JP2005053742A - プレートフィン型反応器 - Google Patents
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Abstract
【課題】 反応ガス流量によらず、反応器内の反応ガスの温度を一定範囲に制御することができるプレートフィン型反応器を提供すること。
【解決手段】 反応ガスが流れるガス流路が外側ガス流路１７ａと内側ガス流路１７ｂからなり、冷媒が流れる第一冷媒流路１８が外側ガス流路１７ａのみに接し、第一冷媒流路１８は反応器の一方側に冷媒入口１４を有するとともに反応器の他方側に冷媒出口１５を有し、反応器の一方側において外側ガス流路１７ａにはガス入口１２を設けるとともに内側ガス流路１７ｂにはガス出口１３を設け、外側ガス流路１７ａと内側ガス流路１７ｂが反応器の他方側において接続されている。
【選択図】図６
【解決手段】 反応ガスが流れるガス流路が外側ガス流路１７ａと内側ガス流路１７ｂからなり、冷媒が流れる第一冷媒流路１８が外側ガス流路１７ａのみに接し、第一冷媒流路１８は反応器の一方側に冷媒入口１４を有するとともに反応器の他方側に冷媒出口１５を有し、反応器の一方側において外側ガス流路１７ａにはガス入口１２を設けるとともに内側ガス流路１７ｂにはガス出口１３を設け、外側ガス流路１７ａと内側ガス流路１７ｂが反応器の他方側において接続されている。
【選択図】図６
Description
本発明は、伝熱面に触媒を充填し、反応流体が流れる流路と冷媒が流れる流路を積層し、大きな発熱や吸熱を伴う反応が行われるプレートフィン型反応器に関する。
例えば、メタノール、炭化水素含有ガス（例えば、天然ガス、プロパンガス）等に水蒸気を反応させて改質反応を行わせ、その改質ガス中の一酸化炭素と水を反応させ、水素と二酸化炭素を得るシフト反応や改質ガス中の一酸化炭素を１０ppm 以下に低減させる一酸化炭素の選択酸化反応は大きな発熱を伴うので、冷却が必要である。特に、改質ガス中の水素の酸化を抑制し、一酸化炭素を選択的に酸化できる適正温度範囲は狭いので（約１５０〜２００℃）、反応器内の温度分布を一定の狭い範囲に制御する必要がある。従って、一酸化炭素の選択酸化反応用には冷却性能の高いプレートフィン型反応器が適している。
一般に、反応ガスの濃度が高いほど反応速度が速く、反応熱も大きいので、反応器の入口付近が最も反応熱量が多くて、出口に向かって反応熱量は少なくなる。従って、発熱反応が行われる場合に反応器内の温度分布を一定の範囲に制御するためには、反応器の入口付近の冷却能力を高くし、出口に向かって冷却能力を低減していく必要がある。
従来のプレートフィン型反応器では、図１６のように、入口から出口まで同じ流路断面積である反応ガス流路５１と冷却ガス流路５２を交互に積層し、反応ガスと冷却ガスをそれぞれ一方側から他方側に流す方式である。この場合、反応器の入口５３付近の反応ガス濃度の高い部分での発熱を抑えるために、入口５３付近の触媒量を少なくして発熱を抑制するとともに、発熱量に対する伝熱面積を大きくして温度上昇を抑制する必要がある。他方、反応器の出口側５４では反応ガスの濃度が低くて発熱が少ないので大きな冷却能力は必要ないにも関わらず、反応器の入口５３付近と同じ大きさの冷媒流路であるため、必要以上に冷却されることで、反応の促進が阻害されることがある。また、必要でない冷却部分が存在するために、反応器の寸法が非常に大きくなる。さらに、部分負荷の時は、反応器内の途中で反応が終了してしまう一方、反応器からの放熱により反応ガス流路の出口に向かってガス温度が低下し、所定の反応率を達成できないという問題がある。
以上の欠点を解消するためのプレートフィン型反応器として、次に説明するものが提案されている。
特許文献１に記載された燃料改質装置によれば、吸熱反応が生じる長方形状の改質部と発熱反応が生じる長方形状の触媒燃焼部とを交互に積層し、改質反応は燃焼反応に比べて反応速度が遅いという改質反応と燃焼反応の反応速度差を調整するために、改質部の積層数を触媒燃焼部の３倍としている。
特許文献２に記載された積層型改質器によれば、加熱セルユニットと改質セルユニットを交互に積層し、図１９に示すように、改質原料ガス供給孔６１から第１マニホールド６２を経て改質セル６３内に流入した改質原料ガスは、第１区画６４、第２マニホールド６５、第２区画６６、第３マニホールド６７、第３区画６８、第４マニホールド６９、改質ガス排出口７０から排出される構成である。
特許文献３には、図２０に示すように、燃焼空気平板７１の上に燃焼触媒シート７２、コルゲートフィン７３、分散孔燃焼シート７４、燃焼オフガス平板７５、コルゲートフィン７６、燃焼触媒シート７７、シールシート７８を積層した触媒燃焼部で燃料ガス（水素）を燃焼させて得た熱を改質部の改質反応の熱源とする改質器が記載されている。
特許文献４には、図２２に示すように、α方向に一酸化炭素を含む高温のガスが流れる一酸化炭素選択酸化触媒層８１と、αと直交する方向に冷媒が流れる冷媒層８２とが交互に積層された燃料電池用触媒付き熱交換器が記載されている。
特許文献５には、図２３に示すように、一酸化炭素選択酸化触媒層９１と冷媒層９２とが交互に積層された燃料電池用改質ガス供給システムが記載されている。
特許文献６には、図２４に示すように、ケース１０１の上流側には、改質ガスおよび酸化剤をケース１０１内に導入するための導入口１０２が形成されており、ケース１０１の下流側には、酸化剤により酸化されて一酸化炭素が低減した改質ガスを排出する排出口が形成されている一酸化炭素選択酸化反応器が開示されている。ケース１０１内には、ハニカム状に形成された流路を有する複数の触媒担持層としてのハニカム触媒層１０３と冷却層１０４とが交互に積層されており、導入側から排出側にかけて触媒担持量を増すか、導入側から排出側にかけて処理ガス流路の数を増すことにより、導入側から排出側に至るガス温度の差を低減することが提案されている。
特許文献７には、図２５に示すように、表面に一酸化炭素酸化触媒を担持した担体１１１を有する触媒反応器本体１１２と冷却部１１３を交互に積層した構造の一酸化炭素選択酸化反応器が開示されている。
特許文献８には、図２６に示すように、一酸化炭素と酸素を含む水素に富むガス１２１が流れる流路１２２と、この流路１２２と直交する方向に冷却剤が流れる流路１２３とを交互に設け、一酸化炭素を酸化させる反応を促進する触媒層が流路１２２に面する部分に設けられており、流路１２２を通過するガス中の一酸化炭素が上記触媒により選択的に酸化される、第一熱交換器１２４、第二熱交換器１２５、第三熱交換器１２６、第四熱交換器１２７を順次設けた一酸化炭素選択酸化反応器が開示されている。
特許文献９には、図２７に示すように、一酸化炭素と酸素を含む水素に富むガスが矢視１３１方向に流れ、この流路１３１のフィン部分には一酸化炭素選択酸化反応促進触媒が担持され、冷媒が矢視１３２方向に流れる一酸化炭素選択酸化反応器が開示されている。
特開２０００−３４４５０３号公報
特開２００１−１４６４０１号公報
特開２０００−１５４００１号公報
特開２００２−１９８０７８号公報
特開２００２−３１６８０２号公報
特開２００２−３５６３０３号公報
特開２００１−２３６７１号公報
特開２０００−９５５０２号公報
特開２０００−２０３８０１号公報
しかし、各特許文献１〜９に記載された発明には以下のような欠点がある。
特許文献１に記載された燃料改質装置は、改質部の積層数を触媒燃焼部より多くすることにより両者の反応速度の差を調整しているが、図１７に示すように、改質部および触媒燃焼部の各々においてガス流路５５を折り返す構成であり、伝熱面（フィン部）に触媒が被覆されておらず、発熱部（触媒燃焼部）と冷却部（改質部）との間の熱交換が充分に行われない。そのため、図１８に示すように、入口から出口に至る改質ガス温度には大きな差が見られる。
特許文献２に記載された積層型改質器は、加熱セルユニットでの燃焼量が変化した場合でも、ガスを折り返して蛇行させることにより、入口から出口に至る改質原料ガスの温度差を緩和することが試みられているが、改質器の構造が複雑になり、被処理ガスの圧力損失が増大するという欠点がある。
特許文献３に記載された改質器は、改質器内の改質ガスの温度差を調節するため、薄膜シートの積層数、フィンの形状および触媒シートの材質を調整することが記載されているが、発熱部と冷却部との間の積極的な熱交換を行っていないため、図２１に示すように、入口から出口に至る改質ガスの温度には大きな差が見られる。また、燃焼部の温度均一化を図るため、図２０に示すように、燃焼オフガス平板７５と燃焼空気平板７１の間に空気を分散して導入する分散孔燃焼シート７４が設けられているが、この方法では改質器の構造が複雑になる。
特許文献４に記載された熱交換器と特許文献５に記載された改質ガス供給システムは、一酸化炭素選択酸化触媒層と冷媒層を交互に積層することが記載されているだけであり、装置の入口から出口に至る処理ガスの温度差を低減する手段については記載されていない。
特許文献６に記載された反応器は、導入側から排出側にかけての触媒担持量の漸増と、導入側から排出側にかけての処理ガス流路の増加により、導入側から排出側に至る改質ガスの温度差を低減することを提案しているが、これだけでは反応器の入口から出口に至るガス温度差低減に充分とはいえない。また、反応ガス導入部の触媒量が少ないので、反応器が大きくなる。
特許文献７と８に記載された反応器は、一酸化炭素酸化触媒と冷却部を交互に積層することが記載されているだけであり、反応器の入口から出口に至るガス温度差を低減する手段については記載されていない。
特許文献９に記載された反応器は、一酸化炭素の選択酸化反応の反応熱を冷媒で回収することが記載されているだけであり、反応器の入口から出口に至るガス温度差を低減する手段については記載されていない。
本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、反応ガス流量によらず、反応器内の反応ガスの温度を一定範囲に制御することができるプレートフィン型反応器を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明は、プレートフィン型反応器に発熱反応ガスを導入する場合において、反応ガスが流れる流路を外側ガス流路と内側ガス流路に分けて、反応器の一方側のガス入口から外側ガス流路内に導入した反応ガスを他方側で折り返して内側ガス流路内を一方側に向けて流し、発熱量が大きくて冷却を必要とするガス濃度が高いガスが流れている外側ガス流路のみに接するように冷媒流路を配置することを特徴とする。このように、外側ガス流路だけを冷媒で冷却することにより、反応器の入口から出口に至る反応ガスの温度差を抑制することができる。
本発明のプレートフィン型反応器によれば、次の効果を奏する。
（１）請求項１記載の発明によれば、反応が盛んに行われて発熱量が大きい外側ガス流路だけを冷却するので、反応器内の反応ガスの温度を一定の適正範囲に制御することができ、反応効率を高めることができる。冷却が必要な箇所だけに冷却部分を設けるので、反応器のコンパクト化を図ることができる。また、反応ガスは冷媒による冷却が行われない内側ガス流路を経て排出されるので、反応器からの反応ガスの放熱量を抑えることができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、第一冷媒流路を流れる冷媒だけでは外側ガス流路を流れる反応ガスの冷却が不充分である場合、第一冷媒流路と第二冷媒流路を流れる冷媒により反応ガスを必要充分な範囲で冷却することができる。
（３）請求項３記載の発明によれば、断熱材により内側ガス流路を流れる反応ガスの冷却を確実に阻止することができる。
（４）請求項４記載の発明によれば、発熱反応で発生した熱を吸熱反応である改質反応の熱源として有効利用することができる。
（５）請求項５記載の発明によれば、改質ガス中の一酸化炭素を効果的に除くことができるので、改質ガスの品質を向上することができる。
（６）一酸化炭素の選択酸化反応は一酸化炭素を選択的に酸化できる適正温度範囲が狭い（約１５０〜２００℃）ので、反応器に導入した一酸化炭素の選択酸化反応ガスを反応器入口から出口まで一様に冷却すると、ガス濃度の低い出口側ガスの温度低下により一酸化炭素の酸化率が低下しやすく、反応器から排出されるガス中の一酸化炭素の濃度が高くなる。請求項６記載の発明によれば、冷却が必要な外側ガス流路だけを冷却し、反応器内のガス温度を一酸化炭素の選択酸化に適正な温度範囲に制御することができるので、被処理ガスの一酸化炭素濃度を極く微量（約１０ppm 以下）に低減することが可能である。
（１）請求項１記載の発明によれば、反応が盛んに行われて発熱量が大きい外側ガス流路だけを冷却するので、反応器内の反応ガスの温度を一定の適正範囲に制御することができ、反応効率を高めることができる。冷却が必要な箇所だけに冷却部分を設けるので、反応器のコンパクト化を図ることができる。また、反応ガスは冷媒による冷却が行われない内側ガス流路を経て排出されるので、反応器からの反応ガスの放熱量を抑えることができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、第一冷媒流路を流れる冷媒だけでは外側ガス流路を流れる反応ガスの冷却が不充分である場合、第一冷媒流路と第二冷媒流路を流れる冷媒により反応ガスを必要充分な範囲で冷却することができる。
（３）請求項３記載の発明によれば、断熱材により内側ガス流路を流れる反応ガスの冷却を確実に阻止することができる。
（４）請求項４記載の発明によれば、発熱反応で発生した熱を吸熱反応である改質反応の熱源として有効利用することができる。
（５）請求項５記載の発明によれば、改質ガス中の一酸化炭素を効果的に除くことができるので、改質ガスの品質を向上することができる。
（６）一酸化炭素の選択酸化反応は一酸化炭素を選択的に酸化できる適正温度範囲が狭い（約１５０〜２００℃）ので、反応器に導入した一酸化炭素の選択酸化反応ガスを反応器入口から出口まで一様に冷却すると、ガス濃度の低い出口側ガスの温度低下により一酸化炭素の酸化率が低下しやすく、反応器から排出されるガス中の一酸化炭素の濃度が高くなる。請求項６記載の発明によれば、冷却が必要な外側ガス流路だけを冷却し、反応器内のガス温度を一酸化炭素の選択酸化に適正な温度範囲に制御することができるので、被処理ガスの一酸化炭素濃度を極く微量（約１０ppm 以下）に低減することが可能である。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明のプレートフィン型反応器の概略構成を示す図である。発熱反応ガス（酸素と水素を含む燃焼反応用ガス）が流れる流路は外側ガス流路１ａと内側ガス流路１ｂからなる。冷媒（本実施形態では、天然ガスと水からなる改質原料ガス）が流れる第一冷媒流路２が外側ガス流路１ａに外接している。外側ガス流路１ａと内側ガス流路１ｂの内壁面にはパラジウム触媒が被覆されており、第一冷媒流路２の内壁面にはルテニウム触媒が被覆されている。第一冷媒流路２は反応器の一方側３と他方側４にそれぞれ冷媒入口５と冷媒出口６を有し、反応器の一方側３において外側ガス流路１ａと内側ガス流路１ｂにそれぞれガス入口７とガス出口８を設け、外側ガス流路１ａと内側ガス流路１ｂが他方側４において接続されている。すなわち、冷媒入口５から第一冷媒流路２に導入された冷媒は冷媒出口６から排出される。ガス入口７から外側ガス流路１ａに導入された反応ガスは他方側４で折り返して内側ガス流路１ｂに流入し、ガス出口８から排出される。図２は、図１のII−II矢視断面図である。
（実施の形態２）
図３は、外側ガス流路１ａの内側に接して反応器の一方側３から他方側４に向けて冷媒が流れる第二冷媒流路９が形成された場合を示す。第一冷媒流路を流れる冷媒だけでは外側ガス流路１ａを流れる反応ガスの冷却が不充分である場合に、外側ガス流路１ａを流れる反応ガスを第一冷媒流路２と第二冷媒流路９を流れる冷媒により必要にして充分な範囲で冷却することができる。しかしながら、外側ガス流路１ａを内側から冷却すれば、冷却の必要でない内側ガス流路１ｂを流れるガスまで冷却されることがあるので、内側ガス流路１ｂを流れる反応ガスの反応効率が低下してしまう。そこで、図３のIV−IV矢視断面図である図４に示すように、第二冷媒流路９が内側ガス流路１ｂに接しないようにすることが好ましい。図４においては、第二冷媒流路９を構成するフィンが内側ガス流路１ｂに接しないようにするために、第二冷媒流路９と内側ガス流路１ｂとの間には間隙９ａが設けられている。このような間隙を設けることにより、内側ガス流路１ｂを流れるガスが第二冷媒流路９を流れる冷媒により冷却されにくくなる。さらに、図５に示すように、第二冷媒流路９と内側ガス流路１ｂの間に断熱材層１０を設けることにより、第二冷媒流路９と内側ガス流路１ｂの間の伝熱を防止でき、第二冷媒流路９を流れる冷媒による内側ガス流路１ｂを流れるガスの冷却を確実に阻止することができる。このようにして、反応器のガス入口７から外側ガス流路１ａと内側ガス流路１ｂを経てガス出口８に至る反応ガスの温度差を極限まで小さくすることができる。
（改質反応用、シフト反応用および一酸化炭素の選択酸化反応用触媒の実施形態）
改質反応用、シフト反応用および一酸化炭素の選択酸化反応用触媒作用を示す金属または金属酸化物としては、銅または銅の酸化物、並びに亜鉛、クロム、マンガン、ニッケル、鉄、コバルト、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、白金、金、銀、マグネシウム、カルシウム、ランタン、チタン、ジルコニウム、イットリウムおよびセリウムの中の少なくともいずれかの金属または金属酸化物を用いることができる。炭化水素の改質反応用触媒としては、ルテニウムまたはニッケルが好ましく、メタノールの改質反応用触媒としては、銅または銅−亜鉛合金が好ましく、シフト反応用触媒としては、銅もしくは銅−亜鉛合金または鉄−クロム合金が好ましく、一酸化炭素の選択酸化反応用触媒としては、ルテニウムもしくは白金または白金−ルテニウム合金が好ましい。
（実施の形態１）
図１は、本発明のプレートフィン型反応器の概略構成を示す図である。発熱反応ガス（酸素と水素を含む燃焼反応用ガス）が流れる流路は外側ガス流路１ａと内側ガス流路１ｂからなる。冷媒（本実施形態では、天然ガスと水からなる改質原料ガス）が流れる第一冷媒流路２が外側ガス流路１ａに外接している。外側ガス流路１ａと内側ガス流路１ｂの内壁面にはパラジウム触媒が被覆されており、第一冷媒流路２の内壁面にはルテニウム触媒が被覆されている。第一冷媒流路２は反応器の一方側３と他方側４にそれぞれ冷媒入口５と冷媒出口６を有し、反応器の一方側３において外側ガス流路１ａと内側ガス流路１ｂにそれぞれガス入口７とガス出口８を設け、外側ガス流路１ａと内側ガス流路１ｂが他方側４において接続されている。すなわち、冷媒入口５から第一冷媒流路２に導入された冷媒は冷媒出口６から排出される。ガス入口７から外側ガス流路１ａに導入された反応ガスは他方側４で折り返して内側ガス流路１ｂに流入し、ガス出口８から排出される。図２は、図１のII−II矢視断面図である。
（実施の形態２）
図３は、外側ガス流路１ａの内側に接して反応器の一方側３から他方側４に向けて冷媒が流れる第二冷媒流路９が形成された場合を示す。第一冷媒流路を流れる冷媒だけでは外側ガス流路１ａを流れる反応ガスの冷却が不充分である場合に、外側ガス流路１ａを流れる反応ガスを第一冷媒流路２と第二冷媒流路９を流れる冷媒により必要にして充分な範囲で冷却することができる。しかしながら、外側ガス流路１ａを内側から冷却すれば、冷却の必要でない内側ガス流路１ｂを流れるガスまで冷却されることがあるので、内側ガス流路１ｂを流れる反応ガスの反応効率が低下してしまう。そこで、図３のIV−IV矢視断面図である図４に示すように、第二冷媒流路９が内側ガス流路１ｂに接しないようにすることが好ましい。図４においては、第二冷媒流路９を構成するフィンが内側ガス流路１ｂに接しないようにするために、第二冷媒流路９と内側ガス流路１ｂとの間には間隙９ａが設けられている。このような間隙を設けることにより、内側ガス流路１ｂを流れるガスが第二冷媒流路９を流れる冷媒により冷却されにくくなる。さらに、図５に示すように、第二冷媒流路９と内側ガス流路１ｂの間に断熱材層１０を設けることにより、第二冷媒流路９と内側ガス流路１ｂの間の伝熱を防止でき、第二冷媒流路９を流れる冷媒による内側ガス流路１ｂを流れるガスの冷却を確実に阻止することができる。このようにして、反応器のガス入口７から外側ガス流路１ａと内側ガス流路１ｂを経てガス出口８に至る反応ガスの温度差を極限まで小さくすることができる。
（改質反応用、シフト反応用および一酸化炭素の選択酸化反応用触媒の実施形態）
改質反応用、シフト反応用および一酸化炭素の選択酸化反応用触媒作用を示す金属または金属酸化物としては、銅または銅の酸化物、並びに亜鉛、クロム、マンガン、ニッケル、鉄、コバルト、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、白金、金、銀、マグネシウム、カルシウム、ランタン、チタン、ジルコニウム、イットリウムおよびセリウムの中の少なくともいずれかの金属または金属酸化物を用いることができる。炭化水素の改質反応用触媒としては、ルテニウムまたはニッケルが好ましく、メタノールの改質反応用触媒としては、銅または銅−亜鉛合金が好ましく、シフト反応用触媒としては、銅もしくは銅−亜鉛合金または鉄−クロム合金が好ましく、一酸化炭素の選択酸化反応用触媒としては、ルテニウムもしくは白金または白金−ルテニウム合金が好ましい。
触媒を担持する金属基材としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼および銅の中の少なくともいずれかからなる板、チューブ、フィン付きチューブ、波板およびフィン付き板のいずれかの形状の金属基材を用いることができる。
触媒作用を示す金属または金属酸化物を良好に担持するためには、金属基材の表面に多孔質の酸化被膜を形成することが好ましく、そのためには、アルミニウムやアルミニウム合金の場合は陽極酸化法を採用し、ステンレス鋼および銅の場合は高温で焼成する方法や酸化物を溶射する方法やゾルゲル法でコーティングする方法を採用することができる。
以下に本発明のより具体的な実施の形態について説明する。
（１）触媒の調製
アルミニウム製のコルゲートフィンを蓚酸中で陽極酸化し、アルミニウムの表面に酸化層を形成させた。このコルゲートフィンを８０℃の水中に浸漬した後、４００℃で焼成した。さらに、そのコルゲートフィンを硝酸ニトロシルルテニウム水溶液に２４時間浸漬した後、塩化白金酸水溶液中に浸漬して、白金−ルテニウム合金を担持した触媒を得た。この触媒被覆アルミニウム製コルゲートフィンは、後記する本発明のプレートフィン型反応器の発熱反応ガスが流れる外側ガス流路と内側ガス流路よりなる反応ガス流路と、比較例のプレートフィン型反応器の発熱反応ガスが流れる流路を形成する。
（２）本発明のプレートフィン型反応器の実施例
図６（ａ）は本発明のプレートフィン型反応器の平面図である。図６（ａ）に示すように、プレートフィン型反応器１１の一方側に反応ガス入口ヘッダー１２と反応ガス出口ヘッダー１３と冷媒入口ヘッダー１４を有し、プレートフィン型反応器１１の他方側に冷媒出口ヘッダー１５と反応ガス折り返しヘッダー１６を有している。図６（ｂ）はプレートフィン型反応器の側面図である。図６（ｂ）に示すように、発熱反応ガスが流れる外側ガス流路１７ａと内側ガス流路１７ｂより構成される反応ガス流路が上下に設けられている。冷媒が流れる第一冷媒流路１８と第二冷媒流路１９が外側ガス流路１７ａに接するように配置されている。反応ガス入口ヘッダー１２から外側ガス流路１７ａに流入した発熱反応ガスは反応ガス折り返しヘッダー１６で折り返して内側ガス流路１７ｂに移行し、反応ガス出口ヘッダー１３を経て排出される。冷媒入口ヘッダー１４から第一冷媒流路１８と第二冷媒流路１９に流入した冷媒は冷媒出口ヘッダー１５から排出される。また、第二冷媒流路１９と内側ガス流路１７ｂの間には、厚さ１mmの断熱材層２０（アルミナ−シリカ系）が介装されている。
（１）触媒の調製
アルミニウム製のコルゲートフィンを蓚酸中で陽極酸化し、アルミニウムの表面に酸化層を形成させた。このコルゲートフィンを８０℃の水中に浸漬した後、４００℃で焼成した。さらに、そのコルゲートフィンを硝酸ニトロシルルテニウム水溶液に２４時間浸漬した後、塩化白金酸水溶液中に浸漬して、白金−ルテニウム合金を担持した触媒を得た。この触媒被覆アルミニウム製コルゲートフィンは、後記する本発明のプレートフィン型反応器の発熱反応ガスが流れる外側ガス流路と内側ガス流路よりなる反応ガス流路と、比較例のプレートフィン型反応器の発熱反応ガスが流れる流路を形成する。
（２）本発明のプレートフィン型反応器の実施例
図６（ａ）は本発明のプレートフィン型反応器の平面図である。図６（ａ）に示すように、プレートフィン型反応器１１の一方側に反応ガス入口ヘッダー１２と反応ガス出口ヘッダー１３と冷媒入口ヘッダー１４を有し、プレートフィン型反応器１１の他方側に冷媒出口ヘッダー１５と反応ガス折り返しヘッダー１６を有している。図６（ｂ）はプレートフィン型反応器の側面図である。図６（ｂ）に示すように、発熱反応ガスが流れる外側ガス流路１７ａと内側ガス流路１７ｂより構成される反応ガス流路が上下に設けられている。冷媒が流れる第一冷媒流路１８と第二冷媒流路１９が外側ガス流路１７ａに接するように配置されている。反応ガス入口ヘッダー１２から外側ガス流路１７ａに流入した発熱反応ガスは反応ガス折り返しヘッダー１６で折り返して内側ガス流路１７ｂに移行し、反応ガス出口ヘッダー１３を経て排出される。冷媒入口ヘッダー１４から第一冷媒流路１８と第二冷媒流路１９に流入した冷媒は冷媒出口ヘッダー１５から排出される。また、第二冷媒流路１９と内側ガス流路１７ｂの間には、厚さ１mmの断熱材層２０（アルミナ−シリカ系）が介装されている。
図７は図６（ａ）のVII-VII 矢視断面図である。
図８（ａ）は第一冷媒流路１８と第二冷媒流路１９の平面図であり、触媒が被覆されていないアルミニウム製の高さｈ1 （図７参照）が３mmであるコルゲートフィン２１が配置 されている。コルゲートフィン２１は、反応器長手方向に７分割されている。
図８（ｂ）は外側ガス流路１７ａの平面図である。触媒被覆コルゲートフィンは反応器長手方向に４分割されている。幅Ｗが５５mmで、高さｈ2（図７参照）が３mmで、長さＬ1が２０mmの２個の触媒被覆コルゲートフィンと、幅Ｗが５５mmで、高さｈ2が３mmで、長さＬ2 が５０mmの２個の触媒被覆コルゲートフィンよりなる。
図８（ｃ）は内側ガス流路１７ｂの平面図である。触媒被覆コルゲートフィンは反応器長手方向に４分割されている。幅Ｗが５５mmで、高さｈ3（図７参照）が６mmで、長さＬ3が５０mmの４個の触媒被覆コルゲートフィンよりなる。
以上のように構成されるプレートフィン型反応器の触媒の面積は合計２８００cm2 で、 反応器全体の容積は１．０リットルである。
（３）比較例のプレートフィン型反応器
図９（ａ）は比較例のプレートフィン型反応器の平面図である。図９（ａ）に示すように、プレートフィン型反応器３１の一方側に反応ガス入口ヘッダー３２と冷媒入口ヘッダー３３を有し、プレートフィン型反応器３１の他方側に反応ガス出口ヘッダー３４と冷媒出口ヘッダー３５を有している。図９（ｂ）はプレートフィン型反応器の側面図である。図９（ｂ）に示すように、冷媒が流れる流路３６と発熱反応ガスが流れる流路３７が交互に積層されている。反応ガス入口ヘッダー３２から流路３７に流入した発熱反応ガスは反応ガス出口ヘッダー３４を経て排出される。冷媒入口ヘッダー３３から流路３６に流入した冷媒は冷媒出口ヘッダー３５から排出される。
（３）比較例のプレートフィン型反応器
図９（ａ）は比較例のプレートフィン型反応器の平面図である。図９（ａ）に示すように、プレートフィン型反応器３１の一方側に反応ガス入口ヘッダー３２と冷媒入口ヘッダー３３を有し、プレートフィン型反応器３１の他方側に反応ガス出口ヘッダー３４と冷媒出口ヘッダー３５を有している。図９（ｂ）はプレートフィン型反応器の側面図である。図９（ｂ）に示すように、冷媒が流れる流路３６と発熱反応ガスが流れる流路３７が交互に積層されている。反応ガス入口ヘッダー３２から流路３７に流入した発熱反応ガスは反応ガス出口ヘッダー３４を経て排出される。冷媒入口ヘッダー３３から流路３６に流入した冷媒は冷媒出口ヘッダー３５から排出される。
図１０は図９（ａ）のＸ-Ｘ矢視断面図である。
図１１（ａ）は冷媒が流れる流路３６の平面図であり、触媒が被覆されていないアルミニウム製の高さｈ4 （図１０参照）が６mmであるコルゲートフィン３８が配置されている 。コルゲートフィン３８は、反応器長手方向に７分割されている。
図１１（ｂ）は発熱反応ガスが流れる流路３７の平面図である。触媒被覆コルゲートフィンは反応器長手方向に１２分割されている。幅Ｗが５５mmで、高さｈ5（図１０参照） が６mmで、長さＬ4 が５mmの７個の触媒被覆コルゲートフィンと、幅Ｗが５５mmで、高さ ｈ5 が６mmで、長さＬ5 が１０mmの１個の触媒被覆コルゲートフィンと、幅Ｗが５５mmで 、高さｈ5が６mmで、長さＬ6 が５０mmの４個の触媒被覆コルゲートフィンよりなる。
以上のように構成されるプレートフィン型反応器の触媒の面積は合計２８００cm2 で、 反応器全体の容積は１．３リットルである。
（４）反応器内のガス温度分布の測定
次ぎに、プレートフィン型反応器内に実際に発熱反応ガスを導入し、その発熱反応によって発生した熱を冷媒で冷却したときの反応器内のガス温度分布を測定したので、説明する。
（４）反応器内のガス温度分布の測定
次ぎに、プレートフィン型反応器内に実際に発熱反応ガスを導入し、その発熱反応によって発生した熱を冷媒で冷却したときの反応器内のガス温度分布を測定したので、説明する。
すなわち、本発明の実施例のプレートフィン型反応器（図６、図７、図８参照）と比較例のプレートフィン型反応器（図９、図１０、図１１参照）に、以下の組成の発熱反応ガスを導入し、一酸化炭素の選択酸化反応を行った。
Ｈ2＝６５％、ＣＯ2＝１５％、ＣＯ＝１．０％、Ｈ2Ｏ＝８．９％、Ｏ2＝２．０％、 Ｎ2＝７．７％、Ｏ2／ＣＯ比＝２
ａ．本発明のプレートフィン型反応器の場合
本発明の実施例のプレートフィン型反応器に、上記組成の反応ガスを２４リットル/min導入し、冷媒として空気を４０リットル/min導入した場合の反応器内のガス温度分布を図１２に示し、上記組成の反応ガスを１２リットル/min導入し、冷媒として空気を５リットル/min導入した場合の反応器内のガス温度分布を図１３に示す。図１２と図１３において、縦軸はガス温度（℃）を示し、横軸は反応器の長手方向位置を示す。図８（ａ）の参照番号４０が図１２と図１３の横座標の原点に対応し、図８（ａ）の参照番号４１が図１２と図１３の横座標の点Ｘに対応する。図１２と図１３において、記号「○」は外側ガス流路を流れる反応ガスの温度を示し、記号「△」は内側ガス流路を流れる反応ガスの温度を示し、記号「□」は冷媒（空気）の温度を示す。
ａ．本発明のプレートフィン型反応器の場合
本発明の実施例のプレートフィン型反応器に、上記組成の反応ガスを２４リットル/min導入し、冷媒として空気を４０リットル/min導入した場合の反応器内のガス温度分布を図１２に示し、上記組成の反応ガスを１２リットル/min導入し、冷媒として空気を５リットル/min導入した場合の反応器内のガス温度分布を図１３に示す。図１２と図１３において、縦軸はガス温度（℃）を示し、横軸は反応器の長手方向位置を示す。図８（ａ）の参照番号４０が図１２と図１３の横座標の原点に対応し、図８（ａ）の参照番号４１が図１２と図１３の横座標の点Ｘに対応する。図１２と図１３において、記号「○」は外側ガス流路を流れる反応ガスの温度を示し、記号「△」は内側ガス流路を流れる反応ガスの温度を示し、記号「□」は冷媒（空気）の温度を示す。
図１２と図１３に示すように、反応ガス流量の大小に関わらず、反応器内の入口から出口に至る反応ガスの温度はほぼ一定であり、内側ガス流路から排出される反応ガス中のＣＯ濃度は１０ppm 以下であった（約８ppm）。
ｂ．比較例のプレートフィン型反応器の場合
比較例のプレートフィン型反応器に、上記組成の反応ガスを２４リットル/min導入し、冷媒として空気を４０リットル/min導入した場合の反応器内のガス温度分布を図１４に示し、上記組成の反応ガスを１２リットル/min導入し、冷媒として空気を５リットル/min導入した場合の反応器内のガス温度分布を図１５に示す。図１４と図１５において、縦軸はガス温度（℃）を示し、横軸は反応器の長手方向位置を示す。図１１（ａ）の参照番号４２が図１４と図１５の横座標の原点に対応し、図１１（ａ）の参照番号４３が図１４と図１５の横座標の点Ｙに対応する。図１４と図１５において、記号「○」は反応ガスの温度を示し、記号「□」は冷媒（空気）の温度を示す。
ｂ．比較例のプレートフィン型反応器の場合
比較例のプレートフィン型反応器に、上記組成の反応ガスを２４リットル/min導入し、冷媒として空気を４０リットル/min導入した場合の反応器内のガス温度分布を図１４に示し、上記組成の反応ガスを１２リットル/min導入し、冷媒として空気を５リットル/min導入した場合の反応器内のガス温度分布を図１５に示す。図１４と図１５において、縦軸はガス温度（℃）を示し、横軸は反応器の長手方向位置を示す。図１１（ａ）の参照番号４２が図１４と図１５の横座標の原点に対応し、図１１（ａ）の参照番号４３が図１４と図１５の横座標の点Ｙに対応する。図１４と図１５において、記号「○」は反応ガスの温度を示し、記号「□」は冷媒（空気）の温度を示す。
図１４に示すように、反応ガス流量が２４リットル/minの場合は、初期反応相当部分を除いて、反応器内の入口から出口に至る反応ガスの温度はほぼ一定であるが、図１５に示すように、反応ガス流量が１２リットル/minの場合は、ガスの熱容量が少ないため、反応器からの放熱により反応器出口側に向けてガス温度が急激に低くなり、一酸化炭素の選択酸化反応が促進されないため、反応器から排出される反応ガス中のＣＯ濃度は１００ppm と高かった。
そのため、反応器から排出される反応ガス中のＣＯ濃度を１０ppm 以下（約８ppm）にするためには、上記組成の原料反応ガス中の酸素量を増やし、Ｏ2／ＣＯ比＝４まで高める必要があり、このとき、Ｈ2濃度は５７％まで低下した。
本発明のプレート型反応器は、反応器内の反応ガス温度の差が少ない反応器として有用であり、例えば、シフト反応や一酸化炭素の選択酸化反応のように、適正温度範囲の幅が狭い反応を行う反応器として好適である。
１ａ 外側ガス流路
１ｂ 内側ガス流路
２ 第一冷媒流路
３ 反応器の一方側
４ 反応器の他方側
５ 冷媒入口
６ 冷媒出口
７ ガス入口
８ ガス出口
９ 第二冷媒流路
１０ 断熱材層
１１ プレートフィン型反応器
１２ 反応ガス入口ヘッダー
１３ 反応ガス出口ヘッダー
１４ 冷媒入口ヘッダー
１５ 冷媒出口ヘッダー
１６ 反応ガス折り返しヘッダー
１７ａ 外側ガス流路
１７ｂ 内側ガス流路
１８ 第一冷媒流路
１９ 第二冷媒流路
２０ 断熱材層
２１ コルゲートフィン
３１ プレートフィン型反応器
３２ 反応ガス入口ヘッダー
３３ 冷媒入口ヘッダー
３４ 反応ガス出口ヘッダー
３５ 冷媒出口ヘッダー
３６ 冷媒流路
３７ 反応ガス流路
３８ コルゲートフィン
１ｂ 内側ガス流路
２ 第一冷媒流路
３ 反応器の一方側
４ 反応器の他方側
５ 冷媒入口
６ 冷媒出口
７ ガス入口
８ ガス出口
９ 第二冷媒流路
１０ 断熱材層
１１ プレートフィン型反応器
１２ 反応ガス入口ヘッダー
１３ 反応ガス出口ヘッダー
１４ 冷媒入口ヘッダー
１５ 冷媒出口ヘッダー
１６ 反応ガス折り返しヘッダー
１７ａ 外側ガス流路
１７ｂ 内側ガス流路
１８ 第一冷媒流路
１９ 第二冷媒流路
２０ 断熱材層
２１ コルゲートフィン
３１ プレートフィン型反応器
３２ 反応ガス入口ヘッダー
３３ 冷媒入口ヘッダー
３４ 反応ガス出口ヘッダー
３５ 冷媒出口ヘッダー
３６ 冷媒流路
３７ 反応ガス流路
３８ コルゲートフィン
Claims (6)
- 伝熱面を触媒化し、発熱反応ガスが流れる複数の反応ガス流路と冷媒が流れる複数の冷媒流路を積層したプレート型反応器において、反応ガス流路が外側ガス流路と内側ガス流路からなり、冷媒流路が外側ガス流路のみに接し、冷媒流路は反応器の一方側に冷媒入口を有するとともに反応器の他方側に冷媒出口を有し、反応器の一方側において外側ガス流路にはガス入口を設けるとともに内側ガス流路にはガス出口を設け、外側ガス流路と内側ガス流路が反応器の他方側において接続されていることを特徴とするプレートフィン型反応器。
- 冷媒流路が第一冷媒流路と第二冷媒流路からなり、第一冷媒流路は外側ガス流路に外接し、第二冷媒流路は外側ガス流路に内接し、第二冷媒流路と内側ガス流路との間には間隙が形成されていることを特徴とする請求項１記載のプレートフィン型反応器。
- 第二冷媒流路と内側ガス流路との間隙には断熱材が介装されていることを特徴とする請求項２記載のプレートフィン型反応器。
- 冷媒が改質反応の原料ガスであることを特徴とする請求項１、２または３記載のプレートフィン型反応器。
- 発熱反応がシフト反応であることを特徴とする請求項１、２、３または４記載のプレートフィン型反応器。
- 発熱反応が一酸化炭素の選択酸化反応であることを特徴とする請求項１、２、３または４記載のプレートフィン型反応器。
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|---|---|---|---|
| JP2003286540A JP2005053742A (ja) | 2003-08-05 | 2003-08-05 | プレートフィン型反応器 |
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|---|---|---|---|---|
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-
2003
- 2003-08-05 JP JP2003286540A patent/JP2005053742A/ja active Pending
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