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公開番号2025078037
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-19
出願番号2024190570
出願日2024-10-30
発明の名称アンモニア分解触媒活性化のための装置及びプロセス
出願人エアプロダクツアンドケミカルズインコーポレイテッド,AIR PRODUCTS AND CHEMICALS INCORPORATED
代理人個人,個人,個人,個人
主分類C01B 3/04 20060101AFI20250512BHJP(無機化学)
要約【課題】アンモニア分解触媒活性化のための装置及びプロセスを提供する。
【解決手段】アンモニア分解に利用される触媒材料の活性化のための装置及びプロセスは、触媒活性化の初期段階を実行するための水素及び熱の初期使用と、後続の触媒活性化の状態を実行するためのアンモニア及び熱の後続使用と、を含み得る。アンモニアの後続使用は、異なるプラント要素における異なる触媒材料を事前選択されたシーケンスで活性化して、異なるプラント要素で利用される触媒材料の活性化を提供するように構成され得る。いくつかの実施形態は、同時に触媒材料の焼結を回避しながら、いくつかの実施形態では炉の上流に位置付けられ得る機器に有害であり得る過剰な温度を回避するように構成され得る。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
アンモニア分解のための触媒活性化のためのプロセスであって、前記プロセスが、
水素を含む第１の反応物質を、炉の上流に位置付けられた少なくとも１つの前反応器に給送することであって、前記炉が、前記炉の放射区間内に少なくとも１つのチューブを有し、これにより、前記第１の反応物質が、前記少なくとも１つの前反応器の触媒材料を通過し、その後、前記炉の前記放射区間内の前記少なくとも１つのチューブの触媒材料を通過する、給送すること、
第１のレベルの触媒活性化を検出することに応答して、前記第１の反応物質の前記給送を停止し、アンモニアを含む第２の反応物質を、前記少なくとも１つの前反応器と、前記炉の前記放射区間内の前記少なくとも１つのチューブと、に給送することを開始することであって、これにより、前記第２の反応物質が、前記少なくとも１つのチューブの前記触媒材料を完全に活性化するために、前記少なくとも１つの前反応器の前記触媒材料を通過し、その後、前記炉の前記放射区間内の前記少なくとも１つのチューブを通過する、開始することを含む、プロセス。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
前記第１の反応物質の前記給送と前記第２の反応物質の前記給送とが、前記少なくとも１つのチューブの上流部分における前記触媒材料が完全に活性化され、次いで、前記少なくとも１つの前反応器の前記触媒材料が完全に活性化され、次いで、前記少なくとも１つの前反応器の前記触媒材料が完全に活性化された後、及び前記少なくとも１つのチューブの前記上流部分における前記触媒材料が完全に活性化された後に、前記少なくとも１つのチューブの下流部分における触媒材料が完全に活性化されるように行われる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
アンモニアを含む前記第２の反応物質の前記給送が、前記少なくとも１つのチューブの下流部分における前記触媒材料が最後に完全に活性化されるように行われる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項４】
前記第２の反応物質が事前選択されたアンモニア濃度のアンモニアを有し、かつ／若しくは前記第２の反応物質が事前選択された流量を有するように、窒素を前記第２の反応物質の前記アンモニアと混合すること、及び／又は
前記第１の反応物質が事前選択された水素濃度の水素を有し、かつ／若しくは前記第１の反応物質が事前選択された流量を有するように、窒素を前記第１の反応物質の前記水素と混合することを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項５】
前記少なくとも１つの前反応器が、第１の前反応器であって、前記第１の前反応器の容器内に触媒材料を有する、第１の前反応器と、第２の前反応器であって、前記第２の前反応器の容器内に触媒材料を有する、第２の前反応器と、を含み、前記第２の前反応器が前記炉の前記少なくとも１つのチューブと前記第１の前反応器との間にあるように、前記第２の前反応器が、前記第１の前反応器の下流にある、請求項１に記載のプロセス。
【請求項６】
前記第１の反応物質の前記給送が、
（ａ）前記少なくとも１つのチューブの上流部分における前記触媒材料が、完全に活性化され、
（ｂ）前記第２の前反応器の前記触媒材料が、完全に活性化され、かつ
（ｃ）前記第１の前反応器の前記触媒材料が、完全に活性化されるように行われ、
前記第２の反応物質の前記給送が、
（ｄ）前記少なくとも１つのチューブの下流部分における前記触媒材料が、完全に活性化されるように行われる、請求項５に記載のプロセス。
【請求項７】
前記少なくとも１つのチューブの前記下流部分の前記触媒材料が、前記少なくとも１つのチューブの前記上流部分の前記触媒材料よりも高い活性化温度を有する、請求項６に記載のプロセス。
【請求項８】
前記少なくとも１つのチューブの前記下流部分の前記触媒材料が、前記第１の前反応器の前記触媒材料よりも高い活性化温度を有する、請求項７に記載のプロセス。
【請求項９】
前記少なくとも１つのチューブの前記下流部分の前記触媒材料が、前記第２の前反応器の前記触媒材料の少なくとも一部よりも高い活性化温度を有する、請求項８に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記第１の反応物質の前記給送がまた、前記第１の反応物質を、第１の期間にわたって前記少なくとも１つのチューブ及び前記少なくとも１つの前反応器を通して再循環させることを含む、請求項１に記載のプロセス。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０２３年１１月６日に出願された米国仮特許出願第６３／５９６，３２０号の優先権を主張する。
続きを表示（約 3,300 文字）【０００２】
本発明は、アンモニア分解プラント及びプロセスで利用される触媒材料の活性化のためのプロセス及び装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
アンモニアを分解して水素を生成することができる。アンモニアを分解するために使用され得るプロセスの例は、米国特許出願公開第２０２３／０２４２３９５号及び国際公開第２０２２／２６５６４７号、同第２０２２／２６５６４８号、同第２０２２／２６５６４９号、同第２０２２／２６５６５０号、同第２０２２／２６５６５１号、並びに係属中の米国特許出願第１７／９９０，８３２号、同第１７／９９０，８２３号、同第１７／９９０，８１７号、及び同第１７／９９０，８１５号から理解され得る。
【発明の概要】
【０００４】
アンモニア分解プロセスは、アンモニアの水素ガス及び窒素ガスへの分解を容易にするのに役立つ触媒材料の使用を伴い得る。触媒の活性化は、触媒の策定に依存し得る。活性化は、通常、ある程度の低温から始まり、より高い最終温度に向けて高まる。最終温度は、一般に、触媒上の活性金属種に依存する。例えば、ルテニウム（Ｒｕ）触媒は、典型的には、より低い最終活性化温度（例えば、３５０℃未満）を使用し、ニッケル（Ｎｉ）触媒は、多くの場合、より高い最終活性化温度（例えば、３５０℃超）を必要とする。Ｒｕ触媒はまた、Ｎｉ触媒と比較して、触媒活性化のための温度上昇及び保持時間に関してより過酷な要件を有し得る。
【０００５】
Ａｎｄｒｅｗ，Ｓ．Ｐ．（１９８１），Ｔｈｅｏｒｙａｎｄｐｒａｃｔｉｃｅｏｆｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｃａｔａｌｙｓｔｓ．ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ，３６（９），１４３１－１４４５は、触媒材料の活性化が、触媒材料をより高い温度環境（例えば、熱の適用）と還元剤への曝露との組み合わせにさらすことを伴い得ることを開示している。Ｔｗｉｇｇ，Ｍ．Ｖ．（１９９６）．ＣａｔａｌｙｓｔＨａｎｄｂｏｏｋ（２ｎｄｅｄ．）．Ｌｏｎｄｏｎ：ＭａｎｓｏｎＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＬｔｄ．（「Ｔｗｉｇｇ」）は、水素が一般的に使用される還元剤であることを開示している。Ｔｗｉｇｇはまた、触媒の活性化プロセスが、触媒が活性化され、かつ触媒が活性化エネルギーの低減、又は化学反応を促進するのに役立ち得る反応機構の変化を提供することができるように、担持された金属触媒の前駆体金属酸化物を金属触媒の微結晶へ還元するために行われることを開示している。
【０００６】
アンモニア分解に使用される触媒は、アンモニア分解に使用される前に活性化を必要とし得る酸化状態、半酸化状態、又は少なくとも部分的に不動態化された状態で出荷できることを特定した。上述したように、触媒材料の活性化は、触媒材料が、触媒材料を活性化するための水素含有ガス及び熱などの還元環境に曝露されるプロセス（例えば、酸化物を除去する、内部の触媒金属材料を取り囲んでいるか又は覆っている酸化層を除去する、内部の触媒金属材料を取り囲んでいるか又は覆っている不動態化層を除去するなど）の使用を含み得る。従来であれば、活性化は、窒素などの不活性ガスと混合された水素を使用して行われるであろう（例えば、次を参照されたいＴｗｉｇｇ，Ｍ．Ｖ．（１９９６）．ＣａｔａｌｙｓｔＨａｎｄｂｏｏｋ（２ｎｄｅｄ．）．Ｌｏｎｄｏｎ：ＭａｎｓｏｎＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＬｔｄ．）。
【０００７】
しかしながら、我々は、アンモニア分解に使用される炉中に位置付けられ得る触媒材料の活性化（例えば、水素（Ｈ
２
）及び窒素（Ｎ
２
）を形成するためにアンモニアが炉中で加熱及び分解されるために通過し得る炉のチューブ中に位置付けられるは、非常に高い温度（例えば、５００℃超又は６００℃超の温度（例えば、４５０℃～７００℃、５５０℃～６７５℃、５００℃～７００℃など）を必要とし得ることを特定した。我々は、長時間の触媒活性化プロセス中の炉内のそのような高い温度により、米国特許出願第１７／９９０，８２３号、同第１７／９９０，８１７号、及び同第１７／９９０，８１５号に開示されたいくつかのタイプのフロントエンド熱交換器が、触媒材料の活性化のために還元剤及び熱がどのように反応器及び炉を通って再循環することができるかに起因してそれらの熱交換器が非常に高い温度に耐えることができる特別な材料で作られていない限り、これらの熱交換器の設計温度を超え得ることを特定した。しかしながら、そのような特殊機器を利用することは、そのような機器の調達に有害であり得、また、コストの増加、及び生産又は設置の遅延、並びに特別なメンテナンス作業及び／又はメンテナンスコストの増加をもたらす。
【０００８】
例えば、より特殊化された機器の使用は、メンテナンスの監督及びメンテナンスの監視を必要とする項目の増加を導入し得る異類の金属又は機器の定格が増えることに起因して、安全上のリスクを高める可能性がある。これらの機器の使用を回避又は最小化することは、この安全上のリスクの増加と、そのリスクの増加を考慮するために利用されるこれらのタイプの追加のメンテナンスアクティビティと、を回避するのに役立ち得る。
【０００９】
我々は、アンモニア分解プロセスを実装するように構成されたアンモニア分解装置内の触媒活性化のためのそのような高温プロファイルを、より低温の定格のフロントエンド機器を利用することができるように回避することができることを特定した。我々は、そのような特徴が、改善された動作効率及び柔軟性を提供しながら、改善された触媒材料活性化を提供するのに役立ち得ることを特定した。我々は、実施形態がまた、より環境を考慮したアンモニア生成物（例えば、再生可能エネルギー源を介して生成され、及び／又は二酸化炭素回収技術の使用と併せて生成されたアンモニア）の使用を介してアンモニア分解をより経済的に魅力的にするのに役立ち、これにより、環境を考慮したアンモニア製造と、水素生成のためのアンモニア分解と、の増加を得ることもできると考える。
【００１０】
いくつかの実施形態では、アンモニア分解装置の触媒活性化のためのプロセス及び装置は、第１の触媒活性化期間にわたって触媒活性化の初期の第１の低温フェーズを行うために、反応物質としての水素と炉を介した熱とを利用することを含むことができる。この初期の第１の低温活性化は、いくつかの実装態様で第１の触媒活性化フェーズが満たされるまで、温度及び／又は水素濃度を定期的に上昇させることを含むことができる。第１の初期触媒活性化フェーズが行われたと検出された後、第２の触媒活性化期間にわたる第２の高温触媒活性化フェーズを行うことができる。この第２のフェーズは、試薬としてのアンモニアの使用と、より高い第２の温度プロファイルの使用と、を含むことができる。この第２のフェーズを、第２の高温触媒活性化フェーズのための反応物質としてのアンモニアの使用前又は使用中、及び／若しくはそのような排気が行われた後に、水素反応物質流体の排気と組み合わせて、水素反応物質流体を除去することができる。いくつかの実施形態では、第２のフェーズである高温触媒活性化フェーズは、第１のフェーズの後に連続して行われ得るため、第２のフェーズは、第１の初期低温フェーズが完了した直後に行われるように開始される（例えば、第２の高温フェーズは、初期の低温の第１の触媒活性化フェーズのプロセスの完了に関連付けられた特定の温度及び／又は水素含有量の検出を介して、第１のフェーズが完了したと検出された直後に直ちに行われるように開始され得る）。
（【００１１】以降は省略されています）

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