JP2007229556A - 化学反応装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱部のエネルギーを効率よく回収するとともに、加熱の偏りを低減させた化学反応装置を提供する。
【解決手段】流体を加熱する加熱部と、加熱部を取り囲むように配置された略円筒状の第１の伝熱壁と、第１の伝熱壁を取り囲むように配置された略円筒状の外壁とを備え、加熱部と第１の伝熱壁とにより形成された化学反応領域と、第１の伝熱壁と外壁とにより形成された流路とを、その一端側において接続する。化学反応領域が加熱部を覆うとともに、化学反応領域を流路が覆うため、加熱前の流体が加熱部のエネルギーを効率よく回収することができる。また、流体の流れ方向が上下方向に形成されるため、軽い流体と重い流体が混ざり合い、化学反応装置に流入する流体が偏ったり、化学反応領域内などに停滞したりせず、流体をムラなく加熱することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換機能を備えた化学反応装置に係り、特に、原子力を利用した熱化学法による水素製造システムに適用するのに好適な化学反応装置に関する。

熱処理が行われる化学反応装置から放出されるエネルギーを高効率で回収する装置として、熱処理前の流体と熱処理後の流体とで熱交換を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の装置においては、熱処理部と、熱処理前の流体と熱処理後の流体とで熱交換をする部分とが、同一の装置に組み込まれている。具体的には、容器の一端に流体の入口部と出口部を、他端に流体加熱機構を備えるとともに、入口部から流体加熱機構へ向かう流路と、流体加熱機構から出口部へ向かう流路を備えている。そして、入口部から容器内に流入してきた流体は流体加熱機構へ向かう流路を流れ、加熱機構近傍で加熱される。その後、出口部へ向かう流路を流れていく際に、入口部から加熱機構に向かう流路を流れていく流体と、向流式に熱交換を行う。

また、熱交換部にスパイラル熱交換器を用いたものもある（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載の装置においては、化学反応を行う領域を中心に、２枚の伝熱壁を渦巻状に巻きつけ、伝熱壁の隙間に、周辺部と中心部（加熱部）とを結ぶ２つの流路を備える。２つの流路のうち一方の流路は、周辺部から中心部へ向かう流路であり、流体が流れ込む入口部と周辺部において接続されている。他方の流路は、中心部から周辺部へ向かう流路であり、流体が流出する出口部と周辺部において接続されている。入口部から流入した流体は、周辺部から中心部へ向かう流路を流れていき、中心部に備え付けられた加熱部において加熱される。その後、中心部から周辺部へ向かう流路を通過する際に、入口部から中心部へ向かう流路を流れる流体と、向流式に熱交換を行う。

特許文献１に記載の装置においては、加熱部の一部分だけが流体と接触する構造のため、加熱部のエネルギーを効率よく流体に伝えにくい場合がある。また、特許文献２に記載の装置においては、流体が横方向に流れることにより、軽い流体は上側に、重たい流体は下側に偏り、加熱のされやすさに分布が生じ、流体をムラなく加熱できない場合も想定される。

特開２０００−１２１２６２号公報 特開２００４−２７１０９９号公報

本発明の目的は、加熱部のエネルギーを効率よく回収するとともに、加熱の偏りを低減させた化学反応装置を提供することにある。

流体を加熱する加熱部と、加熱部を取り囲むように配置された略円筒状の第１の伝熱壁と、第１の伝熱壁を取り囲むように配置された略円筒状の外壁とを備え、加熱部と第１の伝熱壁とにより形成された化学反応領域と、第１の伝熱壁と外壁とにより形成された流路とを、その一端側において接続する。

本発明によれば、化学反応領域が加熱部を覆うとともに、化学反応領域を流路が覆うため、加熱前の流体が加熱部のエネルギーを効率よく回収することができる。また、流体の流れ方向が上下方向に形成されるため、軽い流体と重い流体が混ざり合い、化学反応装置に流入する流体が偏ったり、化学反応領域内などに停滞したりせず、流体をムラなく（加熱の偏りなく）加熱することができる。

以下、図１乃至図７を用いて、本発明における化学反応装置について詳細に説明する。

本発明に係る化学反応装置の第１実施例を図１及び図２を用いて説明する。本実施例は、化学反応領域が加熱部を覆うとともに、化学反応領域を流路が覆うことにより、加熱前の流体に加熱部のエネルギーを効率よく回収させるものである。さらに、流体の流れ方向を上下方向に形成し、流体をムラ（加熱の偏り）なく加熱させる。

図２は、第１の実施例における化学反応装置が組み込まれた原子力を利用した熱化学法による水素製造システムの構成説明図である。まず、本実施例における化学反応装置の説明に先立って、この化学反応装置が組み込まれた原子力を利用した熱化学法による水素製造システムについて説明する。代表的な熱化学法による水素製造システムとして、「ウエスチングハウスプロセス」と呼ばれるものがある。このプロセスでは、式（１）から(３)の化学反応を組み合わせて水素を製造する。プロセス全体をみると、原料となる水から水素と酸素を生成しており、硫酸が反応物質として使われプロセス内を循環している。

２Ｈ₂Ｏ＋ＳＯ₂→Ｈ₂ＳＯ₄＋Ｈ₂（＜１００℃，電気分解） …（１）
Ｈ₂ＳＯ₄→Ｈ₂Ｏ＋ＳＯ₃（３００℃以上） …（２）
ＳＯ₃→ＳＯ₂＋０.５Ｏ₂（約９００℃） …（３）
本実施例における水素製造システムは、式（１）の電気分解を行い水素を取り出す電気分解槽１１と、式（２）のように電気分解槽１１で生成されたＨ₂ＳＯ₄を分解する硫酸蒸発器１３と、硫酸蒸発器１３から出るＳＯ₃とＨ₂Ｏガスとを加熱するＳＯ₃・Ｈ₂Ｏガス加熱器１４と、ＳＯ₃・Ｈ₂Ｏ ガス加熱器１４より発生するＳＯ₃を式（３）のように分解するＳＯ₃分解器１５と、ＳＯ₃分解器１５から出るガスと電気分解槽１１で生成された
Ｈ₂ＳＯ₄とが熱交換を行う硫酸加熱器１２とを備える。本発明における化学反応装置は、実施例１においてはＳＯ₃分解装置１５に相当する。

本実施例では、反応の熱源として、原子炉を利用することができる。また、電気加熱槽１１に供給する電気と、ＳＯ₃分解器１５を電気加熱する電気は、この原子炉が発電した電気を使用することができる。

次に、本実施例に係る化学反応装置について説明する。図１は、第１の実施例における化学反応装置の構成説明図であり、図１（ａ）は化学反応装置の縦断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。第１の実施例における化学反応装置、すなわちＳＯ₃分解器は、図１に示すように、流体を加熱する加熱部１と、加熱部１を取り囲むように形成された略円筒状の化学反応領域２と、化学反応領域２の外側に配置された略円筒状の伝熱壁３と、伝熱壁３の外側に略円筒状に形成された流路４と、流路４の外側に略円筒状に配置された外壁５とを備えている。ここで、化学反応領域２は加熱器１及び伝熱壁３により形成され、流路４は伝熱壁３及び外壁５により形成される。流路４と化学反応領域２の上端部において接続され、流路４から化学反応領域２へは一続きになっている。また、伝熱壁３の一部は、外壁５に固定されている。具体的には、伝熱壁３と外壁５とを片側（例えば下端）のみで固定することができる。これにより、伝熱壁３を高温環境で使用した場合にも熱ひずみを緩和することができ、伝熱壁３にかかる熱応力を低減することができる。

化学反応装置であるＳＯ₃分解器１５に流入してくる流体はＳＯ₃とＨ₂Ｏ であり、腐食性流体である。また、式（３）の反応は、約９００℃と高温環境でもあり、材料の耐腐食性が課題となる。従って、加熱部１をＳｉＣ製とする。加熱部１をＳｉＣ製とすることで、腐食雰囲気下で使用しても、ＳｉＯ₂ 膜（酸化膜）が形成されるため腐食されにくくなる。また、化学反応領域２内は高温腐食環境となるため、化学反応領域２を囲っている伝熱壁３もＳｉＣ等のセラミック製にする。伝熱壁３をセラミック製にすることで腐食されにくくなる。また、ＳＯ₃分解器に流入してくるＳＯ₃とＨ₂Ｏ の混合流体は、外壁５と接触するときは、まだ十分に加熱されていないため、化学反応領域２ほどは高温ではない。従って、外壁５はＮｉ基合金などの金属系の材料を使用することができる。外壁５として金属系の材料を使用することにより、構造物としての機械的な強度を高めることができる。さらに、外壁５であるＮｉ基合金などの金属系の材料にＳｉＯ₂ などの耐食コーティングを施すことにより、腐食性を向上することもできる。

このように、化学反応装置を本実施例のような構造とすることにより、伝熱壁３と外壁５とは構造上異なった材料を使用することができる。従って、例えば伝熱壁３は高温腐食に強い材料を使用し、外壁５は機械的強度の大きい材料を使用するなど、使用環境に合わせて材料を使い分けることができる。

実施例１における化学反応装置の動作について説明する。まず、外壁５の下端側の側面から化学反応装置にＳＯ₃及びＨ₂Ｏが流入される。流入されたＳＯ₃及びＨ₂Ｏは、伝熱壁３及び外壁５により形成され流路４内を上昇する。流路４内を上昇する際、ＳＯ₃及び
Ｈ₂Ｏ は、化学反応領域２内を流れる流体と伝熱壁３を通じて熱交換を行う。この熱交換により流路４内のＳＯ₃及びＨ₂Ｏが加熱（予熱）される。その後、流路４内の上端に達したＳＯ₃及びＨ₂Ｏは、流路４の上端部において接続された化学反応領域１に流れ込む。化学反応領域１に流れ込んだＳＯ₃及びＨ₂Ｏは、化学反応領域１を通過する際に加熱部１からエネルギーを受け取り、式（３）によってＳＯ₂とＯ₂とに分解しながら化学反応領域２を下降する。化学反応領域内１の流体は、伝熱壁３を通じて、流路４を流れるＳＯ₃と
Ｈ₂Ｏ に熱交換を行い、その後、化学反応領域１の下端から装置外へ流出する。加熱された流体を高温のまま化学反応装置の外へとりだすことができるため、出てくる流体を熱源として利用し、熱利用効率を高めることができる。

本実施例における化学反応装置においては、化学反応領域２および流路４の断面積は、伝熱壁３や外壁５の直径を変えることで、容易に変更することができる。つまり、流量一定の条件下においては、断面積を小さくすれば流速は大きくなり、断面積を大きくすれば流速は小さくなる。従って、流速に対する設計要求を、伝熱壁３や外壁５の直径を変えるのみで容易に達成することができる。

尚、化学反応領域２から放出されるエネルギーが、伝熱壁３を介して、流路４を流れる流体の予熱に使用されるが、外壁での温度は化学反応領域内よりも低くなるので、外壁５の温度条件は緩和されることとなる。ここで、例えば、さらに外壁５の温度を下げたい場合は、流路４の断面積を大きくして、流路４を流れる流体の流速を減少させることにより熱伝達率を小さくすればよい。つまり、伝熱壁３や外壁５の温度条件に対する設計要求を、伝熱壁３や外壁５の直径を変えるのみで容易に達成することができる。

また、本実施例においては、流体の流入口及び流出口を下端に設け、流路４と化学反応領域２とは上端部で接続される構成とした。しかし、流体の流入口及び流出口を上端に設け、流路４と化学反応領域２とを下端部で接続してもよい。つまり、化学反応領域２内及び流路４内における流体の流れ方向を上下方向に形成することができれば、流路４と化学反応領域２との接続部は上端でも下端でもよい。装置設置のスペースや設置のしやすさ等を考慮し、任意に設定することができる。

本実施例における化学反応装置においては、化学反応領域２内及び流路４内における流体の流れ方向を上下方向に形成する。従って、軽い流体と重い流体が重力によって分けられないで混ざり合い、流体が偏らずに均一に行き渡り、流体をムラなく(加熱の偏りなく)加熱することができる。

また、本実施例における化学反応装置においては、化学反応領域２が加熱部１を覆うとともに、化学反応領域２を流路４が覆う構造とする。従って、化学反応領域２から放出されるエネルギーを、流路４に流れる流体の余熱に使用するために回収することができるので、加熱部のエネルギーを効率よく回収することができる。

また、本実施例における化学反応装置は、単純な円筒等の組合せで流路を形成することができるため、きわめて容易にその製作を行うことができる。

本発明に係る化学反応装置に関する第２の実施例を、図２を用いて説明する。本実施例は、第１の実施例で説明した熱化学法による水素製造システムとは異なる水素製造システムに、本発明の化学反応装置を適用したものである。

図３は、第２の実施例における化学反応装置が組み込まれた原子力を利用した熱化学法による水素製造システムの構成説明図である。以下、本実施例における水素製造システムについて説明する。第１の実施例とは異なる代表的な熱化学法による水素製造システムに「ＩＳプロセス」と呼ばれるものがある。このプロセスでは、式（４）から（６）の化学反応を組み合わせて水素を製造する。プロセス全体をみると、原料となる水から水素と酸素を生成しており、硫酸とヨウ素が反応物質として使われプロセス内を循環している。

２Ｈ₂Ｏ＋Ｉ₂＋ＳＯ₂→２ＨＩ＋Ｈ₂ＳＯ₄（１００℃程度） …（４）
Ｈ₂ＳＯ₄→ＳＯ₂＋Ｈ₂Ｏ＋０.５Ｏ₂（９００℃程度） …（５）
２ＨＩ→Ｉ₂＋Ｈ₂（２５０℃から７５０℃程度） …（６）
本実施例における水素製造システムは、式（４）が起こるブンゼン反応器１６と、ブンゼン反応器１６とつながれている二液相分離槽１７と、二液相分離槽とつながれている硫酸精製／濃縮塔１８と、硫酸精製／濃縮塔とつながれている硫酸蒸発器１９と、硫酸蒸発器とつながれている硫酸分解器２０と、硫酸分解器とつながれている気液分離器２１と、二液相分離槽とつながれている脱硫塔２２と、脱硫塔につながれているＨＩ蒸留塔２３と、ＨＩ蒸留塔とつながれているＨＩ分解器２４と、ＨＩ分解器とつながれている気液分離槽２５とを備えている。本発明における化学反応装置は、実施例２においては硫酸分解器２０に相当する。

本実施例では、反応の熱源として、原子炉を利用することができる。また、硫酸分解器２０を電気加熱する電気は、この原子炉が発電した電気を使用することができる。

次に熱化学法を用いた水素製造システムの動作について説明する。まず、ブンゼン反応器１６に原料である水を投入すると、ブンゼン反応器１６にはＳＯ₂，Ｉ₂も流れ込んでくるため、式（４）によりＨ₂ＳＯ₄及びＨＩが生成する。生成物は二液相分離槽１７へ移動し、硫酸溶液とポリヨウ化水素酸溶液とに分離する。分離した硫酸溶液は、硫酸精製／濃縮塔１８へ移動する。硫酸溶液に混ざってしまったＨＩは、逆ブンゼン反応により取り除かれ、ブンゼン反応器１６へ排出される。残った硫酸は、水分を飛ばして濃縮した後、硫酸蒸発器１９へ移動し、外部加熱により蒸発させられ、ＳＯ₃とＨ₂Ｏに分解したのち、硫酸分解器２０へ移動する。硫酸分解器において、ヒーターによる電気加熱で９００℃程度まで昇温すると、ＳＯ₃は分解しＳＯ₂とＯ₂が生成される。Ｏ₂は製品として取り出し、
ＳＯ₂はブンゼン反応器へ戻され、再利用される。

一方、二液相分離槽１７で分離されたポリヨウ化水素酸溶液は脱硫塔２２へ移動し、溶液中の硫酸を逆ブンゼン反応により除去する。除去された硫酸はブンゼン反応器１６へ戻される。脱硫後のポリヨウ化水素酸溶液は、ＨＩ蒸留塔へ移動し、Ｉ₂ を分離して水−ヨウ化水素の混合気体となり、ＨＩ分離器へ移動する。分離されたＩ₂ はブンゼン反応器
１６へ戻される。次に、水−ヨウ化水素混合気体はＨＩ分解器で加熱され、式（６）により分解し、水素を生成する。この水素を含むＨＩ分解器の生成物は気液分離器２５へ運ばれ、水素を製品として取り出し、残りはブンゼン反応器１６へ戻され再利用される。

ここで、本実施例においては、実施例１と同様の化学反応装置を用いることができる。化学反応装置は、本実施例では硫酸分解器２０に相当し、化学反応装置へ流入してくる流体にはＳＯ₃が含まれており、腐食性がある。また、ＳＯ₃ の分解は９００℃程度の高温で行われる。

本実施例における化学反応装置においても、上記第１の実施例と同様の効果を得ることができる。

本発明に係る化学反応装置に関する第３の実施例を、図４を用いて説明する。本実施例は、第１の実施例等に記載の化学反応装置の１段の流路を、２段以上の多段にしたものである。本実施例における化学反応装置は、実施例１又は２に記載の原子力を利用した熱化学法による水素製造システムに組み込んで使用することができる。

本実施例に係る化学反応装置について説明する。図４は、第３の実施例における化学反応装置の構成説明図である。本実施例の化学反応装置は、図４に示すように、流体を加熱する加熱部１と、加熱部１を取り囲むように形成された略円筒状の化学反応領域２と、化学反応領域２の外側に配置された略円筒状の伝熱壁３と、伝熱壁３の外側に略円筒状に形成された流路４と、さらにこの流路４の外側に配置された略円筒状の伝熱壁３及びこの伝熱壁３の外側に略円筒状に形成された流路４を一組以上備え、最も外側の流路４の外側に略円筒状に配置された外壁５を備えている。ここで、化学反応領域２は加熱器１と伝熱壁３とにより形成され、流路４は伝熱壁３と他の伝熱壁３又は外壁５とにより形成される。

化学反応領域と隣り合う流路４及び隣り合う流路４同士は上下どちらか一端でつながれていて、最も外側の流路４から中心部の化学反応領域２へは、その間の流路４を介して連続的に接続されている。つまり、流路４に化学反応領域２から近い順に流路Ｎo.１，流路Ｎo.２，・・・，流路Ｎo.Ｍ（Ｍは２以上）と番号を付けていくと、例えば、化学反応領域２と流路Ｎo.１とが上側でつながっていれば、流路Ｎo.１と流路Ｎo.２とは下側でつながっているというように、流路をつないでいる部分は、上下交互になる。

図４を用いて、実施例３の動作を説明する。まず、一番外側の流路に流入してきた流体は、隣り合う流路を流れる流体と、流体を隔てている伝熱壁３を介して向流式に熱交換を行いながら一番外側の流路内を流れる。一番外側の流路における流体が下端から上端へ向かって移動するとすると、その流体は上端部において一つ内側の流路へ移動する。一つ内側の流路に流入してきた流体は、隣の流路を流れている流体と上下方向逆向きに向かって流れ、隣り合う流路を流れる流体と伝熱壁を通して、向流式に熱交換を行う。このように、流体は隣り合う流路を流れる流体と向流式に熱交換を行いながら、一つずつ内側の流路へ移動していき、最終的に化学反応領域２に移動する。化学反応領域２においては、流体は加熱部１からエネルギーを与えられて化学反応を行いながら、隣り合う流路を流れる流体と熱交換を行い、化学反応装置の外へ流れていく。

表現を変えると、偶数番目の流路を第１群、奇数番目の流路を第２群とすると、例えば、第１群の流路において下端から上端へ向かって流体が移動するとすると、化学反応領域２内及び第２群の流路においては上端から下端へ向かって流体が移動する。そして、最も外側の流路にある流体は、上端部又は下端部において隣り合う内側の流路４に移動するたびに、その上下方向の向きを変えながら、最終的に化学反応領域に流入することとなる。この際、隣り合う流路を流れる流体(または、隣り合う流路と化学反応領域を流れる流体)においては、伝熱壁３を介して向流式に熱交換が行われる。

尚、流路４の数が奇数の場合、流体の流入口と流出口が同じ側となり、流路４の数が偶数の場合、流体の流入口と流出口が逆側となる。本発明の化学反応装置を取り付ける場所の状況に合わせて、流路４の数を変えることで、流入口・流出口の位置を容易に調整することができる。

本実施例では、化学反応装置からの流体の流出口が下側になる場合を説明したが、実施例１又は２と同様に、流体の流出口が上側になるように構成してもよい。

本実施例における化学反応装置においては、上記各実施例と同様の効果を得ることができる。さらに、化学反応領域の外側にある流路の数を増加させることで、化学反応領域から放出されるエネルギーの回収率をより高めることができる。

本発明に係る化学反応装置に関する第４の実施例を、図５を用いて説明する。本実施例は、第１の実施例等に記載の化学反応装置において、さらに加熱部１にフィン６が取り付けられている。本実施例における化学反応装置は、実施例１又は２に記載の原子力を利用した熱化学法による水素製造システムに組み込んで使用することができる。

本実施例に係る化学反応装置について説明する。図５は、第４の実施例における化学反応装置の構成説明図であり、図５（ａ）は本実施例における化学反応装置の縦断面図、図５（ｂ）はフィンが取り付けられ加熱部１斜視図を示している。図５における化学反応装置は、第１の実施例における化学反応装置の加熱部１にフィン６を取り付けたものである。化学反応装置の基本的な構成は、実施例１等と同様なので、詳細な説明は省略する。本実施例における化学反応装置は、加熱部１にフィン６が取り付けられているため、加熱部１で発熱したエネルギーのフィン６への熱伝達が起こる。さらに、フィン６から化学反応領域２を流れる流体へも熱伝達が起こる。このため、加熱領域の表面積が増大し、加熱部１とフィン６から化学反応領域２を流れる流体への対流熱伝達効率を向上させることができる。流体への対流熱伝達効率を向上させることにより、化学反応装置をコンパクトにすることができる。

本実施例における化学反応装置においては、上記各実施例と同様の効果を得ることができる。さらに、加熱部にフィンを取り付けることにより、化学反応領域を流れる流体への対流熱伝達効率を向上させ、その結果、化学反応装置をコンパクトにすることができる。

本発明に係る化学反応装置に関する第５の実施例を、図５を用いて説明する。本実施例は、第４の実施例に記載の化学反応装置において、加熱部１に取り付けられたフィン６の形状をスパイラル状にしたものである。本実施例における化学反応装置は、実施例１又は２に記載の原子力を利用した熱化学法による水素製造システムに組み込んで使用することができる。

本実施例に係る化学反応装置について説明する。図６は、第５の実施例における化学反応装置の構成説明図である。化学反応装置の基本的な構成は、実施例４と同様なので、詳細な説明は省略する。本実施例における化学反応装置は、第４の実施例における化学反応装置のフィン６に代えて、加熱部１にスパイラル状のフィン７が取り付けられている。フィンがスパイラル状であるため、化学反応領域２を流れる流体が撹拌され、加熱部１から化学反応領域２を流れる流体への対流熱伝達率を向上させることができる。流体への対流熱伝達効率を向上させることにより、化学反応装置をコンパクトにすることができる。

本実施例における化学反応装置においては、上記各実施例と同様の効果を得ることができる。さらに、加熱部にスパイラル状のフィンを取り付けることにより、化学反応領域を流れる流体への対流熱伝達効率を向上させ、その結果、化学反応装置をコンパクトにすることができる。

本実施例に係る化学反応装置に関する第６の実施例を、図７を用いて説明する。本実施例は、第１の実施例等に記載の化学反応装置において、化学反応領域２に多孔質構造体８を備えたものである。本実施例における化学反応装置は、実施例１又は２に記載の原子力を利用した熱化学法による水素製造システムに組み込んで使用することができる。

本実施例に係る化学反応装置について説明する。図７は、本実施例における化学反応装置の構成説明図であり、図７（ａ）は本実施例における化学反応装置の縦断面図、図７
（ｂ）は多孔質構造体８の斜視図を示している。化学反応装置の基本的な構成は、実施例１等と同様なので、詳細な説明は省略する。

本実施例における化学反応装置は、第１の実施例等に記載した化学反応装置の構成に加えて、化学反応領域２に多孔質構造体８を備えている。多孔質構造体８は加熱部からの熱伝導で温度が上昇し、多孔質構造体８から化学反応領域２を流れる流体へ対流熱伝達を生じさせる。流体を加熱する部分が多孔質構造体であるため、表面積が大きく、対流熱伝達率を向上させることができる。流体への対流熱伝達効率を向上させることにより、化学反応装置をコンパクトにすることができる。

尚、多孔質構造体８を備える代わりに、図８に示すように、多孔質構造体そのものを加熱部とし、加熱部機能を有する多孔質構造体９を備える化学反応装置としてもよい。第１の実施例等に記載した化学反応装置の加熱部１に代えて、加熱部機能を有する多孔質構造体９を用いることにより、上記と同様に、流体を加熱する部分を多孔質構造体とできるため、表面積が大きく、対流熱伝達率を向上させることができる。流体への対流熱伝達効率を向上させることにより、化学反応装置をコンパクトにすることができる。

本実施例における化学反応装置においては、上記各実施例と同様の効果を得ることができる。さらに、化学反応領域に多孔質構造体又は加熱部機能を有する多孔質構造体を備えることにより、化学反応領域を流れる流体への対流熱伝達効率を向上させ、その結果、化学反応装置をコンパクトにすることができる。

本発明に係る化学反応装置に関する第７の実施例を、図９を用いて説明する。本実施例は、実施例１等に記載の化学反応装置において、さらに、化学反応領域２に触媒１０を備えている。本実施例における化学反応装置は、実施例１又は２に記載の原子力を利用した熱化学法による水素製造システムに組み込んで使用することができる。

本実施例に係る化学反応装置について説明する。図９は、第７の実施例における化学反応装置の構成図である。化学反応装置の基本的な構成は、実施例１等と同様なので、詳細な説明は省略する。本実施例における化学反応装置においては、化学反応領域２に触媒を備える。化学反応領域２に触媒を備えることにより、化学反応領域２における化学反応速度を増加させることができるので、化学反応領域２をより小さくすることが可能になり、その結果、化学反応装置全体もコンパクトにすることができる。例えば、ＳＯ₃を加熱分解するのに触媒としてＦｅ₂Ｏ₃を使用すると、９００℃で分解を行った場合、分解速度が触媒無しの場合と比べて４倍以上になる。

図には示していないが、本実施例に、実施例４又は５に記載の化学反応装置を適用する場合、触媒１０をフィン６又はスパイラル状フィン７に取り付けることができる。また、フィン６又はスパイラル状フィン７自体に酸化膜を形成させることにより、触媒機能をもたせることもできる。一方、本実施例に、実施例６に記載の化学反応装置を適用する場合、多孔質構造体８又は加熱機能を有する多孔質構造体９に触媒を取り付けることができる。また、多孔質構造体８又は加熱機能を有する多孔質構造体９自体に酸化膜を形成させて触媒機能を持たせることもできる。

尚、本実施例で用いる触媒としては、酸化鉄，バナジウム，銀，酸化クロム，白金，希土類等を用いることができる。

本実施例における化学反応装置においては、上記各実施例と同様の効果を得ることができる。さらに、化学反応領域に触媒を備えることにより、化学反応領域における化学反応速度を増加させることができるので、化学反応領域をより小さくすることが可能になり、その結果、化学反応装置全体もコンパクトにすることができる。

上記各実施例の化学反応装置において、化学反応領域２及び流路４の周方向に偏りのない流速を持つ流体の形成を望むのであれば、加熱部１，伝熱壁３及び外壁５は略同軸（又は略同心円状）であることが好ましい。加熱部１，伝熱壁３及び外壁５を略同軸に配置することにより、化学反応領域１及び流路４の幅が径方向に略一定となるため、化学反応領域２及び流路４において偏りのない流体の流速を形成することができる。

尚、上記各実施例において加熱部の形状は何ら制約されないが、例えば、柱状（円柱や直方体）とすることができる。そして、加熱部１の長手方向と化学反応領域２を流れる流体の流れ方向とを略同一とすることにより、流体の線速度が大きい場合でも、流体が加熱部１と接触している時間、すなわち反応時間を確保しやすくなる。従って、加熱部１から流体への熱伝達率を高めるために流体の線速度を大きくしたい場合でも、装置全体の大きさをコンパクトに設計することができる。

また、上記各実施例の化学反応装置においては、伝熱壁３及び外壁５の形状を略円筒状としたが、その断面は円に限定されず、断面が三角形以上の多角形から構成される筒状であれば、上記各実施例と同様の効果を得ることができる。尚、伝熱壁３及び外壁５の形状を略円筒状とした場合には、化学反応領域２及び流路４において周方向に偏りのない流速を持つ流体を形成することができる。

第１の実施例における化学反応装置の構成説明図。 第１の実施例における化学反応装置が組み込まれた原子力を利用した熱化学法による水素製造システムの構成説明図。 第２の実施例における化学反応装置が組み込まれた原子力を利用した熱化学法による水素製造システムの構成説明図。 第３の実施例における化学反応装置の構成説明図。 第４の実施例における化学反応装置の構成説明図。 第５の実施例における化学反応装置の構成説明図。 第６の実施例における化学反応装置の構成説明図。 第６の実施例における化学反応装置の構成説明図。 第７の実施例における化学反応装置の構成説明図。

符号の説明

１…加熱部、２…化学反応領域、３…伝熱壁、４…流路、５…外壁、６…フィン、７…スパイラル状フィン、８…多孔質構造体、９…加熱部機能を有する多孔質構造体、１０…触媒、１１…電気分解槽、１２…硫酸加熱器、１３，１９…硫酸蒸発器、１４…ＳＯ₃・Ｈ₂Ｏガス加熱器、１５…ＳＯ₃ 分解器、１６…ブンゼン反応器、１７…二液相分離槽、１８…硫酸精製／濃縮塔、２０…硫酸分解器、２１，２５…気液分離器、２２…脱硫塔、２３…ＨＩ蒸留塔、２４…ＨＩ分離器。

Claims (16)

1. 流体を加熱する加熱部と、
   前記加熱部を取り囲むように配置された略円筒状の第１の伝熱壁と、
   前記第１の伝熱壁を取り囲むように配置された略円筒状の外壁とを備え、
   前記加熱部と前記第１の伝熱壁とにより形成された化学反応領域と、前記第１の伝熱壁と前記外壁とにより形成された流路とが、その一端側において接続されている化学反応装置。
2. 流体を加熱する加熱部と、
   前記加熱部を取り囲むように配置された略円筒状の第１の伝熱壁と、
   前記第１の伝熱壁を取り囲むように配置された略円筒状の第２の伝熱壁と、
   前記第２の伝熱壁を取り囲むように配置された略円筒状の外壁とを備え、
   前記加熱部と前記第１の伝熱壁とにより形成された化学反応領域と、前記第１の伝熱壁と前記第２の伝熱壁とにより形成された流路とが、その一端側において接続され、
   前記第１の伝熱壁と前記第２の伝熱壁により形成された流路と、前記第２の伝熱壁と前記外壁とにより形成された流路とが、その他端側において接続されている化学反応装置。
3. 流体を加熱する加熱部と、
   前記加熱部を取り囲むように配置された略円筒状の第１の伝熱壁と、
   前記第１の伝熱壁を取り囲むように配置された略円筒状の複数の第２の伝熱壁であって、前記第２の伝熱壁のうち最も内側に配置された伝熱壁以外は、それぞれ他の第２の伝熱壁を囲むように配置された第２の伝熱壁と、
   前記第２の伝熱壁のうち最も外側の伝熱壁を取り囲むように配置された略円筒状の外壁とを備え、
   前記加熱部と前記第１の伝熱壁とにより形成された化学反応領域と、前記第１の伝熱壁と前記第２の伝熱壁のうち最も内側に配置された伝熱壁とにより形成された流路と、前記複数の第２の伝熱壁により形成された複数の流路と、前記第２の伝熱壁のうち最も外側に配置された伝熱壁と前記外壁とにより形成された流路は、前記第２の伝熱壁のうち最も外側に配置された伝熱壁と前記外壁とにより形成された流路から前記化学反応領域まで一続きとなるように、それぞれ、その一端側又は他端側において隣り合う前記化学反応領域又は流路に接続されている化学反応装置。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の化学反応装置において、
   前記化学反応領域内及び前記流路内の流体は、一端側から他端側、又は他端側から一端側に流れ、
   隣り合う前記化学反応領域又は流路に対して、流れ方向が逆向きとなる化学反応装置。
5. 請求項４に記載の化学反応装置において、前記流路内の流体は、上方向又は下方向に流れる化学反応装置。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の化学反応装置において、
   最も外側の流路から化学反応領域までが一続きとなるように形成され、
   前記最も外側の流路に流入した流体は、前記流路を通過して前記化学反応領域に流入し、前記化学反応領域内の前記加熱部で加熱され、その後、前記化学反応領域外へ流出する化学反応装置。
7. 請求項１乃至６の何れかに記載の化学反応装置において、前記化学反応領域内又は前記流路内の流体は、隣り合う前記化学反応領域内又は前記流路内の流体と熱交換を行う化学反応装置。
8. 請求項１乃至７の何れかに記載の化学反応装置において、前記加熱部は柱状であり、前記加熱部の長手方向と前記化学反応領域における流体の流れ方向が略同一である化学反応装置。
9. 請求項１乃至８の何れかに記載の化学反応装置において、前記伝熱壁及び前記外壁は略同軸に配置される化学反応装置。
10. 請求項１乃至９の何れかに記載の化学反応装置において、前記伝熱壁の一端が前記外壁に固定されている化学反応装置。
11. 請求項１乃至１０の何れかに記載の化学反応装置において、前記加熱部にフィンが取り付けられている化学反応装置。
12. 請求項１１に記載の化学反応装置において、前記フィンの形状がスパイラル状である化学反応装置。
13. 請求項１乃至１２の何れかに記載の化学反応装置において、前記化学反応領域内に多孔質構造体を備えた化学反応装置。
14. 請求項１乃至１３の何れかに記載の化学反応装置において、前記加熱部は多孔質構造体である化学反応装置。
15. 請求項１乃至１４の何れかに記載の化学反応装置において、前記化学反応領域内に触媒を備えた化学反応装置。
16. 請求項１乃至１５の何れかに記載の化学反応装置を用いた、原子炉を利用した水素製造システム。
    

Images