LaNi_5を触媒ならびに水素吸蔵材として利用する接
触的シクロヘキサン脱水素/二酸化炭素水素化サイ
クル反応操作に関する研究 −分離膜型反応器の基
礎的検討−
著者
上村 芳三, 若松 繁樹, 大角 泰章, 幡手 泰雄
雑誌名
鹿児島大学工学部研究報告
巻
35
ページ
53-59
別言語のタイトル
CYCLIC OPERATION OF CATALYTIC CYCLOHEXANE
DEHYDROGENATION / CARBON DIOXIDE HYDROGENATION
USING LaNi_5 AS A CATALYST AND AS A HYDROGEN
RESERVOIR -A FUNDAMENTAL STUDY FOR MEMBRANE
SEPARATION
LaNi_5を触媒ならびに水素吸蔵材として利用する接
触的シクロヘキサン脱水素/二酸化炭素水素化サイ
クル反応操作に関する研究 −分離膜型反応器の基
礎的検討−
著者
上村 芳三, 若松 繁樹, 大角 泰章, 幡手 泰雄
雑誌名
鹿児島大学工学部研究報告
巻
35
ページ
53-59
別言語のタイトル
CYCLIC OPERATION OF CATALYTIC CYCLOHEXANE
DEHYDROGENATION / CARBON DIOXIDE HYDROGENATION
USING LaNi_5 AS A CATALYST AND AS A HYDROGEN
RESERVOIR -A FUNDAMENTAL STUDY FOR MEMBRANE
SEPARATION
LaNi5を触媒ならびに水素吸蔵材として利用する
接触的シクロヘキサン脱水素/二酸化炭素水素化
サイクル反応操作に関する研究
一分離膜型反応器の基礎的検討一
上 村 芳 三 ・ 若 松 繁 樹 ・ 大 角 泰 章 * ・ 幡 手 泰 雄
(受理平成5年5月31日)CYCLICOPERATIONOFCATALYTICCYCLOHEXANEDEHYDROGENATION/
CARBONDIOXIDEHYDROGENATIONUSINGLaNi5ASACATALYSTAND
ASAHYDROGENRESERVOIR −AFUNDAMENTALSTUDYFORMEMBRANESEPARATIONREACTOR一 YoshimitsuUEMURA,ShigekiWAKAMATSU,YasuakiOSUMI, andYasuoHATATECyclicoperationexperimentsofcatalyticcyclohexanedehydrogenation/carbondioxidehyd‐
rogenationwerecarriedoutusingLaNi5Particlesasacatalystandasahydrogenreservoir・The
finalpurposeofthisstudyistodevelopamembraneseparation-typecatalyticreactor・Fivekinds
ofLaNi5particlesrangingfromlOto725ノammmeandiameterwereused、Aftera30minute
activationofLaNi5usinghydrogenat673K,carbondioxideandcyclohexanewereallowedtoflow
throughtheLaNi5particlebedfbreach30minutesat673K,alternatively・Thecyclerecurred4
times・ThetotaltimeofthewholeOperation,therefbre,was4hours・Inthecaseofcyclohexane
feed,cyclohexene,benzeneandhydrogenweredetectedasproducts・Cyclohexaneconversionin‐
●creasedwithdecreasingthemeandiameterofLaNi5,i、e、,withincreasingexternalsurflceareaper
unitmassofauoy・Inthecaseofcarbondioxidefeed,carbonmonoxidewasfbrmed・Hydrogen
alsowasdetectedintheoutletgas・Carbonmonoxideyieldalsoincreasedwithdecreasingthe
meandiameterofLaNi5・TodeterminetheamountofhydrogeninLaNi5availablefbrcarbondiox‐
idereduction,carbondioxidewasallowedtoflowthroughtheaUoybeduntilthecarbonmonoxide
yieldreachedzeroat643,653,663and673K,respectively.
緒 言 水素吸蔵合金とは選択的且つ可逆的に水素を吸蔵 (発熱)/放出(吸熱)する特徴を有する一群の合金 を指し,その代表的なものの一つとしてLaNi5が挙げ られる。本合金は,その特性から,水素の分離精製, 貯蔵,利用(ヒートポンプ等)といった広範囲の応用が可能な素材であり1),その利用及び特性の向上に関
する研究が盛んになりつつある2-5)。本研究は,水素
吸蔵合金膜を利用した分離膜型接触反応操作の検討を *鹿児島大学教養部 行うことを目的とする。分離膜を利用した接触反応と しては,以下のようなものを採用した。 △Hfo [kJ/mCl] C6H12+CO2→ C 6 H l 0 + C O + H 2 0 , 5 9 ( 1 ) C6Hl2→C6Hlo+H2 118(2) C O 2 + H 2 → C O + H 2 0 4 , ( 3 ) 我 々 は , す で に 二 酸 化 炭 素 の 有 効 利 用 を 目 的 と し て54 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 3 5 号 ( 1 9 9 3 ) C6H12 C6H19 CO2 C O + H 2 0 Fig.1Schematicdiagramofmembraneseparationtypereactor (1)式に有効な触媒の探索とそのメカニズムの検討を
行ってきている6-9)。この反応(1)を,シクロヘキサン
脱水素と二酸化炭素水素化との2段に分けて実施すれ ば,(2)及び(3)式のようになる。(1)の反応を(2)と(3)のよ うに分離膜を隔てて別々に実施する場合,メリットと しては以下のようなものがある。 ① 平 衡 の 制 約 の 軽 減 ② 生 成 物 の 分 離 が 不 要 ③反応が単純化されるので有効な触媒がみつけ易い Fig.1に,分離膜を隔てて(2)及び(3)の反応を実施す る場合の概念図を示す◎ 本研究の最終的目標は,以上のような認識に基づき, Fig.1に示すような水素吸蔵合金を利用した分離膜 型接触反応器を開発しようとするものである。本論文 においては,その第一段階として,水素吸蔵合金粒子 の固定層を用いて,シクロヘキサン脱水素/二酸化炭 素水素化サイクル反応操作に関する基礎的検討を行っ た。即ち,本サイクル反応が実際に進行することを確 認し,且つ,操作因子に関するデータを解析すれば, 分離膜型反応器の設計を極めて容易に行うことができ 〔)+H,、(_〕 Fig.2Schematicdiagramofcyclicoperationtype reactor る。その概念図をFig.2に示す。 1 . 実 験 1.1試料の調製 水素吸蔵合金としては,LaNi5を使用した。反応実 験用試料として,Tablelに示すような粒子径の異な る5種類のLaNi5を調製した。粒子径が最も小さい10 解mのものを除いて,乳鉢で砕き,ふるいに分ける ことにより調製した。10〆mの試料は,50.即mの LaNi5を20サイクルの水素吸蔵/放出処理により粉化 させて調製した。以上のようにして調製した合金粒子 は,サンプル瓶に入れ,真空デシケーター中に保存し た。 TablelLaNi5particlesused Average diameterい、] 10(*) 29 50.5 94 725 Openingsof sievesused[似、] 20-38 38-63 63-125 600-850 *:Thissamplewaspreparedbyhydrogen absorption/desorptionof20cyclesusing50.5 〃mLaNi5・ThesizewasestimatedbySEM photographsinspection. 1.2実験装置と実験方法 1.2.1実験装置 Fig.3に反応実験に使用した装置図を示す。LaNi5 を固定層触媒として使用する常圧流通型反応装置であ る。反応管としては,中央部に触媒支持のガラス多孔 板を備えた内径lOmmりパイレックス管を使用した。水Hydrogen誠i
1 2町、出師
Hydrogen誠ionofCO2
×it l n e e d l e v a l v e 2 f l o w m e L e r 3 t h r e e − w a y v a l v e 4 f o u r − w a y v a l v e 5 c y c l o h e x a n e r e e d e r 6 b u f f e r 7 h e a t e r 8 r e a c t o r 9 t e m p c o n L r o l l e r l O t e m p l 、 e c o r d e r l l g a s s y r i n g e l 2 s i l i c a g e l c o l u m n Fig.3Schematicdiagramofexperlmentalsetup● usedCO2ョOcm3/min
Ar2IOOcm3/min
(PartialpressureofCO2
=13.2kPa)
400℃,ヨOmin
紳
lnitialactivationH25Ocm3/min
400℃,ヨOmin
1 上村.離揃・幡手:LaNi5鋤獅らぴ│こホ烈鮒として洲する棚的シクロヘキサン脱樵/二餅上織ホ靴サイクル砿排に関する研究55Dehydrogenationofcyclohexane
Fig.4Typicalprocedureofreactionexperlment● 素,二酸化炭素,シクロヘキサンを反応管に別々に供 給できるようにガス供給配管を組み立てた。 1.2.2サンプル反応実験 通常のサイクル反応実験の手順を以下に記述する。 反応温度はすべて673Kであり,Tablelに示した5 種類のLaNi5試料を使用した。 (1)試料(LaNi51、09)を反応器に充填 (2)水素ガス(50㎡/min)流通した,673Kまで昇温 し,同温度で30分間活性化 (3)反応管流入ガスを二酸化炭素/アルゴン混合ガス (CO2分圧13.2kPa)に切り替え’30分間保持 (4)反応管流入ガスをシクロヘキサン/アルゴン混合 ガス(シクロヘキサン分圧1.3kPa)に切り替え30 分間保持 (5)(3)及び(4)を繰り返す。 以上の操作のフローチャートをFig.4に示す。出口 ガスは,ガスクロマトグラフにより分析した。 1.2.3利用可能水素量測定実験 前述のサイクル反応実験においては,シクロヘキサ ン脱水素の間にLaNi5に吸蔵された水素を次に導入さ れる二酸化炭素の水素化に利用している。そこで,シ クロヘキサン脱水素の間に吸蔵され,且つ,次の操作 C O 2 3 O c A r 2 0 0(Partialpres
=13.2kPa)
400℃,ヨ〔
Dehydrogenation
である二酸化炭素還元に利用できる水素の総量を測定 するため,以下のような実験を行った。なお,LaNi5 は10〆mのもののみを使用し,反応温度は643,653, 663及び673Kであった。 (1)試料(LaNi51、09)を反応器に充填 (2)水素ガス(50cnf/min)流通下,673Kまで昇温し, 同温度で30分間活性化 (3)水素ガス(50cnii/min)流通した,温度を所定反 応温度まで降温 (4)反応管流入ガスを二酸化炭素/アルゴン混合ガス (CO2分圧13.2kPa)に切り替え,30分間保持 (5)反応管流入ガスをシクロヘキサン/アルゴン混合 ガス(シクロヘキサン分圧1.3kPa)に切り替え30 分間保持 (6)反応管流入ガスを二酸化炭素/アルゴン混合ガス (CO2分圧13.2kPa)に切り替え,出口ガス中に 一酸化炭素が検出されなくなるまで同条件においC6H,24cm3/min
A r296cm3/min
(Partialpressureofcyclo-hexane=1.3kPa)
400℃,ヨOmin
C 6 H 1 2 4 c m A r 29((Partialpressu
hexane=1.3kP400℃,ヨOm
co2cAco2cAcO2cAco2cA 56 0.3 て実験継続 なお,643及び653Kの実験,663及び673Kの実験は それぞれ同一充填試料を用い,連続して行った。 2.結果と考察 2.1サイクル反応実験 シクロヘキサン脱水素/二酸化炭素化サイクル反応 実験の結果をFig.5から9に示す。これらすべての 図において縦軸は出口ガス組成もしくはそれから算出 されうる転化率及び収率である。横軸はプロセス時間 であり,水素活性化処理を終了し,第1回目の二酸化 炭素導入を開始した時をゼロ時間としている。図の上 部に示すCO2もしくはCAの記号は,その時間帯に おいてそれぞれ二酸化炭素もしくはシクロヘキサンが
cO2cAcO2cAcO2cAco2cA
戸 CO2CACO2CACO2CACO2CA 0.3 0.22100
[誤]①匡①Nこの○一◎で一の妻 0.0 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0Time[min】
Fig.7Yieldofbenzene 窯﹄の匡阿×の二◎で巽。↑◎匡◎覇﹄のシ匡。。 0.4 030609012015018021o240 TimeImin1 Fi9.5Conversionofcyclohexane32100000
[誤]の⑮つ↑の壱.◎星匡◎室⑯﹄︾この◎こ◎。この句。﹄で易工 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 3 5 号 ( 1 9 9 3 ) 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0 Time[min] CO2CACO2CACO2CACO2CA 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0 Time[min] Fig.6Yieldofcyclohexene 0.1 0.0 触 媒 層 に 流 通 し て い た こ と を 示 す 。 異 な る 粒 子 径 の LaNi5を用いた実験を別々のキーマークで示す。 Fig.5から7には,シクロヘキサン導入時のシク ロヘキサン転化率,シクロヘキセン及びベンゼン収率 を示している。導入ガス切り替え点付近での急激な反 応応答変化と分析頻度が多くとれなかったという制約 のため,厳密な議論を行うには困難なデータであるが, 以下の傾向が読み取れる。シクロヘキサン転化率は, 合金粒子径が小さいほど,即ち,合金単位質量あたり の外表面積が大きいほど大きい。また,サイクル数を 経ても,活性劣化はほとんど認められない。 Fig.8に出口ガス中の水素濃度を示す。“CO2,'期, Fig.8Hydrogenconcentrationinoutletgas086420
100000
000000
︷誤]のこの×の二.一.舌一.己一の妻p■D■
qC■△
。,△
CO仁
0■
。 I 。 I 。'
1
加川 jAm 、 5匁 、 5ノ』 09042 12597 ○●□■△︲C0.・・
、5
△■■
”■ロ0■,
、 1 . 1 . 1 .柵
○10〃m ●2卵、 □50.5ノム、 ■94ノム、 △725ノム、 〔 q ロ守凸
■△
守凸
U●
’4.︲。︲.qCE■,。
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ロ 。 I マ I .側
、 師師砕師 0904 1259 725〆、 ○●□■△ q ■6
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、 mmA”m 操″5“ 0904 1259 725〃、 ○●□■△q■■■。
つり
ロ
3 2 1 0
○oO
O o O 弓巴の豆×◎こ◎E色。。﹄⑮。↑◎で一①妻 Fig.10 2.2利用可能水素量測定実験 Fig.10に,30分間のシクロヘキサン脱水素後,一 酸化炭素が検出されなくなるまで二酸化炭素を流通さ せ続けた実験の結果を示す。縦軸は,一酸化炭素収率, 横軸はプロセス時間(シクロヘキサンから二酸化炭素 に切り替えた時をゼロとする)である。図中に示した 収率を時間で積分した値(収率を流量に換算する必要 があるが)は,生成した一酸化炭素の総量を意味する。 モル数単位のこの値を2倍すれば,その際利用された 水素原子(LaNi5内部から供給されると考えられる) の総モル数が得られる。この計算結果をTable2に まとめて示す。シクロヘキサン脱水素を90分間行った 場合,利用可能水素量(データ’行目)は,30分間の 水素量(2行目)より少ない。実験温度(673K)に おけるLaNi5の水素解離圧はl0MPaをはるかに上 回っていることから,LaNi5中の水素濃度はシクロヘ キサン脱水素の比較的早い時期に飽和してしまうため と考えられる。実際,解離圧以上での飽和状態である LaNi5H6の状態で吸蔵されている水素濃度で利用可能 水素を割った値(Tablel際右列)は,極めて小さな 値を示している。従って,温度依存性を検討する実験 においては,シクロヘキサン脱水素30分間を採用した。 Tablelに示すように,利用可能水素は,シクロヘキ サン脱水素時の温度が高いほど大きい。そこでこれらの値をFig.11にアレニウスプロットした。最も低温
側の一点は信頼性が低いのではずして活性化エネル ギーを算出したところ336KJ/molであった。この活 性化エネルギーに関わる速度過程には,シクロヘキサ ン脱水素速度が大きく寄与しているが,それに続く二 CO2CACO2CACO2CACO2CA000
21QO
[︽誤]ので一×。こ◎臣一こ◎。﹄⑮。↑◎で一の一ン 上村・誠大角僻:LaNi5を触臓らびにホ訓鮒として利1Wする鮒的シクロヘキサン脱樵/二靴購樵化サイクル反応排に関す柵究57 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0 Time[min】 Fig.9Yieldofcarbonmonoxide “CA”期を問わず0.03%程度の水素が流出している。 “C。2,,期においても水素が検出されたという事実は, 二酸化炭素雰囲気下でも合金内部から表面に移動する 水素のうちすべてが二酸化炭素に補捉されるのではな いことを意味している。 Fig.9に二酸化炭素導入時の一酸化炭素収率を示 す。シクロヘキサン導入を意味する“CA''期におい ても一酸化炭素の生成が認められる。これは,LaNi5 表 面 か ら の 一 酸 化 炭 素 の 脱 離 速 度 が 比 較 的 遅 く , “CO2,,期に合金表面で生成した一酸化炭素が脱離し 続けるからと考えられる。二酸化炭素を供給していな い“CA”期において一酸化炭素収率を計算するのは 厳密には誤りであるが,便宜上“CO2”期の条件で算 出.プロットした。第1サイクルの“CO2''期におい てのみ一酸化炭素収率が高いのは排主として直前まで 供給されていた純水素の効果であると考えられる。今 回使用した中で粒子径が最も大きな725〆mのLaNi5 を使用した場合,一酸化炭素の生成が認められなかっ た。Fig.5から8に示された結果からは,本試料を 用いた場合でもシクロヘキサンの脱水素は起こってお り,また,その転化率が他の試料の場合に比べて極端 に小さいとは言えない。即ち,LaNi5内部からの水素 供給は保証されていると考えられる。従って,シクロ ヘキサン脱水素と二酸化炭素還元の活性サイトは異な り,二酸化炭素還元サイトはメカノケミカルな影響に 敏感であることが示唆される。725〆、より小さな試 料に関しては,一酸化炭素収率はLaNi5粒子径が小さ くなるほど増加するという,シクロヘキサン転化率と 同様の傾向がみられる。 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 Time【min1 Yieldofcarbonmonoxideasafunctionof temperaturelOノumLaNi5
1
.
0
9
▲ ○▲□●△ 400°C(CA90min) 400.C(CA30min) 390.C(CA30min) 380.C(CA30min) 370.C(CA30min)四 ▲ ▲
□ ○
白
、Aへ﹄,ロ■ロ−A
●詞 Ⅱ8
白
A a j L 、 面 . |川柳︾伽馴 −12597 一○●□■△ rlll︲l︲Il︲l︲l︲[
. ‐四
・A うり.△ ロ ■ 9 ● 志673 673 663 653 643 58
80005
⑧●●●●
72521
1 Table2SumaryoftransienthydrogenationofcarbondioxideonLaNi5usinghydrogenabsorbedinLaNi5 duringcyclohexanepretreatment 15.7 24.1 10.0 4.0 3.0 (Integratedamount ofHatomsupplied)/ (Hatomcapacity ofLOgLaNi5)[一] Cyclohexane pretreatment(*l) Transient hydrogenation ofCO2(*2) temp.[K] lntegratedamountof 1.0gofLaNi5(10〆、)wasusedinallexperiments. *1:PartialPressureofcyclohexane=1.3kPa,Arbalance,Totalflowrate=230cnf(NTP)/min *2:PartialpressureofCO2=13.2kPa,Arbalance,Totalflowrate=300cnf(NTP)/min *3:CalculatedfromtheresultsiuustratedinFi9.8 COconvertedfrom CO20nLaNi5×107 (*3)[mCl] Hatomsupplied 丘omLaNi5toreduce CO2×107[mCl] ることが判明した。 3)脱水素/水素化の速度は合金の粒径が小さいほど 大きくなり,サイクル数を重ねても殆ど変化しな かった。 4)LaNi5上のシクロヘキサン脱水素サイトと二酸化 炭素還元サイトとは異なる可能性が大きく,二酸 化炭素還元サイトはメカノケミカルな影響に敏感 であることが示唆された。 5)シクロヘキサン脱水素時にLaNi5中に移行し,且 つ二酸化炭素還元に利用可能な水素の量は,シク ロヘキサン脱水素時の温度が高いほど多かった。 引用文献 1)大角泰章:“水素吸蔵合金の話",アグネ技術セ ンター(1990)。2)Skelton,L』SurfaceandCoatingsTechnology,
28,405(1986). 3)Ishikawa,H、,K、Oguro,A・Kato,HSuzukiand EIshii:JournalofLess-CommonMetals,107,105 (1985). 4)Uemura,Y,,R・YasutsuneandY、Hatate:J・Chem Eng・Japan,24(3),377(1991). 5)上村芳三,烏丸隆二,幡手泰雄:化学工学論文集, 18(3),322(1992). 6)上村芳三,木山博彦,幡手泰雄:鹿児島大学工学 部研究報告,No.34,65-68(1992). 7)上村芳三,木山博彦,幡手泰雄:化学工学会第25 回秋季大会講演要旨集,Cl21,第1分冊p、61 time [min] temp. [K]567
②名︽U︽Un︾
1ロ ヨー 1■ 国◎E]ぬ一z⑮Jこ◎①壱一×◎一つこ◎。﹄⑮。 E◎﹄でのセのシ色。◎の豆×◎こ◎E こ◎。﹄⑯。↑◎一色.◎己屋田での↑⑩﹄画の↑巨一 11.3×10−5 17.4×10−5 7.2×10−5 2.9×10−5 2.2×10−5 673 673 663 653 6430000093333
鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 3 5 号 ( 1 9 9 3 ) 酸化炭素水素化速度や水素の漏れ出し速度にも関係し ている量である。より厳密な議論には,データの蓄積 とすべての速度過程に関するモデルの構築が不可欠で ある。 結 言 1)本研究の実験条件において,LaNi5粒子固定層中 でシクロヘキサンが脱水素されてシクロヘキセン 及びベンゼンが生成することが判明した○ 2)本研究の実験条件において,LaNi5粒子固定層中 で二酸化炭素が水素化されて一酸化炭素が生成す Fig.’1Integratedamountofcarbonmonoxidecon‐ vertedfromcarbondioxideonLaNi5asa fUnctionoftemperature 1.48 1 . 5 0 1 . 5 2 1 . 5 4 1 . 5 61
0
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ロ ロ ■ ー 一 一 ー ー 一 一 ー ー × 336kM nOl 、 、 、 ∼ 、 、、
へ 画8 ) 9 ) 上村・鍬・大角聯:LaNi5を鵬拙ぴにホ測鮒としてリ用する撒的シクロヘキサン脱ホ素/二醐上織糠(ヒサイクル反応緋に関する職59 (1992). KIYAMA,H、,Y・UEMURAandY・HATATE: ProceedingsfbrtheFifthStudentsSymposium onChemicalEngineeringKyushu-Cungnam, A36-1-A36-4(1992). 上村芳三,木山博彦,幡手泰雄:化学工学会第58 年会講演要旨集,F206p、52(1993).