(57)【要約】【課題】本発明は、高圧を必要とするハーバーボッシュ法に変わる窒素と水素からアンモニアの合成方法とその装置を提案するものである。【解決手段】本発明は、窒素含有ガスから窒素を透過することができ、該透過した窒素と水素含有ガスとを反応させアンモニアを合成することができる膜を用いることで、窒素と水素を原料とし、アンモニア合成反応を２つの熱化学反応に分割し、窒素透過膜によってその反応を分離することによって高圧を必要とせずアンモニアを合成するものである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素含有ガスから窒素を透過することができ、該透過した窒素と水素含有ガスとを反応させアンモニアを合成することができることを特徴とするアンモニア合成用窒素透過膜。
【請求項２】
該窒素透過膜が、窒素透過膜材料を支持体上に形成し得られることを特徴とする請求項１記載のアンモニア合成用窒素透過膜。
【請求項３】
該支持体が粗多孔質支持体と緻密多孔質支持体により構成されていることを特徴とする請求項１記載のアンモニア合成用窒素透過膜。
【請求項４】
該透過膜が、希土類金属元素、アルミニウム、マグネシウムおよびリチウムからなる群から選ばれる一つあるいはそれ以上の金属と、鉄、コバルト、ニッケルおよびマンガンからなる群から選ばれる一つあるいはそれ以上の金属と、の合金であることを特徴とする請求項１記載のアンモニア合成用窒素透過膜。
【請求項５】
請求項１記載の窒素透過膜によって分離された２つの空間を有し、一方に窒素含有ガスを導入し排出できる空間（Ａ）と、他方に水素含有ガスを導入し反応後のガスを排出できる空間（Ｂ）を有することを特徴とするアンモニア合成反応装置。
【請求項６】
請求項５記載の反応装置に、窒素含有ガスを空間（Ａ）に導入し、水素含有ガスを空間（Ｂ）に導入し、該空間（Ｂ）からアンモニアを排出することを特徴とするアンモニアを合成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低い圧力で操作する膜型のアンモニア合成用反応器とそれを用いたアンモニア合成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アンモニア合成は、従来、ハーバーボッシュ法が確立され、肥料の原料となり化学工業のおおいな発展のみならず農業発展の原動力となったのは著名なことである。ハーバーボッシュ法は、鉄を主成分とする触媒を用いて水素と窒素とを４００〜６００℃、２０−４０ＭＰａの高圧条件で反応しアンモニアを得るものである。工業触媒としては、鉄にアルミナと酸化カリウムを加えることで鉄の触媒性能を向上させた触媒が用いられている。（非特許文献１）また他の技術としＲｕ系の触媒を用いることもできることも提案されている例もある（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１４１３９９号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】触媒学会編  「触媒便覧」  講談社  ２００８年１２月１０日  ｐ．５３６−５３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
直近の問題として資源枯渇、地球温暖化を防止する技術が求められている。ハーバーボッシュ法は、原料としていわゆる化石資源を用いるものでありまた高温高圧のプロセスであるためその製造工程でも多くのエネルギーを消費し、多量の資源を用い地球温暖化ガスを排出するものである。この技術に変えて地球上の限られた資源を有効活用し、より持続的な技術を提案することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討の結果下記手段を見出し、発明を完成したものである。
【０００７】
本発明は、窒素と水素とを反応させアンモニアを合成するに際して、窒素透過能を持ち窒化物を形成する物質からなる膜を配した反応器を用い、膜の片側に水素を導入し、窒化物と水素と反応させてアンモニアを生成させ、反応で失われた窒素を膜の反対側に窒素を導入し、膜を透過してきた窒素によって補給することを特徴とするアンモニアの合成方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、アンモニア合成反応を窒化物生成反応と窒化物と水素からのアンモニア合成反応の２つの熱化学反応に分解して行うため、窒素と水素を直接反応させる場合の平衡の制約が少なくなり、ハーバーボッシュ法のような高圧でなくともアンモニアを生成させることができる。また膜型の反応器を用いるため、２段階の熱化学反応を連続的に行うことができアンモニア生成の効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の反応概念を示す熱力学線図の１例である。
【図２】本発明で用いる膜構造の概念図である。
【図３】本発明で用いる反応器の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、以下の通りに特定することができる。窒素と水素とを反応させアンモニアを合成するに際して、窒素透過能を持ち窒化物を形成する物質からなる膜を配した反応器を用い、膜の片側に水素を導入し、窒化物と水素と反応させてアンモニアを生成させ、反応で失われた窒素を膜の反対側に窒素を導入し、膜を透過してきた窒素によって補給することを特徴とするアンモニアの合成方法およびその装置である。
【００１１】
本発明の第一発明は、アンモニア合成用に用いる膜であり、窒素含有ガスにより窒化物となることで窒素含有ガスから窒素を分離し、かつ窒化物と水素からアンモニアを合成することができる窒素透過膜である。
【００１２】
該膜の材料としては、窒化物を形成すると同時にその窒化物が水素と反応してアンモニアを生成する物質である。図１に本発明の反応概念を示す熱力学線図の１例を示した。図中の実線に示すように窒素と水素との反応でアンモニアを合成する反応は反応が工業的に意味のある速度で起こる温度領域では反応のギブス自由エネルギー変化は３０〜４０ｋＪ／ｍｏｌと正の大きな値を持ち平衡はアンモニア生成に非常に不利である。そのため２０〜４０ＭＰａもの高圧条件で平衡転化率を大きくしているが、高圧の反応器を用いることで設備費が高く、また反応ガスを圧縮する用役費がかかる問題がある。本発明ではアンモニア合成反応を窒化物生成反応（図中の破線）と窒化物と水素からのアンモニア合成反応（図中の一点鎖線）の２つの熱化学反応に分解して行うため、同じ温度領域でのギブス自由エネルギー変化は１０〜２０ｋＪ／ｍｏｌと１／２程度まで小さくすることができ、反応の平衡が非常に有利になる。（なお図１は熱力学線図の１例であり、反応物質Mが変われば線図の位置傾きは変化する。）また、アンモニア生成反応においては膜を形成する物質にアンモニア分解の触媒活性が無いかあっても極めて小さければ、平衡がアンモニア生成にやや不利な条件でも反応速度支配によってアンモニア生成に有利にすることができる。
【００１３】
窒化物を形成すると同時にその窒化物が水素と反応してアンモニアを生成する膜の材料として具体的には、ゲルマニウム、亜鉛のような窒化が比較的容易な金属、窒化しやすい金属（希土類金属元素、アルミニウム、マグネシウム、リチウムなど）と窒化がそれほど容易ではない金属（鉄、コバルト、マンガン、ニッケルなど）との合金が挙げられる。好ましくは希土類金属元素、アルミニウム、マグネシウムおよびリチウムからなる群から選ばれる一つあるいはそれ以上の金属と、鉄、コバルト、ニッケルおよびマンガンからなる群から選ばれる一つあるいはそれ以上の金属と、の合金である
該膜の形成方法としては、該膜物質を膜化する他、金属の圧延、支持体の上に薄膜形成などの方法が用いられる。膜の窒素透過速度を上げるためには膜の厚みを薄くする必要があるので、支持体への薄膜形成が好ましい。薄膜形成方法としては、無電解メッキ、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤなどが挙げられる。窒素の透過速度を上げるためには膜厚は小さい方がよいがピンホールができやすくなるためある程度の厚みが必要であり、１００ｎｍ〜５μｍの範囲が好ましい。
【００１４】
支持体としては金属やセラミックスの多孔体が用いられる。物理的な強度を保つためにある程度の厚みが必要であるが拡散抵抗を小さくするためには細孔率と細孔径が大きくすることが好ましい。しかし、単に細孔径が大きい支持体に窒素透過膜を形成するとピンホールができやすいので、図３に示すように、透過膜に細孔径の小さい緻密な支持体層（緻密多孔質支持体層）を設け、次いで細孔径の大きな支持体層（粗多孔質支持体層）を設けた２層以上の構造にすることが好ましい。該粗多孔質支持体層の細孔径は１〜２０μｍ、細孔率は０．２〜０．９の範囲が好ましい。該緻密多孔質支持体層の細孔径は０．０１〜１μｍ、細孔率は０．２〜０．８の範囲が好ましい。支持体の材質は膜の材料との親和性があり不活性な耐熱性の多孔質材料であれば特に制限はないが、シリカ、アルミナなどのセラミックが好適に用いられる。
【００１５】
本発明の第二発明は、該窒素透過膜を用いたアンモニア合成装置である。本発明の第三発明は該アンモニア合成装置を用いるアンモニア合成方法である。
【００１６】
該アンモニア合成装置は、窒素透過膜によって分離された２つの空間を有し、一方に窒素含有ガスを導入し排出できる空間（Ａ）と、他方に水素含有ガスを導入し反応後のガスを排出できる空間（Ｂ）を有することを特徴とするアンモニア合成反応装置である。該反応により生じるガスとはアンモニアガスである。このような構造を有するものであれば、何れの構造を有するものであっても良い。また、該反応には加熱する必要があるので、加熱装置を有することが好ましい。
【００１７】
例えば、図３の反応器の概念図に示したように窒素透過膜を挟んで、片側に窒素含有ガス、反対側に水素含有ガスを導入できる構造であれば反応器として使用できる。膜の形は図のような平板の他、波板、チューブ状などの形状が用いられる。
【００１８】
該アンモニア合成方法は、該アンモニア合成装置を用いて反応を行うものであり、窒素含有ガスを該空間（Ａ）に導入し、水素含有ガスを該空間（Ｂ）に導入し、該空間（Ｂ）からアンモニアを排出することによりアンモニアガスを得ることができる。反応条件は該透過膜、該アンモニア合成装置が有効に働くことができれば何れの条件をとることができる。例えば、反応圧は高い方が平衡・反応速度上有利であるが、膜の強度や設備費・用役費の面からは低い方が良くその兼ね合いで適当な反応圧が決まる。具体的には０．１ＭＰａ〜５ＭＰａの範囲が好ましく、０．１ＭＰａ〜２ＭＰａの範囲が更に好ましい。反応温度は平衡の面からは低温の方が好ましいが、反応速度、窒素の透過速度が小さくなる。その兼ね合いで反応温度が決まる。具体的には２００〜７００℃の範囲が好ましく、３００〜６００℃の範囲が更に好ましい。反応器に導入する原料である窒素含有ガスは、窒素のみであっても良いが、該反応に支障がないときは他に不活性ガス、水素、アンモニアが含まれていても良い。他のガスが含まれるとき、窒素ガスは１０〜１００モル％、好ましくは３０〜１００モル％含まれるものである。また原料の水素含有ガスは水素のみであっても良いが、反応に支障がないときは、他に不活性ガス、窒素、アンモニアが含まれていても良い。他のガスが含まれるときは、水素ガスが１０〜１００モル％、好ましくは３０〜１００モル％含まれるものである。なお両原料には酸素、水蒸気は含まれない方が好ましい。
【実施例】
【００１９】
以下に実施例により更に詳細に説明するが、本発明の効果を奏するものであれば以下の実施例に限定されるものではない。
（膜の調製）
αアルミナ製の厚み３ｍｍ、直径１００ｍｍ緻密な支持体層の細孔径が０．１μｍの多孔質シートに、Ｆｅ１７Ｎｄ２の組成の合金をターゲットとしてスパッタリング法を用いて厚み５００ｎｍの合金膜を成膜した。
（反応）
αアルミナシートの合金が成膜されている部分から直径６０ｍｍの円形の膜を切り出し、図３に示した装置に中央のフランジで固定した。この反応器を電気炉で５００℃に加熱し、窒素を０．５ＭＰａの圧力に制御して１Ｎｍｌ／ｍｉｎの速度で反応器の左の容器へ送り込んだ。反応前に透過膜の窒化処理を３時間行なった後、水素を０．５ＭＰａの圧力に制御して１Ｎｍｌ／ｍｉｎの速度で右の容器へ送り込み反応を開始した。出口のガス中にはアンモニアが含まれ、定常になってから測定した生成速度は３０μｍｏｌ／ｈｒであった。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明は、不要な資源的・エネルギー的なものを生じ難い新規なアンモニア合成方法を提案するものであり、アンモニアは化学工業の基本的な原料、新規な燃料として用いることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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