CN108698016B - 反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种反应装置，其具有热传导性的热交换体，上述热交换体利用热介质与反应流体的热交换而进行反应流体的反应，在内部具有热介质流路和反应流路，上述热介质流路用供热介质流通，上述反应流路供反应流体流通。反应装置具有导热促进体(53)，上述导热促进体(53)为了促进热介质与热交换体之间的导热而设在热介质流路内，且密接于热交换体，导热促进体由多种部分导热促进体(53a)的集合体构成。通过以不同种类的部分导热促进体置换部分导热促进体中的至少1个，可局部地改变导热促进体的导热性能，由此，可进行热交换体内的温度分布的再次调节。

Description

反应装置
技术领域
本发明涉及通过利用与热介质的热交换对包含反应体(反应原料)的流体即反应流体进行加热或冷却，进行反应体的化学反应的热交换型的反应装置。
背景技术
热交换型的反应装置作为一化学反应装置，将包含反应体(反应原料)的气体状或液体状的流体进行加热或冷却而使反应体的反应进行的反应装置为众所皆知。在这种反应装置中，在装置内部设有使反应流体流通的反应流路与使热介质流体流通的热介质流路，在反应流体及热介质分别从入口被供给到从出口排出为止的期间，进行相互的热交换。设在反应装置内的反应流路及热介质流路，一般为了容易促进热交换，形成为分别分歧成多个流路而让导热面积增加。另外，化学反应的进行可通过使用催化剂来促进，因此，当在反应流路内设置催化剂时，可使在反应流路内的反应效果提升。
另外，热交换型的反应装置也可以使用供给通过反应所产生的反应热的流体，来代替供给热能或冷能的热介质。在此情况下，对热介质流路供给燃烧气体等的反应性流体，将通过反应所生成的热能或冷能传递至反应流路内的反应流体。在日本特开2002-143675号公报(专利文献1)记载有催化剂燃烧室与改质室相互地层叠的构造的板翅型反应器，并记载催化剂燃烧室与改质室分别具有受载有燃烧催化剂或改质催化剂的翅片。
在专利文献1的反应器中，在热供给侧与热需要侧双方进行反应，因此，需要使催化剂燃烧与改质的热平衡均衡。为了与之对应，记载有使用性状不同的催化剂化翅片来控制反应速度的内容。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-143675号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在基本的热交换型的反应装置中，供给至反应流体的热能或冷能仅是热介质的热能或冷能，不含反应热，所以，热收支的平衡可通过热介质的流量控制容易地调节。但是，即使热收支的平衡适当，沿着反应流路内的流动方向的温度曲线也经常表示局部剧烈的变动。例如，在进行使用了低温的热介质的冷却使反应体的发热反应进行的情况下，形成热介质流路的导热壁的温度从入口侧朝出口侧上升。相对于此，与热介质相对向流动的反应流体的温度随着从入口侧朝出口侧流动而下降，但会因反应进行引起发热所造成的温度上升。直到上升的温度再次下降为止，反应流体的反应会衰退，当因反应进行造成温度上升显著时，则需要更长的反应流路。因此，在发热反应的进行上，一般除热为最优先的课题，选择适合最需要进行除热的部位的高导热性能的翅片并配置于热介质流路。但是，使用导热性能高的翅片会造成热介质的流动压力损失增大，在能量效率的这一点上并不理想。若为了减少压损而抑制导热性能的话，则会成为反应装置的小型化的阻碍，在反应效率的这一点上并不理想。即使在进行使用了高温的热介质的加热使吸热反应进行的情况下，当在温度曲线上产生极端的温度下降时，也是一样。另外，在对热交换体的构造材的热的影响的这一点上，期望避免长时间维持局部显著的温度差。
为了解决热交换型的反应装置的这种问题，期望可调整成装置内的温度分布成为理想状态。但是，由于反应流路的温度曲线会根据使用反应装置时的条件设定等改变，所以，为了提供装置内部的温度分布处于理想状态的反应装置，需要考虑使用状态并预先实施关于反应装置内的热移动的调整。在以往的反应装置中，这样的调整极为困难，期望可进行关于热移动的局部变更的改良。
本发明是为了解决这样的问题而开发完成的发明，其目的是在于可提供通过与关于从反应装置内的热介质向反应流体的热移动的使用状况对应的调节，预先调整成温度分布成为理想状态，可根据需要，对温度分布容易进行再调整的热交换型的反应装置。
用于解决课题的方法
为了解决上述课题，本发明人等针对从热介质流路向反应流路的热移动进行精心研究发现，利用构成反应装置的构件，通过局部的热移动的调节，可容易地调整反应流路的温度分布的简单结构，而开发完成本发明的技术。本发明的技术可提供一简单的系统，其可利用促进导热的导热促进体而容易地调整反应装置内的温度分布，且将该系统应用至公知的反应装置，可根据实施状况，对温度分布可适当地再次进行调整。
若依据本发明的一方案，反应装置具备：热交换体，上述热交换体在内部具有供热介质流通的热介质流路和供反应流体流通的反应流路，使上述热介质与上述反应流体进行热交换；导热促进体，上述导热促进体为了促进上述热介质与上述热交换体之间的导热，设在上述热介质流路内，且密接于上述热交换体，并由多种部分导热促进体的集合体构成。优选上述多种部分导热促进体具有因种类而具有相互不同的导热性能，并包括翅片。另外，多种部分导热促进体能由弯曲的板状构件构成。通过以不同种类的部分导热促进体置换上述多种部分导热促进体中的至少1个，能局部地改变上述导热促进体的导热性能，由此，能够调整装置内的温度分布。
在上述反应装置中，也可以为上述多种部分导热促进体分别具有弯曲成与上述热交换体面接触的波纹板的形状，或实质上弯折成直角的波纹板的形状，或者具有可钩挂的小片、孔、切口、百叶窗及狭缝中的至少一种。上述多种部分导热促进体，可构成为构成材料的热传导性及与上述热介质的接触面积中的至少一方相互不同，上述多种部分导热促进体的波纹板的形状根据种类，间距及高度中的至少一方相互不同。上述反应装置也可以形成为进一步在上述反应流路内具有促进上述反应流体的反应的催化剂，或上述热交换体的上述热介质流路及上述反应流路分别具有平行的多个分支流路，上述热介质与上述反应流体在对置方向上在上述多个分支流路中流通。
另外，在本发明中可提供温度分布调整洗统，其在利用经由在内部具有热介质流路与反应流路的热交换体的热介质与反应流体的热交换，用于使上述反应流体的反应进行的反应装置中，能调整上述热交换体内的温度分布，能够调整成从热介质向反应流体适当地供给热量。温度分布调整系统具有：导热促进体，上述导热促进体为了促进上述热介质与上述热交换体之间的导热，能装卸地固定于上述热介质流路内并密接于上述热交换体，并通过可重组的多个部分导热促进体的集合体构成；及具有与上述多个部分导热促进体不同的导热性能，能与上述多个部分导热促进体的各个置换的至少1个置换体，通过以上述置换体置换上述多个部分导热促进体中的至少1个而局部地改变上述导热促进体的导热性能，使得上述热交换体内的温度分布变化。
发明效果
根据本发明的实施方式，由于能通过局部的导热性能的调节，容易且简单地将反应装置内的温度分布调节成适当的状态，所以，可提供根据反应条件、使用状况等调整成适当的温度分布的反应装置，容易进行再调整，由此，能够提供可削减维修费用且能源效率及反应效率佳的反应装置，有助于目的的反应生成物的稳定供给及制造成本的削减。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的反应装置的侧视图。
图2是用于说明反应流路的结构的图1的反应装置的A-A线剖视图。
图3是用于说明热介质流路的结构的图1的反应装置的B-B线剖视图。
图4是用于说明反应流路及热介质流路内的结构的图1的反应装置的C-C线剖视图。
图5是用于说明导热促进体及催化剂的图4的剖面的部分放大图。
图6是用于表示本发明的一实施方式的导热促进体的结构的说明图。
图7是用于表示本发明的一实施方式的部分导热促进体的结构例(a)、(b)、(c)的说明图。
图8是表示用于说明导热促进体的作用的反应流路侧的温度分布(a)及热介质流路侧的温度分布(b)的温度分布图。
具体实施方式
在热交换型的反应装置中，热介质流路及反应流路的从入口到出口为止的温度分布即温度曲线会依据从热介质流路向反应流路的导热状态改变，另外也会依据该导热状态以外的要件改变。具体而言，温度曲线会依据热介质的供给温度及流量，反应流体的反应速度及反应热、所使用的反应催化剂的种类及反应特性等改变。
在进行使用了低温的热介质(制冷剂)的冷却，进行反应体的发热反应的情况下，即使取得通过反应进行的理论发热量与除热量的平衡，在反应流路的温度分布上，也会有在入口附近产生因开始发热反应引起的急剧的温度上升的情况。若温度上升显著的话，由于通过冷却的温度恢复会变慢，所以，需要将反应时间及反应流路设定成较长。即使在通过高温热介质的加热下进行吸热反应的情况下，同样地也能产生因急剧的温度下降所引起的反应进行的延迟。另外，局部的过大的温度差也会有相对于热交换体的构造材料产生部分的热变性的担心。因此，期望可解决温度曲线的极端的变动。为了缓和这种急剧的温度变动，需要局部地强化产生温度变动的部位的对反应流体的导热。即，通过构成为可局部地变更从热介质流路向反应流路的热移动量，可理想地调整反应流路的温度曲线。
从热介质流路向反应流路的热移动可通过在热介质流路设置导热促进体来进行改善。导热促进体是用于通过安装于热介质流路内来增加与热介质的接触面积(导热面积)而将更多的热量从热介质供给至反应流体的构件即散热器，由热传导性高的材料构成。例如，在气液热交换器中使用的翅片相当于散热器，市面贩卖的各种设备(另外，“翅片”是指板状、销状的突起物，但将这样的突起物设在基材上的制品也称为翅片)。散热器的性能即表示导热性能的代表性要素为热阻抗及流体的压力损失(动态压力损失)，在热阻抗值及压力损失小的状态下，导热性能高。由于随着导热促进体的导热面积增加，热介质-热交换体间的热传递的热阻抗会降低，所以，导热性能提高，移动的热量增加。但是，若由于导热面积增加造成压力损失增大的话，使热介质-散热器间的热传递减少，因此，一般在构造设计上考虑不会因导热面积的增加造成压力损失过大。在以往的热交换型的反应装置中，作为导热促进体，安装单一种类的翅片，因此，导热促进效果在装置全体上均等。即，从入口侧到出口侧为止的导热性能均等，未进行流路的一部分的局部变更。
关于这一点，在本发明中，利用通过可重组的多个部分导热促进体的集合体所构成的导热促进体。在导热促进体的基本结构中，多个部分导热促进体为相同种类，即，在导热促进体的整体中，通过相等的导热性能带来实质上相等的导热增加，但是，通过以其他不同种类的部分导热促进体置换该等多个部分导热促进体中的至少1个，也能在置换的部分局部地变更导热促进体的导热性能，而能够调整导热量。因此，通过部分导热促进体的置换，可调节导热，使得基于通过试验性的反应的测定、模拟而得到的温度分布，在包围反应流路的导热壁的流动方向的温度曲线中，表示急剧的温度变动的部位附近(反应开始区域等)的温度变化变得圆滑。另外，可提供调节导热性能的平衡使温度曲线的线成为期望的梯度，且将热平衡予以优化而不会形成热量不足，并且效率佳的反应装置。通过改变变更导热促进体的导热性能的位置，可使反应装置内的温度分布产生各种变化，因此，不仅可抑制温度变动、改善温度梯度等，也可以根据需要，适当调节反应装置内的温度分布。即，导热促进体的导热性能的变更可用作解决反应装置内的各种热能问题的手段，可根据反应条件的变更、反应装置的特性等，随时可适宜调节温度分布而将反应装置调整成良好的状态。
以下，参照图面等，举例详细地说明作为例子的本发明的实施方式。反应装置的热介质及反应流体的流通参照图1至图3进行说明，配置于热介质流路及反应流路内的导热促进体及催化剂使用图4及图5进行说明。另外，参照图6及图7，说明构成导热促进体的部分导热促进体。另外，在图1至图3中，省略导热促进体及催化剂的记载。在实施方式中表示的尺寸、材料、其他具体的数值等仅是为了容易理解本发明的内容所举的例子，除了特定说明的情况外，并非用于限定本发明。另外，在说明书及图面中，关于具有实质上相同的功能及结构的要件，赋予相同的符号并省略重复说明，未与本发明直接相关的要件则省略其图示。
图面所示的反应装置1为热交换型的反应装置，作为其主要部分，具有热交换体3。在下述的实施方式中，热交换体3作为由形成有流路用槽的平板状的导热体的层叠体构成的板型热交换体进行说明。但是，在本发明中，热交换体并非一定需要由这样的层叠体构成，也可以为其他形态的热交换体。例如，也可以取代具有槽的导热体，使用将在不具有槽的平板上并列设置用于限定流路的壁板的导热体层叠而形成热交换体，或使用通过穿设或成形来加工成具有流路用的空孔的一体构造的蜂巢型热交换体，或使用多个管构成的双重管式或多管式热交换体等。热交换体3通过具有强度的隔热性支柱5支撑。图1所示的热交换体3具有多个第1导热体7、第2导热体9及盖体8。第1导热体7、第2导热体9及盖体8为由具有耐热性的热传导性材料构成的长方形的平板状构件，第1导热体7及第2导热体9分别在一侧的面形成有构成反应流路或热介质流路的槽。第1导热体7及第2导热体9通过水平地配置而在铅垂方向上交互地层叠后在最上部载置盖体8，形成长方体形状的层叠体。层叠体的两端嵌合于四角环状的固定构件10，通过环绕外周的固定构件10，将层叠的各构件密接固定，由此保持层叠构造。当组装层叠体时，若利用TIG(Tungsten Inert Gas)焊接、扩散接合等的接合方法将各构件间予以安装固定的话，则可防止各构件间的接触不良所引起的导热性降低等。另外，热交换体3可仅使用至少1个第1导热体7及至少1个第2导热体9来构成，但是，第1导热体7及第2导热体9的数量越多则热交换性能越好。在此实施方式中，使用多个第1导热体7及第2导热体9，第2导热体9的数量比第1导热体7的数量多1个，第2导热体9位于最上位及最下位而第1导热体7被挟持于第2导热体之间。在抑制热损失的观点上，理想为反应装置1使用壳体或隔热材覆盖热交换体3的周围，由此抑制来自于热交换体3的散热。也可以通过1个壳体覆盖多个热交换体3，使得反应装置1具有多个热交换体3。
作为构成热交换体3的各部分的热传导性材料，具有铁类合金、镍合金等的耐热性金属。具体而言，可举出例如不锈钢等的铁类合金、因科镍合金625(INCONEL625；注册商标)、因科镍合金617(INCONEL617；注册商标)、海恩斯合金230(Haynes230；注册商标)等的镍合金的耐热合金。这些热传导性材料对作为在反应流路的反应进行、热介质等来使用的燃烧气体具有耐久性(耐蚀性)，所以极为理想，但不限于这些材料。另外，也可以为铁类镀钢、以氟树脂等的耐热树脂加以覆盖的金属、或碳纤维等。固定层叠体的固定构件10理想为由具有耐热性及强度的材料构成，为了抑制因散热所引起的热损失，热传导性低的材料为佳。在由与热交换体3相同的材料形成固定构件10的情况下，理想为由隔热材料覆盖这些构件。在从抑制散热的观点来看，优选以连接于两侧的固定构件10的方式构成壳体。
如图2所示，形成有槽的第1导热体7具有基部11、侧壁部13、间壁部15及端壁部19，通过将第2导热体9层叠于第1导热体7上，第1导热体7的槽构成反应流路17。基部11限定反应流路17的底面，侧壁部13、间壁部15及端壁部19立设于基部11上而限定反应流路17的侧面，第2导热体9的下面成为反应流路17的上面。侧壁部13及端壁部19沿着第1导热体7的三方端部设置，间壁部15平行且等间隔地形成于两侧的侧壁部13之间。反应流路17具有多个分支流路17a、汇集路17b及排出孔17c。分支流路17a隔着间壁部15以等间隔并行，分支流路17a的一端通过与这些分支流路垂直的汇集路17b连接，另外，分支流路17a的另一端朝外部开放。排出孔17c贯通第1导热体7的侧壁部13的一端部而使汇集路17b伸长。
另一方面，如图3所示，形成有槽的第2导热体9也具有基部25、侧壁部27、间壁部29及端壁部33，通过将第1导热体7或盖体8层叠于第2导热体9上，第2导热体9的槽构成热介质流路31。基部25限定热介质流路31的底面，侧壁部27、间壁部29及端壁部33立设于基部25上而限定热介质流路31的侧面，第1导热体7或盖体8的下面成为热介质流路31的上面。侧壁部27及端壁部33沿着第2导热体9的三方的端部设置，间壁部29平行且等间隔地形成于两侧的侧壁部27之间。热介质流路31具有多个分支流路31a、汇集路31b及排出孔31c。分支流路31a隔着间壁部29以等间隔并行，分支流路31a的一端通过与这些分支流路垂直的汇集路31b连接，另外，分支流路31a的另一端朝外部开放。排出孔31c贯通第2导热体9的侧壁部27的一端部使汇集路31b伸长。
如上述，热交换体3通过第1导热体7、第2导热体9及盖体8的层叠体而构成，如图4所示，在内部具有供热介质流通的热介质流路31(分支流路31a)和供反应流体流通的反应流路17(分支流路17a)。第1导热体7作为用于接收从热介质或第2导热体9供给的热能或冷能而供给至反应流体的构件来发挥功能，第2导热体9将通过热介质所供给的热能或冷能直接供给反应流体，或经由第1导热体7间接地供给至反应流体的构件来发挥功能。
反应流路17及热介质流路31如图1所示，形成为：在热交换体3的一侧面，热介质流路31的排出孔31c位于与反应流路17的排出孔17c相反侧的端部。热交换体3将弯曲成凹状的镜板21可装卸或可开闭地安装在反应流路17的分支流路17a所开放的一侧的侧面，在镜板21覆盖热交换体3的侧面的状态下，在热交换体3与镜板21之间形成空间。在镜板21设有导入口23。因此，若从导入口23供给反应流体的话，则从镜板21与热交换体3之间的空间向反应流路17的分支流路17a分流后，在汇集路17b汇集后自排出孔17c排出。同样地，热交换体3也将弯曲成凹状的镜板35可装卸或可开闭地安装在热介质流路31的分支流路31a所开放的一侧，即与镜板21相反侧的侧面，在镜板35覆盖热交换体3的侧面的状态下，在热交换体3与镜板35之间形成空间。在镜板35的中央设有导入口37，若从导入口37供给热介质的话，则从镜板35与热交换体3之间的空间向热介质流路31的分支流路31a分流后，在汇集路31b汇集后自排出孔31c排出。因此，热介质流路31及反应流路17形成为：热介质及反应流体在分支流路17a及分支流路31a上平行地朝对置方向流通。
并且，具有长度方向的开口的纵长且中空的导出构件39附设于热交换体3的侧面，用以覆盖反应流路17的排出孔17c，并形成有在铅垂方向上连接排出孔17c的汇集路。因此，反应流路17内的反应流体的流动通过排出孔17c而在导出构件39内汇集，从设在导出构件39的中央的管状的导出口41排出。同样地，在热交换体3的相同侧面，具有长度方向的开口的纵长且中空的导出构件43附设成覆盖热介质流路31的排出孔31c，并形成有在铅垂方向上连接排出孔31c的汇集路。因此，热介质流路31内的热介质的流动通过排出孔31c而汇集，从设在导出构件43的中央的管状的导出口45排出。另外，反应流体的从导入口23朝导出口41的流通方向、及热介质的从导入口37朝导出口45的流通方向，也可以分别变更成相反方向。
反应流体为含有作为反应原料的反应体的流体，在流通于反应流路17的分支流路17a期间，接收流通于热介质流路31的热介质的热能或冷能而被加热或冷却，使得反应进行，反应体被变换成生成物。在图2中以符号R所示的箭头表示反应体流动的方向，以符号P表示的箭头表示生成物流动的方向。在图3中以符号M表示的箭头表示热介质流动的方向，热交换体3具有反应流体与热介质朝相反方向流动的对向流式的构造。
如图4及图5所示，热交换体3内的反应流路17及热介质流路31的与流动方向垂直的剖面形成为长方形的中空部。在此实施方式中，在1个第1导热体7或第2导热体9形成有8条分支流路17a或分支流路31a，但是，分支流路17a及分支流路31a的数量不限于此，可考虑热交换体3的设计条件及导热效率等加以适宜决定。从热传导的观点来看，在一般的情况下，理想为将数十条左右的分支流路17a或分支流路31a以流路宽度的1.0倍左右的间隔进行设置。另外，反应流路17与热介质流路31的上下的间隔(高度方向)，理想设置为这些流路的横方向的间隔的0.2至5.0倍左右。且，在此实施方式中，层叠有6个第1导热体7及7个第2导热体9，但是，不限于此，理想为使层叠体(热交换体3)的高度接近宽度，且与流动方向垂直的剖面近似正方形。另外，在图示的实施方式中，用于构成反应流路17及热介质流路31的槽仅设在第1导热体7及第2导热体9中的一侧，但是，也可以变更成在第1导热体7及第2导热体9的两侧分别设置槽，在层叠状态下作为上下槽的合体，构成反应流路17及热介质流路31。
在反应流路17的分支流路17a，分别插入用于促进反应体的反应的催化剂51，且其可插脱地密接固定。在热介质流路31的分支流路31a，分别插入用于促进从热介质向热交换体3的热能或冷能的传递的导热促进体53，且其可插脱地密接固定。另外，在图4、5中，反应流路17及热介质流路31的催化剂51及导热促进体53未被描绘出来其构造而仅以剖面线显示，在图4中，省略反应流路17及热介质流路31的一部分的催化剂51及导热促进体53的描绘。
催化剂51为使促进反应体的反应的催化剂受载于构造材的表面的构件，也可以为使用受载体将催化剂受载于构造材。催化剂可根据在反应装置1中进行的反应加以适宜选择。为了增加与反应流体的接触面积，催化剂51(构造材)也可以圆化弯曲成波形状的波纹板、折弯成锯齿形状等。另外，催化剂51理想为具有与反应流路17的分支流路17a相对应的长度，但不限于此。
另外，导热促进体53是用于促进热介质与热交换体3之间的导热的热传导性构件，即散热器，具有翅片(朝流体中突出的板状、销状等的突起)。翅片作用成使与热介质的接触面积(导热面积)增加且使热阻抗降低，提高来自于热介质的热传递率。散热器一般是构成为多个翅片一体地连接于基座的形态，从热介质传递至翅片的热量经由基座供给至热交换体。作为市面贩卖品可获得的散热器，例如具有将板状、销状或管状等的多个翅片并列而接合于基座板上的、波纹板状等。从这样各种的散热器，适宜选择适用于热介质流路31的分支流路31a的尺寸及形状的散热器，作为导热促进体53来使用。波纹板状容易进行导热量的计算，对于调整导热性能有利，且具有对流路的插脱作业不易破损的构造。为了确保向热交换体3的导热，导热促进体53使用与包围分支流路31a的导热壁密接的部件。在这一点，例如，如图6所示的具有折角的波纹板状的导热促进体53A那样，与热交换体3面接触的导热促进体53适用于与热交换体3之间的导热。图6的导热促进体53A形成为将薄板折弯成具有折角的波纹板状，即，隆起及槽交互地并行的形状，在隆起部分及槽部分具有平面。因此，插入于分支流路31a的导热促进体53在隆起部分及槽部分的平面分别与第1导热体7(或盖体8)及第2导热体9密接，这些部分作为基座发挥作用，其他的部分作为翅片发挥作用。如此，具有与热交换体3面接触的基座部分的导热促进体53是翅片与热交换体3之间的热阻抗低的构造，容易将热能传递至热交换体3。因此，比起波浪型的波纹板状，导热性能佳。另外，如图6的一实施方式所示，将导热促进体53A放置于具有热传导性的薄的平板55并插入至热介质流路31的分支流路31a的话，第1导热体7及第2导热体9的密接性提升。但是，平板55的使用为任意，也可以省略平板55而将构造简单化。作为构成导热促进体53及平板55的热传导性材料，可举出例如铝、铜、不锈钢、铁类镀钢等的金属，尤其是铝、铜等，其热传导性优良，因此极为理想。在通过制冷剂进行冷能交换用的情况，海军黄铜、铝黄铜等也极为理想。
导热促进体53作为在长度方向(流动方向)上连接的可重组的多个部分导热促进体的集合体而构成。一般这可利用作为散热翅片或散热器使用的构件加以制作。例如，如图6所示的实施方式的导热促进体53A可通过构成准备与分支流路31a大致相同长度的波纹板，然后将其均等地分割成相同长度(流动方向)的多个部分波纹板53a’(参照图7(a))，再将这些部分波纹板53a’作为部分导热促进体53a加以连接的集合体来制作。其在图1至图5中作为导热促进体53使用。波纹板会因构成材料的热传导性、与热介质的接触面积等，导热性能不同。因此，通过将宽度、长度及高度相同但间距或板厚不同的其他波纹板分割成相同长度，使得导热面积不同，能够获得可与部分导热促进体置换的不同种类的部分导热促进体(置换体)。同样地，通过以不同的材料制作的相同形状的波纹板，也可以获得置换体。通过使用这样的置换体，以置换体将至少1个部分导热促进体予以置换，使得导热促进体53由多种部分导热促进体构成，在已置换的位置，导热促进体53的导热性能被局部地变更。通过准备导热性能不同的多种置换体，可使导热性能的调节的灵活性提高。因此，基于将相同的导热性能的部分导热促进体插入至分支流路31a并连接的导热促进体53的结构，进行试验性测定或模拟，调查面对第1导热体7及第2导热体9的反应流路17及热介质流路31的壁部(导热壁)的流动方向的温度分布，再依据调查结果，由置换体将部分导热促进体的一部分或全部适当地置换，由此能够进行通过导热性能的变更的温度分布的调节。通过这样的操作，在面对反应流路17的壁部的温度分布上，可调节成理想的温度梯度(温度变化)。
另外，波纹板可通过从薄板材的一侧反复进行弯曲加工并加以折叠来获得。因此，准备从如上述的热传导性材料适宜选择的材料的薄板，以成为密接固定于热介质流路31的分支流路31a的尺寸的方式，根据分支流路31a的长度、宽度及高度设定折弯宽度，进行折弯成垂直的弯曲加工，由此，可根据需要准备理想的形状的波纹板。也可以使用与分支流路31a相同长度的薄板材进行弯曲加工后，再将波纹板切断分割成部分导热促进体的长度，或也可以对加工成部分导热促进体的长度的薄板材进行弯曲加工。
为了以置换体置换部分导热促进体，从通过取下(或开放)镜板35所开放的分支流路31a拉出部分导热促进体。关于这一点，若利用波纹状的相位偏移而具有切口的偏移型波纹板，使用将其分割的部分波纹板53b’(参照图7(b))来构成部分导热促进体及导热促进体53的话，则容易进行置换作业。即，使用如图6所示的呈一直线且前端弯曲的插入取出棒57，钩在部分导热促进体的切口部分，容易将部分导热促进体拉出。不限于偏移型，即使在形成有百叶窗的百叶窗型波纹板、设有狭缝的狭缝型波纹板的情况下，也可以容易地进行这样的置换作业。并且，关于如图6的通过基本的波纹板的导热促进体、通过挥动型的波纹板的导热促进体，也可通过设置供插入取出棒57钩挂的小片、孔、切口等，构成容易进行置换作业的导热促进体53。
随着构成导热促进体53的部分导热促进体的数量增加(流动方向的长度变短)，导热性能的调节精度变高，可根据所要求的调节精度，适宜决定部分导热促进体的数量(流动方向的长度)。另外，在从与自热介质供给的热和温度分布的关系相关的数据的蓄积，需要进行置换的频度高的部分被限定于特定区域的情况下，不需要以相同长度(流动方向)的部分导热促进体构成导热促进体53，例如，能使用较短的部分导热促进体和较长的部分导热促进体构成导热促进体53。在此情况下，以连接成在特定区域配置较短的部分导热促进体，在其他区域(置换频率低)配置较长的部分导热促进体的方式构成导热促进体53为佳，置换体形成为与较短的部分导热促进体相同的长度。
另外，在图6中，导热促进体53A及部分导热促进体53a通过两层重叠的相同种类的波纹板构成。但是，这些也可以通过一层构成，另外也可以重叠成三层以上。也可以将不同种类的波纹板重叠成多层。通过增加波纹板的层数(降低1个波纹板的高度)，使得导热促进体53与热介质的接触面积增加，可提高导热性能。若上下重成的波纹板为相同相位状态的话，则容易变得不稳定。但是，若如图6所示，在上下波纹板间夹持中介有热传导性薄的平板59的话则稳定，使得向热介质流路31的分支流路31a的插入容易进行。在此情况下，因通过平板59，使得与热介质接触的接触面积增加，所以，通过以与上述平板55相同的热传导性材料形成平板59，可使导热促进体53的导热性能提高。若平板59的长度(流动方向)与部分导热促进体53a相同的话，则容易进行置换作业。
图7是具体举例表示导热性能不同的部分导热促进体。图7(a)作为一例表示构成图6的部分导热促进体53a的部分波纹板53a’，经由平板59将部分波纹板53a’重叠成两层而可构成部分导热促进体53a。图7(b)表示利用偏移型波纹板的情况的一例。通过将分割偏移型波纹板所获得的部分波纹板53b’经由平板59予以重叠，构成部分导热促进体。部分波纹板53b’的间距及高度与图7(a)的部分波纹板53a’相同，但沿着流动方向，相位规则性偏移1/4。在此情况下，由于在相位偏移的位置产生乱流，所以，压损会稍微增加，但热传递提升。因此，比起没有相位偏移的部分波纹板53a’，导热性能较高。即，根据相位偏移的频率，导热性能也会改变。并且，虽未图示，若使用间距及高度较小的波纹板，例如使用间距及高度为部分波纹板53a’的1/2的波纹板话，经由平板59重叠成四层，同样地能够构成部分导热促进体。如此，通过使用间距或高度较小的波纹板，可提高导热促进体53的导热性能，因此，通过使间距及高度中的至少一方减少，能够获得导热性能增加的各种部分导热促进体。相反地，使间距及高度中的至少一方增加，可获得导热性能降低的部分导热促进体。另外，图7(c)是使用与图7(b)相同的部分波纹板53b’的部分导热促进体53c，但因上层的波纹板的间距与下层波纹板偏移1/2，且在波纹板间没有平板，所以，部分导热促进体53c的导热性能比中间有平板59的情况低。因此，在如图7(c)的层叠方式中，能够构成即使使用相同波纹板导热性能也会降低的部分导热促进体，即使在没有平板的状态下也具有稳定性。另外，在图4至图7中，构成导热促进体及部分导热促进体的部分波纹板的弯曲角度实质上为直角，但也可以为小于90度或超过90度的弯曲角度。在该情况下，分支流路31a的剖面通过导热促进体53区划成梯形，在弯曲内角小于90度的情况下，通过间距的减少，导热性能增加，在超过90度的情况下，通过间距的增加，导热性能减少。在小于90度的弯曲内角，也可以形成分支流路的剖面被区划成三角形的波纹板。
如图7所示，通过要使用的波纹板的形状的差异、有无中介的平板等引起的与热介质的接触面积的变更，能够提供相同材料但导热性能不同的部分导热促进体(置换体)。或者，部分导热促进体的导热性能也可依据构成该部分导热促进体的材料的热传导性改变，所以，也可以利用不同的构成材料形成导热性能不同的部分导热促进体(置换体)。
当将具有相同的导热性能的多个部分导热促进体依次插入到热介质流路31的分支流路31a的话，则在分支流路31a内，部分导热促进体被连接成直线状而构成导热促进体53，从热介质向第1导热体7及第2导热体9传递热能或冷能的导热性能在分支流路31a的全区域形成为均等。将面向此时的反应流路17的第1导热体7或第2导热体9的壁部(导热壁)的沿着流动方向的温度分布设为标准状态，将部分导热促进体中的1个由导热性能不同的其他种类的部分导热促进体(置换体)加以置换，则置换位置的向第1导热体7及第2导热体9的导热量会根据导热性能改变，因此，置换位置附近的第1导热体7及第2导热体9的温度变化，壁部的温度分布曲线产生变化。例如，在使用高温热介质的加热系统中，以导热性能相对高的置换体置换部分导热促进体的话，则置换位置的壁部的温度会上升，若以导热性能相对低的置换体置换的话，则置换位置的壁部的温度会下降。因此，基于标准状态的温度分布曲线，通过与设为目标的温度分布曲线比较，能够决定改变导热性能的位置(置换位置)及改变程度。根据所决定的导热性能的改变程度，选定置换体，再以置换体置换在置换位置的部分导热促进体。由此，能够接近设为目标的温度分布曲线，导热促进体可由多种部分导热促进体构成。以置换体置换的部分导热促进体的数量不限于1个，也可以全部置换。如此，通过调节为温度梯度佳且极端的温度变化被抑制的温度分布曲线，能够实现反应进行的最适化。
参照图8，将调节上述这样的温度分布曲线的一例说明如下。图8是在具有图1至图3所示的构造的反应装置1中，通过仿真来算出供给反应流体及热介质的热交换体3的反应流路侧的温度分布(a)及热介质流路侧的温度分布(b)的图表。在图8的温度分布图表中，横轴通过从反应流路17的分支流路17a的入口侧的端部算起的距离[单位：m]表示沿着流路的流动方向的位置。纵轴表示热交换体3的反应流路侧(图8(a))及热介质流路侧(图8(b))的温度[℃]。反应流路侧的温度作为在第1导热体7的基部11及第2导热体9的基部25面向反应流路17的壁部的温度被算出，热介质流路侧的温度作为在第1导热体7的基部11及第2导热体9的基部25面向热介质流路31的壁部的温度被算出。另外，作为反应条件，设定将预先改质完成原料(包含甲烷(主原料)、水、一氧化碳及二氧化氯、温度：630℃)作为反应流体，将燃烧气体(温度：875℃)作为热介质供给的情况，进行计算。另外，反应流路17的分支流路17a设为插入有在波浪形构造材的表面受载有催化剂的催化剂。
在图8中，符号D1、D2表示假定以下的情况时的温度分布曲线，即，该温度分布曲线作为导热促进体53，经由平板59将如图7(b)的部分波纹板53b’重叠成两层而构成的部分导热促进体连接成0.6m的长度的集合体插入至热介质流路31的分支流路31a的情况(设定1)。符号D3、D4是表示假定以下的情况时的温度分布曲线，即，将长度与图7(b)的部分波纹板53b’相同且间距及高度为其1/2的部分波纹板重叠成4层而构成的部分导热促进体连接成0.4m的长度、接着将图7(c)的部分导热促进体53c连接成0.2m的长度的0.6m长度的集合体插入热介质流路31的分支流路31a的情况(设定2)的温度分布曲线。
在设定1中，导热促进体53在流路全体范围均等地促进导热，热介质流路侧的温度分布接近线性的温度分布，但在超过0.4m的位置(上游侧1/3的区域)，温度梯度变大(图8(b)的符号D1的曲线)。反应流路侧的温度通过与其相对应的导热所引起的温度上升和反应进行所引起的吸热的平衡，形成为如图8(a)的符号D2的曲线，在超过0.4m的位置(下游侧1/3)，温度梯度变大。相对于此，在设定2中，导热促进体53被构成为热介质流路的上游侧1/3的导热性能较设定1低，下游侧2/3的导热性能较设定1高，因此，在热介质流路的上游侧，热传导被抑制，热介质的热在热介质流路的下游侧(＝反应流路的上游侧)被集中传递。因此，在热介质流路侧的温度分布中，如符号D3的曲线所示，0至0.4m的范围(下游侧2/3)的温度梯度变得较设定1大，超过0.4m的范围(上游侧1/3)的温度梯度变得较设定1小。与此相对应，在反应流路侧的温度分布，也如符号D4的曲线所示，0至0.4m的范围(上游侧2/3)的温度梯度变得较设定1大，超过0.4m的范围(下游侧1/3)的温度梯度变得较设定1小。其结果，热介质流路侧的位置0.4m与0.6m的温度差是从大约106℃(设定1)减少成大约78℃(设定2)，在反应流路侧的温度差是从大约95℃(设定1)减少成大约76℃(设定2)。
如此，调查热交换体3内的沿着流路的温度分布，更换构成导热促进体53的部分导热促进体的一部分或全部，以部分导热促进体单位变更从热介质流路31向热交换体3的导热性能，由此可进行使热介质流路及反应流路的温度分布接近理想的温度分布曲线的调节。由于根据反应条件、热介质的供给条件、催化剂特性等，温度分布会改变，所以，可提供可根据这些条件预先将温度分布调节成理想状态的反应装置，由此，可理想地发挥反应装置的性能，能减低运转时的负荷、消耗能量等，可确保使用寿命。一般，以导热促进体53的长度与热介质流路31的分支流路31a的长度相对应的方式连接部分导热促进体，但由于将导热性能作成最小的方式的情况不使用部分导热促进体，所以，在利用这种方式的设定中，导热促进体53的全长可不与分支流路31a相对应，变得较分支流路31a的长度短。另外，流动阻抗的过度增加不仅在导热性能上，在流体的供给动力的这一点上也不理想，因此，当进行导热促进体53的选择时，理想为考虑因与热介质的接触表面的增加所引起的流动阻抗的增加等。关于这一点，催化剂51也相同。
如上述的热交换体3可作为液体-液体型热交换器、气体-气体型热交换器及气体-液体型热交换器中的任一种使用。因此，供给至本发明的反应装置1的反应流体及热介质可以是气体及液体中的任一个，本发明的反应装置1的结构能适用于反应流路的每单位体积的比表面积大的反应装置、所谓的紧致型反应器(Compact reactor)，可使用反应装置1实施通过各种的热反应(吸热反应、发热反应)的化学合成。作为通过这样的热反应的合成，具有例如通过下述式(1)所示的甲烷的水蒸气改质反应、下述式(2)所示的甲烷的干燥重组反应这种的吸热反应，下述式(3)所示的变换反应、下述式(4)所示的甲烷化反应、下述式(5)所示的费托(Fischer tropsch)合成反应等的发热反应的合成。这些反应中的反应流体为气体状。
CH4+H2O→3H2+CO----式(1)
CH4+CO2→2H2+2CO----式(2)
CO+H2O→CO2+H2----式(3)
CO+3H2→CH4+H2O--式(4)
(2n+1)H2+nCO→CnH2n+2+nH2O----式(5)
另外，除了上述反应以外，也可以将本发明的技术适用于以下的反应的实施，即乙酰化反应、附加反应、烷基化反应、脱烷基化反应、加氢脱烷基反应、还原烷基化反应、胺基化反应、芳香族化反应、芳基化反应、自热改质反应、羰基化反应、脱羰基化反应、还原羰基化反应、羧化反应、还原羧化反应、还原耦合反应、缩合反应、分解(裂痕)反应、氢解反应、环化反应、环齐聚合(cyclooligom erization)化反应、脱卤化反应、二聚反应、环氧化反应、酯化反应、交换反应、卤化反应、氢化反应、加氢卤化反应、同是物形成(同是化；homologation)反应、水化反应、脱水反应、脱氢化反应、加氢羧基化反应、加氢甲酰化反应、加氢裂化反应、加氢金属化反应、硅氢化反应、水解反应、加氢处理反应、异构化反应、甲基化反应、脱甲基化反应、置换(Metathesis)反应、硝化反应、氧化反应、部分氧化反应、聚合反应、还原反应、反向水气变换(reverse water gas shift)反应、磺化反应、短链聚合反应、酯交换反应、三聚反应等的实施。
将具有与上述这样的化学反应相关连的原料等的物质(反应体)的流体作为反应流体并供给至反应装置1，由此可合成目的生成物。反应流体也可以含有与反应不相关的载体。载体考虑要实施的化学反应，可从不会对反应的进行造成影响的物质适宜选择，作为可使用于气体状的反应流体的载体，可举出例如惰性气体、低反应性(反应装置内的温度)的气体状物质等的气体载体。
另外，作为热介质，可适当地使用不会腐蚀反应装置的构成要件的流体物质，例如水、油等的液体状物质，燃烧气等的气体状物质。使用气体状物质作为热介质的结构时，比起使用液体介质的情况，容易进行处理。反应流体及热介质对热交换体的供给可以是对向流型态及并行流型态中的任一个，可根据需要任意地进行变更。
构成催化剂51的催化剂，可适当选择如以下的催化剂，即，具有以对促进上述这样的化学反应的进行有效的活性金属为主成分，基于在反应装置1执行的合成反应，适合促进反应。作为催化剂成分的活性金属，可举出例如镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、白金(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)等，可使用1种，或只要对促进反应有效的情况，可将多种金属加以组合使用。催化剂51通过将根据要实施的反应所选择的催化剂受载于构造材来调制。构造材能够从可获得的耐热性金属，选择可进行成形加工且可作为催化剂的受载的金属，成形为与上述催化剂51相对应的波浪形薄板形状。作为耐热性的金属，具有以铁(Fe)、铬(Cr)、铝(Al)、钇(Y)、钴(Co)、镍(Ni)、镁(Mg)、钛(Ti)、钼(Mo)、钨(W)、铌(Nb)、钽(Ta)等的金属中的1种或多种为主成分的耐热合金，理想为例如将费克拉洛伊(Fecralloy；注册商标)合金等的耐热合金制的薄板状构造材进行成形加工后构成催化剂51。也可以购买已被成形的波纹板的市售商品来使用。关于催化剂的受载方法，可利用既有的技术来进行，只要根据所使用的催化剂从公知的方法适宜选择适当的方法即可。具体而言，具有通过表面修饰等在构造材上直接受载的方法、使用受载体间接受载的方法等，在实用性上，使用受载体的催化剂的受载较容易进行。受载体为不会阻碍反应的进行且具有耐久性的材料，可良好地将所使用的催化剂受载，考虑以反应装置1实施的反应适宜选择。例如，可举出氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铈(CeO2)、二氧化硅(SiO2)等的金属氧化物，可选择1种或多种的金属氧化物作为受载体来使用。使用受载体的受载方法可从公知的方法适宜选择，例如，在已成形的构造材表面形成催化剂与受载体的混合物层的方式、在构造材表面形成受载体层后，再通过表面修饰将催化剂受载的方式等。
关于在本发明所使用的催化剂51，也可以与导热促进体53同样地，通过可进行重组的多个部分催化剂的集合体来构成。在反应流路17中，在反应体的导入量相对多的情况下，会有在催化剂51的表面产生碳析出(捻缝)等而变得容易引起催化剂的活性降低、劣化等的可能性。另外，在粉尘混入到反应流体的情况下，会有反应流路17的分支流路17a被粉尘堵塞而造成反应效率降低的可能性。在这样的情况下，通过多个部分催化剂的集合体所构成的催化剂可仅针对催化剂中的劣化或堵塞的部分进行更换。即，可避免催化剂全体更换的情况。因此，可将更换催化剂的量抑制在最小限度，能够减低进行反应装置的性能调整、维修等所需要的成本。
在本发明中，可局部变更导热效率的导热促进体只要为呈直线状伸长且一端开放的热介质流路，则可进行装卸，因此，能适用于具有直线状的反应流路及热介质流路并行的构造的热交换体的反应装置。另外，在上述实施方式中，说明了与流动方向垂直的剖面呈长方形的热介质流路，但是，即使热介质流路的剖面为其他形状的情况，也能适用本发明的技术。特别在使用于构成热介质流路的槽形成于第1导热体及第2导热体的两面而汇集的情况下，通过形成半圆柱形或半椭圆柱形的槽，能容易地形成圆柱状或椭圆柱状的热介质流路，因此，将与这种形状相对应的导热促进体分割成多个部分导热促进体的话，则可进行上述温度分布的调节。
以上，参照图面说明了本发明的实施方式，但本发明不限于该实施方式，在技术方案所记载的范围内，可进行的各种变更例或修正例，当然也属于本发明的技术范围。
产业上的利用可能性
本发明的技术可适用于利用与热介质的热交换而使伴随发热或吸热的热反应进行的热交换型的反应装置，可进行导热性能的局部变更，由此，通过温度分布的优化，可提供能量效率及反应效率优良的反应装置，能有助于目标物的反应生成物的稳定供给及制造成本的削减。

Claims (9)

1.一种反应装置，其特征在于，
具有：
热交换体，该热交换体在内部具有供热介质流通的热介质流路和供反应流体流通的反应流路，使上述热介质与上述反应流体进行热交换；以及
导热促进体，该导热促进体设置于上述热介质流路，且促进上述热介质与上述热交换体之间的导热；以及
设置于上述反应流路且将促进上述反应流体的反应的催化剂受载于构造件的催化剂体，
上述导热促进体密接于上述热交换体且由集合体构成，该集合体在流动方向上连接根据种类而具有相互不同的导热性能的多种部分导热促进体且能够重组。
2.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，
上述多种部分导热促进体在上述流动方向上具有相同的长度，能够置换且能局部地改变导热促进体的导热性能。
3.根据权利要求1或2所述的反应装置，其特征在于，
上述多种部分导热促进体包括翅片。
4.根据权利要求1或2所述的反应装置，其特征在于，
上述多种部分导热促进体分别由弯曲的板状构件构成。
5.根据权利要求4所述的反应装置，其特征在于，
上述多种部分导热促进体分别具有以与上述热交换体面接触的方式弯曲的波纹板的形状。
6.根据权利要求4所述的反应装置，其特征在于，
上述多种部分导热促进体分别具有实质上直角地折弯的波纹板的形状。
7.根据权利要求1或2所述的反应装置，其特征在于，
上述多种部分导热促进体分别具有能钩挂的小片、孔、切口、百叶窗及狭缝中的至少一个。
8.根据权利要求1或2所述的反应装置，其特征在于，
上述多种部分导热促进体在构成材料的热传导性及与上述热介质接触的接触面积中的至少一方相互不同。
9.根据权利要求1或2所述的反应装置，其特征在于，
就上述多种部分导热促进体的波纹板的形状而言，间距及高度中的至少一方根据种类而相互不同。
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