JP2003073104A - 水蒸気改質装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】反応器がコンパクトで効率良く水蒸気改質を行
え、工業的に改質ガスを大量に製造するのに適した水蒸
気改質装置を提供する。 【解決手段】反応器２における筒状の外周壁１１の内周
と筒状の内周壁１２の外周とで囲まれる触媒充填室１６
内を、加熱装置３により反応器２の外部から加熱する。
触媒充填室１６を通過するガス状の改質原料を触媒１７
の存在下に水蒸気改質することで改質ガスを得る。その
外周壁１１の内周および内周壁１２の外周の中の少なく
とも一方から、触媒充填室１６内に片持ち状に突出する
複数の伝熱部材２１ａ、２１ｂが、内外周壁１１、１２
の周方向に間隔をおいて設けられる。その反応器の外部
から加えられる熱が各伝熱部材２１ａ、２１ｂにより触
媒充填室１６内に伝えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ジメチルエーテ
ル、メタノール等の改質原料を水蒸気改質して水素ガス
や合成ガス等の改質ガスを工業的に製造するのに適した
水蒸気改質装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３に示す従来の水蒸気改質装置１０１
は、ジメチルエーテル、メタノール等を水蒸気改質して
工業的に水素ガス等を得る場合に用いられるもので、多
数の円管１０２により構成される反応器と、それら円管
１０２を囲むように設けられた熱媒体容器１０３とを備
え、各円管１０２の内部が触媒充填室とされている。そ
の触媒充填室は熱媒体容器１０３に入口１０４から導入
されて出口１０５から排出される液体状の熱媒により加
熱される。各触媒充填室において、入口１０６から水蒸
気と共に導入されるガス状の改質原料が触媒の存在下に
水蒸気改質され、水素ガス等の改質ガスとして出口１０
７から流出する。

【０００３】また、特開２００１−８９１０２号公報、
特開２００１−８９１０４号公報に開示される水蒸気改
質装置は、筒状の外周壁内周と筒状の内周壁外周とで囲
まれるドーナツ状の触媒充填室を有する反応器と、その
触媒充填室に導入されたガス状の改質原料を反応器の外
部から加熱する加熱装置とを備え、その触媒充填室を通
過するガス状の改質原料を触媒の存在下に水蒸気改質し
て改質ガスを得る。その加熱装置は、燃焼ガスやヒータ
ーにより加熱された高温ガスを熱媒体として内外周壁を
介して熱を伝えることで触媒充填室を加熱する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】複数の円管１０２によ
り反応器を構成する水蒸気改質装置１０１においては、
各円管１０２の直径は２０ｍｍ〜５０ｍｍ程度とされ
る。理論的には、一定量の改質原料を水蒸気改質するの
に必要な触媒量は一定であるから、触媒充填室における
ガスの流路面積を大きくすることで、ガスの流れ方向に
おける円管１０２の寸法は小さくでき、円管１０２の数
も少なくできる。しかし、円管１０２の直径が過大にな
ると、液体状の熱媒体が有する熱を円管１０２の中心領
域まで十分に伝達することができず、吸熱反応である水
蒸気改質反応を十分に進めるのに必要な反応温度、例え
ば２００℃〜３５０℃、まで均一に触媒充填室を加熱す
ることができない。そのため、効率良く水蒸気改質を行
うためには２ｍ以上の長さを持つ円管１０２が必要であ
り、ガスの流れ方向における装置寸法が大きくなる。さ
らに、装置規模を大きくして改質ガスを工業的に大量生
産する場合、その円管１０２の数を増加させる必要があ
るが、各円管１０２相互の間には熱媒体を円滑に流動さ
せるための空間を確保する必要があることから、円管１
０２の径方向における装置寸法も大きくなる。その結
果、工業用の改質ガスを製造する反応器は非常に大型化
するという問題があった。

【０００５】内外周壁により反応器を構成する水蒸気改
質装置においては、外周壁の内径と内周壁の外径との差
が大きくなると、触媒充填室における内外周壁の中間位
置まで十分に加熱できず、均等に伝熱が行われないた
め、効率良く水蒸気改質を行うことができない。そのた
め、工業的に改質ガスを大量に製造するのには適さない
ものであった。また、その外周壁の内径と内周壁の外径
との差が大きくなると、ガスの流路面積が大きくなって
ガス流速が低下するため、ガスの流れにおける内外周壁
との境界層が厚くなって伝熱が阻害される。さらに、高
温ガスを熱媒体とする場合、液体の熱媒体に比べて温度
分布が不均一であり効率良く反応を進めるのが困難であ
り、また、工業用に改質ガスを効率良く製造するのに適
した熱に敏感な触媒では局所的に過熱されて寿命が低下
する。

【０００６】本発明は、上記問題を解決することのでき
る水蒸気改質装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、筒状の外周壁
内周と筒状の内周壁外周とで囲まれる触媒充填室を有す
る反応器と、その触媒充填室内を反応器の外部から加熱
する加熱装置とを備え、その触媒充填室を通過するガス
状の改質原料を触媒の存在下に水蒸気改質することで改
質ガスを得る水蒸気改質装置において、その外周壁内周
および内周壁外周の中の少なくとも一方から、その触媒
充填室内に片持ち状に突出する複数の伝熱部材が、その
内外周壁の周方向に間隔をおいて設けられ、その反応器
の外部から加えられる熱が各伝熱部材により触媒充填室
内に伝えられることを特徴とする。本発明の構成によれ
ば、触媒充填室は外周壁内周と内周壁外周とで囲まれる
ドーナツ状であるため、複数の円管内部を触媒充填室と
するのに比べて装置寸法を小さくできる。さらに、その
外周壁内周および内周壁外周の中の少なくとも一方か
ら、その触媒充填室内に片持ち状に突出する複数の伝熱
部材が、その内外周壁の周方向に間隔をおいて設けられ
ているので、外周壁内径と内周壁外径との差が大きくて
も、触媒充填室における内外周壁の中間位置からも熱を
触媒充填室内に伝えることができ、触媒充填室内に均等
に熱を伝えて効率良く水蒸気改質を行うことができる。

【０００８】本発明の水蒸気改質装置は、その外周壁内
周から触媒充填室内に片持ち状に突出するバッフル部材
と、その内周壁外周から触媒充填室内に片持ち状に突出
するバッフル部材とが、その内外周壁の軸方向に間隔を
おいて設けられ、その触媒充填室において流動するガス
の流れ方向が、各バッフル部材により変更されるのが好
ましい。各バッフル部材により触媒充填室におけるガス
の流れ方向を変更することで、ガスの流路長を実質的に
長くし、所望のガス流量当たりのガス流速を大きくし、
ガスの流れにおける内外周壁との境界層を薄くして伝熱
効果が阻害されるのを防止し、反応率を向上することが
できる。さらに、各バッフル部材にも熱を触媒充填室内
に伝える機能を奏させることができる。

【０００９】前記加熱装置は、液体状の熱媒体を前記外
周壁の外周と内周壁の内周とに接するように保持可能な
熱媒体保持空間を有するのが好ましい。これにより、触
媒充填室内を均一に加熱して反応率を向上でき、また、
触媒は過熱されることがないので寿命が大幅に延長され
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１、図２に示す水蒸気改質装置
１は、反応器２と加熱装置３とを備え、ジメチルエーテ
ル、メタノールなどの改質原料を触媒の存在下に水蒸気
改質することで水素ガス等の改質ガスを得るために用い
られる。

【００１１】その反応器２は、円筒状の外周壁１１と、
この外周壁１１により囲まれる円筒状の内周壁１２と、
その外周壁１１と内周壁１２の下端間を閉鎖する環状の
底壁１３と、その内周壁１２の上端内方を閉鎖する内部
上壁１４と、その外周壁１１の上端内方を閉鎖する外部
上壁１５とから構成されている。その外周壁１１の内周
と内周壁１２の外周とで囲まれる空間が触媒充填室１６
とされ、ここに触媒１７が充填される。その外部上壁１
５に水蒸気およびガス状の改質原料の入口１８が設けら
れている。その外部上壁１５と内部上壁１４との間に位
置する分散板１９が外部上壁１５に取り付けられてい
る。その入口１８から導入される改質原料は、その分散
板１９により横方向に分散された後に触媒充填室１６に
導入される。その外周壁１１の下部に改質ガスの出口２
０が設けられている。その反応器２の材質として本実施
形態ではステンレス鋼を用いているが、これに限定され
るものではない。

【００１２】その外周壁１１の内周から触媒充填室１６
内に片持ち状に突出する複数（本実施形態では８枚）の
外方側伝熱部材２１ａが、外周壁１１の周方向に等間隔
をおいて設けられている。また、その内周壁１２の外周
から触媒充填室１６内に片持ち状に突出する複数（本実
施形態では８枚）の内方側伝熱部材２１ｂが、内周壁１
２の周方向に等間隔をおいて設けられている。その外方
側伝熱部材２１ａの周方向間に内方側伝熱部材２１ｂが
配置されている。各伝熱部材２１ａ、２１ｂは長方形板
状で長手方向が上下方向に沿い、上下方向寸法は触媒充
填室１６の上下方向寸法に略等しくされている。各外方
側伝熱部材２１ａの先端は外周壁１１と内周壁１２との
間の中間位置よりも僅かに内周壁１２側に配置され、各
内方側伝熱部材２１ｂの先端は外周壁１１と内周壁１２
との間の中間位置よりも僅かに外周壁１１側に配置され
ている。各伝熱部材２１ａ、２１ｂの材質として、本実
施形態では内外周壁１１、１２と同一素材のステンレス
鋼を用いているが、これに限定されるものではなく、例
えば内外周壁１１、１２よりも熱伝導率のよい銅等を用
いてもよい。

【００１３】その外周壁１１の内周から触媒充填室１６
内に片持ち状に突出する複数（本実施形態では４枚）の
外方側バッフル部材２２ａが、外周壁１１の軸方向に等
間隔をおいて設けられている。その内周壁１２の外周か
ら触媒充填室１６内に片持ち状に突出する複数（本実施
形態では４枚）の内方側バッフル部材２２ｂが、内周壁
１２の軸方向に等間隔をおいて設けられている。また、
その外方側バッフル部材２２ａと内方側バッフル部材２
２ｂとは内外周壁１１、１２の軸方向において交互に配
置されている。各バッフル部材２２ａ、２２ｂは円環板
状で厚さ方向が上下方向に沿う。各外方側バッフル部材
２２ａの先端は外周壁１１と内周壁１２との間の中間位
置よりも僅かに外周壁１１側に配置され、各内方側バッ
フル部材２２ｂの先端は外周壁１１と内周壁１２との間
の略中間位置よりも内周壁１２側に配置されている。各
バッフル部材２２ａ、２２ｂの材質として、本実施形態
では内外周壁１１、１２と同一素材のステンレス鋼を用
いているが、これに限定されるものではなく、例えば内
外周壁１１、１２よりも熱伝導率のよい銅等を用いても
よい。

【００１４】その加熱装置３は、円板状の底壁３１と、
この底壁３１の周縁から立ち上がる周壁３２とから構成
される収容室３０を有する。この収容室３０の内部に上
記反応器２が配置され、その周壁３２の上端により反応
器２は外部上壁１５を介して吊り下げ状に支持される。
その収容室３０の内部が液体状の熱媒体３５を保持する
熱媒体保持空間とされる。その熱媒体保持空間に保持さ
れる熱媒体３５が外周壁１１の外周と内周壁１２の内周
とに接する。本実施形態では、その収容室３０の下部に
ヒータ３６が配置され、そのヒータ３６により熱媒体３
５を加熱している。これにより、加熱装置３により触媒
充填室１６内が反応器２の外部から加熱される。その熱
媒体３５としては、沸点が水蒸気改質反応に適した温度
よりも大きな合成油等の液体を用いるのが好ましい。

【００１５】その熱媒体保持空間に保持された熱媒体３
５の熱により上記触媒充填室１６内が加熱され、その触
媒充填室１６を水蒸気と共に通過するガス状の改質原料
が触媒の存在下に水蒸気改質される。その水蒸気改質反
応により得られた改質ガスが出口２０から流出する。そ
の水蒸気改質に際して、その反応器２の外部から加熱装
置３により加えられる熱が各伝熱部材２１ａ、２１ｂに
より触媒充填室１６内に伝えられる。また、その触媒充
填室１６の一端における改質原料の入口１８から他端に
おける改質ガスの出口２０まで流動するガスの流れ方向
が、図１において矢印で示すように各バッフル部材２２
ａ、２２ｂにより変更される。

【００１６】上記実施形態によれば、触媒充填室１６は
外周壁１１の内周と内周壁１２の外周とで囲まれるドー
ナツ状であるため、複数の円管内部を触媒充填室とする
のに比べて水蒸気改質装置１の寸法を小さくできる。さ
らに、その外周壁１１の内周および内周壁１２の外周か
ら、その触媒充填室１６内に片持ち状に突出する複数の
伝熱部材２１ａ、２１ｂが、その内外周壁１１、１２の
周方向に間隔をおいて設けられているので、外周壁１１
の内径と内周壁１２の外径との差が大きくても、触媒充
填室１６における内外周壁１１、１２の中間位置からも
熱を触媒充填室１６内に伝えることができ、触媒充填室
１６内に均等に熱を伝えて効率良く水蒸気改質を行うこ
とができる。また、各バッフル部材２２ａ、２２ｂによ
り触媒充填室１６におけるガスの流れ方向を変更するこ
とで、ガスの流路長を実質的に長くし、所望のガス流量
当たりのガス流速を大きくし、ガスの流れにおける内外
周壁１１、１２との境界層を薄くして伝熱効果が阻害さ
れるのを防止し、反応率を向上することができる。ま
た、各バッフル部材２２ａ、２２ｂにも熱を触媒充填室
１６内に伝える機能を奏させることができる。さらに、
加熱装置３は液体状の熱媒体３５により触媒充填室１６
内を加熱するので、触媒充填室１６内を均一に加熱して
反応率を向上でき、また、触媒は過熱されることがない
ので寿命が大幅に延長される。

【００１７】本発明は上記実施形態に限定されない。例
えば、上記実施形態では外方側伝熱部材２１ａと内方側
伝熱部材２１ｂの双方を設けたが、何れか一方のみを設
けるものでもよい。また、伝熱部材２１ａ、２１ｂの数
は複数であれば特に限定されず、触媒充填室１６内を均
一に加熱できるように適宜設定すればよい。また、バッ
フル部材２２ａ、２２ｂの数も十分なガス流速を得られ
るように適宜設定すればよい。内外周壁１１、１２や伝
熱部材２１ａ、２１ｂやバッフル部材２２ａ、２２ｂの
形状は特に限定されず、例えば内外周壁１１、１２を角
筒状にしてもよい。また、ヒータ３６に代えて、収容室
３０の外部に熱媒体３５の加熱手段を設け、その加熱し
た熱媒体３５を収容室３０に供給する配管と、その収容
室３０から加熱手段に熱媒体３５を排出する配管とを設
け、ポンプにより熱媒体３５を収容室３０と加熱手段と
の間で循環させてもよい。

【００１８】

【実施例１】図３に示す従来の水蒸気改質装置１０１と
上記実施形態の水蒸気改質装置１とで、ジメチルエーテ
ルの水蒸気改質を実施し、同一の性能を奏する上で必要
な寸法諸元を求めた。その結果、従来の水蒸気改質装置
１０１では内径３０ｍｍの円管１０２が２００本必要で
あり、その全体の外径は約１．２ｍで円管１０２の長さ
は３ｍ必要であった。これに対して上記実施形態の水蒸
気改質装置１では、反応器２の外周壁１１の内径が４０
０ｍｍ、内周壁１２の外径が２００ｍｍ、触媒充填室１
６の軸方向長さが約１．５ｍで十分であり、大幅に装置
をコンパクト化できることを確認できた。

【００１９】

【実施例２】上記実施形態の水蒸気改質装置１の触媒充
填室１６に、触媒として銅、亜鉛、クロムの酸化物触媒
を還元したものを２００ｋｇ充填し、ジメチルエーテル
及び水蒸気をそれぞれ０．５ｋｍｏｌ／ｈ、１．５ｋｍ
ｏｌ／ｈ導入し、触媒充填室１６内を３５０℃に加熱し
た。その結果、反応率は９５％以上であった。また、上
記実施形態の水蒸気改質装置１から伝熱部材２１ａ、２
１ｂを取り除いて同様の水蒸気改質を行った場合、反応
率は８８％であった。図３に示す従来の水蒸気改質装置
１０１において、同一量の同一触媒でジメチルエーテル
の水蒸気改質反応を行った場合、その反応率は９３％で
あった。すなわち、反応率を向上できることを確認でき
た。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、反応器がコンパクトに
なって建設コストを大幅に削減でき、しかも効率良く水
蒸気改質を行うことで工業的に改質ガスを大量に製造す
るのに適した水蒸気改質装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の水蒸気改質装置の縦断面図

【図２】本発明の実施形態の水蒸気改質装置の横断面図

【図３】従来の水蒸気改質装置の縦断面図

【符号の説明】

１ 水蒸気改質装置 ２ 反応器 ３ 加熱装置 １１ 外周壁 １２ 内周壁 １６ 触媒充填室 １７ 触媒 １８ 入口 ２０ 出口 ２１ａ、２１ｂ 伝熱部材 ２２ａ、２２ｂ バッフル部材 ３５ 熱媒体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】筒状の外周壁内周と筒状の内周壁外周とで
   囲まれる触媒充填室を有する反応器と、その触媒充填室
   内を反応器の外部から加熱する加熱装置とを備え、その
   触媒充填室を通過するガス状の改質原料を触媒の存在下
   に水蒸気改質することで改質ガスを得る水蒸気改質装置
   において、その外周壁内周および内周壁外周の中の少な
   くとも一方から、その触媒充填室内に片持ち状に突出す
   る複数の伝熱部材が、その内外周壁の周方向に間隔をお
   いて設けられ、その反応器の外部から加えられる熱が各
   伝熱部材により触媒充填室内に伝えられることを特徴と
   する水蒸気改質装置。
2. 【請求項２】その外周壁内周から触媒充填室内に片持ち
   状に突出するバッフル部材と、その内周壁外周から触媒
   充填室内に片持ち状に突出するバッフル部材とが、その
   内外周壁の軸方向に間隔をおいて設けられ、その触媒充
   填室において流動するガスの流れ方向が、各バッフル部
   材により変更される請求項１に記載の水蒸気改質装置。
3. 【請求項３】前記加熱装置は、液体状の熱媒体を前記外
   周壁の外周と内周壁の内周とに接するように保持可能な
   熱媒体保持空間を有する請求項１または２に記載の水蒸
   気改質装置。