JP2005145786A - Gas flow control structure of oxygen separation apparatus or diaphragm reactor using mixed conductive solid electrolyte - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas flow control structure capable of solving the problem of efficiency deterioration in the supply of gas to a highly integrated Tammann tube in the field of the oxygen separation or diaphragm reactor technology using a Tammann tube-shaped mixed conductive solid electrolyte. <P>SOLUTION: In the oxygen separation apparatus or the diaphragm reactor apparatus provided at least with a pressure vessel provided with a gas introducing port and a discharge port, the plurality of Tammann tubes having the mixed conductive solid electrolyte at least on one side surface, a manifold plate holding the Tammann tube and having a gas leading port and a box housing the whole of the plurality of Tammann tubes arranged on the manifold plate and having the gas introducing port, the gas flow control structure of the oxygen separation or the diaphragm reactor using the mixed conductive solid electrode is provided with a gas storage chamber for supplying a gas to the plurality of Tammann tubes in the vertical direction from the gas introducing port inside the box and a gas discharge port on a surface opposed to the gas storage chamber in the box. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、混合伝導性固体電解質からなる複数のタンマン管(一端封じ円筒管)形状の分離管あるいはリアクター管を使った酸素分離装置あるいは隔膜リアクター技術分野におけるガス流れ制御構造に関する。   The present invention relates to a gas flow control structure in the technical field of an oxygen separation device or a diaphragm reactor using a plurality of Tamman tube (one-end sealed cylindrical tube) -shaped separation tubes or reactor tubes made of a mixed conductive solid electrolyte.

混合伝導性固体電解質を用いた酸素分離および隔膜リアクターは、高い酸化物イオン導電率を有する材料の開発進展に伴い、実用化研究が盛んになってきた。
酸素分離に関しては、酸素分圧の違いを駆動力として固体電解質の内部を酸化物イオンの形で拡散する原理に基づいており、例えば、圧縮された空気から一段で高純度の酸素を分離することが出来る。また、酸化物イオンの拡散速度を上げるため、高温(例えば850〜900℃)で動作させる必要があるものの、熱回収、圧力回収を組み合わせてエネルギー利用率を上げることにより、吸着現象を利用したPSAや蒸気圧特性(沸点)の違いを利用した深冷分離法と比較して、酸素の製造電力原単位を低くすることが出来ると期待されている。これが、近年の実用化研究が旺盛な理由の一つとなっている。
Oxygen separation and membrane reactors using mixed conductive solid electrolytes have been actively researched with the development of materials having high oxide ion conductivity.
Oxygen separation is based on the principle of diffusing the interior of a solid electrolyte in the form of oxide ions using the difference in oxygen partial pressure as the driving force. For example, high-purity oxygen is separated from compressed air in one step. I can do it. In addition, although it is necessary to operate at a high temperature (for example, 850 to 900 ° C) in order to increase the diffusion rate of oxide ions, PSA using the adsorption phenomenon by increasing the energy utilization rate by combining heat recovery and pressure recovery Compared with the cryogenic separation method using the difference in the vapor pressure characteristics (boiling point), it is expected that the unit energy consumption of oxygen can be lowered. This is one of the reasons why research for practical application in recent years is vigorous.

一方、隔膜リアクターに関しては、固体電解質を隔膜として、例えばメタンガスと空気を導入すると、酸素分離と同様の原理で空気側からメタンガス側に酸素が拡散し、メタンガス側の固体電解質表面に配置された触媒によりメタンを部分酸化させて水素と一酸化炭素の混合ガス(合成ガス)を得るものである。固体高分子燃料電池の原料となる水素が天然ガス(メタンガスが主成分)から取り出せることから、技術開発に対する期待が大きい。また、合成ガスはフィッシャー・トロプシュ合成(FT合成)によって種々の炭化水素化合物に変換できるので、天然ガス田からの輸送をガスではなく液体で行うことが可能になり、コストメリットが生ずる。   On the other hand, with respect to the diaphragm reactor, when a solid electrolyte is used as a diaphragm, for example, when methane gas and air are introduced, oxygen diffuses from the air side to the methane gas side on the same principle as oxygen separation, and the catalyst disposed on the solid electrolyte surface on the methane gas side Methane is partially oxidized to obtain a mixed gas (synthesis gas) of hydrogen and carbon monoxide. There is great expectation for technological development because hydrogen, which is a raw material for polymer electrolyte fuel cells, can be extracted from natural gas (mainly methane gas). Further, since the synthesis gas can be converted into various hydrocarbon compounds by Fischer-Tropsch synthesis (FT synthesis), it becomes possible to transport from the natural gas field not in gas but in liquid, resulting in cost merit.

このような背景があるものの、実用化にはまだ相当の時間がかかると言われている。一定空間内に酸化物イオンの透過する膜面積を最大限に集積化し、さらに異なる2種類のガスを完全に隔離するためのシール技術を高温で実現することが、非常にハードルの高い技術であるためである。   Despite this background, it is said that it will still take a considerable amount of time to put it into practical use. It is a very hurdle to realize a high temperature seal technology that maximizes the integration of the membrane area through which oxide ions permeate within a certain space and that completely separates two different gases. Because.

このうち、前者の技術課題に対しては、ガス流れを如何に制御するかという別の技術課題も関わってくる。高度に集積されたイオン透過膜にガスを供給する際には、ガス流れが透過性能に大きな影響を与えるためである。従来のガス流れ制御方法に関する技術は、固体電解質のイオン透過現象を利用した燃料電池の分野で見ることができる。   Among these, the other technical problem of how to control the gas flow is related to the former technical problem. This is because when the gas is supplied to the highly integrated ion permeable membrane, the gas flow greatly affects the permeation performance. Techniques related to conventional gas flow control methods can be found in the field of fuel cells using the ion permeation phenomenon of solid electrolytes.

平板型燃料電池の場合、一つのスタック内にガス流れ用の通路を複数設けることが一般的である。(特許文献1)。特許文献2では、いずれも燃料電池用のモジュールの中に燃料ガスと空気(酸化ガス)の通路を設け、高効率化や信頼性の向上を図った。しかしながら、複数のモジュールを集積化した場合の全体のガス流れ制御に関しては開示されていない。   In the case of a flat fuel cell, it is common to provide a plurality of gas flow passages in one stack. (Patent Document 1). In each of Patent Documents 2, fuel gas and air (oxidizing gas) passages are provided in a module for a fuel cell to improve efficiency and improve reliability. However, there is no disclosure regarding overall gas flow control when a plurality of modules are integrated.

また、タンマン管型燃料電池の場合では、例えば特許文献3では、1本のタンマン管に対して、ガスの供給管に複数の供給穴を設けたガス流れ制御方法を開示しているが、やはり複数のタンマン管を集積化した場合の全体のガス流れ制御に関しては開示されていない。   In the case of a Tamman tube type fuel cell, for example, Patent Document 3 discloses a gas flow control method in which a plurality of supply holes are provided in a gas supply tube for one Tamman tube. There is no disclosure regarding overall gas flow control when a plurality of Tamman tubes are integrated.

特許文献4、特許文献5及び特許文献6では、複数のタンマン管を使った技術開示を行っているが、いずれもガス流れ制御方法を開示したものではなく、ガス流れはタンマン管に対して平行となっている。   Patent Document 4, Patent Document 5 and Patent Document 6 disclose technical disclosure using a plurality of Tamman tubes, but none of them disclose a gas flow control method, and the gas flow is parallel to the Tamman tube. It has become.

ガス流れ制御方法が効率向上に効果を発揮するためには、ガス流れが透過性能に与える影響を考察することが重要である。酸素分離を例に取ると次のようになる。林立するタンマン管に対して酸素含有ガス(例えば空気)を供給する時、酸素含有ガスから酸素が選択的に奪われることによって酸素濃度が場所によって変化し、酸素濃度が低下した場所では酸化物イオンの透過効率も大きく低下する。仮に、酸素供給側のガス流れに停滞領域が発生すると、その領域では酸化物イオンが透過するのに十分な駆動力が得られない。また、一部の酸素含有ガスが酸素分離領域から外れた領域を流れる場合には、この酸素含有ガスからは全く酸素を回収することが出来ず、効率が大きく損なわれることになる。従来の技術では、このような視点からガス流れ制御しようとしたものはなかった。   In order for the gas flow control method to be effective in improving efficiency, it is important to consider the influence of the gas flow on the permeation performance. Taking oxygen separation as an example, it is as follows. When supplying an oxygen-containing gas (for example, air) to a forested Tamman tube, oxygen is selectively deprived from the oxygen-containing gas, so that the oxygen concentration changes depending on the location. The transmission efficiency is greatly reduced. If a stagnant region occurs in the gas flow on the oxygen supply side, a driving force sufficient to transmit oxide ions cannot be obtained in that region. Further, when a part of the oxygen-containing gas flows in a region outside the oxygen separation region, oxygen cannot be recovered from the oxygen-containing gas at all, and the efficiency is greatly impaired. In the prior art, there has been no attempt to control the gas flow from such a viewpoint.

特開平6-188008号公報JP-A-6-1888008 特開2002-208417号公報JP 2002-208417 A 特開平5-94830号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-94830 特開平7-29590号公報JP 7-29590 A 特開2001-43887号公報JP 2001-43887 特開2001-273915号公報JP 2001-273915 A

上述の問題は、これまであまり顕在化していなかった。なぜなら、固体電解質を使った燃料電池は、集積化に関してまだ技術が成熟していないためである。更に、酸素分離や隔膜リアクターに関しては、タンマン管型を集積する技術はまだ緒に就いたばかりである。事実、本発明者らは、混合伝導性固体電解質の形状をタンマン管型として、これを多数本使って酸素分離や隔膜リアクターとして作用させたところ、単管での測定から予想される値と比較して、はるかに低い効率しか実測できず、これにより初めてガス流れ制御の重要性を認識するに至った。   The above-mentioned problems have not been so obvious until now. This is because a fuel cell using a solid electrolyte has not yet matured in terms of integration. Furthermore, with regard to oxygen separation and membrane reactors, the technology for integrating the Tammann tube type has just begun. In fact, the present inventors made the shape of the mixed conductive solid electrolyte into a Tamman tube type, and used it as a large number to act as an oxygen separation or a membrane reactor, and compared it with the value expected from the measurement with a single tube. Only a much lower efficiency could be measured, and this led to the recognition of the importance of gas flow control for the first time.

本発明は、タンマン管形状の混合伝導性固体電解質を用いた酸素分離、あるいは隔膜リアクター技術の分野において、高度に集積化されたタンマン管にガスを供給する際、問題となる効率の低下を解決するガス流れ制御構造を提供することによって、酸素分離効率やリアクター収率を上げることを目的とする。   The present invention solves the problem of efficiency reduction when supplying gas to a highly integrated Tamman tube in the field of oxygen separation using a mixed conductive solid electrolyte in the form of a Tamman tube or diaphragm reactor. An object of the present invention is to increase oxygen separation efficiency and reactor yield by providing a gas flow control structure.

本発明者らは、ガス流れ及び酸素吸収のシミュレータを構築し、効率向上のための検討を行いながら、同時に実験によりその効果を見出すことによって本発明を完成させるに至った。
すなわち、上記の目的を達成するため、本発明は、混合伝導性固体電解質を用いた酸素分離又は隔膜リアクターのガス流れ制御構造として、ガスの導入口及び排出口を備えた圧力容器と、混合伝導性固体電解質を少なくとも片側表面に有する複数のタンマン管と、該タンマン管を保持し、ガス導出口を有するマニホールド板と、該マニホールド板上に設置された前記複数のタンマン管全てを収納し、ガス導入口を有するボックスとを少なくとも備えた酸素分離装置又は隔膜リアクター装置において、前記ボックス内に前記ガス導入口より前記複数のタンマン管に対し垂直方向にガスを供給するためのガス貯留室と、前記ボックスの該ガス貯留室の対向面にガス排出口を設けることを特徴とする。
The inventors of the present invention have completed the present invention by constructing a simulator for gas flow and oxygen absorption, and conducting studies for improving efficiency, while simultaneously finding out the effect by experiments.
That is, in order to achieve the above object, the present invention provides a gas flow control structure for an oxygen separation or diaphragm reactor using a mixed conductive solid electrolyte, a pressure vessel having a gas inlet and a discharge port, A plurality of Tamman tubes having a porous solid electrolyte on at least one surface, a manifold plate holding the Tamman tube and having a gas outlet, and containing all of the plurality of Tamman tubes installed on the manifold plate, In an oxygen separation apparatus or a diaphragm reactor apparatus having at least a box having an inlet, a gas storage chamber for supplying gas in the box from the gas inlet to the plurality of Tamman tubes in the vertical direction; A gas discharge port is provided on the opposing surface of the gas storage chamber of the box.

この時、前記ガス貯留室からボックス内に多孔板を介してガスを導入する構造や、前記ボックスに設置された排出口が多孔板である構造が望ましい。また、前記多孔板が、ボックスの1面の全面に設けられることがより望ましい。   At this time, a structure in which gas is introduced from the gas storage chamber into the box through a porous plate, or a structure in which the discharge port installed in the box is a porous plate is desirable. More preferably, the perforated plate is provided on the entire surface of one surface of the box.

また、前記複数のタンマン管は、複数のタンマン管列に配置され、より望ましくは、前記タンマン管列が、ガス流れに対して垂直方向に配置するガス流れ構造とする。この時、前記ガス流れに対して垂直方向に配置するタンマン管が、タンマン管の間隔をd、タンマン管の外径をrとしたとき、3.0>d/r>1.2の関係を満足する位置に配置されるのが望ましい。   Further, the plurality of Tamman tubes are arranged in a plurality of Tamman tube rows, and more preferably, the Tamman tube row is arranged in a gas flow structure arranged in a direction perpendicular to the gas flow. At this time, the Tamman tube arranged perpendicularly to the gas flow is in a position satisfying the relationship of 3.0> d / r> 1.2, where d is the Tamman tube interval and r is the outer diameter of the Tamman tube. It is desirable to be placed.

更に、前記ガス流れに対して垂直方向に整列したタンマン管が、次列のタンマン管の中心と前列のタンマン管中心がガス流れと平行方向にならない位置に各タンマン管が配置されるのがより望ましい。
更に、前記ガス流れに対して垂直方向に整列したタンマン管が、前列に配置された2本のタンマン管の中央後方の位置に各タンマン管が配置される構造が最も望ましい。また、前記ガス流れに対して垂直方向に整列したタンマン管列は、タンマン管列の間隔をD、タンマン管の間隔をd、タンマン管の外径をrとしたとき、2d>D>0.5rの関係を満足する位置に配置されることが好ましい。
Further, the Tamman tubes arranged in the direction perpendicular to the gas flow are arranged such that each Tamman tube is arranged at a position where the center of the Tamman tube in the next row and the center of the Tamman tube in the previous row are not parallel to the gas flow. desirable.
Further, it is most desirable that the Tamman tubes aligned in the direction perpendicular to the gas flow are arranged so that each Tamman tube is arranged at a position behind the center of the two Tamman tubes arranged in the front row. In addition, the Tamman tube rows aligned in the direction perpendicular to the gas flow are expressed as 2d>D> 0.5r, where D is the Tamman tube row interval, d is the Tamman tube interval, and r is the Tamman tube outer diameter. It is preferable to be arranged at a position satisfying this relationship.

更に、前記ボックスの多孔板が設けられていない面に、複数の突起物を設けた構造は、ガス流れ構造上、更に望ましい。更に、前記突起物が板状体であることがより望ましい構造である。この時、前記板状体が、前記ボックスの多孔板が設けられていない壁面に、ガス流れに対して非平行で、かつタンマン管に対して平行となる向きに設置されている構造が最も望ましい。
また、前記板状体が、前記ボックスの天井面に、ガス流れに対して非平行となる向きに設置されている構造が同様に最も望ましい。
Furthermore, a structure in which a plurality of protrusions are provided on the surface of the box where the perforated plate is not provided is more desirable in terms of the gas flow structure. Furthermore, it is a more desirable structure that the protrusion is a plate-like body. At this time, it is most desirable that the plate-like body is installed on the wall surface of the box where the perforated plate is not provided in a direction that is not parallel to the gas flow and parallel to the Tamman tube. .
Similarly, a structure in which the plate-like body is installed on the ceiling surface of the box in a direction non-parallel to the gas flow is also most desirable.

本発明によれば、圧力容器に備えられたガスの導入口より供給されたガスが一旦ボックス内に設けられた貯留室に貯えられ、しかる後に複数のタンマン管に対して垂直にしかも均一に供給されることにより、複数のタンマン管の間を効率的にガスが流れる。これにより、ガス流れ効率が向上し、酸素分離効率やリアクター収率を飛躍的に高めることができる。   According to the present invention, the gas supplied from the gas inlet provided in the pressure vessel is once stored in the storage chamber provided in the box, and then supplied vertically and uniformly to the plurality of Tamman tubes. As a result, gas efficiently flows between the plurality of Tamman tubes. Thereby, the gas flow efficiency is improved, and the oxygen separation efficiency and the reactor yield can be dramatically increased.

まず、本発明を実施するための最良の形態として、具体例を図1及び図2に示す。図1は、酸素分離装置の分離炉を例に取ってその構造を示したものであるが、隔膜リアクターでもタンマン管の内部にガスの導入管が挿入されるだけで、構造の特徴に大きな差異はない。図1では、ガスの導入口5及び排出口12を備えた圧力容器1と、混合伝導性固体電解質からなる複数のタンマン管10と、これを保持するためのマニホールド板11と、マニホールド板上に置かれ複数のタンマン管全てを収納するボックス6(以降、整流ボックスと記載)とからなる分離炉の全体図を示し、図2では、ガスの導入口よりタンマン管群に対し垂直方向にガスを供給できるようにボックスの内側に多孔板8を配したガス貯留室7が設けられ、多孔板と対向するボックスの側壁にはガスを排出するための多孔板9が設けられた整流ボックスの構造を示している。   First, as a best mode for carrying out the present invention, specific examples are shown in FIGS. Fig. 1 shows the structure of an example of a separation furnace of an oxygen separation device. However, even in a diaphragm reactor, the gas introduction pipe is inserted into the inside of the Tamman pipe, and there are significant differences in the structural features. There is no. In FIG. 1, a pressure vessel 1 having a gas inlet 5 and a gas outlet 12, a plurality of Tamman tubes 10 made of a mixed conductive solid electrolyte, a manifold plate 11 for holding it, and a manifold plate Fig. 2 shows an overall view of a separation furnace composed of a box 6 (hereinafter referred to as a rectifying box) that houses all of the plurality of Tamman tubes, and in Fig. 2, gas is introduced vertically from the gas inlet to the Tamman tube group. A gas storage chamber 7 having a perforated plate 8 disposed inside the box so that it can be supplied is provided, and a side wall of the box facing the perforated plate has a structure of a rectifying box provided with a perforated plate 9 for discharging gas. Show.

圧力容器1に備えられたガスの導入口5から供給されたガスは、ガス貯留室7に貯えられた後、外部多孔板8を通ってタンマン管に対して垂直に供給される。ガス流は、タンマン管と衝突しながら反対方向に設けられた多孔板9を通って、最終的には圧力容器に備えられた排出口12から排出される。   The gas supplied from the gas inlet 5 provided in the pressure vessel 1 is stored in the gas storage chamber 7 and then supplied perpendicularly to the Tamman tube through the outer perforated plate 8. The gas flow passes through the perforated plate 9 provided in the opposite direction while colliding with the Tamman tube, and is finally discharged from the discharge port 12 provided in the pressure vessel.

本発明のようにガスをタンマン管に対して垂直にしかも均一に供給した場合と、タンマン管に対して平行に供給した場合では、ガス流れの効率は大きく異なり、特にガス流れ速度が大きくなるほどその差は顕著となる。   The gas flow efficiency differs greatly between the case where the gas is supplied vertically and uniformly to the Tamman tube as in the present invention and the case where the gas is supplied in parallel to the Tamman tube, and especially as the gas flow rate increases. The difference is noticeable.

酸素含有ガスをタンマン管に対して平行に供給した場合、タンマン管近傍を流れるある限られた領域から酸素が選択的に透過する。タンマン管から少し離れたところから酸素が拡散によりタンマン管近傍に供給されることになるが、量的に限度があることから、結果的にこの領域は酸素貧化領域となり、それ以外の領域では透過に寄与しないまま排出されることになる。この状況は、ガス流れが速くなればなるほど顕著となる。これに対し、垂直供給ではこのような状況にはならない。   When the oxygen-containing gas is supplied in parallel to the Tamman tube, oxygen selectively permeates from a limited region flowing in the vicinity of the Tamman tube. Although oxygen is supplied to the vicinity of the Tamman tube by diffusion from a distance from the Tamman tube, this region becomes an oxygen-poor region as a result of the limited amount, and in other regions It will be discharged without contributing to permeation. This situation becomes more noticeable as the gas flow becomes faster. On the other hand, this situation does not occur with vertical supply.

多孔板8に設けられる貫通孔の数及び孔径は、多孔板を通過する際の圧損を考慮して決定される。例えば、圧損が小さすぎると、ガス導入口14に近い孔から優先的にガスの供給が起き、孔の場所によってガスの流れ速度が異なってしまう。反対に、圧損が大きすぎると場所によるガス流れの不均一は解消されるが、実際に使う圧力以上に昇圧しておくことになるためエネルギーのロスに繋がる。   The number of through holes and the hole diameter provided in the porous plate 8 are determined in consideration of pressure loss when passing through the porous plate. For example, if the pressure loss is too small, the gas is preferentially supplied from the hole close to the gas introduction port 14, and the gas flow rate varies depending on the location of the hole. On the other hand, if the pressure loss is too large, the gas flow non-uniformity depending on the location is eliminated, but the pressure is increased beyond the actual pressure, leading to energy loss.

圧損に関しては、単位時間に多孔板を通過するガス量によって大きく変化するため、まず、ガスの供給速度を予め決定しておく必要がある。しかる後、圧損と流れの均一性に関するシミュレーションを行い、ある値以上の圧損で均一性が確保できるといった知見を得る。その後、多孔板に設ける貫通孔の位置と数を決定する。貫通孔は、例えば、m行n列に整然と並んだ位置に(m×n)個設けられる。一行の中にある貫通孔の間隔は、タンマン管の間隔に整合するように設けるのが望ましいが、タンマン管の間隔より広くなければ必ずしも整合する必要はない。また、一列の中にある貫通孔の間隔は、例えば、5〜50mmの範囲で設けるのが望ましい。最後に、貫通孔の孔径を目標とする圧損になるように決定する。孔径は孔数によって変化するが、例えば、1〜10mmφの範囲で設けるのが望ましい。   Since the pressure loss varies greatly depending on the amount of gas passing through the perforated plate per unit time, it is necessary to first determine the gas supply rate in advance. After that, a simulation on pressure loss and flow uniformity is performed to obtain knowledge that uniformity can be secured with a pressure loss of a certain value or more. Thereafter, the position and number of through holes provided in the perforated plate are determined. For example, (m × n) through holes are provided at positions regularly arranged in m rows and n columns. Although it is desirable that the interval between the through holes in one row is set so as to match the interval between the Tamman tubes, the interval is not necessarily required unless the interval is larger than the interval between the Tamman tubes. Moreover, it is desirable to provide the interval between the through holes in one row within a range of 5 to 50 mm, for example. Finally, the hole diameter of the through hole is determined so as to be a target pressure loss. Although the hole diameter varies depending on the number of holes, for example, it is desirable to provide in the range of 1 to 10 mmφ.

多孔板9に設けられる貫通孔の数、及び孔径は、多孔板8と同様の考え方に基づいて決定される。多孔板を通過する際の圧損が小さすぎると、排出口12に近い孔から優先的にガスの排出が起きてガス流れの均一性が失われ、反対に、圧損が大きすぎるとガス流れの不均一は解消されるが、エネルギーのロスに繋がるためである。   The number of through holes provided in the porous plate 9 and the hole diameter are determined based on the same concept as the porous plate 8. If the pressure loss when passing through the perforated plate is too small, the gas is preferentially discharged from the hole close to the discharge port 12 and the gas flow uniformity is lost. This is because the uniformity is eliminated, but it leads to energy loss.

次に、タンマン管の配置に関する本発明の実施形態について説明する。
タンマン管の配置は、複数のタンマン管を複数のタンマン管列に配置するようにする。このタンマン管列はガス流れに対して垂直方向に配置するのが望ましい。更に、次列のタンマン管の中心と前列のタンマン管中心がガス流れと平行方向にならないように配置(以降、千鳥配置と記載)する。次列のタンマン管の中心と前列のタンマン管中心がガス流れと平行方向となる位置に各タンマン管を配置(以降、直列配置と記載)すると、次列のタンマン管は前列にあるタンマン管の陰に入ってしまうため、タンマン管の間を相互作用なしで通過してしまうガス流れ(無効ガス流れ)が無視できない程度に発生してしまうためである。
Next, an embodiment of the present invention relating to the arrangement of the Tamman tube will be described.
The arrangement of the Tamman tubes is made such that a plurality of Tamman tubes are arranged in a plurality of Tamman tube rows. It is desirable to arrange the Tamman tube row in a direction perpendicular to the gas flow. Further, the center of the Tamman tube in the next row and the center of the Tamman tube in the previous row are arranged so as not to be parallel to the gas flow (hereinafter referred to as a staggered arrangement). When each Tamman tube is placed in a position where the center of the Tamman tube in the next row and the center of the Tamman tube in the front row are parallel to the gas flow (hereinafter referred to as series arrangement), This is because the gas flow (invalid gas flow) that passes between the Tamman tubes without interaction is generated to the extent that it cannot be ignored.

無効ガス流れを最も有効に抑制するには、ガス流れに対して垂直方向に整列したタンマン管が、前列に配置された2本のタンマン管の中央後方の位置に各タンマン管を配置(以降、正千鳥配置と記載)する。正千鳥配置とすることで、全体のガス流れがバランスよく全てのタンマン管に供給され、無効ガス流れ分は最小となる。   In order to suppress the ineffective gas flow most effectively, each Tamman tube is arranged at a position behind the center of the two Tamman tubes arranged in the front row. (Denoted as a staggered arrangement). By adopting a regular zigzag arrangement, the entire gas flow is supplied to all Tamman pipes in a balanced manner, and the amount of ineffective gas flow is minimized.

タンマン管の配置に関し、最良の形態の一例を図3に示す。図3は、混合伝導性固体電解質からなる複数のタンマン管が配置された様子を鳥瞰図で示したもので、全てのタンマン管10はガス流れの方向15に対して垂直に立っており、かつ前列に配置された2本のタンマン管の中央後方に次列のタンマン管がくるように配置されている。この配置をわかりやすくするために、図4では上方からタンマン管を見た図を示した。   An example of the best mode regarding the arrangement of the Tamman tube is shown in FIG. FIG. 3 shows a bird's-eye view of a plurality of Tamman tubes made of mixed conductive solid electrolyte.All Tamman tubes 10 stand perpendicular to the gas flow direction 15 and are in the front row. Are arranged so that the next row of Tamman tubes comes behind the center of the two Tamman tubes. In order to make this arrangement easy to understand, FIG. 4 shows a view of the Tamman tube viewed from above.

図4で示しているように、タンマン管の間隔をd、タンマン管の外径をr、タンマン管列の間隔をDとすると、その大きさの関係はガス流れの効率に大きく影響を与える。また、この関係はガスの流れ速度と関係しており、それぞれの流れ速度に対して最適値が存在する。   As shown in FIG. 4, if the distance between the Tamman tubes is d, the outer diameter of the Tamman tubes is r, and the distance between the Tamman tube rows is D, the relationship between the sizes greatly affects the efficiency of the gas flow. Further, this relationship is related to the gas flow velocity, and there is an optimum value for each flow velocity.

まず、dとrの関係については、3.0>d/r>1.2の範囲とするのが望ましい。d/r値が3.0以上になると、本発明のようにタンマン管を配置しても、タンマン管の間隔が大きすぎて無効ガス流れが無視できなくなるためであり、d/r値が1.2以下になると、タンマン管の間をガスが通り抜けるのに大きな抵抗となるため、後列にスムーズな流れが出来ないためである。ちなみに、d/r=1でタンマン管同士が接触し、ガス流れは完全に阻害される。   First, the relationship between d and r is preferably in the range of 3.0> d / r> 1.2. When the d / r value is 3.0 or more, even if the Tamman pipes are arranged as in the present invention, the interval between the Tamman pipes is too large and the invalid gas flow cannot be ignored, and the d / r value is 1.2 or less. This is because a large resistance is required for gas to pass between the Tamman tubes, and a smooth flow cannot be achieved in the rear row. Incidentally, Tamman tubes contact each other at d / r = 1, and the gas flow is completely inhibited.

また、Dとrの関係については、2d>D>0.5rの範囲とするのが望ましい。Dが0.5r以下となると奇数列同士、又は偶数列同士が干渉してしまい、物理的に配置することが出来ないためであり、Dが2d以上では本来の目的である集積化を達成できないためである。   The relationship between D and r is preferably in the range of 2d> D> 0.5r. This is because odd-numbered columns or even-numbered columns interfere with each other when D is 0.5r or less, and cannot be physically arranged. When D is 2d or more, the original integration cannot be achieved. It is.

上述したように、複数のタンマン管の間を通過する無効ガス流れはタンマン管の配置方法の改良によって最小にすることができる。一方、一番端に配置されたタンマン管近傍、具体的には一番端に位置するタンマン管と整流ボックスの壁面の間を流れる無効ガス流れについては、配置方法の改良によって改善することは出来ない。また、タンマン管頂部と整流ボックスの天井の間を流れる無効ガス流れについても、配置方法の改良によって改善することは出来ない。   As described above, the reactive gas flow passing between the plurality of Tamman tubes can be minimized by improving the arrangement of the Tamman tubes. On the other hand, the reactive gas flow that flows in the vicinity of the Tamman tube arranged at the extreme end, specifically between the Tamman tube located at the extreme end and the wall of the rectifying box, can be improved by improving the arrangement method. Absent. Also, the reactive gas flow that flows between the top of the Tamman tube and the ceiling of the rectifying box cannot be improved by improving the arrangement method.

これらを改善するためには、整流ボックスの多孔板が設けられていない面に、複数の突起物を設けるのが有効である。特に板状の突起物を設けるのが最も簡便な方法である。この板状体の突起物は、整流ボックスの多孔板が設けられていない側壁とタンマン管群の間隙にガスの流れに対して非平行かつタンマン管に対して平行に少なくとも2枚以上配置されるのが望ましい。また、タンマン管頂部と整流ボックスの天井の間を流れる無効ガス流れについては、タンマン管の高さに応じて整流ボックスの天井高さを整合させることによって、その影響を小さくできるが、複数のタンマン管の高さが微妙に異なる場合には、板状体の突起物を、整流ボックスの天井とタンマン管頂部の間に、ガス流れに対して非平行となる向きに設置するのも有効である。   In order to improve these, it is effective to provide a plurality of protrusions on the surface of the rectifying box where the perforated plate is not provided. In particular, it is the simplest method to provide a plate-like protrusion. At least two or more projections of the plate-like body are arranged in parallel to the gas flow and parallel to the Tamman tube in the gap between the side wall of the rectification box where the porous plate is not provided and the Tamman tube group. Is desirable. In addition, the effect of the reactive gas flow that flows between the top of the Tamman tube and the ceiling of the rectifying box can be reduced by matching the ceiling height of the rectifying box according to the height of the Tamman tube. If the tube heights are slightly different, it is also effective to install a plate-like protrusion between the rectifying box ceiling and the top of the Tamman tube in a direction that is not parallel to the gas flow. .

図5は、図2に板状体の突起物16を追加した例を図示したものであり、側壁にはそれぞれ4枚の突起物が設けられている。なお、見やすさを優先したため、図5にはタンマン管は1本のみ描いているが、当然複数のタンマン管が林立しているものである。   FIG. 5 shows an example in which a plate-like protrusion 16 is added to FIG. 2, and four protrusions are provided on each side wall. For ease of viewing, only one tamman tube is drawn in FIG. 5, but naturally a plurality of tamman tubes are erected.

図6は、図5を上から見たもの(但し、複数のタンマン管の場合)である。
整流ボックスの側壁に設けられた突起物は、側壁に沿って層流となって抜けてしまい反応領域に到達しないガスを有効利用するためのものであるが、同時に作業性の向上にも有効に作用する。すなわち、側壁に沿って層流となって抜けてしまうガスを最小限にしようとすれば、タンマン管群と側壁の間隙を極めて小さくすることになるが、これではセットの方法が非常に困難である。突起物を設ける方法では、複数のタンマン管に対して余裕を持った整流ボックスをセットした後、突起物をセットするようにすれば、このような困難さは軽減される。
FIG. 6 is a top view of FIG. 5 (in the case of a plurality of Tamman tubes).
Protrusions provided on the side walls of the rectification box are for effective use of gas that does not reach the reaction region because it flows in a laminar flow along the side walls, but is also effective for improving workability at the same time. Works. In other words, if the gas that escapes as a laminar flow along the side wall is minimized, the gap between the Tamman tube group and the side wall becomes extremely small, but this makes the setting method very difficult. is there. In the method of providing the protrusions, such difficulty is reduced if the protrusions are set after setting the rectification box having a margin for the plurality of Tamman tubes.

板状体の突起物の数、形状に関してはいろいろなバリエーションが考えられる。その例を図7に示す。(a)は、図6で例示したものと同一であるが、これ以外にも例えば、(b)〜(d)等が考えられる。いずれの例も、突起物近傍のみを図示しており、全体は図示したものの反復・繰り返しで表現できる。また、整流ボックスの天井に設けられる板状体の突起物の形状についても、図7と同様、いろいろなバリエーションが可能である。その例を図8に示す。   Various variations can be considered for the number and shape of protrusions on the plate-like body. An example is shown in FIG. Although (a) is the same as that illustrated in FIG. 6, for example, (b) to (d) are also conceivable. In each example, only the vicinity of the protrusion is illustrated, and the whole can be expressed by repetition and repetition of what is illustrated. Also, the shape of the projections of the plate-like body provided on the ceiling of the rectifying box can be variously changed as in FIG. An example is shown in FIG.

以下、本発明を実施例、比較例で説明する。
(実施例1)
−ガス流量と多孔板圧損に関する検討−
図9に示した形状で、空気流量を10,100,500Nm3/Hr(1時間あたりの体積、Nは気体の標準状態(0.1MPa、25℃)に換算したことを示す)に設定して、多孔板を通過する流速の均一度を調べた。解析モデルは、整流ボックスの内部構造の対称性を利用して、実際の半分の領域を対象とした。解析格子数は、X=160、Y=65、Z=40(計416000)とし、多孔板の個々の貫通孔と板厚は形状としてモデル化しなかった。解析ツールは、ソフトウェア・クレイドル社の構造格子系熱流体解析コード「STREAM Ver.3.11」を用いた。解析条件及び解析結果を下表(表1、2)にまとめる。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples and comparative examples.
(Example 1)
-Study on gas flow rate and perforated plate pressure loss-
With the shape shown in Fig. 9, the air flow rate is set to 10,100,500 Nm 3 / Hr (volume per hour, N is converted to the standard state of gas (0.1 MPa, 25 ° C)), and perforated plate The uniformity of the flow rate passing through was examined. The analysis model used the symmetry of the internal structure of the rectification box, and targeted the actual half area. The number of analysis lattices was X = 160, Y = 65, Z = 40 (total 416000), and the individual through holes and plate thickness of the porous plate were not modeled as shapes. The analysis tool used was a structured grid thermal fluid analysis code “STREAM Ver.3.11” from Software Cradle. The analysis conditions and analysis results are summarized in the following tables (Tables 1 and 2).

Figure 2005145786
Figure 2005145786

Figure 2005145786
Figure 2005145786

表から、例えば、100Nm3/Hrの流量では多孔板圧損が500Pa程度、10Nm3/Hrの流量では5Pa程度の多孔板を用いればよいことが分かった。また、表には示されていないが、各実験とも多孔板上部で通過流速が高くなる傾向があり、流量が増加するほどこの傾向による不均一性が強くなることも分かった。 Table, for example, in a flow rate of 100 Nm 3 / Hr about the perforated plate pressure drop 500 Pa, the flow rate of 10 Nm 3 / Hr was found that may be used perforated plate of about 5 Pa. Although not shown in the table, it was also found that in each experiment, the passage flow velocity tends to increase at the upper part of the perforated plate, and the nonuniformity due to this tendency becomes stronger as the flow rate increases.

本シミュレーションでは、多孔板の個々の貫通孔と板厚は形状としてモデル化しなかったため、多孔板には無限小の孔径を持つ貫通孔が無限大個あるという仮想的なものを前提に考えたが、実際には、100Nm3/Hrの流量で多孔板圧損が500Pa程度となるよう、例えば、15行×11列(計165個)で、孔径3mmφ程度の貫通孔を、図9に示した整流ボックスの多孔板の全面に用いればよいことが分かった。 In this simulation, the individual through-holes and plate thickness of the perforated plate were not modeled as shapes, so we assumed the hypothetical that the perforated plate had infinitely many through-holes with infinitely small hole diameters. Actually, for example, 15 rows x 11 columns (165 total) with through holes with a hole diameter of about 3 mmφ at the flow rate of 100 Nm 3 / Hr, the rectification shown in FIG. It was found that it could be used on the entire surface of the perforated plate of the box.

(実施例2)
ガス貯留室から複数のタンマン管に対し、垂直方向にガスを供給する際、ガスの供給方法を変え、実際に酸素分離実験を行った。実験は、タンマン管外径18mm、平均長さ20cmの酸素分離管53本を、奇数列11本、偶数列10本、全5列で正千鳥配置させ、850℃において1.0MPa空気から酸素を分離する条件で行った。いずれの実験も、導入側・排出側とも圧損が500Pa程度となるようにした。空気流量は、100Nm3/Hrとした。また、分離管の間隔dは34mmとし、整流ボックス内には突起物は設けなかった。結果を表3にまとめる。
(Example 2)
When gas was supplied from a gas storage chamber to a plurality of Tamman tubes in the vertical direction, the gas supply method was changed and an oxygen separation experiment was actually performed. In the experiment, 53 oxygen separation tubes with an outer diameter of 18 mm and an average length of 20 cm were arranged in a staggered manner in 11 odd rows, 10 even rows, and 5 rows in total, separating oxygen from 1.0 MPa air at 850 ° C. I went under the conditions to do. In both experiments, the pressure loss was set to about 500 Pa on both the introduction side and the discharge side. The air flow rate was 100 Nm3 / Hr. Further, the separation tube interval d was 34 mm, and no protrusions were provided in the rectification box. The results are summarized in Table 3.

Figure 2005145786
Figure 2005145786

表から分かるように、ガス貯留室からボックス内に多孔板を介してガスを導入する構造、又はボックスに設置された排出口が多孔板である構造が望ましく、どちらも多孔板である構造が最も望ましい。   As can be seen from the table, a structure in which gas is introduced from the gas storage chamber into the box through the perforated plate or a structure in which the discharge port installed in the box is a perforated plate is desirable, and the structure in which both are perforated plates is the most. desirable.

(実施例3)
−タンマン管配置方法に関する検討−
本発明のガス流れ制御構造で、タンマン管の配列を直列配置と正千鳥配置とし、配置方法の差異によるガス流れの比較を行った。解析ツールはFLUENT社の熱流体汎用解析コード「FLUENT Ver.5.5」を用い、2次元の解析格子による解析を行った。実施例1と同様、多大な格子点を必要とするため、多孔板の個々の貫通孔と板厚は形状としてモデル化しなかった。解析条件を表4にまとめる。なお、空気温度850℃、圧力1.0MPaを想定し、空気密度3.143kg/m3、空気粘度46.464×10-6Pas(パスカル秒)を使用し、酸素透過によるガスの消滅については考慮しなかった。

Figure 2005145786
(Example 3)
-Examination of Tamman tube arrangement method-
In the gas flow control structure of the present invention, the arrangement of the Tamman tubes was set to the series arrangement and the normal zigzag arrangement, and the gas flow was compared by the difference in arrangement method. The analysis tool was FLUENT's thermal fluid general-purpose analysis code "FLUENT Ver.5.5", and the analysis was performed using a two-dimensional analysis grid. As in Example 1, since a large number of lattice points are required, the individual through holes and plate thickness of the perforated plate were not modeled as shapes. The analysis conditions are summarized in Table 4. Assuming an air temperature of 850 ° C and a pressure of 1.0 MPa, an air density of 3.143 kg / m 3 , an air viscosity of 46.464 × 10 -6 Pas (Pascal second) was used, and gas disappearance due to oxygen permeation was not considered. .
Figure 2005145786

解析結果を図10、11に示す。図10、11は、ガスの流速を等高線表記して示したものである。いずれの結果もタンマン管の背後で低流速領域が出現しているが、直列配列の場合、その領域が次のタンマン管前方にまで伸びているのに対して、正千鳥配置の場合では、そのような状況はなく、明らかに効率的な流れになっていることが分かった。   The analysis results are shown in FIGS. 10 and 11 show the gas flow velocity in contour lines. In both results, a low-velocity region appears behind the Tamman tube, but in the case of the series arrangement, that region extends to the front of the next Tamman tube, whereas in the case of the regular zigzag arrangement, There was no such situation, and it turned out that it was clearly an efficient flow.

(実施例4)
実施例3と同様の手法を使い、図7で例示した板状体の突起物の効果をシミュレートした。比較として、突起物無しについても検討を行った。解析条件を表5にまとめる。共通条件として、空気温度900℃、空気流量100Nm3/Hr、及びタンマン管配置は正千鳥配置とした。
(Example 4)
Using the same method as in Example 3, the effect of the projection of the plate-like body illustrated in FIG. 7 was simulated. As a comparison, a study was also made on the absence of protrusions. The analysis conditions are summarized in Table 5. As common conditions, the air temperature was 900 ° C., the air flow rate was 100 Nm 3 / Hr, and the Tamman tube arrangement was a staggered arrangement.

Figure 2005145786
Figure 2005145786

正千鳥配置されたタンマン管表面に当たる空気の流速に注目して、結果を図12にまとめた。図12は、横軸にタンマン管列の位置(1が最上流、16が最下流)、縦軸がその列にあるタンマン管の表面に当たる空気の流速の平均値をとった。突起物のない実験No.10では、下流に行くに従い次第に平均流速は低下するのに対して、突起物を設けた他のケースでは、1列目を除いてほぼ一定の平均流速を示し、かつ高いレベルを保つことが分かった。これは、突起物を設けることにより、効率よくタンマン管にガスが供給されていることを示している。
(実施例5)
本発明のガス流れ制御構造で、タンマン管外径18mm、平均長さ20cmの酸素分離管53本を、奇数列11本、偶数列10本、全5列で正千鳥配置させ、850℃において1.0MPa空気から酸素を分離する実験を行った。用いた多孔板には、孔径3.0mmφ、孔数165個(15行×11列)の貫通孔が設けられている。分離管の間隔dは34mmとした。天井と側壁に突起物を設けた結果を表6に、側壁のみ突起物有りの結果を表7に、突起物なしの結果を表8にそれぞれまとめた。側壁の突起物の形状は図7の(a)、天井の突起物の形状は図8の(a)とした。
The results are summarized in Fig. 12, paying attention to the flow velocity of the air hitting the surface of the Tamman tube arranged in a zigzag pattern. In FIG. 12, the horizontal axis represents the position of the Tamman tube row (1 is the most upstream, 16 is the most downstream), and the vertical axis is the average value of the flow velocity of the air hitting the surface of the Tamman tube in that row. In Experiment No. 10 without protrusions, the average flow velocity gradually decreases as going downstream, whereas in other cases where protrusions are provided, the average flow velocity is almost constant except for the first row, and It turns out to keep a high level. This indicates that the gas is efficiently supplied to the Tamman tube by providing the protrusions.
(Example 5)
In the gas flow control structure of the present invention, 53 oxygen separation tubes having an outer diameter of Tamman tube of 18 mm and an average length of 20 cm are arranged in a staggered manner in 11 odd rows, 10 even rows, and 5 rows in total, and 1.0 at 850 ° C. Experiments were conducted to separate oxygen from MPa air. The used porous plate is provided with through holes having a hole diameter of 3.0 mmφ and a number of holes of 165 (15 rows × 11 columns). The distance d between the separation tubes was 34 mm. Table 6 shows the results of providing protrusions on the ceiling and side walls, Table 7 shows the results with protrusions only on the side walls, and Table 8 shows the results without protrusions. The shape of the protrusion on the side wall is shown in FIG. 7 (a), and the shape of the protrusion on the ceiling is shown in FIG. 8 (a).

Figure 2005145786
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Figure 2005145786
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Figure 2005145786
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表6〜8を比較すると、突起物を設けた方が明らかに酸素分離効率が向上していることが分かった。   When Tables 6 to 8 were compared, it was found that the oxygen separation efficiency was clearly improved when the protrusions were provided.

(実施例6)
本発明のガス流れ制御構造で、種々の条件にて、850℃において1.0MPa空気から酸素を分離する実験を行った。空気の流量は全ての場合で100Nm3/Hrとした。結果を表9にまとめる。No.27とNo.28、29の実験を比較すると、d/r比が本発明の望ましい範囲に入っているNo.27の方がより高い透過速度となった。突起物の形状に関する実験では、本発明で例示した形状は全て高い透過速度を示した(No.27、30〜32)。また、タンマン管列の数が増えても、平均透過速度の低下はそれほど顕著なものではないことが分かった(No.33)。正千鳥配置に対して直列配置にしたものは、いずれの突起物を用いても透過速度はある程度低下し、正千鳥配置がより望ましいことが確認できた(No.34〜37)。
(Example 6)
With the gas flow control structure of the present invention, experiments were conducted to separate oxygen from 1.0 MPa air at 850 ° C. under various conditions. The air flow rate was 100 Nm 3 / Hr in all cases. The results are summarized in Table 9. Comparing the experiments of No. 27, No. 28, and 29, No. 27 whose d / r ratio is within the desirable range of the present invention has a higher transmission rate. In the experiment on the shape of the protrusion, all the shapes exemplified in the present invention showed a high transmission rate (No. 27, 30 to 32). It was also found that the decrease in average transmission rate was not so noticeable even when the number of Tamman tubes was increased (No. 33). In the case of the arrangement arranged in series with respect to the normal zigzag arrangement, the transmission rate was lowered to some extent even when any projection was used, and it was confirmed that the normal zigzag arrangement was more desirable (No. 34 to 37).

Figure 2005145786
Figure 2005145786

(比較例)
整流ボックス内にガス貯留室を設けない状態で、その他の条件を実施例5に従って、850℃において1.0MPa空気から酸素を分離する実験を行った。また、突起物は設けなかった。実験結果を表10にまとめた。
(Comparative example)
An experiment was conducted in which oxygen was separated from 1.0 MPa air at 850 ° C. in accordance with Example 5 with no gas storage chamber provided in the rectifying box. Further, no protrusion was provided. The experimental results are summarized in Table 10.

Figure 2005145786
Figure 2005145786

表10から分かるように、整流ボックス内にガス貯留室を設けない状態では、ガスの流れ制御が不十分で、透過速度は極端に低下した。   As can be seen from Table 10, in the state where no gas storage chamber was provided in the rectifying box, the gas flow control was insufficient, and the permeation rate was extremely reduced.

酸素分離装置における分離炉の望ましい構造の例示図である。It is an illustration figure of the desirable structure of the separation furnace in an oxygen separator. 複数のタンマン管を収納する本発明の整流ボックス構造の概略図である。It is the schematic of the rectification | straightening box structure of this invention which accommodates a some Tammann pipe | tube. 混合伝導性固体電解質からなる複数のタンマン管が正千鳥配置された様子の鳥瞰図である。It is a bird's-eye view of a mode that a plurality of Tamman tubes which consist of mixed conductive solid electrolytes are arranged in a regular staggered manner. 図3を上方から見た図である。FIG. 4 is a diagram when FIG. 3 is viewed from above. 図2に板状体の突起物を整流ボックス壁面に追加記述した図である。FIG. 2 is a diagram in which protrusions of a plate-like body are additionally described on the wall surface of the rectification box. 図5を上方から見た図である。FIG. 6 is a diagram when FIG. 5 is viewed from above. 整流ボックス壁面に設けられる板状体の突起物の形状に関する具体例を示した図(整流ボックスの上方から見た図)である。It is the figure (figure seen from the upper part of a rectification box) which showed the specific example regarding the shape of the projection of the plate-shaped object provided in a rectification box wall surface. 整流ボックス天井に設けられる板状体の突起物の形状に関する具体例を示した図(整流ボックスの横方向から見た図)である。It is the figure (figure seen from the horizontal direction of a rectification box) which showed the specific example regarding the shape of the projection of the plate-shaped object provided in a rectification box ceiling. 多孔板を通過する流速の均一度をシミュレートする際に想定した整流ボックスの大きさを示す図である。It is a figure which shows the magnitude | size of the rectification | straightening box assumed when simulating the uniformity of the flow rate which passes a perforated plate. 直列配置させた複数のタンマン管にガスを供給させた場合の、ガス流れ解析の結果をまとめた図である。It is the figure which put together the result of the gas flow analysis at the time of supplying gas to the several Tamman pipe arranged in series. 正千鳥配置させた複数のタンマン管にガスを供給させた場合の、ガス流れ解析の結果をまとめた図である。It is the figure which put together the result of the gas flow analysis at the time of supplying gas to the several Tamman pipe arrange | positioned in a zigzag pattern. 各突起物形状での正千鳥配置されたタンマン管表面平均流速の列平均値を示す図である。It is a figure which shows the row | line | column average value of the Tamman tube surface average flow velocity arrange | positioned in the zigzag pattern in each protrusion shape.

符号の説明Explanation of symbols

1 圧力容器
2 断熱壁
3 圧力容器フランジ
4 締結手段(ボルト&ナット)
5 ガスの導入口
6 整流ボックス
7 ガス貯留室
8 多孔板(供給側)
9 多孔板(排出側)
10 タンマン管
11 マニホールド板
12 排出口
13 分離酸素排出口
14 ガス導入用サービスポート
15 ガス流れ
16 突起物
A ガス流速大の領域
B ガス流速中の領域
C ガス流速小の領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pressure vessel 2 Insulation wall 3 Pressure vessel flange 4 Fastening means (bolt & nut)
5 Gas inlet 6 Rectification box 7 Gas storage chamber 8 Perforated plate (supply side)
9 Perforated plate (discharge side)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Tamman pipe 11 Manifold plate 12 Exhaust port 13 Separation oxygen exhaust port 14 Service port for gas introduction 15 Gas flow 16 Protrusion A Area | region where gas flow rate is large B Area | region in gas flow velocity area C Gas flow velocity area | region small

Claims (14)

ガスの導入口及び排出口を備えた圧力容器と、混合伝導性固体電解質を少なくとも片側表面に有する複数のタンマン管と、該タンマン管を保持し、ガス導出口を有するマニホールド板と、該マニホールド板上に設置された前記複数のタンマン管全てを収納し、ガス導入口を有するボックスとを少なくとも備えた酸素分離装置又は隔膜リアクター装置において、
前記ボックス内に前記ガス導入口より前記複数のタンマン管に対して垂直方向にガスを供給するためのガス貯留室と、前記ボックスの該ガス貯留室の対向面にガス排出口を設けることを特徴とする混合伝導性固体電解質を用いた酸素分離装置又は隔膜リアクターのガス流れ制御構造。
A pressure vessel having a gas inlet and a gas outlet; a plurality of Tamman tubes having a mixed conductive solid electrolyte on at least one surface; a manifold plate holding the Tamman tubes and having a gas outlet; and the manifold plate In the oxygen separation device or the membrane reactor device that contains all of the plurality of Tamman tubes installed on the top and has at least a box having a gas inlet,
A gas storage chamber for supplying gas in a direction perpendicular to the plurality of Tamman tubes from the gas inlet in the box, and a gas discharge port is provided on the opposing surface of the gas storage chamber of the box. A gas flow control structure of an oxygen separator or a diaphragm reactor using a mixed conductive solid electrolyte.
前記ガス貯留室から前記ボックス内に多孔板を介してガスを導入することを特徴とする請求項1記載のガス流れ制御構造。   The gas flow control structure according to claim 1, wherein gas is introduced from the gas storage chamber into the box through a perforated plate. 前記ボックスに設置された前記ガス排出口が多孔板であることを特徴とする請求項1記載のガス流れ制御構造。   The gas flow control structure according to claim 1, wherein the gas discharge port installed in the box is a perforated plate. 前記多孔板が、前記ボックスの一面の全面に設けられることを特徴とする請求項2又は3記載のガス流れ制御構造。   The gas flow control structure according to claim 2 or 3, wherein the perforated plate is provided on the entire surface of one surface of the box. 前記複数のタンマン管が、前記複数のタンマン管列に配置されることを特徴とする請求項1記載のガス流れ制御構造。   The gas flow control structure according to claim 1, wherein the plurality of Tamman tubes are arranged in the plurality of Tamman tube rows. 前記タンマン管列が、ガス流れに対して垂直方向に配置されることを特徴とする請求項5記載のガス流れ制御構造。   6. The gas flow control structure according to claim 5, wherein the Tamman tube row is disposed in a direction perpendicular to the gas flow. 前記ガス流れに対して垂直方向に配置するタンマン管が、前記タンマン管の間隔をd、前記タンマン管の外径をrとしたとき、3.0>d/r>1.2の関係を満足する位置に配置されていることを特徴とする請求項6記載のガス流れ制御構造。   The Tamman tube arranged in the direction perpendicular to the gas flow is arranged at a position satisfying a relationship of 3.0> d / r> 1.2, where d is the distance between the Tamman tubes and r is the outer diameter of the Tamman tube. The gas flow control structure according to claim 6, wherein the gas flow control structure is provided. 前記ガス流れに対して垂直方向に整列したタンマン管が、次列のタンマン管の中心と前列のタンマン管中心がガス流れと平行方向にならない位置に各タンマン管が配置されることを特徴とする請求項7記載のガス流れ制御構造。   The Tamman tubes aligned in the direction perpendicular to the gas flow are characterized in that each Tamman tube is disposed at a position where the center of the Tamman tube in the next row and the center of the Tamman tube in the previous row are not parallel to the gas flow. The gas flow control structure according to claim 7. 前記ガス流れに対して垂直方向に整列したタンマン管が、前列に配置された2本のタンマン管の中央後方の位置に各タンマン管が配置されることを特徴とする請求項8記載のガス流れ制御構造。   9. The gas flow according to claim 8, wherein the Tamman tubes arranged in a direction perpendicular to the gas flow are disposed at positions behind the center of the two Tamman tubes arranged in the front row. Control structure. 前記ガス流れに対して垂直方向に整列したタンマン管列が、前記タンマン管列の間隔をD、前記タンマン管の間隔をd、前記タンマン管の直径をrとしたとき、2d>D>0.5rの関係を満足する位置に配置されていることを特徴とする請求項6〜9の何れか1項記載のガス流れ制御構造。   When the Tamman tube row aligned in the direction perpendicular to the gas flow has a distance of the Tamman tube row as D, a space between the Tamman tubes as d, and a diameter of the Tamman tube as r, 2d> D> 0.5r The gas flow control structure according to any one of claims 6 to 9, wherein the gas flow control structure is arranged at a position satisfying the relationship. 前記ボックスの多孔板が設けられていない面に、複数の突起物が設けられていることを特徴とする請求項4記載のガス流れ制御構造。   The gas flow control structure according to claim 4, wherein a plurality of protrusions are provided on a surface of the box on which the perforated plate is not provided. 前記突起物が板状体であることを特徴とする請求項11記載のガス流れ制御構造。   The gas flow control structure according to claim 11, wherein the protrusion is a plate-like body. 前記板状体が、前記ボックスの多孔板が設けられていない壁面に、ガス流れに対して非平行で、かつ前記タンマン管に対して平行となる向きに設置されていることを特徴とする請求項12記載のガス流れ制御構造。   The plate-like body is installed on a wall surface of the box where a perforated plate is not provided in a direction that is non-parallel to the gas flow and parallel to the Tamman tube. Item 13. A gas flow control structure according to Item 12. 前記板状体が、前記ボックスの天井面に、ガス流れに対して非平行となる向きに設置されていることを特徴とする請求項12記載のガス流れ制御構造。

The gas flow control structure according to claim 12, wherein the plate-like body is installed on the ceiling surface of the box in a direction that is not parallel to the gas flow.

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