持された市販の触媒を使用する場合には、パラジウムを担体に含浸する含浸工程を行う必要がなく、経済的に触媒を製造することが可能となる。 According to this characteristic configuration, the reaction between hydrogen and alcohol having 2 to 4 carbon atoms is carried out at a sufficient rate while the steam reforming reaction that produces hydrogen and carbon dioxide is suppressed, so that it is possible to effectively obtain a second fuel gas having a lower hydrogen concentration on a volumetric basis after dehydration than the first fuel gas, and it is possible to produce an alcohol dehydration and hydrogenation catalyst that has high high-temperature resistance and can be used stably for a long period of time even under high-temperature conditions. In addition, since it is not necessary to bake a solid acid catalyst that does not support palladium at high temperatures, a solid acid catalyst with low heat resistance can be used. In addition, when a commercially available catalyst in which palladium is supported on an inorganic oxide carrier is used as the inorganic oxide on which palladium is supported, there is no need to perform an impregnation process to impregnate the carrier with palladium, making it possible to economically produce the catalyst.

本発明に係るアルコールの脱水水素化触媒の製造方法の特徴構成は、前記混合工程において、0.2質量%以上15質量%以下のパラジウムが担持された前記無機酸化物と、前記パラジウムが担持されていない固体酸触媒とを、前記パラジウムが担持された無機酸化物の質量を1として、前記パラジウムが担持されていない固体酸触媒を1.0以上10以下の質量比で混合する点にある。 The characteristic configuration of the method for producing an alcohol dehydration hydrogenation catalyst according to the present invention is that in the mixing step, the inorganic oxide carrying 0.2% by mass or more and 15% by mass or less of palladium and the solid acid catalyst not carrying palladium are mixed in a mass ratio of 1.0 to 10, where the mass of the inorganic oxide carrying palladium is taken as 1.

本特徴構成によれば、適切な量のパラジウムが無機酸化物に担持されるとともに、パラジウムが担持されていない固体酸触媒を上記質量比にて混合することで、高いエタン選択率を有するアルコールの脱水水素化触媒を得ることができる。 According to this characteristic configuration, an appropriate amount of palladium is supported on the inorganic oxide, and by mixing a solid acid catalyst on which palladium is not supported in the above mass ratio, an alcohol dehydration and hydrogenation catalyst with high ethane selectivity can be obtained.

本発明に係るアルコールの脱水水素化触媒の製造方法の更なる特徴構成は、前記混合工程の前に、パラジウムを含む触媒前駆体を400℃以上で焼成してパラジウムが担持された前記無機酸化物を得る焼成工程を含む点にある。 A further characteristic feature of the method for producing an alcohol dehydration hydrogenation catalyst according to the present invention is that it includes a calcination step, prior to the mixing step, in which the catalyst precursor containing palladium is calcined at 400°C or higher to obtain the inorganic oxide on which palladium is supported.

本特徴構成によれば、高いエタン選択率を有するアルコールの脱水水素化触媒を製造することができる。また、後で混合されるパラジウムが担持されていない固体酸触媒を必ずしも高温で焼成する必要がないため、耐熱性の低い固体酸触媒を使用することができる。 This characteristic configuration makes it possible to produce an alcohol dehydration hydrogenation catalyst with high ethane selectivity. In addition, since it is not necessary to calcinate the solid acid catalyst that does not support palladium, which is mixed in later, at high temperatures, a solid acid catalyst with low heat resistance can be used.

本発明に係るアルコールの脱水水素化の製造方法の特徴構成は、前記固体酸触媒がSiW/シリカ触媒又はタングステン酸化ジルコニアである点にある。 The characteristic feature of the method for producing alcohol dehydration and hydrogenation according to the present invention is that the solid acid catalyst is a SiW/silica catalyst or tungsten oxide zirconia.

本特徴構成によれば、水素とアルコールとの反応を十分な速度で行うことができるので、効果的に水素濃度が低減された燃料ガスを得ることが可能な触媒を製造できる。 This characteristic configuration allows the reaction between hydrogen and alcohol to occur at a sufficient rate, making it possible to produce a catalyst that can effectively produce fuel gas with a reduced hydrogen concentration.

本発明のアルコールの脱水水素化触媒を用いた燃料ガス製造方法を示すブロックフロー図である。FIG. 1 is a block flow diagram showing a method for producing fuel gas using the alcohol dehydration/hydrogenation catalyst of the present invention. 二酸化炭素のメタン化反応の平衡転化率に対する温度および圧力の影響を示す図である。FIG. 1 shows the effect of temperature and pressure on the equilibrium conversion of the methanation reaction of carbon dioxide. 図2の平衡転化率80~100%の領域の拡大図である。FIG. 3 is an expanded view of the region of equilibrium conversion of 80-100% in FIG. 2. メタン化反応の反応器の構成の一例である(固定床断熱多段反応器)。1 is an example of a reactor configuration for a methanation reaction (fixed-bed adiabatic multi-stage reactor). 固定床断熱多段反応器を用いてメタン化反応を行う場合の、各反応段における二酸化炭素のメタンへの転化率およびガス温度を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the conversion rate of carbon dioxide to methane and the gas temperature in each reaction stage when a methanation reaction is carried out using a fixed-bed adiabatic multi-stage reactor. メタン化反応の反応器の構成の一例である(1段目出口ガスを1段目入口に戻すリサイクルラインを有する固定床断熱多段反応器)。This is an example of the configuration of a reactor for a methanation reaction (a fixed-bed adiabatic multi-stage reactor having a recycle line that returns the first-stage outlet gas to the first-stage inlet). メタン化反応の反応器の構造の一例である(熱交換型反応器)。This is an example of the structure of a reactor for a methanation reaction (a heat exchange reactor). メタン化反応の反応器の構成の一例である(1段目がリサイクルラインを有する固定床断熱反応器、2段目が熱交換型反応器)。This is an example of the configuration of a reactor for a methanation reaction (the first stage is a fixed-bed adiabatic reactor with a recycle line, and the second stage is a heat exchange type reactor). 二酸化炭素のメタン化反応の平衡組成(脱水後)における水素および二酸化炭素濃度に対する入口の水素/二酸化炭素比の影響を示す図である(反応圧力0.70MPa)。FIG. 13 is a diagram showing the effect of the inlet hydrogen/carbon dioxide ratio on the hydrogen and carbon dioxide concentrations in the equilibrium composition (after dehydration) of the carbon dioxide methanation reaction (reaction pressure 0.70 MPa). 二酸化炭素のメタン化反応の平衡組成(脱水後)における水素および二酸化炭素濃度に対する入口の水素/二酸化炭素比の影響を示す図である(反応圧力5.0MPa)。FIG. 13 is a diagram showing the effect of the inlet hydrogen/carbon dioxide ratio on the hydrogen and carbon dioxide concentrations in the equilibrium composition (after dehydration) of the carbon dioxide methanation reaction (reaction pressure 5.0 MPa). 本発明のアルコールの脱水水素化触媒を用いた燃料ガス製造方法により得られる燃料ガスの平衡組成(脱水後)における水素および二酸化炭素濃度に対する入口の水素/二酸化炭素比の影響を示す図である(エタノール/水素のモル比0.90)。FIG. 1 is a diagram showing the effect of the inlet hydrogen/carbon dioxide ratio on the hydrogen and carbon dioxide concentrations in the equilibrium composition (after dehydration) of fuel gas obtained by a fuel gas production method using an alcohol dehydration hydrogenation catalyst of the present invention (ethanol/hydrogen molar ratio: 0.90). 本発明のアルコールの脱水水素化触媒を用いた燃料ガス製造方法により得られる燃料ガスの平衡組成(脱水後)における水素および二酸化炭素濃度に対する入口の水素/二酸化炭素比の影響を示す図である(エタノール/水素のモル比0.50)。FIG. 1 is a diagram showing the effect of the inlet hydrogen/carbon dioxide ratio on the hydrogen and carbon dioxide concentrations in the equilibrium composition (after dehydration) of fuel gas obtained by a fuel gas production method using an alcohol dehydration hydrogenation catalyst of the present invention (ethanol/hydrogen molar ratio: 0.50).

〔実施形態〕
以下、本発明に係る燃料ガスを製造するためのアルコールの脱水水素化触媒、およびアルコールの脱水水素化触媒の製造方法の実施形態について説明する。
[Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the alcohol dehydration/hydrogenation catalyst for producing a fuel gas and the method for producing the alcohol dehydration/hydrogenation catalyst according to the present invention will be described.

図1は、本発明のアルコールの脱水水素化触媒を用いた燃料ガス製造方法を示すブロックフロー図である。本実施形態に係るアルコールの脱水水素化触媒を用いた燃料ガスの製造方法は、メタン化反応工程(メタン化反応器10)と、脱水水素化反応工程(脱水水素化反応器20)と、を有する。 Figure 1 is a block flow diagram showing a method for producing fuel gas using the alcohol dehydration/hydrogenation catalyst of the present invention. The method for producing fuel gas using the alcohol dehydration/hydrogenation catalyst of this embodiment has a methanation reaction process (methanation reactor 10) and a dehydration/hydrogenation reaction process (dehydration/hydrogenation reactor 20).

メタン化反応工程では、水素と炭素酸化物との混合ガス1を、メタン化反応器10に充填されたメタン化触媒に接触させて、メタン化反応を行う。このメタン化反応により、メタンを主成分とし、水素を脱水後の体積基準で2.0%以上20%以下含有する燃料ガス2(第一燃料ガスの一例、以下同様)が得られる。 In the methanation reaction process, the mixed gas 1 of hydrogen and carbon oxides is brought into contact with a methanation catalyst packed in a methanation reactor 10 to carry out a methanation reaction. This methanation reaction produces a fuel gas 2 (an example of a first fuel gas, the same applies below) that is mainly composed of methane and contains 2.0% to 20% hydrogen by volume after dehydration.

脱水水素化反応工程では、まず、メタン化反応工程で得られた燃料ガス2に対して、流量調整弁30を介して炭素数2以上4以下のアルコール3を添加する。その後、炭素数2以上4以下のアルコール3の添加された燃料ガス2を、脱水水素化反応器20に送入し、炭素数2以上4以下のアルコール3が添加された燃料ガス2を脱水水素化反応器20に充填された脱水水素化触媒に接触させ、炭素数2以上4以下のアルコールと水素との反応により炭素数2以上4以下のアルカンを生成する。この反応により、燃料ガス2に含まれていた水素が消費されるので、水素濃度が低減された燃料ガス4(第二燃料ガス)が得られる。得られた燃料ガス4は、メタンを主成分とし、炭素数2以上4以下のアルカンを含む。なお、アルコール3は、炭素数2以上4以下のアルコールから選択される一つまたは複数のアルコールであり、第二燃料ガス4に含まれるアルカンの炭素数は、使用するアルコール3と同一である。 In the dehydration hydrogenation reaction process, first, alcohol 3 having 2 to 4 carbon atoms is added to the fuel gas 2 obtained in the methanation reaction process via a flow rate control valve 30. Then, the fuel gas 2 to which alcohol 3 having 2 to 4 carbon atoms is added is fed to the dehydration hydrogenation reactor 20, and the fuel gas 2 to which alcohol 3 having 2 to 4 carbon atoms is added is brought into contact with a dehydration hydrogenation catalyst filled in the dehydration hydrogenation reactor 20, and an alkane having 2 to 4 carbon atoms is produced by a reaction between the alcohol having 2 to 4 carbon atoms and hydrogen. This reaction consumes the hydrogen contained in the fuel gas 2, and a fuel gas 4 (second fuel gas) having a reduced hydrogen concentration is obtained. The obtained fuel gas 4 contains methane as a main component and an alkane having 2 to 4 carbon atoms. The alcohol 3 is one or more alcohols selected from alcohols having 2 to 4 carbon atoms, and the carbon number of the alkane contained in the second fuel gas 4 is the same as that of the alcohol 3 used.

〔メタン化反応工程の条件〕
メタン化反応工程において混合ガス1に用いる水素および炭素酸化物は、メタン化触媒の存在下にメタン化反応させるにあたって支障のない純度および性状のものである限り、どのような方法で製造されたものであっても差支えはない。水素は、例えば水を電気分解して得た電解水素であってもよい。炭素酸化物は、一酸化炭素もしくは二酸化炭素、またはそれらの混合物である。二酸化炭素は、燃焼排ガスからアミン吸収法などの公知の二酸化炭素回収方法によって回収されたものであってもよく、有機物をメタン発酵させて得られるバイオガスに含まれる二酸化炭素であってもよい。バイオガスは、通常メタンと二酸化炭素の混合ガスとして得られるが、この混合ガスから二酸化炭素を分離してメタン化反応に用いてもよく、あるいはメタンを分離することなく、メタン化反応に供してもよい。
[Methanation reaction process conditions]
The hydrogen and carbon oxides used in the mixed gas 1 in the methanation reaction step may be produced by any method as long as they have a purity and properties that do not interfere with the methanation reaction in the presence of a methanation catalyst. The hydrogen may be electrolytic hydrogen obtained by electrolyzing water, for example. The carbon oxides are carbon monoxide or carbon dioxide, or a mixture thereof. The carbon dioxide may be carbon dioxide recovered from a combustion exhaust gas by a known carbon dioxide recovery method such as an amine absorption method, or may be carbon dioxide contained in a biogas obtained by methane fermentation of organic matter. Biogas is usually obtained as a mixed gas of methane and carbon dioxide, and carbon dioxide may be separated from this mixed gas and used in the methanation reaction, or methane may be supplied to the methanation reaction without being separated.

水素および炭素酸化物に硫黄分やハロゲン化合物、シロキサン化合物、重質炭化水素などが含まれる場合、これらがメタン化反応触媒の劣化を引き起こすことがあるので、必要に応じてメタン化反応に供する前にこれらを除去することが好ましい。 If the hydrogen and carbon oxides contain sulfur, halogen compounds, siloxane compounds, heavy hydrocarbons, etc., these may cause deterioration of the methanation reaction catalyst, so it is preferable to remove these, if necessary, before subjecting the mixture to the methanation reaction.

メタン化反応工程において用いるメタン化触媒としては、NiやRuなどを含有する公知のメタン化触媒を用いることができる。 The methanation catalyst used in the methanation reaction process can be a known methanation catalyst containing Ni, Ru, or the like.

メタン化反応工程に用いるメタン化反応器10の形式は、メタン化反応後の燃料ガス2の水素濃度が脱水後の体積基準で2.0%以上20%以下となる限り、特に制約はない。
ただし、メタン化反応は比較的大きな発熱を伴う平衡反応であり、その平衡転化率は図2および図3に示すように、温度および圧力により大きく変化し、低温かつ高圧ほど高くなる。一方で、低温ではメタン化触媒の活性を確保するのが難しくなること、高圧では設備費用が高くなる問題がある。
The type of the methanation reactor 10 used in the methanation reaction step is not particularly limited as long as the hydrogen concentration of the fuel gas 2 after the methanation reaction is 2.0% or more and 20% or less on a volumetric basis after dehydration.
However, the methanation reaction is an equilibrium reaction that generates a relatively large amount of heat, and the equilibrium conversion rate varies greatly with temperature and pressure, becoming higher at lower temperatures and higher pressures, as shown in Figures 2 and 3. On the other hand, there are problems in that it is difficult to ensure the activity of the methanation catalyst at low temperatures, and that the equipment costs are high at high pressures.

また、メタン化反応が比較的大きな発熱を伴うため、反応の進行に伴い、ガスの温度が上昇し、それに伴って平衡転化率が低下することも無視できない。以上のことから、メタン化反応器10として、化学プロセスで最も一般的に利用される固定床断熱型反応器を用いる場合、1段で所望の転化率を得ることは通常困難であるので、多段に反応器を連結し、反応熱により温度が上昇した出口ガスを冷却したのち、次段反応器に導入するプロセスとするのがよい。 In addition, since the methanation reaction generates a relatively large amount of heat, the gas temperature rises as the reaction progresses, and the equilibrium conversion rate decreases accordingly, which cannot be ignored. For these reasons, when using a fixed-bed adiabatic reactor, which is the most commonly used in chemical processes, as the methanation reactor 10, it is usually difficult to obtain the desired conversion rate in one stage, so it is better to connect the reactors in multiple stages and cool the outlet gas, whose temperature has risen due to the heat of reaction, before introducing it into the next stage reactor.

図4に、メタン化反応器10を、固定床断熱多段反応器として設けた場合の構成の一例を示した。この反応器構成では、メタン化反応が進行する反応器(11a~15a)と熱交換器(11b~15b)との組が5組設けられている。図4に示すメタン化反応器10の構成で、化学量論比である水素:二酸化炭素=4:1(モル比)の原料ガスを、各段の入口温度250℃、反応圧力0.70MPaにて反応させる場合、各段の入口および出口における温度および二酸化炭素のメタンへの転化率は図5に示す通りとなる。4段目(14a)出口で二酸化炭素のメタンへの転化率は94.3%で、この段階では、ガス中の水素濃度(水分を除去した脱水後の体積基準。以下同様とする。)は18.3%となって、20%以下とすることができる。5段目(15a)出口では、二酸化炭素のメタンへの転化率が97.7%、ガス中の水素濃度が8.3%まで低下し、10%以下とすることができる。従って、単純な断熱の多段反応でメタン化を行う場合、前記の温度および圧力条件では、水素を体積基準で20%以下とするには4段、10%以下とするには5段の反応とする必要がある。また、メタン化による発熱が大きいことによって1段目の出口温度が約700℃に達するので、触媒の耐久性の観点で問題がある。 Figure 4 shows an example of the configuration of the methanation reactor 10 when it is set as a fixed-bed adiabatic multi-stage reactor. In this reactor configuration, five sets of reactors (11a-15a) in which the methanation reaction proceeds and heat exchangers (11b-15b) are provided. In the configuration of the methanation reactor 10 shown in Figure 4, when the raw material gas with a stoichiometric ratio of hydrogen:carbon dioxide = 4:1 (molar ratio) is reacted at an inlet temperature of 250°C and a reaction pressure of 0.70 MPa, the temperatures at the inlet and outlet of each stage and the conversion rate of carbon dioxide to methane are as shown in Figure 5. At the outlet of the fourth stage (14a), the conversion rate of carbon dioxide to methane is 94.3%, and at this stage, the hydrogen concentration in the gas (based on the volume after dehydration with moisture removed; the same applies below) is 18.3%, which can be reduced to 20% or less. At the outlet of the fifth stage (15a), the conversion rate of carbon dioxide to methane is 97.7%, and the hydrogen concentration in the gas drops to 8.3%, making it possible to reduce it to 10% or less. Therefore, when methanation is performed by a simple adiabatic multi-stage reaction, under the above temperature and pressure conditions, a four-stage reaction is required to reduce hydrogen to 20% or less by volume, and a five-stage reaction is required to reduce it to 10% or less. In addition, the large heat generated by methanation causes the outlet temperature of the first stage to reach approximately 700°C, which is problematic in terms of catalyst durability.

図6に、メタン化反応器10を、リサイクルラインを有する固定床断熱多段反応器として設けた場合の構成の一例を示した。この反応器構成では、メタン化反応が進行する反応器(11a~13a)と熱交換器(11b~13b)との組が3組設けられており、これらのうち最初の組には、熱交換後の生成物を反応器11aに戻すリサイクルライン11cが設けられている。この反応器構成を用いると、希釈効果により温度上昇が抑えられることから触媒の耐久性が改善される。加えて、反応器出口温度が低下することにより、平衡転化率が高まる効果が生じるため、単純な多段反応器の構成よりも反応器の段数を削減できる場合がある。 Figure 6 shows an example of the configuration when the methanation reactor 10 is provided as a fixed-bed adiabatic multi-stage reactor with a recycle line. In this reactor configuration, three sets of reactors (11a-13a) in which the methanation reaction proceeds and heat exchangers (11b-13b) are provided, and the first set of these is provided with a recycle line 11c that returns the product after heat exchange to the reactor 11a. When this reactor configuration is used, the durability of the catalyst is improved because the dilution effect suppresses temperature rise. In addition, the lower reactor outlet temperature has the effect of increasing the equilibrium conversion rate, so that it may be possible to reduce the number of reactor stages compared to a simple multi-stage reactor configuration.

図7に、メタン化反応器10を、熱交換型反応器として設けた場合の構成の一例を示した。この反応器構成では、触媒層温度を所定の温度に保ちながら反応を行うことができ、これによって、1段の反応器で高い転化率を得ることも可能である。ただし、熱交換型反応器は、構造が複雑で、設備や保守の費用が高くなる場合がある。加えて、反応による発熱と熱交換による除熱のバランスが崩れると、局所的な高温部が発生して、触媒が短時間で劣化する場合もある。 Figure 7 shows an example of the configuration when the methanation reactor 10 is provided as a heat exchange type reactor. In this reactor configuration, the reaction can be carried out while maintaining the catalyst layer temperature at a specified temperature, which makes it possible to obtain a high conversion rate in a single-stage reactor. However, heat exchange type reactors have a complex structure and may require high equipment and maintenance costs. In addition, if the balance between the heat generated by the reaction and the heat removed by heat exchange is lost, localized high-temperature areas may occur, causing the catalyst to deteriorate in a short period of time.

図8に、メタン化反応器10を、リサイクルラインを有する固定床断熱反応器と、熱交換型反応器とを組み合わせて構成した一例を示した。この反応器構成では、図6の例の2段目以降の反応器(12a、13a)と熱交換器(12b、13b)との組を、1つの熱交換型反応器で置き換えてある。この反応器構成では、触媒の耐久性を確保しつつ、反応器の段数を減らして設備費用を抑制することが可能である。 Figure 8 shows an example of a methanation reactor 10 configured by combining a fixed-bed adiabatic reactor with a recycle line and a heat exchange reactor. In this reactor configuration, the set of reactors (12a, 13a) and heat exchangers (12b, 13b) from the second stage onwards in the example of Figure 6 is replaced with a single heat exchange reactor. With this reactor configuration, it is possible to reduce the number of reactor stages and suppress equipment costs while ensuring the durability of the catalyst.

〔メタン化反応工程の実施例〕
以下では、メタン化反応器10として図8に示す反応器の構成を採用し、メタン化触媒を十分な量用いて、所定条件におけるメタン化反応およびCOシフト反応の平衡組成が得られているものとする。
[Example of methanation reaction process]
In the following description, it is assumed that the methanation reactor 10 has the reactor configuration shown in FIG. 8, a sufficient amount of methanation catalyst is used, and an equilibrium composition for the methanation reaction and the CO shift reaction is obtained under specified conditions.

入口における、二酸化炭素に対する水素のモル比(水素/二酸化炭素のモル比)を3.8~4.2の範囲とし、2段目の反応温度を250℃としてメタン化反応を行うと、反応圧力が0.70MPaの場合、メタン化反応後のガスに含まれる水素および二酸化炭素の濃度は図9に示す通りとなる。水素/二酸化炭素のモル比が4.0のとき、水素濃度は4.4%、二酸化炭素濃度は1.1%となる。水素/二酸化炭素のモル比を低下させると水素濃度は減少するが、モル比を3.8まで低下させても、水素濃度は2.0%以下とはならず、また二酸化炭素濃度は5.6%まで上昇する。すなわち、反応圧力が0.70MPaの場合には、水素濃度および二酸化炭素が十分低減された燃料ガスを得ることができない。 When the molar ratio of hydrogen to carbon dioxide at the inlet (hydrogen/carbon dioxide molar ratio) is in the range of 3.8 to 4.2 and the second-stage reaction temperature is 250°C, the concentrations of hydrogen and carbon dioxide contained in the gas after the methanation reaction are as shown in Figure 9 when the reaction pressure is 0.70 MPa. When the hydrogen/carbon dioxide molar ratio is 4.0, the hydrogen concentration is 4.4% and the carbon dioxide concentration is 1.1%. Reducing the hydrogen/carbon dioxide molar ratio reduces the hydrogen concentration, but even if the molar ratio is reduced to 3.8, the hydrogen concentration does not fall below 2.0% and the carbon dioxide concentration rises to 5.6%. In other words, when the reaction pressure is 0.70 MPa, it is not possible to obtain fuel gas with sufficiently reduced hydrogen and carbon dioxide concentrations.

反応圧力が5.0MPaの場合、メタン化反応後のガスに含まれる水素および二酸化炭素は図10に示す通りになる。水素/二酸化炭素のモル比が4.0のとき、水素濃度は2.04%、二酸化炭素濃度は0.51%となる。この条件によれば、水素濃度2%以下かつ二酸化炭素濃度0.50%以下の品質基準(この基準は、一般的に知られる範囲で最も厳しい。)を概ね満たす燃料ガスが得られうる。しかし、この条件の場合、水素/二酸化炭素のモル比がわずかに低下するだけで、二酸化炭素濃度が上昇し、逆に水素/二酸化炭素のモル比がわずかに上昇すると水素濃度が上昇する。このように、水素/二酸化炭素のモル比のわずかな変動が、得られる燃料ガスの純度に大きく影響する。 When the reaction pressure is 5.0 MPa, the hydrogen and carbon dioxide contained in the gas after the methanation reaction are as shown in Figure 10. When the hydrogen/carbon dioxide molar ratio is 4.0, the hydrogen concentration is 2.04% and the carbon dioxide concentration is 0.51%. Under these conditions, a fuel gas can be obtained that generally meets the quality standard of a hydrogen concentration of 2% or less and a carbon dioxide concentration of 0.50% or less (this standard is the strictest among the generally known standards). However, under these conditions, even a slight decrease in the hydrogen/carbon dioxide molar ratio increases the carbon dioxide concentration, and conversely, a slight increase in the hydrogen/carbon dioxide molar ratio increases the hydrogen concentration. In this way, even a slight change in the hydrogen/carbon dioxide molar ratio greatly affects the purity of the resulting fuel gas.

すなわち、水素と二酸化炭素とのメタン化反応のみでメタンが主成分の燃料ガスを得る場合、前記の水素濃度2.0%以下かつ二酸化炭素濃度0.50%以下の品質基準を満たす燃料ガスを得るには、使用圧力が5.0MPaよりも十分高い、高圧の反応設備を必要とする。 In other words, when obtaining fuel gas whose main component is methane only through the methanation reaction between hydrogen and carbon dioxide, in order to obtain fuel gas that meets the quality standards of a hydrogen concentration of 2.0% or less and a carbon dioxide concentration of 0.50% or less, a high-pressure reaction facility with an operating pressure sufficiently higher than 5.0 MPa is required.

〔脱水水素化反応工程の条件〕
脱水水素化反応工程において用いる炭素数2以上4以下のアルコール3として、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、2-ブタノール、2-メチル-1-プロパノール及び2-メチル-2-プロパノールが使用できる。これらを単独で用いてもよく、混合して用いてもよい。
[Conditions for the dehydration/hydrogenation reaction step]
As the alcohol 3 having 2 to 4 carbon atoms used in the dehydration hydrogenation reaction step, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 2-methyl-1-propanol, and 2-methyl-2-propanol can be used. These may be used alone or in combination.

炭素数2以上4以下のアルコール3は、脱水水素化反応に支障ない純度および性状のものである限り、どのような方法で製造されたものであっても差支えない。例えば、サトウキビやトウモロコシなどを原料として、発酵法により製造されたエタノールも好適に使用できる。本実施形態に係る燃料ガスの製造方法においては、炭素数2以上4以下のアルコール3が、通常含む程度の量の水を含んでいてもよい。ただし、あまりに水の含有量が多い場合、水を気化するための蒸発熱が必要になるため、燃料ガス製造の効率が低下する場合がある。これを考慮すると、炭素数2以上4以下のアルコール3の水含有量は、50質量%以下であることが好ましい。 The alcohol 3 having 2 to 4 carbon atoms may be produced by any method as long as it has a purity and properties that do not interfere with the dehydration hydrogenation reaction. For example, ethanol produced by fermentation using sugar cane or corn as a raw material can be suitably used. In the fuel gas production method according to this embodiment, the alcohol 3 having 2 to 4 carbon atoms may contain a normal amount of water. However, if the water content is too high, evaporation heat is required to vaporize the water, which may reduce the efficiency of fuel gas production. In consideration of this, the water content of the alcohol 3 having 2 to 4 carbon atoms is preferably 50 mass% or less.

脱水水素化反応器20における反応は、以下のように進行する。
2n+1OH → C2n+HO (式3)
2n + H → C2n+2 (式4)
炭素数2以上4以下のアルコール3の添加量が少ない場合、燃料ガス4中の水素濃度の低減が不十分となる。一方、炭素数2以上4以下のアルコール3の添加量が多い場合、水素濃度が極端に少なくなることにより、炭素数2以上4以下のアルコール3の脱水に伴って生成するアルケン(アルコールとしてエタノールを用いた場合は、エチレン)の水素化反応(式4)が十分に進行せず、燃料ガス4中にアルケンが残存することがあるほか、反応中のアルケン濃度が高いことから、触媒上でアルケンが重合して、触媒の炭素析出による劣化が問題になる場合がある。従って、炭素数2以上4以下のアルコール3の添加量は、メタン化反応工程で得られた燃料ガス2に含まれる水素に対する炭素数2以上4以下のアルコール3のモル比(アルコール/水素)が、0.45以上0.90以下とするのが好ましい。
The reaction in the dehydration hydrogenation reactor 20 proceeds as follows.
C n H 2n + 1 OH → C n H 2n + H 2 O (Formula 3)
C n H 2n + H 2 → C n H 2n+2 (Formula 4)
When the amount of the alcohol 3 having 2 to 4 carbon atoms added is small, the reduction in the hydrogen concentration in the fuel gas 4 is insufficient. On the other hand, when the amount of the alcohol 3 having 2 to 4 carbon atoms added is large, the hydrogen concentration becomes extremely low, so that the hydrogenation reaction (formula 4) of the alkene (ethylene when ethanol is used as the alcohol) generated by the dehydration of the alcohol 3 having 2 to 4 carbon atoms does not proceed sufficiently, and the alkene may remain in the fuel gas 4. In addition, since the alkene concentration during the reaction is high, the alkene may polymerize on the catalyst, causing deterioration of the catalyst due to carbon deposition. Therefore, the amount of the alcohol 3 having 2 to 4 carbon atoms added is preferably such that the molar ratio (alcohol/hydrogen) of the alcohol 3 having 2 to 4 carbon atoms to the hydrogen contained in the fuel gas 2 obtained in the methanation reaction step is 0.45 to 0.90.

脱水水素化触媒でアルコールを水素との反応によりアルカンに変換する際の反応温度は、200℃以上400℃以下とすることが好ましい。脱水水素化触媒は一般的に200℃以上の条件で良好な活性を示すので、反応温度を200℃以上とすると、炭素数2以上4以下のアルコール3と水素との反応(式3および式4)が進行しやすい。また、反応温度を400℃以下とすると、メタン、エタン、プロパンおよびブタンの水蒸気改質反応を抑制しやすい。メタン、エタン、プロパンおよびブタンの水蒸気改質反応が進行すると、アルケンの水素化反応で水素が減少しても、メタン、エタン、プロパンまたはブタンの水蒸気改質反応によって新たに水素が生成されるため、燃料ガス中の水素濃度を低減することができない場合がある。反応温度は、250℃以上350℃以下とすることがより好ましい。 The reaction temperature when converting alcohol to alkanes by reaction with hydrogen using a dehydration hydrogenation catalyst is preferably 200°C or higher and 400°C or lower. Since dehydration hydrogenation catalysts generally exhibit good activity at 200°C or higher, the reaction between alcohol 3 having 2 to 4 carbon atoms and hydrogen (Equation 3 and Equation 4) is likely to proceed when the reaction temperature is 200°C or higher. In addition, the steam reforming reaction of methane, ethane, propane, and butane is easily suppressed when the reaction temperature is 400°C or lower. When the steam reforming reaction of methane, ethane, propane, and butane proceeds, even if hydrogen is reduced by the hydrogenation reaction of alkenes, new hydrogen is generated by the steam reforming reaction of methane, ethane, propane, or butane, so that the hydrogen concentration in the fuel gas may not be reduced. The reaction temperature is more preferably 250°C or higher and 350°C or lower.

脱水水素化反応工程に用いる脱水水素化反応器20の形式は特に限定されず、例えば、固定床断熱反応器、リサイクルラインを有する固定床断熱反応器、熱交換型反応器、などでありうる。 The type of dehydration/hydrogenation reactor 20 used in the dehydration/hydrogenation reaction process is not particularly limited, and may be, for example, a fixed-bed adiabatic reactor, a fixed-bed adiabatic reactor with a recycle line, a heat exchange reactor, etc.

〔アルコールの脱水水素化触媒〕
本発明のアルコールの脱水水素化触媒は、パラジウムが担持された無機酸化物と、パラジウムが担持されていない固体酸触媒とを含む。
尚、本発明で担体に担持されたパラジウムは通常、焼成前には硝酸塩や塩化物等の塩として、焼成後は酸化パラジウムとして、還元処理後には金属状態で担持されていると考えられるが、本発明では、これら種々の形態のパラジウムを総称してパラジウムと表記するものとする。
[Alcohol dehydration hydrogenation catalyst]
The catalyst for dehydration and hydrogenation of alcohols of the present invention includes an inorganic oxide on which palladium is supported and a solid acid catalyst on which palladium is not supported.
In the present invention, the palladium supported on the carrier is usually considered to be supported in the form of a salt such as a nitrate or chloride before calcination, in the form of palladium oxide after calcination, and in the metallic state after reduction treatment. In the present invention, these various forms of palladium are collectively referred to as palladium.

特許文献5、および特許文献6に記載されているように、通常、パラジウムと、固体酸触媒を含むアルコールの脱水水素化触媒を製造する場合、固体酸触媒にパラジウムを直接含浸担持する方法が採用される。それにより、パラジウムは微粒子状で高分散、均一に担持されるため、当触媒を用いると、固体酸触媒上でアルコールが脱水されて生じたアルケンが、パラジウムによって速やかに水素化されることで、アルカンが生成すると推測される。 As described in Patent Documents 5 and 6, when producing an alcohol dehydration and hydrogenation catalyst containing palladium and a solid acid catalyst, a method of directly impregnating and supporting palladium on the solid acid catalyst is usually adopted. As a result, palladium is highly dispersed and uniformly supported in the form of fine particles, and it is presumed that when this catalyst is used, an alkene produced by dehydrating alcohol on the solid acid catalyst is rapidly hydrogenated by the palladium to produce an alkane.

ところが、発明者らは、パラジウムが担持された無機酸化物と、パラジウムが担持されていない固体酸触媒とを含むアルコールの脱水水素化触媒が、高い選択率でアルコールの脱水水素化反応を進行させることを明らかにした。 However, the inventors have discovered that an alcohol dehydration/hydrogenation catalyst that contains an inorganic oxide on which palladium is supported and a solid acid catalyst on which palladium is not supported advances the alcohol dehydration/hydrogenation reaction with high selectivity.

本発明のアルコールの脱水水素化触媒が、高い選択率でアルコールの脱水水素化反応を進行させることのできる理由は必ずしも明らかではないが、発明者らは2つの効果を推測している。 The reason why the alcohol dehydration/hydrogenation catalyst of the present invention is able to promote the alcohol dehydration/hydrogenation reaction with high selectivity is not entirely clear, but the inventors speculate that it has two effects.

一つ目の効果は、本発明のアルコールの脱水水素化触媒は、パラジウムの粒径が大きいために、アルコールの水蒸気改質反応を起こしにくく、結果としてアルコールの脱水水素化反応の選択率が向上することである。 The first effect is that the alcohol dehydration/hydrogenation catalyst of the present invention is less likely to cause a steam reforming reaction of alcohol due to the large particle size of the palladium, resulting in an improved selectivity for the alcohol dehydration/hydrogenation reaction.

パラジウムと固体酸触媒を含む触媒を用いたアルコールの脱水水素化反応は、前述のとおり、以下のように進行する。
2n+1OH → C2n+HO (式3)
2n + H → C2n+2 (式4)
As described above, the dehydration and hydrogenation reaction of an alcohol using a catalyst containing palladium and a solid acid catalyst proceeds as follows.
C n H 2n + 1 OH → C n H 2n + H 2 O (Formula 3)
C n H 2n + H 2 → C n H 2n+2 (Formula 4)

一方で、同時に以下のようにアルコールの水蒸気改質反応が進行する。
2n+1OH + (n-1)HO → nCO + 2nH (式5)
2n+1OH + (2n-1)HO → nCO + 3nH(式6)
At the same time, the steam reforming reaction of alcohol proceeds as follows.
C n H 2n+1 OH + (n-1)H 2 O → nCO + 2nH 2 (Formula 5)
C n H 2n+1 OH + (2n-1)H 2 O → nCO 2 + 3nH 2 (Formula 6)

ここで、アルコールの脱水水素化触媒に含まれるパラジウムは、式4で示されるアルケンの水素化反応、および式5、式6で示されるアルコールの水蒸気改質反応の両方に活性を示す。ここで、式4で示されるアルケンの水素化反応は十分高速で進行することが知られているから、触媒に含まれるパラジウムの粒径が大きくなると、式5および式6で示されるアルコールの水蒸気改質反応のみが抑制され、結果としてアルコールの脱水水素化反応の選択率が向上する、と考えられる。本発明の触媒は、パラジウムが担持された無機酸化物と、パラジウムが担持されていない固体酸触媒を含むため、無機酸化物に担持されるパラジウムは高濃度となる。例えば、10質量%のパラジウムを担持したシリカを、その9倍の質量のSiW/シリカ触媒と混合した触媒では、触媒に含まれるパラジウムは1.0質量%であるが、担持工程(含浸工程)においては、シリカに10質量%のパラジウムを担持することとなる。高濃度のパラジウムを担持すると、パラジウムの凝集が起こりやすく、パラジウム粒径は大きくなりやすい。 Here, the palladium contained in the alcohol dehydration hydrogenation catalyst is active in both the hydrogenation reaction of alkene shown in formula 4 and the steam reforming reaction of alcohol shown in formulas 5 and 6. Here, since it is known that the hydrogenation reaction of alkene shown in formula 4 proceeds at a sufficiently high speed, it is considered that when the particle size of palladium contained in the catalyst becomes large, only the steam reforming reaction of alcohol shown in formulas 5 and 6 is suppressed, and as a result, the selectivity of the dehydration hydrogenation reaction of alcohol is improved. Since the catalyst of the present invention contains an inorganic oxide on which palladium is supported and a solid acid catalyst on which palladium is not supported, the concentration of palladium supported on the inorganic oxide is high. For example, in a catalyst in which silica supporting 10% by mass of palladium is mixed with a SiW/silica catalyst having a mass 9 times that of the silica, the palladium contained in the catalyst is 1.0% by mass, but in the supporting process (impregnation process), 10% by mass of palladium is supported on the silica. When a high concentration of palladium is supported, palladium is likely to aggregate and the palladium particle size is likely to become large.

二つ目の効果は、本発明のアルコールの脱水水素化触媒には、パラジウムを担持していない固体酸触媒が含まれるため、酸強度が高いことである。触媒の酸強度が高いと、式3で示されるアルコールの脱水の進行が速くなる。式5および式6で示されるアルコールの水蒸気改質は、アルコールの脱水と競争関係にあるから、酸強度が高いと、アルコールの水蒸気改質が起こりにくくなり、アルコールの脱水水素化反応の選択率が向上する。 The second effect is that the alcohol dehydration hydrogenation catalyst of the present invention has high acid strength because it contains a solid acid catalyst that does not support palladium. When the acid strength of the catalyst is high, the dehydration of alcohol shown in formula 3 proceeds more quickly. Since the steam reforming of alcohol shown in formulas 5 and 6 is in a competitive relationship with the dehydration of alcohol, when the acid strength is high, the steam reforming of alcohol does not occur easily, and the selectivity of the alcohol dehydration hydrogenation reaction is improved.

パラジウムを担持する担体は、固体酸であっても固体酸でなくてもよい。例えば、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、ハイシリカゼオライト等のゼオライト、ケイタングステン酸等のヘテロポリ酸、およびタングステン酸化ジルコニア等の複合酸化物等が挙げられるが、ケイタングステン酸、およびタングステン酸化ジルコニア等が好ましい。 The carrier that supports palladium may or may not be a solid acid. Examples include silica, alumina, titania, zirconia, zeolites such as high silica zeolites, heteropolyacids such as tungstosilicic acid, and composite oxides such as tungsten oxide zirconia, with tungstosilicic acid and tungsten oxide zirconia being preferred.

固体酸触媒に直接パラジウムが担持されたアルコールの脱水水素化触媒のみを用いる場合、固体酸触媒上の強酸点がパラジウムによって被覆されて、アルコールの脱水水素化反応が進行しにくくなる虞がある。一方、本発明のアルコールの脱水水素化触媒では、パラジウムが担持された無機酸化物と、パラジウムが担持されていない固体酸触媒とを含むため、触媒の酸強度が高くなる。 When using only an alcohol dehydration/hydrogenation catalyst in which palladium is directly supported on a solid acid catalyst, there is a risk that the strong acid sites on the solid acid catalyst will be covered by palladium, making it difficult for the alcohol dehydration/hydrogenation reaction to proceed. On the other hand, the alcohol dehydration/hydrogenation catalyst of the present invention contains an inorganic oxide on which palladium is supported and a solid acid catalyst on which palladium is not supported, and therefore the acid strength of the catalyst is high.

本発明において、使用する固体酸触媒及び無機酸化物には特に制限はないが、250℃以上350℃以下でアルコールの脱水水素化を起こすためには酸強度が高いものが適しており、この観点ではハイシリカゼオライトやヘテロポリ酸、複合酸化物が好ましく、ケイタングステン酸、およびタングステン酸化ジルコニアが最適である。 In the present invention, there are no particular limitations on the solid acid catalyst and inorganic oxide used, but in order to cause dehydration and hydrogenation of alcohol at temperatures between 250°C and 350°C, those with high acid strength are suitable. From this perspective, high-silica zeolites, heteropolyacids, and composite oxides are preferred, with tungstosilicic acid and tungsten oxide zirconia being the most suitable.

アルコールの脱水水素化触媒におけるパラジウムの含有量(含有濃度)は、特に制限されないが、アルコールの脱水水素化触媒の全重量を基準として、0.040質量%以上5.0質量%以下であることが好ましく、0.050質量%以上5.0質量%以下であることがより好ましく、0.060質量%以上2.0%質量%以下であることが更に好ましく、0.080質量%以上1質量%以下であることが殊更に好ましく、0.10質量%以上0.50質量%以下が最も好ましい。パラジウムの担持量が0.040質量%未満である場合には、触媒活性が低くなるのに対し、5.0質量%より大きい場合には、パラジウムの使用量が多くなって経済性が低下する。 The content (concentration) of palladium in the alcohol dehydration hydrogenation catalyst is not particularly limited, but is preferably 0.040% by mass or more and 5.0% by mass or less, more preferably 0.050% by mass or more and 5.0% by mass or less, even more preferably 0.060% by mass or more and 2.0% by mass or less, even more preferably 0.080% by mass or more and 1% by mass or less, and most preferably 0.10% by mass or more and 0.50% by mass or less, based on the total weight of the alcohol dehydration hydrogenation catalyst. If the amount of palladium supported is less than 0.040% by mass, the catalytic activity will be low, whereas if it is more than 5.0% by mass, the amount of palladium used will increase, resulting in poor economic efficiency.

無機酸化物におけるパラジウムの担持量(担持濃度)は、特に制限されないが、無機酸化物の重量を基準として、0.2質量%以上15質量%以下とすることが好ましく、1.0質量%以上15質量%以下とすることがより好ましく、2.0質量%以上10質量%以下とすることが更に好ましく、5.0質量%以上8.0質量%以下とすることが最も好ましい。パラジウムの担持量を0.2質量%以上とすることで、パラジウムの粒径が大きくなるとともに、触媒に占める、パラジウムが担持されていない固体酸触媒の割合が多くなり、触媒の酸強度が高くなる。パラジウムの担持量を0.2質量%未満とするとアルコールの脱水水素化触媒として十分な性能が発揮できない虞がある。パラジウムの担持量を15質量%より大きくすると、パラジウムの使用量が多くなって経済性が低下する。 The amount of palladium supported (support concentration) in the inorganic oxide is not particularly limited, but is preferably 0.2 mass% or more and 15 mass% or less, more preferably 1.0 mass% or more and 15 mass% or less, even more preferably 2.0 mass% or more and 10 mass% or less, and most preferably 5.0 mass% or more and 8.0 mass% or less, based on the weight of the inorganic oxide. By making the amount of palladium supported 0.2 mass% or more, the particle size of palladium becomes large, and the proportion of solid acid catalyst not supporting palladium in the catalyst increases, and the acid strength of the catalyst increases. If the amount of palladium supported is less than 0.2 mass%, there is a risk that sufficient performance as a dehydration hydrogenation catalyst for alcohol cannot be exhibited. If the amount of palladium supported is greater than 15 mass%, the amount of palladium used increases, resulting in reduced economic efficiency.

パラジウムが担持された無機酸化物と、パラジウムが担持されていない固体酸触媒の質量比は、パラジウムが担持された無機酸化物を1.0として、固体酸触媒の質量が質量比で1.0以上10以下であることが好ましく、2.0以上8.0以下であることがより好ましく、3.0以上6.0以下であることが更に好ましい。パラジウムが担持されていない固体酸触媒の、パラジウムが担持された無機酸化物に対する質量比が1.0未満であると、固体酸触媒が不足して、アルコールの脱水水素化が進みにくい虞がある。パラジウムが担持されていない固体酸触媒の、パラジウムが担持された無機酸化物に対する質量比が10より大きいと、パラジウムの担持量が不足して、アルコールの脱水水素化が進みにくいという虞がある。 The mass ratio of the inorganic oxide carrying palladium to the solid acid catalyst not carrying palladium is preferably 1.0 to 10, more preferably 2.0 to 8.0, and even more preferably 3.0 to 6.0, with the inorganic oxide carrying palladium being taken as 1.0. If the mass ratio of the solid acid catalyst not carrying palladium to the inorganic oxide carrying palladium is less than 1.0, there is a risk that the amount of solid acid catalyst will be insufficient and the dehydration and hydrogenation of alcohol will not proceed smoothly. If the mass ratio of the solid acid catalyst not carrying palladium to the inorganic oxide carrying palladium is greater than 10, there is a risk that the amount of palladium carried will be insufficient and the dehydration and hydrogenation of alcohol will not proceed smoothly.

脱水水素化反応工程で用いる脱水水素化触媒は、アルコールの脱水反応(式3)およびアルケンの水素化反応(式4)に活性を有するとともに、メタン、エタン、プロパン、ブタンおよびアルコールの水蒸気改質反応に対しては、実質的に活性を示さないことが好ましい。また、脱水水素化触媒は、高温でも安定に使用できることが好ましい。触媒の高温耐性が低いと、脱水水素化反応を、長期間安定的に進行させることができず、触媒の交換頻度が高くなり、プロセス全体の運用コストが高くなる。 It is preferable that the dehydration/hydrogenation catalyst used in the dehydration/hydrogenation reaction step is active in the dehydration reaction of alcohols (Formula 3) and the hydrogenation reaction of alkenes (Formula 4), and is substantially inactive in the steam reforming reaction of methane, ethane, propane, butane, and alcohol. It is also preferable that the dehydration/hydrogenation catalyst can be used stably even at high temperatures. If the catalyst has low high-temperature resistance, the dehydration/hydrogenation reaction cannot proceed stably for a long period of time, and the catalyst needs to be replaced more frequently, resulting in high operating costs for the entire process.

〔アルコールの脱水水素化触媒の製造方法〕
本発明のアルコールの脱水水素化触媒の製造方法は、パラジウムを含む水溶液に無機酸化物を浸漬して、パラジウムを含む触媒前駆体を得る含浸工程と、前記触媒前駆体を所定温度にて焼成する焼成工程とを含む。
[Method for producing an alcohol dehydration/hydrogenation catalyst]
The method for producing a catalyst for dehydration and hydrogenation of alcohols of the present invention includes an impregnation step of immersing an inorganic oxide in an aqueous solution containing palladium to obtain a catalyst precursor containing palladium, and a calcination step of calcining the catalyst precursor at a predetermined temperature.

〔担体の準備〕
まず、触媒を担持するための担体を準備する。担体は、市販されている前述の無機酸化物を用いてもよく、使用する無機酸化物の前駆体を焼成することで作製したもの等を用いてもよい。
[Preparation of Support]
First, a support for supporting the catalyst is prepared. The support may be the above-mentioned commercially available inorganic oxide, or may be prepared by calcining a precursor of the inorganic oxide to be used.

〔含浸工程〕
含浸工程では、通常は無機酸化物等の担体に、パラジウムを含む水溶液を含浸し、所定温度にて乾燥させることでパラジウムを含む触媒前駆体を得る。この触媒前駆体は、乾燥されることでパラジウムが担体に定着する。含浸工程におけるパラジウムの担持方法については、続く焼成工程においてパラジウムがアルケンの水素化に十分な活性を有する微粒子状となる限り特に制限はない。パラジウムを含む水溶液の濃度には、特に制限はないが、触媒に適切な量のパラジウムを担持するためには、0.10質量%以上20質量%以下とすることが好ましく、0.10質量%以上10質量%以下とすることがより好ましい。
パラジウムを含む水溶液を作製する際、パラジウムの硝酸塩、パラジウムの塩化物塩等を使用できる。パラジウムを含む水溶液の量は、無機酸化物等の担体の吸水量に応じて適宜定める。
[Impregnation process]
In the impregnation step, a carrier such as an inorganic oxide is usually impregnated with an aqueous solution containing palladium and dried at a predetermined temperature to obtain a catalyst precursor containing palladium. This catalyst precursor is dried to fix palladium to the carrier. There is no particular restriction on the method of supporting palladium in the impregnation step, as long as the palladium is in the form of fine particles having sufficient activity for hydrogenating alkenes in the subsequent calcination step. There is no particular restriction on the concentration of the aqueous solution containing palladium, but in order to support an appropriate amount of palladium on the catalyst, it is preferably 0.10% by mass or more and 20% by mass or less, more preferably 0.10% by mass or more and 10% by mass or less.
When preparing the aqueous solution containing palladium, palladium nitrate, palladium chloride, etc. can be used. The amount of the aqueous solution containing palladium is appropriately determined depending on the water absorption amount of the carrier such as an inorganic oxide.

〔焼成工程〕
続く焼成工程においては、パラジウムを含む触媒前駆体を所定温度にて焼成することで、パラジウムが担持された無機酸化物を得る。パラジウムを含む水溶液が含浸された無機酸化物を高温で焼成することで、パラジウムの粒径を増大させることができ、エタン選択性が向上する。パラジウムの担体上での分散性の観点から、焼成温度は、300℃以上であることが好ましく、400℃以上900℃以下であることが更に好ましい。この温度範囲とすることで、パラジウム粒子が無機酸化物に適切な粒径及び分散性を持って担持されるため、優れたエタン選択率を有するアルコールの脱水水素化触媒を製造できる。特に、無機酸化物として耐熱性のあるアルミナ等の無機酸化物にパラジウムを担持した場合、後で混合するSiW/シリカなどの高温焼成に適さない固体酸触媒は高温焼成される必要がないため、高いエタン選択率を有するアルコールの脱水水素化触媒を得ることができる。
焼成温度が300℃未満であると、無機酸化物に含浸されたパラジウムが十分な大きさの粒子状にならない虞がある。また、焼成温度が900℃よりも大きいと、無機酸化物の構造が破壊される、無機酸化物の焼結が進行して表面積が著しく低下する、及びパラジウムの凝集が著しく進行する等の可能性がある。これらの事象が生じた場合には、触媒の活性が著しく低下し、十分なアルコールの脱水水素化反応が進行しない虞がある。
焼成工程を経て得られる、パラジウムが担持された無機酸化物の担持量は、0.2質量%以上15質量%以下とすることが好ましく、2.0質量%以上10質量%以下とすることがより好ましく、5.0質量%以上8.0質量%以下とすることがさらに好ましい。
[Firing process]
In the subsequent calcination step, the catalyst precursor containing palladium is calcined at a predetermined temperature to obtain an inorganic oxide carrying palladium. By calcining the inorganic oxide impregnated with an aqueous solution containing palladium at a high temperature, the particle size of palladium can be increased, and ethane selectivity is improved. From the viewpoint of dispersibility of palladium on the carrier, the calcination temperature is preferably 300° C. or higher, and more preferably 400° C. or higher and 900° C. or lower. By setting the temperature range, palladium particles are supported on the inorganic oxide with appropriate particle size and dispersibility, so that an alcohol dehydration hydrogenation catalyst having excellent ethane selectivity can be produced. In particular, when palladium is supported on an inorganic oxide such as alumina, which is heat-resistant as an inorganic oxide, a solid acid catalyst that is not suitable for high-temperature calcination, such as SiW/silica, which is mixed later, does not need to be calcined at high temperatures, so that an alcohol dehydration hydrogenation catalyst having high ethane selectivity can be obtained.
If the calcination temperature is less than 300° C., the palladium impregnated in the inorganic oxide may not be formed into particles of sufficient size. If the calcination temperature is more than 900° C., the structure of the inorganic oxide may be destroyed, the inorganic oxide may be sintered to significantly reduce the surface area, and the aggregation of palladium may significantly progress. If these phenomena occur, the activity of the catalyst may be significantly reduced, and the dehydration and hydrogenation reaction of alcohol may not proceed sufficiently.
The amount of palladium supported on the inorganic oxide obtained through the calcination step is preferably 0.2% by mass or more and 15% by mass or less, more preferably 2.0% by mass or more and 10% by mass or less, and even more preferably 5.0% by mass or more and 8.0% by mass or less.

〔混合工程〕
混合工程においては、パラジウムが担持された無機酸化物と、パラジウムが担持されていない固体酸触媒とを容器に入れて混合する。このような構成とすることで、後で混合されるパラジウムが担持されていない固体酸触媒を高温で焼成する必要がないため、耐熱性の低い固体酸触媒を使用することができる。パラジウムが担持された無機酸化物と、パラジウムが担持されていない固体酸触媒の質量比は、パラジウムが担持された無機酸化物を1として、質量比で1.0以上10以下であることが好ましく、2.0以上8.0以下であることがより好ましく、3.0以上6.0以下であることが更に好ましい。パラジウムが担持されていない固体酸触媒の、パラジウムが担持された無機酸化物に対する質量比が1.0未満であると、固体酸触媒が不足して、アルコールの脱水水素化が進みにくい虞がある。パラジウムが担持されていない固体酸触媒の、パラジウムが担持された無機酸化物に対する質量比が10より大きいと、パラジウムの担持量(担持濃度)が不足して、アルコールの脱水水素化が進みにくいという虞がある。
固体酸触媒に直接パラジウムが担持されたアルコールの脱水水素化触媒のみを用いる場合、パラジウムの担持工程において、固体酸触媒上の強酸点がパラジウムによって被覆されて、アルコールの脱水水素化反応が進行しにくくなる虞がある。一方、本発明のアルコールの脱水水素化触媒では、パラジウムが担持された無機酸化物を合成した後に、パラジウムが担持されていない固体酸触媒を混合する混合工程を経るため、触媒の酸強度が高くなる。
[Mixing process]
In the mixing step, the inorganic oxide carrying palladium and the solid acid catalyst not carrying palladium are mixed in a container. With this configuration, it is not necessary to calcinate the solid acid catalyst not carrying palladium at a high temperature, which is to be mixed later, so that a solid acid catalyst with low heat resistance can be used. The mass ratio of the inorganic oxide carrying palladium to the solid acid catalyst not carrying palladium is preferably 1.0 to 10, more preferably 2.0 to 8.0, and even more preferably 3.0 to 6.0, with the inorganic oxide carrying palladium being 1. If the mass ratio of the solid acid catalyst not carrying palladium to the inorganic oxide carrying palladium is less than 1.0, there is a risk that the solid acid catalyst will be insufficient and dehydration of alcohol will not proceed easily. If the mass ratio of the solid acid catalyst not supporting palladium to the inorganic oxide supporting palladium is greater than 10, the amount of palladium supported (supporting concentration) may be insufficient, and the dehydration and hydrogenation of alcohol may not proceed smoothly.
When only an alcohol dehydration/hydrogenation catalyst in which palladium is directly supported on a solid acid catalyst is used, there is a risk that the strong acid sites on the solid acid catalyst are covered with palladium in the palladium supporting step, making it difficult for the alcohol dehydration/hydrogenation reaction to proceed. On the other hand, in the alcohol dehydration/hydrogenation catalyst of the present invention, after the inorganic oxide on which palladium is supported is synthesized, a mixing step is performed in which a solid acid catalyst on which palladium is not supported is mixed, and therefore the acid strength of the catalyst is increased.

〔脱水水素化反応工程の実施例〕
以下では、メタン化反応器10として図8に示す反応器の構成を採用し、当該メタン化反応器10の下流に、固定床断熱反応器として構成された脱水水素化反応器20(不図示)を設けた場合を例として説明する。なお、この例において、メタン化反応器10ではメタン化反応およびCOシフト反応が平衡に達し、炭素数2以上4以下のアルコール3としてエタノールを用い、脱水水素化反応器20では、エタノールの脱水反応およびエチレンの水素化反応が平衡に達しているものとする。
[Example of dehydration hydrogenation reaction process]
8 is used as the methanation reactor 10, and a dehydration/hydrogenation reactor 20 (not shown) configured as a fixed-bed adiabatic reactor is provided downstream of the methanation reactor 10. In this example, it is assumed that the methanation reaction and the CO shift reaction reach equilibrium in the methanation reactor 10, ethanol is used as the alcohol 3 having a carbon number of 2 to 4, and the dehydration reaction of ethanol and the hydrogenation reaction of ethylene reach equilibrium in the dehydration/hydrogenation reactor 20.

以下の例では、メタン化反応器10における熱交換型反応器12dの反応温度を250℃に設定した。また、脱水水素化反応器20は、入口温度を250℃とし、断熱条件で反応が進行するようにした。なお、反応圧力は、メタン化反応器10および脱水水素化反応器20の双方において、0.70MPaとした。この場合に得られる燃料ガス4の水素および二酸化炭素の濃度を、メタン化反応器10に供給された混合ガス1の水素/二酸化炭素のモル比に対して示すと、図11および図12の通りとなる。 In the following example, the reaction temperature of the heat exchange reactor 12d in the methanation reactor 10 was set to 250°C. The inlet temperature of the dehydration hydrogenation reactor 20 was set to 250°C so that the reaction proceeded under adiabatic conditions. The reaction pressure was set to 0.70 MPa in both the methanation reactor 10 and the dehydration hydrogenation reactor 20. The hydrogen and carbon dioxide concentrations of the fuel gas 4 obtained in this case are shown in Figures 11 and 12 relative to the hydrogen/carbon dioxide molar ratio of the mixed gas 1 supplied to the methanation reactor 10.

図11は、エタノールの添加量を燃料ガス2に含まれる水素に対するモル比で0.90とした場合について、混合ガス1の組成と、燃料ガス4の水素および二酸化炭素の濃度との関係を示している。混合ガス1の水素/二酸化炭素のモル比を4.0とした場合、水素濃度は0.44%、二酸化炭素濃度は1.09%となる。同様の条件においてメタン化反応工程だけを行った場合は、水素濃度は4.4%、二酸化炭素濃度は1.1%である(図9)から、脱水水素化反応工程によって、メタン化工程により得られた燃料ガス2の水素濃度が大幅に低減されていることがわかる。また、水素/二酸化炭素のモル比を4.04とした場合、水素濃度は0.55%、二酸化炭素濃度は0.43%、メタン濃度は94.1%、エタン濃度は4.9%となって、炭化水素(メタン+エタン)成分の濃度は99%を超える。メタン化反応工程だけを行った場合は、水素濃度は5.5%、二酸化炭素濃度は0.43%であるから、この場合においても、脱水水素化反応工程によって大幅に水素濃度が低減されていることがわかる。 Figure 11 shows the relationship between the composition of mixed gas 1 and the concentrations of hydrogen and carbon dioxide in fuel gas 4 when the molar ratio of ethanol to hydrogen contained in fuel gas 2 is 0.90. When the hydrogen/carbon dioxide molar ratio of mixed gas 1 is 4.0, the hydrogen concentration is 0.44% and the carbon dioxide concentration is 1.09%. When only the methanation reaction process is performed under similar conditions, the hydrogen concentration is 4.4% and the carbon dioxide concentration is 1.1% (Figure 9), so it can be seen that the hydrogen concentration of fuel gas 2 obtained by the methanation process is significantly reduced by the dehydration reaction process. Also, when the hydrogen/carbon dioxide molar ratio is 4.04, the hydrogen concentration is 0.55%, the carbon dioxide concentration is 0.43%, the methane concentration is 94.1%, and the ethane concentration is 4.9%, and the concentration of hydrocarbons (methane + ethane) exceeds 99%. When only the methanation reaction process was performed, the hydrogen concentration was 5.5% and the carbon dioxide concentration was 0.43%, so even in this case, it can be seen that the hydrogen concentration was significantly reduced by the dehydration reaction process.

メタン化反応工程と脱水水素化反応工程とを、いずれも同じ入口温度(250℃)で行っているにもかかわらず、メタン化反応工程では水素が残留し、脱水水素化反応工程では水素が減少することは、次の理由による。二酸化炭素のメタン化反応は、水素1モルあたり41kJの発熱反応である。一方、エチレンの水素化反応は、やや大きい発熱(エチレン1モルあたり136.0kJの発熱)を伴う反応であり、エタノールの脱水反応(エタノール1モルあたり45.0kJの吸熱)と合わせても、水素1モルあたり約90.0kJの発熱反応となる。従って、エタノールの脱水によるエチレン生成と、これに引き続くエチレンの水素化と、によるエタンの生成は、平衡的に著しくエタン生成側に偏っている。このため、メタン化反応工程では水素が残留するような温度条件であっても、脱水水素化反応が十分に進行する。 Although both the methanation reaction process and the dehydration/hydrogenation reaction process are carried out at the same inlet temperature (250°C), hydrogen remains in the methanation reaction process and hydrogen is reduced in the dehydration/hydrogenation reaction process for the following reasons. The methanation reaction of carbon dioxide is an exothermic reaction that generates 41 kJ per mole of hydrogen. On the other hand, the hydrogenation reaction of ethylene is a reaction that generates a slightly large amount of heat (136.0 kJ per mole of ethylene), and even when combined with the dehydration reaction of ethanol (endothermic heat of 45.0 kJ per mole of ethanol), it is an exothermic reaction of about 90.0 kJ per mole of hydrogen. Therefore, the equilibrium between the production of ethylene by dehydration of ethanol and the production of ethane by the subsequent hydrogenation of ethylene is significantly biased toward the production of ethane. For this reason, the dehydration/hydrogenation reaction proceeds sufficiently even under temperature conditions where hydrogen remains in the methanation reaction process.

炭素数2以上4以下のアルコール3として、エタノールに代えて、1-プロパノールを用いた場合、脱水反応による吸熱は、1-プロパノール1モルあたり33.0kJの吸熱、プロピレンの水素化反応は、プロピレン1モルあたり125.0kJの発熱で、脱水水素化反応全体では、水素1モルあたり約90.0kJの発熱反応となる。他の炭素数2以上4以下のアルコールを用いた場合も、脱水水素化反応全体では、水素1モルあたり60.0~90.0kJ程度の発熱反応となって、同様に脱水水素化反応が十分に進行する。 When 1-propanol is used instead of ethanol as the alcohol 3 having 2 to 4 carbon atoms, the endothermic heat generated by the dehydration reaction is 33.0 kJ per mole of 1-propanol, and the hydrogenation reaction of propylene generates heat of 125.0 kJ per mole of propylene, resulting in an exothermic reaction of approximately 90.0 kJ per mole of hydrogen for the entire dehydration/hydrogenation reaction. When other alcohols having 2 to 4 carbon atoms are used, the entire dehydration/hydrogenation reaction generates heat of approximately 60.0 to 90.0 kJ per mole of hydrogen, and the dehydration/hydrogenation reaction similarly proceeds satisfactorily.

脱水水素化反応工程では、二酸化炭素は減少させることができない。メタン化反応に供する水素/二酸化炭素のモル比を4.0よりもわずかに高めて、水素がやや過剰な条件でメタン化反応工程を行うと、メタン化反応工程後の燃料ガス2中の二酸化炭素濃度を低減することができる。ここで、水素を過剰に加えたことによって、燃料ガス2中の水素濃度が上昇するが、当該水素は脱水水素化反応工程で減少させることができる。メタン化反応工程に供する混合ガス1の水素/二酸化炭素のモル比を4.04とすると、得られる燃料ガス中の水素濃度は0.55%、二酸化炭素濃度は0.43%となる。すなわち、メタン化工程のみによっては5.0MPaという高圧の反応条件でも達成できない水素濃度2.0%以下、二酸化炭素濃度0.50%以下の品質基準が、本実施形態に係る方法を用いると、0.70MPaという低い圧力での反応で達成できる。 In the dehydration hydrogenation reaction process, the carbon dioxide cannot be reduced. If the hydrogen/carbon dioxide molar ratio used in the methanation reaction is slightly higher than 4.0 and the methanation reaction process is performed under conditions of a slight excess of hydrogen, the carbon dioxide concentration in the fuel gas 2 after the methanation reaction process can be reduced. Here, the hydrogen concentration in the fuel gas 2 increases due to the excess addition of hydrogen, but this hydrogen can be reduced in the dehydration hydrogenation reaction process. If the hydrogen/carbon dioxide molar ratio of the mixed gas 1 used in the methanation reaction process is 4.04, the hydrogen concentration in the resulting fuel gas will be 0.55% and the carbon dioxide concentration will be 0.43%. In other words, the quality standards of a hydrogen concentration of 2.0% or less and a carbon dioxide concentration of 0.50% or less, which cannot be achieved even under high-pressure reaction conditions of 5.0 MPa by the methanation process alone, can be achieved by a reaction at a low pressure of 0.70 MPa by using the method according to this embodiment.

メタン化反応工程に供する混合ガス1の水素/二酸化炭素のモル比をさらに高めれば、得られる燃料ガス中の二酸化炭素濃度はさらに低減できる。例えば、メタン化反応工程に供する混合ガス1の水素/二酸化炭素のモル比を4.2とすると、得られる燃料ガス中の水素濃度は1.7%、二酸化炭素濃度は0.10%以下となる。また、メタン濃度は83.3%、エタン濃度は15.0%となって、燃料ガス1mあたりの発熱量は44.0MJとなり、一般的な天然ガス系都市ガスとほぼ同じ性状のガスとなる。 If the hydrogen/carbon dioxide molar ratio of the mixed gas 1 to be subjected to the methanation reaction step is further increased, the carbon dioxide concentration in the resulting fuel gas can be further reduced. For example, if the hydrogen/carbon dioxide molar ratio of the mixed gas 1 to be subjected to the methanation reaction step is 4.2, the hydrogen concentration in the resulting fuel gas will be 1.7% and the carbon dioxide concentration will be 0.10% or less. In addition, the methane concentration will be 83.3%, the ethane concentration will be 15.0%, and the calorific value per 1 m3 of fuel gas will be 44.0 MJ, which is a gas with almost the same properties as general natural gas-based city gas.

一方で、添加する炭素数2以上4以下のアルコール3がより多く必要になることに加えて、断熱条件で脱水水素化反応を行う場合には、脱水水素化反応の出口温度が高くなり、アルケン濃度が高くなることで、炭素析出による触媒の劣化や、水蒸気改質反応の併発にともなう水素および二酸化炭素濃度の上昇も懸念される。この観点では、メタン化反応工程に供する混合ガス1の水素/二酸化炭素のモル比は4.08を超えないようにするのが好ましい。水素/二酸化炭素のモル比が4.04以上4.08以下の範囲であれば、水素濃度2%以下、二酸化炭素濃度0.50%以下の品質基準を達成しやすい。 On the other hand, in addition to the need to add more alcohol 3 having a carbon number of 2 to 4, when the dehydration hydrogenation reaction is performed under adiabatic conditions, the outlet temperature of the dehydration hydrogenation reaction increases, and the alkene concentration increases, which may lead to deterioration of the catalyst due to carbon deposition and an increase in the hydrogen and carbon dioxide concentrations due to the simultaneous occurrence of a steam reforming reaction. From this perspective, it is preferable that the hydrogen/carbon dioxide molar ratio of the mixed gas 1 to be subjected to the methanation reaction process does not exceed 4.08. If the hydrogen/carbon dioxide molar ratio is in the range of 4.04 to 4.08, it is easy to achieve the quality standards of a hydrogen concentration of 2% or less and a carbon dioxide concentration of 0.50% or less.

図12は、エタノールの添加量を燃料ガス2に含まれる水素に対するモル比で0.50とした場合について、混合ガス1の組成と、燃料ガス4の水素および二酸化炭素の濃度との関係を示している。図12の例では、図11の例に比べてエタノールの添加量が少ないことから、得られる燃料ガス4中の水素濃度が図11と比較すると高くなるものの、図9との比較では、燃料ガス4中の水素濃度が低減されていることが理解される。混合ガス1の水素/二酸化炭素のモル比が4.04以上4.08以下の範囲であれば、水素濃度4.0%以下、二酸化炭素濃度0.50%以下、炭化水素以外の成分4%以下の品質基準をすべて達成しうる。この条件は、0.70MPaにおけるメタン化反応では、メタン化反応に供する混合ガスの水素/二酸化炭素のモル比をどのように設定しても実現することのできないことから、本発明の方法が、高圧の反応設備を用いることなく、高い品質の燃料ガスを製造するうえで有用であることが明らかである。なお、この場合であっても、上記と同様に、炭素酸化物として一酸化炭素および二酸化炭素の少なくとも一方を含む場合、メタン化反応工程に供給される水素と炭素酸化物との比率が、物質量基準で計算される{(水素)+(一酸化炭素)}/{(一酸化炭素)+(二酸化炭素)}の値が4.04以上4.08以下を満たす比率であれば、上記品質基準を達成し易い。 Figure 12 shows the relationship between the composition of the mixed gas 1 and the concentrations of hydrogen and carbon dioxide in the fuel gas 4 when the amount of ethanol added is 0.50 in molar ratio to the hydrogen contained in the fuel gas 2. In the example of Figure 12, the amount of ethanol added is less than that of the example of Figure 11, so the hydrogen concentration in the resulting fuel gas 4 is higher than that of Figure 11, but it can be understood that the hydrogen concentration in the fuel gas 4 is reduced compared to Figure 9. If the hydrogen/carbon dioxide molar ratio of the mixed gas 1 is in the range of 4.04 to 4.08, all of the quality standards of hydrogen concentration 4.0% or less, carbon dioxide concentration 0.50% or less, and components other than hydrocarbons 4% or less can be achieved. This condition cannot be achieved in a methanation reaction at 0.70 MPa, no matter how the hydrogen/carbon dioxide molar ratio of the mixed gas to be subjected to the methanation reaction is set, so it is clear that the method of the present invention is useful for producing high-quality fuel gas without using high-pressure reaction equipment. Even in this case, as in the above, when at least one of carbon monoxide and carbon dioxide is contained as carbon oxides, if the ratio of hydrogen to carbon oxides supplied to the methanation reaction process is a ratio that satisfies the value of {(hydrogen) + (carbon monoxide)} / {(carbon monoxide) + (carbon dioxide)} calculated on a substance mass basis of 4.04 or more and 4.08 or less, the above quality standard is easily achieved.

〔その他の実施形態〕
最後に、本発明に係る燃料ガスの製造方法のその他の実施形態について説明する。なお、以下のそれぞれの実施形態で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することも可能である。
Other embodiments
Finally, other embodiments of the method for producing fuel gas according to the present invention will be described. Note that the configurations disclosed in the following embodiments can be combined with the configurations disclosed in other embodiments as long as no contradiction occurs.

本実施形態では、担体をパラジウムを含む水溶液に浸漬してパラジウムを含む触媒前駆体を作製し、当該触媒前駆体を所定温度で焼成する態様を示したが、担体へのパラジウムの担持(含浸)方法については、担持(含浸)されたパラジウムがアルケンの水素化に十分な活性を有する微粒子状である限り特に制限はない。 In this embodiment, a catalyst precursor containing palladium is produced by immersing a carrier in an aqueous solution containing palladium, and the catalyst precursor is calcined at a predetermined temperature. However, there are no particular limitations on the method of supporting (impregnating) palladium on the carrier, as long as the supported (impregnated) palladium is in the form of fine particles that have sufficient activity for hydrogenating alkenes.

本発明のアルコール脱水水素化触媒の製造方法の別の実施形態は、水素と炭素酸化物とをメタン化触媒の存在下でメタン化反応させることで得られる、脱水後の体積基準で水素を2.0%以上20%以下含む第一燃料ガスを、炭素数2以上4以下のアルコールの存在下に処理して、炭素数2以上4以下のアルカンを含み水素濃度が減少した第二燃料ガスに変換するための、アルコールの脱水水素化触媒の製造方法であって、担体にパラジウムを含む水溶液が含浸された触媒前駆体と、パラジウムが担持されていない固体酸触媒とを混合した後に焼成する焼成工程を含むものである。このような構成とすることで、混合前において、触媒前駆体に比較的高濃度でパラジウムが含浸されているような場合には、パラジウムが担持されていない固体酸触媒の前駆体とを混合して焼成することで、製造されるアルコールの脱水水素化触媒全体としては、パラジウムは低濃度となり、経済性に優れた触媒を製造できる。 Another embodiment of the method for producing an alcohol dehydration hydrogenation catalyst of the present invention is a method for producing an alcohol dehydration hydrogenation catalyst, which is obtained by subjecting hydrogen and carbon oxides to a methanation reaction in the presence of a methanation catalyst and containing 2.0% to 20% hydrogen on a volume basis after dehydration, and which is converted into a second fuel gas containing alkanes having 2 to 4 carbon atoms and having a reduced hydrogen concentration by treating the first fuel gas in the presence of an alcohol having 2 to 4 carbon atoms, and which includes a calcination step in which a catalyst precursor in which a support is impregnated with an aqueous solution containing palladium and a solid acid catalyst not carrying palladium are mixed and then calcined. With this configuration, in cases in which the catalyst precursor is impregnated with a relatively high concentration of palladium before mixing, the alcohol dehydration hydrogenation catalyst produced as a whole has a low concentration of palladium, and an economically excellent catalyst can be produced.

尚、担体にパラジウムを含む水溶液が含浸された触媒前駆体に代えて、担体である無機酸化物にパラジウムが担持された市販の触媒を使用してもよい。このような場合、含浸工程を行う必要がなく、経済的に触媒を製造することが可能となる。 In addition, instead of a catalyst precursor in which a support is impregnated with an aqueous solution containing palladium, a commercially available catalyst in which palladium is supported on an inorganic oxide support may be used. In such a case, there is no need to perform an impregnation step, making it possible to produce the catalyst economically.

また、本実施形態では、混合工程の前に、パラジウムを含む触媒前駆体を400℃以上で焼成してパラジウムが担持された前記無機酸化物を得る焼成工程を含むものであったが、本発明のアルコール脱水水素化触媒の製造方法の別の実施形態として、これらの工程に代えて、パラジウムが担持された無機酸化物として市販のパラジウムが担体に担持された触媒を用いるとともに、パラジウムが担持されていない固体酸触媒とを混合する混合工程を含むものであってもよい。 In addition, in this embodiment, the calcination step is included before the mixing step, in which the catalyst precursor containing palladium is calcined at 400°C or higher to obtain the inorganic oxide on which palladium is supported. However, as another embodiment of the method for producing an alcohol dehydration hydrogenation catalyst of the present invention, instead of these steps, a mixing step may be included in which a commercially available catalyst in which palladium is supported on a carrier is used as the inorganic oxide on which palladium is supported, and the solid acid catalyst on which palladium is not supported is mixed.

このような場合、含浸工程及び焼成工程を行う必要がなく、経済的に触媒を製造することが可能となる。また、市販のパラジウムが担体に担持された触媒とパラジウムが担持されていない固体酸触媒とを高温で焼成する必要がないため、耐熱性の低い無機酸化物及び固体酸触媒を使用することができる。 In such cases, there is no need to perform the impregnation and calcination steps, making it possible to produce the catalyst economically. In addition, there is no need to calcinate a commercially available catalyst in which palladium is supported on a carrier and a solid acid catalyst in which palladium is not supported at high temperatures, so inorganic oxides and solid acid catalysts with low heat resistance can be used.

さらに、本発明のアルコール脱水水素化触媒の製造方法の別の実施形態は、水素と炭素酸化物とをメタン化触媒の存在下でメタン化反応させることで得られる、脱水後の体積基準で水素を2.0%以上20%以下含む第一燃料ガスを、炭素数2以上4以下のアルコールの存在下に処理して、炭素数2以上4以下のアルカンを含み水素濃度が減少した第二燃料ガスに変換するための、アルコールの脱水水素化触媒の製造方法であって、パラジウムを担持した無機酸化物と固体酸触媒の前駆体とを含む混合物を焼成する焼成工程を含むものである。 Furthermore, another embodiment of the method for producing an alcohol dehydration hydrogenation catalyst of the present invention is a method for producing an alcohol dehydration hydrogenation catalyst, which involves treating a first fuel gas containing 2.0% to 20% hydrogen by volume after dehydration, obtained by subjecting hydrogen and carbon oxides to a methanation reaction in the presence of a methanation catalyst, in the presence of an alcohol having a carbon number of 2 to 4, to convert the first fuel gas into a second fuel gas containing alkanes having a carbon number of 2 to 4 and having a reduced hydrogen concentration, and includes a calcination step of calcining a mixture containing an inorganic oxide supporting palladium and a precursor of a solid acid catalyst.

パラジウムを担持した無機酸化物としては、例えば、パラジウムを担持した市販の触媒又はパラジウムを含む水溶液を含浸した触媒前駆体等を使用できる。パラジウムが担持されていない固体酸触媒の前駆体としては、例えば、NH型ゼオライト等、触媒として機能するために焼成工程を含むものを使用できる。その結果、NH型ゼオライトはプロトン型ゼオライトとなり、強い固体酸性を示すようになる。 As the inorganic oxide carrying palladium, for example, a commercially available catalyst carrying palladium or a catalyst precursor impregnated with an aqueous solution containing palladium can be used. As the precursor of a solid acid catalyst not carrying palladium, for example, NH4 type zeolite, which includes a calcination process to function as a catalyst, can be used. As a result, the NH4 type zeolite becomes a proton type zeolite and exhibits strong solid acidity.

このような構成とすることで、混合前において、パラジウムを担持した無機酸化物に比較的高濃度でパラジウムが担持されているような場合には、パラジウムが担持されていない固体酸触媒の前駆体とを混合して焼成することで、製造されるアルコールの脱水水素化触媒全体としてはパラジウムは低濃度となり、経済性に優れた触媒を製造できる。 By adopting this configuration, if the inorganic oxide supporting palladium has a relatively high concentration of palladium supported on it before mixing, mixing it with a precursor of a solid acid catalyst that does not support palladium and calcining it will result in a low concentration of palladium in the overall alcohol dehydration hydrogenation catalyst produced, making it possible to produce an economical catalyst.

尚、担体である無機酸化物は、パラジウムが担持されていない固体酸触媒と同じ種類の固体酸触媒であってもよく、パラジウムが担持されていない固体酸触媒と異なっていてもよく、固体酸触媒でなくてもよい。このようにして触媒を製造する場合には、パラジウムを担持する担体として自由に無機酸化物を選ぶことができるため、適切な無機酸化物を選択することで、パラジウムの分散度や担持濃度などを幅広く制御することができる。
また、担体は市販のものを使用してもよく、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、タングステン酸化ジルコニア、ゼオライト等の前駆体を焼成すること等により作製したものを使用してもよい。
The inorganic oxide carrier may be the same type of solid acid catalyst as the solid acid catalyst not supporting palladium, may be different from the solid acid catalyst not supporting palladium, or may not be a solid acid catalyst. When producing the catalyst in this manner, an inorganic oxide can be freely selected as a carrier for supporting palladium, and therefore, by selecting an appropriate inorganic oxide, the dispersion degree and supporting concentration of palladium can be widely controlled.
The carrier to be used may be a commercially available product, or may be prepared by, for example, calcining a precursor of silica, alumina, titania, zirconia, tungsten oxide zirconia, zeolite, or the like.

本実施形態では、メタン化反応工程に用いるメタン化反応器10を、図8に示すような、リサイクルラインを有する固定床断熱反応器と、熱交換型反応器とを組み合わせた構成とした例について特に説明した。しかし、本発明に係るメタン化反応工程において用いる反応器は、水素を2.0体積%以上20体積%以下含む燃料ガスが得られる限りにおいて、特に限定されない。かかる反応器としては、固定床断熱多段反応器や、1段式または多段式の熱交換型反応器などが例示される。 In this embodiment, the methanation reactor 10 used in the methanation reaction process is a combination of a fixed-bed adiabatic reactor having a recycle line and a heat exchange reactor, as shown in FIG. 8. However, the reactor used in the methanation reaction process according to the present invention is not particularly limited as long as it can produce a fuel gas containing 2.0% by volume or more and 20% by volume or less of hydrogen. Examples of such reactors include a fixed-bed adiabatic multi-stage reactor and a single-stage or multi-stage heat exchange reactor.

本実施形態では、メタン化反応工程における圧力を0.70MPaとする例について特に説明した。しかし、本発明に係るメタン化反応工程における圧力は、水素を2.0体積%以上20体積%以下含む燃料ガスが得られる限りにおいて、特に限定されない。ただし、圧力が0.50MPa以上であると、メタン化反応工程において得られる燃料ガス中の水素および二酸化炭素の含有量が低減されることから、最終生成物の燃料ガス中の水素および二酸化炭素の含有量も低減しやすい。また、メタン化反応工程に用いる設備のコストを低減しやすいことから、圧力が3.0MPa以下であることが好ましく、1.0MPa以下であることがより好ましい。 In this embodiment, an example in which the pressure in the methanation reaction process is 0.70 MPa has been particularly described. However, the pressure in the methanation reaction process according to the present invention is not particularly limited as long as a fuel gas containing 2.0 volume % or more and 20 volume % or less of hydrogen is obtained. However, if the pressure is 0.50 MPa or more, the hydrogen and carbon dioxide contents in the fuel gas obtained in the methanation reaction process are reduced, and therefore the hydrogen and carbon dioxide contents in the final product fuel gas are also likely to be reduced. In addition, since it is easy to reduce the cost of the equipment used in the methanation reaction process, the pressure is preferably 3.0 MPa or less, and more preferably 1.0 MPa or less.

本実施形態では、脱水水素化反応工程に用いる脱水水素化反応器20を、固定床断熱反応器として構成した例について特に説明した。しかし本発明に係る脱水水素化反応工程において用いる反応器は、式3および式4で表される反応が進行する限りにおいて、特に限定されない。かかる反応器としては、リサイクルラインを有する固定床断熱反応器や、熱交換型反応器などが例示される。 In this embodiment, the dehydration/hydrogenation reactor 20 used in the dehydration/hydrogenation reaction process is configured as a fixed-bed adiabatic reactor. However, the reactor used in the dehydration/hydrogenation reaction process according to the present invention is not particularly limited as long as the reactions represented by formulas 3 and 4 proceed. Examples of such reactors include a fixed-bed adiabatic reactor having a recycle line and a heat exchange reactor.

本実施形態では、脱水水素化反応工程における圧力を0.70MPaとする例について特に説明した。しかし、本発明に係る脱水水素化反応工程における圧力は、式3および式4で表される反応が進行する限りにおいて、特に限定されない。ただし、圧力が0.50MPa以上であると、脱水水素化触媒を多量に用いることなく、得られる燃料ガス中の水素および二酸化炭素の含有量を低減しやすい。また、脱水水素化反応工程に用いる設備のコストを低減しやすいことから、圧力が3.0MPa以下であることが好ましく、1.0MPa以下であることがより好ましい。 In this embodiment, an example in which the pressure in the dehydration hydrogenation reaction process is 0.70 MPa has been described in particular. However, the pressure in the dehydration hydrogenation reaction process according to the present invention is not particularly limited as long as the reactions represented by formulas 3 and 4 proceed. However, if the pressure is 0.50 MPa or more, it is easy to reduce the hydrogen and carbon dioxide contents in the resulting fuel gas without using a large amount of dehydration hydrogenation catalyst. In addition, since it is easy to reduce the cost of the equipment used in the dehydration hydrogenation reaction process, the pressure is preferably 3.0 MPa or less, and more preferably 1.0 MPa or less.

本実施形態では、メタン化反応工程と脱水水素化反応工程との圧力を同一(0.70MPa)とした例について特に説明した。しかし、本発明に係るメタン化反応工程および脱水水素化反応工程において、圧力は同一であってもよいし、異なっていてもよい。 In this embodiment, an example in which the pressure in the methanation reaction process and the dehydration/hydrogenation reaction process are the same (0.70 MPa) has been described in particular. However, in the methanation reaction process and the dehydration/hydrogenation reaction process according to the present invention, the pressure may be the same or different.

また、本発明は、従来公知のメタン転化率の向上手段の併用を排除するものではなく、例えば、多段型反応の途中段で、反応ガスを冷却して水蒸気の一部を凝縮、分離する構成としてもよい。この場合でも、本発明の方法を用いると、水蒸気を極端に除去することなく、燃料ガス中の水素および二酸化炭素濃度を低下させることができる。 The present invention does not exclude the use of conventionally known means for improving methane conversion. For example, the reaction gas may be cooled in the middle of a multi-stage reaction to condense and separate a portion of the water vapor. Even in this case, the method of the present invention can be used to reduce the hydrogen and carbon dioxide concentrations in the fuel gas without excessively removing water vapor.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below based on examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
水酸化ジルコニウム(太陽鉱工社製;Z-999-D)78gとメタタングステン酸アンモニウム水溶液(日本無機化学工業社製;MW-2、WOとして50質量%含有)21gとを混合し、純水50gを加えて、湿式混練した。湯浴中で蒸発乾固し、120℃の乾燥器で一晩乾燥した後、800℃で4時間焼成してWO/ZrOを得た。得られたWO/ZrO 35gを、Pdとして0.35gを含有する硝酸パラジウム水溶液に含浸し、湯浴中で蒸発乾固し、120℃の乾燥器で一晩乾燥したのち、空気中350℃で4時間焼成して、WO/ZrOに1質量%パラジウムが担持されてなる触媒A‘(1.0%Pd/WO/ZrO触媒)を得た。これを質量基準で4倍量の、パラジウムが担持されていないWO/ZrOと混合し、触媒A(1.0%Pd/WO/ZrO+WO/ZrO(20:80))とした。なお、触媒A全体における、パラジウムの含有量は0.2質量%である。
Example 1
78 g of zirconium hydroxide (Taiyo Koko Co., Ltd.; Z-999-D) and 21 g of an aqueous solution of ammonium metatungstate (Nippon Inorganic Chemical Industry Co., Ltd.; MW-2, containing 50% by mass as WO 3 ) were mixed, and 50 g of pure water was added and wet kneaded. The mixture was evaporated to dryness in a hot water bath, dried overnight in a dryer at 120°C, and then calcined at 800°C for 4 hours to obtain WO 3 /ZrO 2. 35 g of the obtained WO 3 /ZrO 2 was impregnated with an aqueous solution of palladium nitrate containing 0.35 g as Pd, evaporated to dryness in a hot water bath, dried overnight in a dryer at 120°C, and then calcined at 350°C in air for 4 hours to obtain catalyst A' (1.0% Pd/WO 3 /ZrO 2 catalyst) in which 1% by mass of palladium was supported on WO 3 /ZrO 2 . This was mixed with four times the mass of WO3 / ZrO2 not carrying palladium to prepare catalyst A (1.0% Pd/ WO3 / ZrO2 + WO3 / ZrO2 (20:80)). The palladium content in the entire catalyst A was 0.2 mass%.

触媒Aを打錠成型して、1.0~2.5mmに分級し、その6.0mLをSUS製反応管(内径16mm)に充填し、水素2.0%、残部窒素のガスを流通しながら、電気炉で加熱して、240℃まで昇温したのち、水素10%、残部窒素のガスを流通して1時間保持し、さらに水素20%、残部窒素のガスを流通して2時間保持することで、触媒の還元処理を行った。還元処理が完了した後、反応管を昇温して270℃に保った。 Catalyst A was tableted and classified into 1.0-2.5 mm tablets. 6.0 mL of the tablets were filled into a SUS reaction tube (inner diameter 16 mm). The tube was heated in an electric furnace while passing 2.0% hydrogen, the balance nitrogen gas, until the temperature reached 240°C. After that, 10% hydrogen, the balance nitrogen gas was passed through and the temperature was maintained for 1 hour, and then 20% hydrogen, the balance nitrogen gas was passed through and the temperature was maintained for 2 hours, thereby reducing the catalyst. After the reduction process was completed, the temperature of the reaction tube was raised and maintained at 270°C.

メタン32.6体積%、水蒸気65.3体積%、水素1.9体積%および二酸化炭素0.15体積%からなる燃料ガス(第一燃料ガス)毎分400mL(0℃、101.325kPaの標準状態における体積)に、エタノールを添加して、燃料ガス中の水素に対するエタノールのモル比が0.70となるように調整した。このエタノールを添加した燃料ガスを、反応管の温度を270℃とし、圧力0.70MPa(絶対圧)の条件のもとで、前記触媒に通じた。 Ethanol was added to 400 mL per minute (volume at standard conditions of 0°C and 101.325 kPa) of fuel gas (first fuel gas) consisting of 32.6 vol% methane, 65.3 vol% water vapor, 1.9 vol% hydrogen, and 0.15 vol% carbon dioxide, so that the molar ratio of ethanol to hydrogen in the fuel gas was 0.70. This fuel gas with added ethanol was passed through the catalyst at a reaction tube temperature of 270°C and a pressure of 0.70 MPa (absolute pressure).

メタン32.6体積%、水蒸気65.3体積%、水素1.9体積%および二酸化炭素0.15体積%の組成は、物質量基準で計算される(水素)/(二酸化炭素)の値が4.04のガスを温度250℃、圧力0.70MPa(絶対圧)でメタン化反応させた場合の平衡組成に対応しており、第一工程(メタン化工程)で得た、脱水後の体積基準で水素を約5.5%含む燃料ガス(第一燃料ガス)を模擬したものである。 The composition of 32.6 vol% methane, 65.3 vol% water vapor, 1.9 vol% hydrogen, and 0.15 vol% carbon dioxide corresponds to the equilibrium composition when a gas with a (hydrogen)/(carbon dioxide) value of 4.04 calculated on a mass of substance basis is subjected to a methanation reaction at a temperature of 250°C and a pressure of 0.70 MPa (absolute pressure), and simulates the fuel gas (first fuel gas) obtained in the first process (methanation process) that contains approximately 5.5% hydrogen on a volumetric basis after dehydration.

反応後の第二燃料ガスを冷却して水を分離したのち、ガスクロマトグラフを用いて、メタン、エタン、水素、一酸化炭素、および二酸化炭素の濃度を定量した。 After the reaction, the second fuel gas was cooled to separate the water, and the concentrations of methane, ethane, hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide were quantified using a gas chromatograph.

第二燃料ガスに含まれる各成分の濃度(脱水後の体積基準)は、水素2.51%、二酸化炭素0.45%、一酸化炭素0.30%、エタン3.44%、残部メタンであった。 The concentrations of each component in the second fuel gas (by volume after dehydration) were: hydrogen 2.51%, carbon dioxide 0.45%, carbon monoxide 0.30%, ethane 3.44%, and the remainder methane.

(比較例1)
触媒A‘(1.0%Pd/WO/ZrO触媒)をそのまま触媒Bとした。
(Comparative Example 1)
Catalyst A' (1.0% Pd/WO 3 /ZrO 2 catalyst) was used as catalyst B as it is.

触媒として触媒Bを用いたほかは、実施例1と同様の試験を実施した。 A test similar to that in Example 1 was conducted, except that catalyst B was used as the catalyst.

第二燃料ガスに含まれる各成分の濃度(脱水後の体積基準)は、水素5.76%、二酸化炭素0.56%、一酸化炭素1.70%、エタン1.68%、残部メタンであった。 The concentrations of each component in the second fuel gas (by volume after dehydration) were: hydrogen 5.76%, carbon dioxide 0.56%, carbon monoxide 1.70%, ethane 1.68%, and the remainder methane.

(比較例2)
実施例1で得られたWO/ZrO 25gに、Pdとして0.050gを含有する硝酸パラジウム水溶液を含浸した他は比較例1と同様にして、触媒C(0.20%Pd/WO/ZrO触媒)を調製した。
(Comparative Example 2)
Catalyst C (0.20% Pd/WO 3 /ZrO 2 catalyst) was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that 25 g of WO 3 /ZrO 2 obtained in Example 1 was impregnated with an aqueous palladium nitrate solution containing 0.050 g of Pd.

触媒として触媒Cを用いたほかは、実施例1と同様の試験を実施した。 A test similar to that in Example 1 was carried out, except that catalyst C was used as the catalyst.

第二燃料ガスに含まれる各成分の濃度(脱水後の体積基準)は、水素6.14%、二酸化炭素0.49%、一酸化炭素2.00%、エタン1.41%、残部メタンであった。 The concentrations of each component in the second fuel gas (by volume after dehydration) were: hydrogen 6.14%, carbon dioxide 0.49%, carbon monoxide 2.00%, ethane 1.41%, and the remainder methane.

(実施例2)
水酸化ジルコニウム(太陽鉱工社製;Z-999-D)11.6gをPdとして0.02gを含有する硝酸パラジウム水溶液に含浸し、湯浴中で蒸発乾固し、110℃の乾燥器で一晩乾燥したのち、空気中800℃で4時間焼成して、0.2質量%のパラジウムが担持されてなる触媒Dを得た。触媒D(0.20%Pd/ZrO触媒)を質量基準で4倍量の、パラジウムが担持されていないWO/ZrOと混合し、触媒E(0.2%Pd/ZrO+WO/ZrO(20:80))とした。なお、触媒E全体における、パラジウムの含有量は0.04質量%である。
触媒として触媒Eを用いて、還元処理温度を250℃とし、その後の反応管の温度を300℃としたほかは実施例1と同様の試験を実施した。
第二燃料ガスに含まれる各成分の濃度(脱水後の体積基準)は、水素3.30%、二酸
化炭素1.13%、一酸化炭素0.0018%、エタン3.32%、残部メタンであった。
Example 2
11.6 g of zirconium hydroxide (Taiyo Koko Co., Ltd.; Z-999-D) was impregnated in an aqueous palladium nitrate solution containing 0.02 g of Pd, evaporated to dryness in a water bath, dried overnight in a 110°C dryer, and then calcined in air at 800°C for 4 hours to obtain catalyst D carrying 0.2% by mass of palladium. Catalyst D (0.20% Pd/ ZrO2 catalyst) was mixed with 4 times the mass of WO3 / ZrO2 not carrying palladium to obtain catalyst E (0.2% Pd/ ZrO2 + WO3 / ZrO2 (20:80)). The palladium content in the entire catalyst E was 0.04% by mass.
The same test as in Example 1 was carried out except that Catalyst E was used as the catalyst, the reduction treatment temperature was set to 250°C, and the temperature of the reaction tube thereafter was set to 300°C.
The concentrations of each component contained in the second fuel gas (based on the volume after dehydration) were as follows: hydrogen 3.30%, carbon dioxide 1.13%, carbon monoxide 0.0018%, ethane 3.32%, and the balance methane.

(実施例3)
酸化アルミニウム(住化アルケム製;AKP-G15)10.0gをPdとして0.02gを含有する硝酸パラジウム水溶液に含浸し、湯浴中で蒸発乾固し、110℃の乾燥器で一晩乾燥したのち、空気中800℃で3時間焼成して、0.2質量%のパラジウムが担持されてなる触媒F(0.2%Pd/Al触媒)を得た。触媒Fを質量基準で4倍量の、パラジウムが担持されていないWO/ZrOと混合し、触媒G(0.2%Pd/Al+WO/ZrO(20:80))とした。なお、触媒G全体における、パラジウムの含有量は0.04質量%である。
触媒として触媒Gを用いたほかは実施例2と同様の試験を実施した。
第二燃料ガスに含まれる各成分の濃度(脱水後の体積基準)は、水素2.12%、二酸
化炭素0.59%、一酸化炭素0.16%、エタン3.69%、残部メタンであった。
Example 3
10.0 g of aluminum oxide (AKP-G15 manufactured by Sumika Alchem) was impregnated with an aqueous palladium nitrate solution containing 0.02 g of Pd, evaporated to dryness in a water bath, dried overnight in a 110°C dryer, and then calcined in air at 800°C for 3 hours to obtain catalyst F (0.2% Pd/Al 2 O 3 catalyst) in which 0.2% by mass of palladium was supported. Catalyst F was mixed with 4 times the amount by mass of WO 3 /ZrO 2 in which no palladium was supported, to obtain catalyst G (0.2% Pd/Al 2 O 3 +WO 3 /ZrO 2 (20:80)). The palladium content in the entire catalyst G was 0.04% by mass.
The same test as in Example 2 was carried out except that Catalyst G was used as the catalyst.
The concentrations of the components contained in the second fuel gas (based on the volume after dehydration) were as follows: hydrogen 2.12%, carbon dioxide 0.59%, carbon monoxide 0.16%, ethane 3.69%, and the balance methane.

(比較例3)
触媒として触媒Cを用いたほかは実施例2と同様の試験を実施した。
第二燃料ガスに含まれる各成分の濃度(脱水後の体積基準)は、水素3.83%、二酸
化炭素0.64%、一酸化炭素0.75%、エタン2.84%、残部メタンであった。
(Comparative Example 3)
The same test as in Example 2 was carried out except that Catalyst C was used as the catalyst.
The concentrations of each component contained in the second fuel gas (based on the volume after dehydration) were as follows: hydrogen 3.83%, carbon dioxide 0.64%, carbon monoxide 0.75%, ethane 2.84%, and the balance methane.

(実施例4)
酸化ケイ素(富士シリシア製;CARiACT G-6)10.0gをPdとして0.10gを含有する硝酸パラジウム水溶液に含浸し、湯浴中で蒸発乾固し、110℃の乾燥器で一晩乾燥したのち、空気中500℃で4時間焼成して、1質量%のパラジウムが担持されてなる触媒H(1%Pd/SiO触媒)を得た。触媒Hを質量基準で4倍量の、パラジウムが担持されていないWO/ZrOと混合し、触媒I(1%Pd/SiO+WO/ZrO(20:80))とした。なお、触媒I全体における、パラジウムの含有量は0.2質量%である。
触媒として触媒Iを用いたほかは実施例2と同様の試験を実施した。
第二燃料ガスに含まれる各成分の濃度(脱水後の体積基準)は、水素1.58%、二酸
化炭素0.47%、一酸化炭素0.0048%、エタン3.85%、残部メタンであった。
Example 4
10.0 g of silicon oxide (manufactured by Fuji Silysia; CARiACT G-6) was impregnated with an aqueous palladium nitrate solution containing 0.10 g of Pd, evaporated to dryness in a water bath, dried overnight in a 110°C dryer, and then calcined in air at 500°C for 4 hours to obtain catalyst H (1% Pd/ SiO2 catalyst) in which 1% by mass of palladium was supported. Catalyst H was mixed with 4 times the amount by mass of WO3 / ZrO2 not supporting palladium to obtain catalyst I (1% Pd/ SiO2 + WO3 / ZrO2 (20:80)). The palladium content in the entire catalyst I was 0.2% by mass.
The same test as in Example 2 was carried out except that Catalyst I was used as the catalyst.
The concentrations of each component contained in the second fuel gas (based on the volume after dehydration) were as follows: hydrogen 1.58%, carbon dioxide 0.47%, carbon monoxide 0.0048%, ethane 3.85%, and the balance methane.

(実施例5)
ケイタングステン酸(キシダ化学製;ケイタングステン酸(26水))26.7gを300mLの水に溶解させ、シリカ(富士シリシア製;CARiACT G-6)80.0gに含浸させ、湯浴中で蒸発乾固し、120℃の乾燥器で一晩乾燥したのち、空気中350℃で4時間焼成して、25質量%のケイタングステン酸が担持されてなる触媒J(25%SiW/SiO触媒)を調製した。
酸化アルミニウム(住化アルケム社製;KC501)20.1gをPdとして2.23gを含有する硝酸パラジウム水溶液に含浸し、湯浴中で蒸発乾固し、120℃の乾燥器で一晩乾燥したのち、空気中650℃で4時間焼成して10質量%のパラジウムが担持されてなる触媒K(10%Pd/Al2O触媒)を調製した。
触媒Kを質量基準で4倍量の触媒Jと混合し、触媒L(10%Pd/Al+25%SiW/SiO(20:80))とした。なお、触媒L全体における、パラジウムの含有量は2.0質量%である。
触媒として触媒Lを用い、反応管の温度を240℃としたほかは実施例1と同様の試験を実施した。
第二燃料ガスに含まれる各成分の濃度(脱水後の体積基準)は、水素2.10%、二酸化炭素0.52%、一酸化炭素0.063%、エタン3.80%、残部メタンであった。
Example 5
26.7 g of silicotungstic acid (Kishida Chemical; silicotungstic acid (26 water)) was dissolved in 300 mL of water, and the solution was impregnated into 80.0 g of silica (Fuji Silysia; CARiACT G-6), evaporated to dryness in a water bath, dried overnight in a dryer at 120°C, and then calcined in air at 350°C for 4 hours to prepare catalyst J (25% SiW/ SiO2 catalyst) in which 25% by mass of silicotungstic acid was supported.
20.1 g of aluminum oxide (KC501, manufactured by Sumika Alchem Co., Ltd.) was impregnated with an aqueous solution of palladium nitrate containing 2.23 g of Pd, evaporated to dryness in a water bath, dried overnight in a dryer at 120° C., and then calcined in air at 650° C. for 4 hours to prepare catalyst K (10% Pd/ Al2O3 catalyst) carrying 10% by mass of palladium.
Catalyst K was mixed with 4 times the amount of catalyst J by mass to prepare catalyst L (10% Pd/Al 2 O 3 + 25% SiW/SiO 2 (20:80)). The palladium content in the entire catalyst L was 2.0 mass%.
The same test as in Example 1 was carried out except that Catalyst L was used as the catalyst and the temperature of the reaction tube was set to 240°C.
The concentrations of each component contained in the second fuel gas (based on the volume after dehydration) were as follows: hydrogen 2.10%, carbon dioxide 0.52%, carbon monoxide 0.063%, ethane 3.80%, and the balance methane.

(比較例4)
ケイタングステン酸(キシダ化学製;ケイタングステン酸(26水))7.69gとPdとして0.77gを含有する硝酸パラジウム水溶液とを50mLの水に溶解させ、シリカ(富士シリシア製;CARiACT G-6)30.0gに含浸させ、湯浴中で蒸発乾固し、120℃の乾燥器で一晩乾燥したのち、空気中350℃で4時間焼成して、2質量%のパラジウムと20質量%のケイタングステン酸が担持されてなる触媒M(2.0%Pd/20%SiW/SiO触媒)を調製した。
触媒として触媒Mを用いたほかは実施例4と同様の試験を実施した。
第二燃料ガスに含まれる各成分の濃度(脱水後の体積基準)は、水素2.81%、二酸化炭素0.44%、一酸化炭素0.37%、エタン3.30%、残部メタンであった。
(Comparative Example 4)
7.69 g of tungstosilicic acid (Kishida Chemical; tungstosilicic acid (26 water)) and an aqueous palladium nitrate solution containing 0.77 g of Pd were dissolved in 50 mL of water, and the solution was impregnated into 30.0 g of silica (Fuji Silysia; CARiACT G-6), evaporated to dryness in a water bath, dried overnight in a dryer at 120°C, and then calcined in air at 350°C for 4 hours to prepare catalyst M (2.0%Pd/20%SiW/ SiO2 catalyst) in which 2% by mass of palladium and 20% by mass of tungstosilicic acid were supported.
The same test as in Example 4 was carried out except that Catalyst M was used as the catalyst.
The concentrations of each component contained in the second fuel gas (based on the volume after dehydration) were as follows: hydrogen 2.81%, carbon dioxide 0.44%, carbon monoxide 0.37%, ethane 3.30%, and the balance methane.

実施例および比較例について、エタノールを原料として生成する、炭素を含む生成物が二酸化炭素、一酸化炭素、エタンのみであると仮定して、以下の式に従ってエタン選択率を計算した。
エタン選択率(%)=エタン濃度(%)×2/[エタン濃度(%)×2+一酸化炭素濃度(%)+二酸化炭素濃度(%)]×100
For the examples and comparative examples, the ethane selectivity was calculated according to the following formula, assuming that the carbon-containing products produced using ethanol as a raw material were only carbon dioxide, carbon monoxide, and ethane.
Ethane selectivity (%)=ethane concentration (%)×2/[ethane concentration (%)×2+carbon monoxide concentration (%)+carbon dioxide concentration (%)]×100

実施例および比較例の条件と結果を表1にまとめた。

Figure 2024119779000002
The conditions and results of the examples and comparative examples are summarized in Table 1.
Figure 2024119779000002

同一の反応条件(反応温度270℃)である実施例1、比較例1および比較例2を比較すると、パラジウムが担持されたWO/ZrOを、パラジウムが担持されていないWO/ZrOと混合した触媒Aを用いた場合には、第二燃料ガスに含まれるエタン濃度が高く、二酸化炭素、一酸化炭素濃度が低いためにエタン選択率が高かった一方、WO/ZrOに直接パラジウムが担持され、パラジウムが担持されていないWO/ZrOを含まない触媒Bおよび触媒Cを用いた場合には第二燃料ガスに含まれるエタン濃度が低く、代わりに二酸化炭素、一酸化炭素濃度が高いためにエタン選択率が低かった。
同様に、同一の反応条件(反応温度300℃)である実施例2、実施例3、実施例4および比較例3の比較でも、パラジウムが担持されていないWO/ZrOを含む触媒E、触媒Gおよび触媒Iを用いた場合にはエタン選択率が高かった一方、パラジウムが担持されていないWO/ZrOを含まない触媒Cを用いた場合にはエタン選択率が低かった。また、同一の反応条件(反応温度240℃)である実施例5と比較例4の比較でも、パラジウムが担持されたAlをパラジウムが担持されていないSiW/SiOと混合した触媒Lを用いた場合にはエタン選択率が高かった一方、SiOにパラジウムとSiWを直接担持した触媒Mを用いた場合にはエタン選択率が低かった。
Comparing Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, which were carried out under the same reaction conditions (reaction temperature 270°C), when catalyst A, in which palladium-loaded WO3 / ZrO2 was mixed with WO3/ ZrO2 on which palladium was not loaded, was used, the ethane concentration in the second fuel gas was high and the concentrations of carbon dioxide and carbon monoxide were low, resulting in a high ethane selectivity. On the other hand, when catalysts B and C, in which palladium was directly loaded on WO3 / ZrO2 and did not contain WO3 / ZrO2 on which palladium was not loaded, were used, the ethane concentration in the second fuel gas was low, and instead the concentrations of carbon dioxide and carbon monoxide were high, resulting in a low ethane selectivity.
Similarly, in comparison of Example 2, Example 3, Example 4, and Comparative Example 3 under the same reaction conditions (reaction temperature 300° C.), the ethane selectivity was high when catalysts E, G, and I containing WO 3 /ZrO 2 not supported by palladium were used, while the ethane selectivity was low when catalyst C not containing WO 3 /ZrO 2 not supported by palladium was used. Also, in comparison of Example 5 and Comparative Example 4 under the same reaction conditions (reaction temperature 240° C.), the ethane selectivity was high when catalyst L in which palladium-supported Al 2 O 3 was mixed with palladium-supported SiW/SiO 2 was used, while the ethane selectivity was low when catalyst M in which palladium and SiW were directly supported on SiO 2 was used.

これらの結果から、パラジウムが担持された無機酸化物と、パラジウムが担持されていない固体酸触媒とを含む触媒は高い選択率でアルコールの脱水水素化反応を進行させることが明らかとなった。 These results demonstrate that a catalyst containing an inorganic oxide carrying palladium and a solid acid catalyst not carrying palladium can promote the dehydration and hydrogenation reaction of alcohols with high selectivity.

本発明は、たとえば、都市ガスとして供給するための燃料ガスを製造する方法として利用することができる。 The present invention can be used, for example, as a method for producing fuel gas to be supplied as city gas.

1 :混合ガス
2 :第一燃料ガス
3 :炭素数2以上4以下のアルコール
4 :第二燃料ガス
10 :メタン化反応器
11a~15a :反応器
11b~15b :熱交換器
11c :リサイクルライン
12d :熱交換型反応器
20 :脱水水素化反応器
30 :流量調整弁
Reference Signs List 1: mixed gas 2: first fuel gas 3: alcohol having 2 to 4 carbon atoms 4: second fuel gas 10: methanation reactor 11a to 15a: reactor 11b to 15b: heat exchanger 11c: recycle line 12d: heat exchange reactor 20: dehydration hydrogenation reactor 30: flow control valve

Claims (7)

水素と炭素酸化物とをメタン化触媒の存在下でメタン化反応させることで得られる、脱水後の体積基準で水素を2.0%以上20%以下含む第一燃料ガスを、炭素数2以上4以下のアルコールの存在下に処理して、炭素数2以上4以下のアルカンを含み水素濃度が減少した第二燃料ガスに変換するための、アルコールの脱水水素化触媒であって、
パラジウムが担持された無機酸化物と、パラジウムが担持されていない固体酸触媒とを含む、アルコールの脱水水素化触媒。
A catalyst for dehydration and hydrogenation of alcohol, for treating a first fuel gas, which is obtained by subjecting hydrogen and carbon oxides to a methanation reaction in the presence of a methanation catalyst and contains 2.0% or more and 20% or less hydrogen on a volume basis after dehydration, in the presence of an alcohol having a carbon number of 2 to 4, to convert the first fuel gas into a second fuel gas which contains an alkane having a carbon number of 2 to 4 and has a reduced hydrogen concentration,
A catalyst for dehydration and hydrogenation of alcohols, comprising an inorganic oxide on which palladium is supported, and a solid acid catalyst on which palladium is not supported.
前記無機酸化物におけるパラジウムの担持量は0.2質量%以上15質量%以下であり、
前記パラジウムが担持されていない固体酸触媒は、前記パラジウムが担持された無機酸化物の質量を1として1.0以上10以下の質量比で含まれる、請求項1に記載のアルコールの脱水水素化触媒。
The amount of palladium supported on the inorganic oxide is 0.2% by mass or more and 15% by mass or less,
2. The catalyst for dehydration and hydrogenation of alcohols according to claim 1, wherein the solid acid catalyst not supporting palladium is contained in a mass ratio of 1.0 to 10, based on a mass of the inorganic oxide supporting palladium being 1.
前記固体酸触媒がSiW/シリカ触媒又はタングステン酸化ジルコニアである、請求項1又は2に記載のアルコールの脱水水素化触媒。 The alcohol dehydration and hydrogenation catalyst according to claim 1 or 2, wherein the solid acid catalyst is a SiW/silica catalyst or tungsten oxide zirconia. 水素と炭素酸化物とをメタン化触媒の存在下でメタン化反応させることで得られる、脱水後の体積基準で水素を2.0%以上20%以下含む第一燃料ガスを、炭素数2以上4以下のアルコールの存在下に処理して、炭素数2以上4以下のアルカンを含み水素濃度が減少した第二燃料ガスに変換するための、アルコールの脱水水素化触媒の製造方法であって、
パラジウムが担持された無機酸化物と、パラジウムが担持されていない固体酸触媒とを混合する混合工程を含む、アルコールの脱水水素化触媒の製造方法。
A method for producing an alcohol dehydration/hydrogenation catalyst for converting a first fuel gas, which is obtained by subjecting hydrogen and carbon oxides to a methanation reaction in the presence of a methanation catalyst and contains 2.0% to 20% hydrogen on a volume basis after dehydration, into a second fuel gas which contains an alkane having 2 to 4 carbon atoms and has a reduced hydrogen concentration, by treating the first fuel gas in the presence of an alcohol having 2 to 4 carbon atoms.
A method for producing a catalyst for dehydration and hydrogenation of alcohols, comprising a mixing step of mixing an inorganic oxide carrying palladium with a solid acid catalyst not carrying palladium.
前記混合工程において、0.2質量%以上15質量%以下のパラジウムが担持された前記無機酸化物と、前記パラジウムが担持されていない固体酸触媒とを、前記パラジウムが担持された無機酸化物の質量を1として、前記パラジウムが担持されていない固体酸触媒を1.0以上10以下の質量比で混合する、請求項4に記載のアルコールの脱水水素化触媒の製造方法。 The method for producing an alcohol dehydration hydrogenation catalyst according to claim 4, wherein in the mixing step, the inorganic oxide carrying 0.2% by mass or more and 15% by mass or less of palladium and the solid acid catalyst not carrying palladium are mixed in a mass ratio of 1.0 to 10, where the mass of the inorganic oxide carrying palladium is taken as 1. 前記混合工程の前に、パラジウムを含む触媒前駆体を400℃以上で焼成してパラジウムが担持された前記無機酸化物を得る焼成工程を含む、請求項4又は5に記載のアルコールの脱水水素化触媒の製造方法。 The method for producing an alcohol dehydration hydrogenation catalyst according to claim 4 or 5, further comprising a calcination step of calcining a catalyst precursor containing palladium at 400°C or higher to obtain the inorganic oxide carrying palladium, prior to the mixing step. 前記固体酸触媒がSiW/シリカ触媒又はタングステン酸化ジルコニアである、請求項4又は5に記載のアルコールの脱水水素化触媒の製造方法。 The method for producing an alcohol dehydration and hydrogenation catalyst according to claim 4 or 5, wherein the solid acid catalyst is a SiW/silica catalyst or tungsten oxide zirconia.
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