JP2007247928A - Method of manufacturing heat exchange-type reactor, and heat exchange-type reactor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱交換媒体との間での熱の授受に伴って化学的な気固系可逆反応を起こす反応材を備え、熱交換媒体が流れる熱交換媒体流路と、気固系可逆反応により前記反応材から分離若しくは前記反応材に吸収される反応ガスが流れる反応ガス流路とを備えた熱交換型反応器に関するとともに、その製造方法に関する。 The present invention includes a reaction material that causes a chemical gas-solid reversible reaction in response to transfer of heat to and from the heat exchange medium, a heat exchange medium flow path through which the heat exchange medium flows, and a gas-solid reversible reaction. The present invention relates to a heat exchange reactor provided with a reaction gas flow path through which a reaction gas separated from or absorbed by the reaction material flows.
この種の熱交換型反応器は、例えば、遮断弁を備えた連通管を介して凝縮器と連通連結され、所謂、ケミカルヒートポンプを構成する。
ケミカルヒートポンプは、図2に示すように、反応材が収納される反応器10と、凝縮器11とを、反応ガスが流通可能な連通管12を介して連通接続したものであり、連通管12に備えられる遮断弁13の開閉操作と、反応器10及び凝縮器11での熱の授受に伴って良好な作動状態が維持される。塩化カルシウムの水和/脱水反応を反応器10側の反応に用い、凝縮器11での水の蒸発/凝縮を発生させる場合は、以下のような蓄熱工程と放熱工程とを交互に選択する形態で動作することとなる。
This type of heat exchange type reactor is connected to a condenser through a communication pipe having a shut-off valve, for example, and constitutes a so-called chemical heat pump.
As shown in FIG. 2, the chemical heat pump is formed by connecting a
蓄熱過程
反応器10に高温熱が投入され、塩化カルシウムの水和物の脱水反応により化学反応エネルギーを蓄える化学蓄熱が起こる。脱水した水蒸気は凝縮器11に移動し、凝縮器11内で凝縮水が生成される。この状態は、遮断弁13を閉状態に維持することで、その蓄熱状態を維持することができる。
この蓄熱動作は、反応材が受熱する受熱量をΔH、反応ガスの凝縮熱をΔhとして、以下のように記載される。
CaCl2・6H2O+ΔH→CaCl2・4H2O+2H2Ogas
2H2Ogas−Δh→2H2OLiquid
Thermal storage process High-temperature heat is input to the
This heat storage operation is described as follows, where the amount of heat received by the reaction material is ΔH and the heat of condensation of the reaction gas is Δh.
CaCl 2 · 6H 2 O + ΔH → CaCl 2 · 4H 2 O + 2H 2 O gas
2H 2 O gas -Δh → 2H 2 O Liquid
放熱過程
上記の蓄熱状態において、遮断弁13を開状態とすると、反応器10、凝縮器11間に形成される圧力差により、凝縮器11内で水が蒸発するとともに反応器10に移流し、反応器10内において、塩化カルシウムの水和反応が進行する。この際、反応器10内では、水和反応熱による温熱生成が起こる。本願にあっては、放熱後の状態を放熱状態と呼ぶ。
この放熱動作は以下のように記載される。
CaCl2・6H2O←CaCl2・4H2O+2H2Ogas−ΔH
2H2Ogas←2H2OLiquid+Δh
Heat release process In the above heat storage state, when the
This heat dissipation operation is described as follows.
CaCl 2 · 6H 2 O ← CaCl 2 · 4H 2 O + 2H 2 O gas −ΔH
2H 2 O gas ← 2H 2 O Liquid + Δh
この動作形態における反応器10内の熱力学的状態を示したのが、図3である。図3は横軸に温度Tの逆数1/T(単位〔K−1〕)を、縦軸に圧力P(単位:101.3kPaで無次元化)を取ったものであり、Pe1、Pe2、Pe3、Pe4は、夫々、同図下側に示す平衡反応が起こる平衡状態に対応している。
図上、前述の蓄熱反応は状態aから状態bへの変化であり、放熱反応は、状態cから状態dへの変化である。
FIG. 3 shows the thermodynamic state in the
In the figure, the aforementioned heat storage reaction is a change from the state a to the state b, and the heat release reaction is a change from the state c to the state d.
以上説明したように、反応器は、内部に、熱交換媒体との間での熱の授受に伴って化学的な気固系可逆反応を起こす反応材を備え、熱交換媒体が流れる熱交換媒体流路と、気固系可逆反応により反応材から分離若しくは反応材に吸収される反応ガスが流れる反応ガス流路とを備えた構成とされる。 As described above, the reactor includes a reaction material that causes a chemical gas-solid reversible reaction in association with heat exchange with the heat exchange medium, and the heat exchange medium through which the heat exchange medium flows. A flow path and a reaction gas flow path through which a reaction gas separated from or absorbed by the reaction material by a gas-solid reversible reaction flows are provided.
従来、この反応ガス流路は粒状の反応材が収納された粒子充填反応層として構成されていた。しかしながら、粒子充填反応層は本質的に熱伝導性が悪く、この要因による低熱回収率と低反応速度がケミカルヒートポンプの実用化を阻害していた。この点、熱伝導性を高めるために、粒子層の充填密度を増大させると反応ガスの透過性が低下する。
また、装置小型化のためには粒子層の厚さをある程度大きくする必要があるが、それに伴って反応ガスが粒子層内部まで透過しにくくなる問題がある。
Conventionally, this reaction gas flow path has been configured as a particle-packed reaction layer containing a granular reaction material. However, the particle-packed reaction layer has inherently poor thermal conductivity, and the low heat recovery rate and low reaction rate due to this factor hindered the practical use of chemical heat pumps. In this respect, if the packing density of the particle layer is increased in order to increase the thermal conductivity, the permeability of the reaction gas is lowered.
Further, in order to reduce the size of the apparatus, it is necessary to increase the thickness of the particle layer to some extent. However, there is a problem that the reaction gas hardly penetrates into the particle layer.
この種の問題を解決することを目的として、以下に示すような様々な提案がなされている。
(1) 反応器内の熱伝導性を向上させることを目的として、スパイラル状の伝熱管(内部が、これまで説明してきた熱交換媒体流路とされる)を備える構造(特許文献1)や、フィンを配置した円盤状のトレイを多段に配置する構造(特許文献2)が提案されている。
(2) 粒子状の反応材自体の熱伝導性を改善する技術として、膨張黒鉛を圧縮してブロック化したものに無機塩などの反応材溶液を含浸させた後、溶媒を蒸発させて複合反応材を得ることが提案されている(特許文献3)。
In order to solve this kind of problem, various proposals as shown below have been made.
(1) For the purpose of improving the thermal conductivity in the reactor, a structure (Patent Document 1) including a spiral heat transfer tube (the inside is the heat exchange medium flow path described so far) A structure (Patent Document 2) has been proposed in which disk-shaped trays on which fins are arranged are arranged in multiple stages.
(2) As a technique to improve the thermal conductivity of the particulate reaction material itself, the expanded graphite is compressed and blocked, impregnated with a reaction material solution such as an inorganic salt, and then the solvent is evaporated to form a composite reaction. It has been proposed to obtain a material (Patent Document 3).
しかしながら、特許文献1に記載の反応器では、充分な伝熱促進・ガス透過促進効果を得ようとすれば、伝熱管の占める体積が大きくなって装置が大型化する。
特許文献2に記載の技術でも、装置の小型化と伝熱距離や物質移動距離の減少は両立し難い。
特許文献3に記載の技術では、反応材の製造に多くの手順と装置を要する。又、この手法では、膨張黒鉛の存在を前提とするため、基本的に、粒子充填反応層の基本骨格が守られているという構造上の理由から、熱伝導性が悪いことに変わりはない。
さらに、特許文献1〜3のいずれも、反応材、フィン、伝熱管、反応器構造体表面との接触が良好でなく、これらの反応材の間の接触熱抵抗のため、伝熱促進効果が制限される。
However, in the reactor described in
Even with the technique described in Patent Document 2, it is difficult to achieve both reduction in the size of the apparatus and reduction in the heat transfer distance and the mass transfer distance.
In the technique described in
Furthermore, in all of
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、充分な伝熱促進・ガス透過効果を確保できるとともに、装置の小型化や伝熱距離や物質移動距離の減少を達成できる熱交換型反応器を得ることにあり、このような特性を備えた熱交換型反応器を、比較的簡単な製作工程で得ることができる熱交換型反応器の製造方法を得ることにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to achieve sufficient heat transfer promotion and gas permeation effect, and to achieve downsizing of the apparatus and reduction of heat transfer distance and mass transfer distance. It is to obtain a heat exchange type reactor that can obtain a heat exchange type reactor having such characteristics by a relatively simple manufacturing process. .
上記目的を達成するための本発明に係る、
熱交換媒体との間での熱の授受に伴って化学的な気固系可逆反応を起こす反応材を備え、
前記熱交換媒体が流れる熱交換媒体流路と、前記気固系可逆反応により前記反応材から分離若しくは前記反応材に吸収される反応ガスが流れる反応ガス流路とを備えた熱交換型反応器の製造方法の第1特徴構成は、
無機化合物系反応材である前記反応材を溶媒に溶解させた反応材溶液を前記反応ガス流路内に充填する充填工程と、
充填状態にある前記反応材溶液から前記溶媒を脱離する溶媒脱離工程とを経て、前記反応ガス流路側の反応器構造体表面に、前記反応材の析出相を形成する点にある。
According to the present invention for achieving the above object,
With a reaction material that causes a chemical gas-solid reversible reaction with the transfer of heat to and from the heat exchange medium,
A heat exchange reactor comprising: a heat exchange medium flow path through which the heat exchange medium flows; and a reaction gas flow path through which a reaction gas separated from or absorbed by the reaction material by the gas-solid reversible reaction flows. The first characteristic configuration of the manufacturing method of
A filling step of filling the reaction gas channel with a reaction material solution obtained by dissolving the reaction material, which is an inorganic compound reaction material, in a solvent;
It is the point which forms the precipitation phase of the said reaction material in the reactor structure surface by the side of the said reaction gas flow path through the solvent desorption process which desorbs the said solvent from the said reaction material solution in the filling state.
この方法では、充填工程において、反応材となりうる材料が溶解した反応材溶液を得、その溶液を反応ガス流路内に充填する。この充填状態において溶液は、反応ガス流路内を満たすこととなり、反応器構造体表面及び表面間に形成される空間が充填された状態となる。 In this method, in the filling step, a reaction material solution in which a material that can be a reaction material is dissolved is obtained, and the solution is filled in the reaction gas flow path. In this filled state, the solution fills the reaction gas flow path, and the reactor structure surface and the space formed between the surfaces are filled.
そして、溶媒脱離工程で、反応材溶液から溶媒を抜く操作を実行する。この操作にあっては、加熱あるいは減圧、若しくはその両方を行う。このようにすることで、溶解状態にある反応材が、少なくとも反応器構造体の表面に析出する。さらに、フィン−フィン間と言った構造体の中間部位にも、先に形成された析出相を基部として、同様に析出相が形成される。
本願のような化学的な気固系可逆反応を起こす反応材である無機化合物反応材は、溶媒脱離反応を起こさせてやると、その析出相が形成されるとともに、析出相間にガスの流通が可能な通気部も形成する。結果、本願のように、直接反応器構造体を起点とする反応材の析出操作により反応材相を反応ガス流路内に形成する場合も、その部位の通気性を確保できる。
Then, in the solvent desorption process, an operation of removing the solvent from the reaction material solution is executed. In this operation, heating, decompression, or both are performed. By doing in this way, the reaction material in a dissolved state precipitates at least on the surface of the reactor structure. Further, a precipitated phase is similarly formed at the intermediate portion of the structure called a fin-fin space, using the previously formed precipitated phase as a base.
An inorganic compound reactant, which is a reaction material that causes a chemical gas-solid reversible reaction as in the present application, forms a precipitated phase when a solvent elimination reaction is caused, and gas flows between the precipitated phases. The ventilation part which can be formed is also formed. As a result, even when the reaction material phase is formed in the reaction gas flow channel by the operation of depositing the reaction material directly starting from the reactor structure as in the present application, the air permeability of the portion can be ensured.
そして、この構造においては、反応器構造体表面に反応材の析出相を形成するため、構造体と反応材との間の接触熱抵抗の減少効果、反応材自体内の熱出伝導度の増大効果を得ることができる。
即ち、反応器構造体表面に反応材の析出相が直接形成されるため、反応材と構造体表面の密着性が確保され、従来型の粒子充填反応層より、格段に接触熱抵抗を低くできる。
さらに、反応器構造体表面間にあっては、反応材の析出相が連続した状態で形成されるため、層内における熱伝導度自体も増大する。
In this structure, a reaction material precipitate phase is formed on the surface of the reactor structure, so that the contact thermal resistance between the structure and the reaction material is reduced, and the heat release conductivity in the reaction material itself is increased. An effect can be obtained.
That is, since the reaction material precipitate phase is directly formed on the surface of the reactor structure, the adhesion between the reaction material and the structure surface is ensured, and the contact thermal resistance can be significantly reduced as compared with the conventional particle-packed reaction layer. .
Furthermore, between the reactor structure surfaces, the precipitated phase of the reaction material is formed in a continuous state, so that the thermal conductivity itself in the layer also increases.
従って、反応材から反応器構造体への熱移動が速やかとなり、熱回収効率が向上する。また、反応材から反応器構造体への熱移動が速やかになることにより、これまで大きな問題であった反応材の温度変化による反応推進圧力差に減少が軽減され、総括反応速度が増大する。
結果、総括反応速度の増大に加えて、粒子層に比べて充填密度が大きくなる効果も相乗して熱交換型反応器を小型化できる。
Therefore, the heat transfer from the reaction material to the reactor structure becomes rapid, and the heat recovery efficiency is improved. Further, the rapid heat transfer from the reaction material to the reactor structure reduces the decrease in the reaction propulsion pressure difference due to the temperature change of the reaction material, which has been a big problem until now, and increases the overall reaction rate.
As a result, in addition to the increase in the overall reaction rate, the effect of increasing the packing density compared with the particle layer can be combined to reduce the size of the heat exchange reactor.
上記のように、析出相として反応材を得るに、
化学的な気固系可逆反応が、熱交換媒体から反応材が受熱して反応ガスが分離された蓄熱状態と、熱交換媒体へ反応材が放熱して反応ガスを吸収した放熱状態との間で繰替えされる反応である場合に、
前記溶媒脱離工程において、放熱状態における反応材の反応ガス成分比より少ない反応ガス成分比に、析出相の反応ガス成分比を調整して、反応器構造体表面に析出相を形成することが好ましい。
As described above, in order to obtain a reaction material as a precipitated phase,
A chemical gas-solid reversible reaction between a heat storage state in which the reaction material receives heat from the heat exchange medium and the reaction gas is separated, and a heat release state in which the reaction material radiates heat to the heat exchange medium and absorbs the reaction gas. If the reaction is repeated in
In the solvent desorption step, the reaction gas component ratio of the precipitation phase may be adjusted to a reaction gas component ratio that is less than the reaction gas component ratio of the reaction material in the heat release state to form a precipitation phase on the surface of the reactor structure. preferable.
この場合の気固系可逆反応は、蓄熱状態では反応ガスが分離され、放熱状態で反応ガスを吸収した状態となるが、蓄熱状態における反応ガス成分比より低い状態にある反応ガス成分比の析出相を予め得ておくことで、析出相は気固系可逆反応において安定であり、化学的な気固系可逆反応を良好に継続することができる。 In this case, the gas-solid reversible reaction is such that the reaction gas is separated in the heat storage state and the reaction gas is absorbed in the heat release state, but the reaction gas component ratio is lower than the reaction gas component ratio in the heat storage state. By obtaining the phase in advance, the precipitated phase is stable in the gas-solid reversible reaction, and the chemical gas-solid reversible reaction can be favorably continued.
さらに、前記充填工程において、反応材溶液に前記反応ガスが透過可能なガス透過性材料を混入し、前記溶媒脱離工程を経て、前記反応ガス流路に、前記反応材の析出相と前記ガス透過性材料が混在する複合層を形成することが好ましい。
このようにガス透過性材料を混入しておくことで、反応ガス流路内に形成される複合層内に、反応ガスの流通路を確保でき好ましい。
この種のガス透過性材料としては、後述するように、膨張黒鉛等が採用できる。
Further, in the filling step, a gas permeable material that allows the reaction gas to permeate is mixed into the reaction material solution, and after passing through the solvent desorption step, the reactant deposition phase and the gas are introduced into the reaction gas channel. It is preferable to form a composite layer in which a permeable material is mixed.
By mixing the gas permeable material in this manner, it is preferable because a reaction gas flow passage can be secured in the composite layer formed in the reaction gas flow path.
As this type of gas permeable material, expanded graphite or the like can be adopted as described later.
また、前記充填工程において、加熱により除去可能な空隙形成材を前記反応材溶液に混入し、
前記溶媒脱離工程を経て、前記反応材の析出相を前記反応ガス流路に形成するとともに、前記空隙形成材を加熱除去する空隙形成材除去工程を実行し、
前記反応ガス流路内の前記反応材の析出相間に、前記空隙形成材の除去により形成された空隙を形成することが好ましい。
Further, in the filling step, a gap forming material that can be removed by heating is mixed in the reaction material solution,
Through the solvent desorption step, a precipitate forming phase of the reaction material is formed in the reaction gas flow path, and a void forming material removing step of heating and removing the void forming material is performed.
It is preferable that a void formed by removing the void forming material is formed between the precipitation phases of the reactive material in the reaction gas channel.
この製造方法を採用する場合は、空隙形成材を反応材溶液に混入し、析出相の形成とともに、空隙形成材除去工程において加熱処理で空隙形成材を除去することで、積極的に空隙を形成できる。
従って、反応ガス流路に形成される反応ガスの通気路を確実に確保できる。さらに、この空隙形成材の量を調整することにより、その通気状態を調整できる。
When this manufacturing method is adopted, voids are actively formed by mixing the void-forming material into the reaction material solution, forming the precipitated phase, and removing the void-forming material by heat treatment in the void-forming material removal step. it can.
Therefore, it is possible to reliably ensure a reaction gas ventilation path formed in the reaction gas channel. Furthermore, the ventilation | gas_flowing state can be adjusted by adjusting the quantity of this space | gap formation material.
熱交換型反応器の構成としては、
並設される複数のプレートと、プレート間に配設されるフィンとを備えて構成され、前記プレート間に形成される通路が前記反応ガス流路とされ、当該反応ガス流路に前記反応材の析出相が形成されていることとすることが好ましい。
この構成にあっては、従来型のプレート−フィン型の熱交換器の構造を踏襲しながら、フィン間に反応材の析出相を形成し、反応ガス流路として使用することができ、容易且つ迅速に、本願の目的を達成できる熱交換型反応器を得ることができる。
As the configuration of the heat exchange reactor,
A plurality of plates arranged side by side and fins disposed between the plates are configured, and a passage formed between the plates is used as the reaction gas channel, and the reaction material is provided in the reaction gas channel. It is preferable that a precipitated phase is formed.
In this configuration, while following the structure of a conventional plate-fin heat exchanger, a precipitate phase of a reaction material is formed between the fins, and can be used as a reaction gas flow path. A heat exchange reactor capable of achieving the object of the present application can be obtained quickly.
これまで説明してきた無機化合物系反応材としては、これに、塩化カルシウム、塩化マンガン、塩化マグネシウム、塩化ニッケル、炭酸ナトリウム、硫酸カルシウムから選択される一種以上の無機塩を採用することで、良好に本願が対象とする化学的な気固系可逆反応を発生させることができ、例えば、有用なケミカルヒートポンプを構築できる。 As an inorganic compound-based reaction material that has been described so far, it is preferable to employ one or more inorganic salts selected from calcium chloride, manganese chloride, magnesium chloride, nickel chloride, sodium carbonate, and calcium sulfate. A chemical gas-solid reversible reaction targeted by the present application can be generated. For example, a useful chemical heat pump can be constructed.
このようにして得られる、熱交換媒体との間での熱の授受に伴って化学的な気固系可逆反応を起こす反応材を備え、
前記熱交換媒体が流れる熱交換媒体流路と、前記気固系可逆反応により前記反応材から分離若しくは前記反応材に吸収される反応ガスが流れる反応ガス流路とを備えた熱交換型反応器は、
前記反応ガス流路側の反応器構造体表面に、前記反応材の析出相を備えた熱交換型反応器となる。
The reaction material obtained in this way, which causes a chemical gas-solid reversible reaction with the transfer of heat with the heat exchange medium,
A heat exchange reactor comprising: a heat exchange medium flow path through which the heat exchange medium flows; and a reaction gas flow path through which a reaction gas separated from or absorbed by the reaction material by the gas-solid reversible reaction flows. Is
It becomes a heat exchange type reactor provided with the reaction material precipitation phase on the surface of the reactor structure on the reaction gas flow path side.
以上が、反応材溶液を得ることができる場合の本願に係る熱交換型反応器の製造方法と熱交換型反応器の構造の説明であるが、反応材溶液を得ることが困難を伴う場合は、以下の手法で本願に係る熱交換型反応器を得ることができる。
本願に係る、熱交換媒体との間での熱の授受に伴って化学的な気固系可逆反応を起こす反応材を備え、
前記熱交換媒体が流れる熱交換媒体流路と、前記気固系可逆反応により前記反応材から分離若しくは前記反応材に吸収される反応ガスが流れる反応ガス流路とを備えた熱交換型反応器の製造方法の第二の特徴手段は、
前記反応材が酸化マグネシウム若しくは酸化カルシウムから選択される一種以上であり、
粉化された前記反応材のスラリーを前記反応ガス流路内に充填する充填工程と、充填状態にある前記スラリーから液分を脱離する液分脱離工程とを実行し、反応器構造体の前記反応ガス流路側表面に、前記反応材の固化相を形成することにある。
The above is the explanation of the method for producing the heat exchange reactor and the structure of the heat exchange reactor according to the present application when the reactant solution can be obtained, but when it is difficult to obtain the reactant solution, The heat exchange reactor according to the present application can be obtained by the following method.
According to the present application, comprising a reaction material that causes a chemical gas-solid reversible reaction with the transfer of heat with the heat exchange medium,
A heat exchange reactor comprising: a heat exchange medium flow path through which the heat exchange medium flows; and a reaction gas flow path through which a reaction gas separated from or absorbed by the reaction material by the gas-solid reversible reaction flows. The second characteristic means of the manufacturing method of
The reactant is one or more selected from magnesium oxide or calcium oxide;
Performing a filling step of filling the reaction gas flow path with the pulverized slurry of the reaction material and a liquid desorption step of desorbing a liquid component from the slurry in a packed state, and a reactor structure The solidified phase of the reaction material is formed on the reaction gas flow channel side surface of the reaction gas.
この方法では、充填工程において、反応材を粉化しておき、そのスラリーを得る。そして、そのスラリーを反応ガス流路内に充填する。この充填状態においてスラリーは、反応ガス流路内を満たすこととなり、反応器構造体表面及び表面間の空間が充填された状態となる。 In this method, the reaction material is pulverized in the filling step to obtain the slurry. Then, the slurry is filled in the reaction gas channel. In this filled state, the slurry fills the reaction gas flow path, and the reactor structure surface and the space between the surfaces are filled.
そして、液分脱離工程で、スラリーから液分を抜く操作を実行する。この操作にあっては、加熱あるいは減圧、若しくはその両方を行う。このようにすることで、反応材が少なくとも反応器構造体の表面に固化相を形成する。さらに、フィン−フィン間と言った構造体の中間部位にも、先に形成された固化相析を基部として、同様に固化相が形成される。
この例で対象とする反応材である酸化マグネシウム或は酸化カルシウムは、液分脱離反応を起こさせてやると、その固化相が形成されるとともに、粉状に成形されているため粒子間にガスの流通が可能な通気部も形成する。結果、本願のように、直接反応器構造体を起点とする反応材の固化相の形成により、反応材相を反応ガス流路内に形成する場合も、その部位の通気性を確保できる。
In the liquid desorption step, an operation for removing the liquid from the slurry is executed. In this operation, heating, decompression, or both are performed. By doing so, the reaction material forms a solidified phase at least on the surface of the reactor structure. Further, a solidified phase is similarly formed at the intermediate portion of the structure such as between the fins based on the solidified phase precipitation formed earlier.
In this example, magnesium oxide or calcium oxide, which is the reaction material of interest, causes a liquid desorption reaction to form a solidified phase and is formed into a powder form. It also forms a ventilation part through which gas can flow. As a result, even when the reaction material phase is formed in the reaction gas flow path by forming the solidified phase of the reaction material directly starting from the reactor structure as in the present application, the air permeability of the site can be ensured.
そして、この構造においては、反応器構造体表面に反応材の固化相を形成するため、構造体と反応材との間の接触熱抵抗の減少効果、反応材自体内の熱出伝導度の増大効果を得ることができる。
即ち、反応器構造体表面に反応材の固化相が直接形成されるため、反応材と構造体表面の密着性が確保され、従来型の粒子充填反応層より接触熱抵抗を低くできる。
さらに、反応器構造体表面間にあっては、反応材の固化相が連続した状態で形成されるため、層内における熱伝導度自体も増大する。
In this structure, since a solidified phase of the reaction material is formed on the surface of the reactor structure, the effect of reducing the contact thermal resistance between the structure and the reaction material, and the increase of the heat output conductivity in the reaction material itself An effect can be obtained.
That is, since the solidified phase of the reaction material is directly formed on the surface of the reactor structure, adhesion between the reaction material and the surface of the structure is ensured, and the contact thermal resistance can be made lower than that of the conventional particle-packed reaction layer.
Further, since the solidified phase of the reaction material is formed in a continuous state between the reactor structure surfaces, the thermal conductivity itself in the layer also increases.
従って、反応材から反応器構造体への熱移動が速やかとなり、熱回収効率が向上する。また、反応材から反応器構造体への熱移動が速やかになることにより、これまで大きな問題であった反応材の温度変化による反応推進圧力差に減少が軽減され、総括反応速度が増大する。
結果、総括反応速度の増大に加えて、粒子層に比べて充填密度が大きくなる効果も相乗して熱交換型反応器を小型化できる。
Therefore, the heat transfer from the reaction material to the reactor structure becomes rapid, and the heat recovery efficiency is improved. Further, the rapid heat transfer from the reaction material to the reactor structure reduces the decrease in the reaction propulsion pressure difference due to the temperature change of the reaction material, which has been a big problem until now, and increases the overall reaction rate.
As a result, in addition to the increase in the overall reaction rate, the effect of increasing the packing density compared with the particle layer can be combined to reduce the size of the heat exchange reactor.
さて、前記充填工程において、スラリーに前記反応ガスが透過可能なガス透過性材料を混入し、前記液分脱離工程を経て、前記反応ガス流路に、前記反応材の固化相と前記ガス透過性材料が混在する複合層を形成することが好ましい。 In the filling step, a gas permeable material that allows the reaction gas to permeate is mixed in the slurry, and after passing through the liquid desorption step, the solidified phase of the reactant and the gas permeation are introduced into the reaction gas channel. It is preferable to form a composite layer in which a functional material is mixed.
このようにガス透過性材料を混入しておくことで、反応ガス流路内に形成される複合層内に、反応ガスの流通路を確保でき好ましい。
この種のガス透過性材料としては、後述するように、膨張黒鉛等が採用できる。
By mixing the gas permeable material in this manner, it is preferable because a reaction gas flow passage can be secured in the composite layer formed in the reaction gas flow path.
As this type of gas permeable material, expanded graphite or the like can be adopted as described later.
さらに、前記充填工程において、加熱により除去可能な空隙形成材を前記スラリーに混入し、
前記液分脱離工程を経て、前記反応材の固化相を前記反応ガス流路に形成するとともに、前記空隙形成材を加熱除去する空隙形成材除去工程を実行し、
前記反応ガス流路の前記反応材の固化相間に、前記空隙形成材の除去により形成された空隙を形成することが好ましい。
Furthermore, in the filling step, a void forming material that can be removed by heating is mixed into the slurry,
Through the liquid desorption step, a solidified phase of the reaction material is formed in the reaction gas flow path, and a void forming material removing step of heating and removing the void forming material is performed.
It is preferable that a void formed by removing the void forming material is formed between the solidified phases of the reaction material in the reaction gas channel.
この製造方法を採用する場合は、空隙形成材を反応材溶液に混入し、固化相の形成とともに、空隙形成材除去工程において加熱処理で空隙形成材を除去することで、積極的に空隙を形成できる。
従って、反応ガス流路に形成される反応ガスの通気路を確実に確保できる。さらに、この空隙形成材の量を調整することにより、その通気状態を調整できる。
When this manufacturing method is adopted, voids are actively formed by mixing the void-forming material in the reaction material solution, forming the solidified phase, and removing the void-forming material by heat treatment in the void-forming material removal step. it can.
Therefore, it is possible to reliably ensure a reaction gas ventilation path formed in the reaction gas channel. Furthermore, the ventilation | gas_flowing state can be adjusted by adjusting the quantity of this space | gap formation material.
熱交換型反応器の構成としては、
並設される複数のプレートと、プレート間に配設されるフィンとを備えて構成され、前記プレート間に形成される通路が前記反応ガス流路とされ、当該反応ガス流路に前記反応材の析出相が形成されていることとすることが好ましい。
この構成にあっては、従来型のプレート−フィン型の熱交換器の構造を踏襲しながら、フィン間に反応材の析出相を形成し、反応ガス流路として使用することができ、容易且つ迅速に、本願の目的を達成できる熱交換型反応器を得ることができる。
As the configuration of the heat exchange reactor,
A plurality of plates arranged side by side and fins disposed between the plates are configured, and a passage formed between the plates is used as the reaction gas channel, and the reaction material is provided in the reaction gas channel. It is preferable that a precipitated phase is formed.
In this configuration, while following the structure of a conventional plate-fin heat exchanger, a precipitate phase of a reaction material is formed between the fins, and can be used as a reaction gas flow path. A heat exchange reactor capable of achieving the object of the present application can be obtained quickly.
上記の製造方法により製造される熱交換型反応器は、
熱交換媒体との間での熱の授受に伴って化学的な気固系可逆反応を起こす反応材を備え、
前記熱交換媒体が流れる熱交換媒体流路と、前記気固系可逆反応により前記反応材から分離若しくは前記反応材に吸収される反応ガスが流れる反応ガス流路とを備えた熱交換型反応器であって、
前記反応材が酸化マグネシウム若しくは酸化カルシウムから選択される一種以上であり、
前記反応ガス流路側の反応器構造体表面に、前記反応材の固化相を備えた構成となる。
The heat exchange reactor produced by the above production method is
With a reaction material that causes a chemical gas-solid reversible reaction with the transfer of heat to and from the heat exchange medium,
A heat exchange reactor comprising: a heat exchange medium flow path through which the heat exchange medium flows; and a reaction gas flow path through which a reaction gas separated from or absorbed by the reaction material by the gas-solid reversible reaction flows. Because
The reactant is one or more selected from magnesium oxide or calcium oxide;
The surface of the reactor structure on the reaction gas flow path side is provided with a solidified phase of the reaction material.
本発明の実施の形態について、以下、本願に係る熱交換型反応器1をケミカルヒートポンプに使用する例で、図1〜4に基づいて説明する。
本願に係る実施形態は、反応材sが溶媒に溶解可能で反応材sの相を析出相seとして得る第一実施形態と、反応材sが難溶性若しくは不溶性であり、反応材sの相を固化相として得る第二実施形態を含むものである。
1 熱交換型反応器1の構造、2 第一実施形態、3 第二実施形態の順に説明する。第一実施形態、第二実施形態において反応器1自体の構造は共通であり、反応材sが、析出相seとなっているか、固化相となっているかの違いがある。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4 by using an example in which the
The embodiment according to the present application is the first embodiment in which the reaction material s can be dissolved in a solvent and the phase of the reaction material s is obtained as the precipitation phase se, and the reaction material s is hardly soluble or insoluble, The second embodiment obtained as a solidified phase is included.
1 The structure of the
1 熱交換型反応器1の構造
図1に示すように、この反応器1は、反応容器2内にプレートフィン型の熱交換部3を備えて構成される。
この熱交換部3には、反応容器2外から送られてくる熱交換媒体hが、媒体入口4から容器2内に送り込まれ熱交換部3に到るとともに、この熱交換部3で熱交換を終えた熱交換媒体hが、媒体出口5から反応容器2外に導出される構造が採用されている。
1 Structure of Heat
A heat exchange medium h sent from outside the reaction vessel 2 is fed into the vessel 2 through the medium inlet 4 and reaches the
図示するように熱交換部3はプレートフィン型に構成されており、並設される複数のプレート3aと、これら複数のプレート3a間に配設されるフィン3bとを備えて構成されている。図1(a)に示すように、この熱交換部3には流入側ヘッダー3cと流出側ヘッダー3dとが設けられており、両ヘッダー3c、3d間にプレート3aが掛け渡される構造が採用されている。さらに、このプレート3a内には、両ヘッダー3c,3d間に渡って、熱交換媒体hが移流する熱交換媒体流路3eが形成されており、フィン3b間に配設されている反応材sとの熱交換を良好に行うことが可能とされている。
As shown in the drawing, the
さて、プレート3a間には、波型成型されたフィン3bが配設されている。このフィン3b間は、反応材sが位置される部位とされており、この反応材sの相間を反応ガスgが流通可能な構成が採用されている。この構造において、プレート3a間及びフィン3b間に、図1(b)において紙面表裏方向に形成される流路が反応ガスgが流れる流路(図4参照)となるため、この流路を反応ガス流路3fと呼ぶ。
Now, between the
本願においては、反応材sは、プレート3a及びフィン3bの反応ガス流路側表面を覆う状態で位置されるとともに、フィン3b間に形成される空間をも層として覆う構成となっている。この状態を図1(b)及び図4に示した。この反応材sの層は、その製造手法に起因して、反応ガスgが流通するに充分な連通空間を有するものとなっている。
下記する第一実施形態では、この反応材sの層は溶液からの析出された析出相seとなっており、第二実施形態では、この反応材sの層は微粉体が固化した固化相となっている。
In the present application, the reaction material s is positioned so as to cover the reaction gas flow path side surfaces of the
In the first embodiment described below, the layer of the reaction material s is a precipitated phase se precipitated from a solution, and in the second embodiment, the layer of the reaction material s includes a solidified phase in which fine powder is solidified. It has become.
図1(a)に示す例にあっては、図上、熱交換媒体流路3eにおいて左から右へ熱交換媒体hが流れる構成が採用されており、反応材sから分離若しくは反応材sに吸収される反応ガスgは、反応ガス流路3fにおいて紙面表裏方向に流れて、凝縮器6(図2参照)へ送られるあるいは凝縮器6から戻ってくることとなる。
In the example shown in FIG. 1 (a), a configuration in which the heat exchange medium h flows from the left to the right in the heat exchange
ここで、図1に示した例に於ける実施形態の具体的構成に関して述べておくと、ヘッダー3c−ヘッダー3d間の距離(即ち、反応ガス流路3fの幅)は26cm程度であり、プレート3a−プレート3a間の距離(即ち、反応ガス流路3fの高さ)は1.2cm程度であり、波状に形成されるフィン3aの折り曲げ周期は0.5cm程度である。
Here, the specific configuration of the embodiment in the example shown in FIG. 1 will be described. The distance between the
以上が、本願に係る熱交換型反応器1の機械的構成であるが、以下、第一実施の形態、第二実施の形態に関して説明する。これら実施の形態の差異は、フィン3a間に形成される反応材sの層が析出相se或いは固化相からなっていることにあるため、その製造手法を中心に説明する。
The above is the mechanical configuration of the
2 第一実施形態
フィン3a間に反応材の層を形成する前の反応器構造体を用意する。この反応器構造体は、先に説明したように、ヘッダー3c,3d、多数のプレート3a、フィン3bを、図1に示すように結合し、未だ、反応材sを反応ガス流路3fに備えていないものである。
2 First Embodiment A reactor structure is prepared before a reaction material layer is formed between the
第一実施形態での熱交換型反応器1の製造は、充填工程、溶媒脱離工程を経たものとする。以下順に説明する。
充填工程
この工程は、無機化合物系反応材である反応材sを溶媒に溶解させた反応材溶液を反応ガス流路3f内に充填する工程である。
ここで、無機化合物系反応材としては、塩化カルシウム、塩化マンガン、塩化マグネシウム、塩化ニッケル、炭酸ナトリウム、硫酸カルシウムから選択される一種以上を挙げることができる。
塩化カルシウムに対しては、水、メタノール、アンモニア、メチルアミンが本願にいう化学的な気固系可逆反応を起こす。
塩化マンガンに対しては、水、アンモニアが本願にいう化学的な気固系可逆反応を起こす。
塩化マグネシウムに対しては、水、メタノール、アンモニアが本願にいう化学的な気固系可逆反応を起こす。
塩化ニッケルに対しては、アンモニアが本願にいう化学的な気固系可逆反応を起こす。
炭酸ナトリウムに対しては、水が本願にいう化学的な気固系可逆反応を起こす。
硫酸カルシウムに対しては、水が本願にいう化学的な気固系可逆反応を起こす。
The production of the heat
Filling Step This step is a step of filling the
Here, examples of the inorganic compound-based reaction material include one or more selected from calcium chloride, manganese chloride, magnesium chloride, nickel chloride, sodium carbonate, and calcium sulfate.
For calcium chloride, water, methanol, ammonia, and methylamine cause the chemical gas-solid reversible reaction referred to in the present application.
For manganese chloride, water and ammonia cause the chemical gas-solid reversible reaction referred to herein.
For magnesium chloride, water, methanol, and ammonia cause a chemical gas-solid reversible reaction as referred to herein.
For nickel chloride, ammonia causes the chemical gas-solid reversible reaction referred to herein.
For sodium carbonate, water causes the chemical gas-solid reversible reaction referred to herein.
For calcium sulfate, water causes the chemical gas-solid reversible reaction referred to herein.
これら無機化合物系反応材に対する溶媒としては、一般的には水、アルコール等を利用でき、酸、アセトン、グリセリン等も溶媒として使用することができる。
反応材溶液の生成は、常温・常圧(この状態が、図3に示す状態eである)で行ってよいが、加熱・減圧状態にある環境下で行うこともできる。本願の場合、得られた反応材溶液を反応ガス流路3fに充填するため、溶液濃度は充分高いものとしておく。
このようにして得られた反応材溶液を、反応ガス流路3fに充填することで、充填工程を終える。この充填工程は、本願の場合、反応容器2内に熱交換部3に配設さえる前に、反応ガス流路3fにペースト状の反応材溶液を充填してやればよい。
As a solvent for these inorganic compound-based reactants, water, alcohol, or the like can be generally used, and acid, acetone, glycerin, or the like can also be used as a solvent.
The reaction material solution may be generated at normal temperature and normal pressure (this state is the state e shown in FIG. 3), but can also be performed in an environment in a heated / depressurized state. In the case of the present application, since the obtained reactant solution is filled in the
The filling process is completed by filling the
溶媒脱離工程
この工程では、充填状態にある反応材溶液から溶媒を脱離する。この脱離に際しては、容器の上部開口を閉じた状態で、加熱しながら内部の脱気を実行する。このようにすることで、少なくとも反応ガス流路3f側の反応器構造体表面に、反応材sの析出相seを形成することができる。本願にあっては、先の充填工程において、少なくともフィン3b間、さらにはフィン3b−プレート3a間に反応材溶液を充填するため、反応器構造体表面(フィン3b表面あるいはプレート3aの反応ガス流通路3f側表面)に反応材sの析出相seが形成される。さらに、この析出は、反応器構造体表面に析出相seが形成された後、反応ガス流路3fを横断する形態で通気性を有する析出相seの連続層が形成される。
Solvent Desorption Step In this step, the solvent is desorbed from the reactant solution in the packed state. For this desorption, the inside deaeration is performed while heating with the upper opening of the container closed. By doing in this way, the deposition phase se of the reaction material s can be formed at least on the surface of the reactor structure on the reaction
この析出相の製造条件は、先に図3に基づいて説明した化学的な気固系可逆反応の状態を考慮した条件設定を行う。即ち、化学的な気固系可逆反応が、熱交換媒体hから反応材sが受熱して反応ガスgが分離された蓄熱状態と、熱交換媒体hへ反応材sが放熱して反応ガスgを吸収した放熱状態(この放熱状態は、図3においてPe4で示す平衡線に乗った状態となる)との間で繰替えされる反応であるとして、溶媒脱離工程においては、放熱状態における反応材sの反応ガス成分比より少ない反応ガス成分比に、析出相seの反応ガス成分比がなるように、溶媒脱離工程の最終段階の条件を設定する。この状態は、前記平衡線Pe4より下に位置する状態f或は状態f´の状態となる。
このようにして、少なくとも反応器構造体表面に反応材の析出相seを得ることができる。
The conditions for producing the precipitated phase are set in consideration of the state of the chemical gas-solid reversible reaction described above with reference to FIG. That is, a chemical gas-solid reversible reaction includes a heat storage state where the reaction material s receives heat from the heat exchange medium h and the reaction gas g is separated, and the reaction material s radiates heat to the heat exchange medium h. In the solvent desorption process, the reaction in the heat dissipation state is assumed to be a reaction repeated between the heat dissipation state in which the heat is absorbed (this heat dissipation state is on the equilibrium line indicated by Pe4 in FIG. 3). The conditions of the final stage of the solvent desorption step are set so that the reaction gas component ratio of the precipitated phase se becomes less than the reaction gas component ratio of the material s. This state is a state f or a state f ′ located below the equilibrium line Pe4.
In this way, the precipitated phase se of the reaction material can be obtained at least on the surface of the reactor structure.
塩化カルシウムの水和物を反応材として使用する場合の、反応材溶液の作成条件及び溶媒脱離工程の条件を以下に示す。
反応材溶液の作成条件
塩化カルシウム80〜82.8gを100gの水に溶解し、塩化カルシウム溶液(濃度44.4〜45.3質量%)を得る。この反応材溶液の作成は、常温・常圧で行う。そして、上記のようにして得られた飽和溶液を一旦加熱して濃縮した後、温度を低下させ、固化しようとしている溶液を下記の充填に使用する。このような固化しかかった溶液の濃度(充填時の塩化カルシウム濃度)は62〜70質量%となっていた。
溶媒脱離工程の条件
上記の条件で得られた塩化カルシウム溶液をフィン3b間に充填し、脱水・焼成処理を施す。この充填に際しては、本願の場合、反応容器2内に熱交換部3を配設した状態で、反応容器2内に反応材溶液を充填すればよい。
The conditions for preparing the reaction material solution and the conditions for the solvent desorption process when calcium chloride hydrate is used as the reaction material are shown below.
Conditions for preparing the reaction material solution 80 to 82.8 g of calcium chloride is dissolved in 100 g of water to obtain a calcium chloride solution (concentration 44.4 to 45.3 mass%). The reactant solution is prepared at room temperature and normal pressure. And after heating and concentrating the saturated solution obtained by making it above, the temperature is lowered | hung and the solution which is going to solidify is used for the following filling. The concentration of such a solidified solution (calcium chloride concentration at the time of filling) was 62 to 70% by mass.
Conditions for Solvent Desorption Step The calcium chloride solution obtained under the above conditions is filled between the
脱水は、温度 室温、圧力1kPaの条件で、あるいは温度80〜100℃で常圧の条件で、180分実行する。この処理を実行することで、図3において、塩化カルシウムは状態f、f´で示す状態となる。 Dehydration is performed for 180 minutes under conditions of a temperature of room temperature and a pressure of 1 kPa, or a temperature of 80 to 100 ° C. and a normal pressure. By executing this process, in FIG. 3, calcium chloride becomes a state indicated by states f and f ′.
上記の脱水処理に引き続いて、温度250℃、常圧の条件で、焼成処理を60分実行する。この処理を実行することで、図3において、塩化カルシウムは状態yで示す状態となる。焼成処理を施すことで、反応材sの析出相seを安定化させることができる。 Subsequent to the dehydration process, the baking process is performed for 60 minutes under the conditions of a temperature of 250 ° C. and a normal pressure. By executing this processing, calcium chloride is in a state indicated by a state y in FIG. By performing the baking treatment, the precipitated phase se of the reaction material s can be stabilized.
上記処理を施して得られたフィン3b間に形成される反応ガス流路3fの状態を図4に示した。この図からも判明するように、塩化カルシウムの析出相se間に、反応ガスgが流通可能な空隙7が形成されていることが判る。
FIG. 4 shows the state of the reaction
このようにして得られた熱交換型反応器の吸水量は、顕著な増加を示した。
この結果を図5に基づいて説明する。図5は吸水量の比較を示した図面であり、白丸○が本願に係る熱交換型反応器の吸水量を、黒丸●が従来型(反応材が塩化カルシウムで、粒子状反応層を備えたもの)の吸水量を示している。図5(a)は反応材単位重量当りで比較した吸水量であり、図5(b)は同一体積(占有容積が同一)で比較した吸水量である。これら図面において横軸は、吸水始めからの経過時間を示している。
図5からも判明するように、本願の構造を採用すると、反応材単位重量当りでは約3倍の吸水量を得られており、同一体積での比較で、約1.5倍の吸水量を得られている。
The amount of water absorbed in the heat exchange reactor thus obtained showed a marked increase.
The result will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a drawing showing a comparison of the amount of water absorption, where white circles ○ indicate the water absorption amount of the heat exchange type reactor according to the present application, black circles ● indicate the conventional type (the reaction material is calcium chloride, and a particulate reaction layer is provided). Water absorption amount). FIG. 5A shows the water absorption amount compared per unit weight of the reaction material, and FIG. 5B shows the water absorption amount compared at the same volume (occupied volume is the same). In these drawings, the horizontal axis indicates the elapsed time from the beginning of water absorption.
As can be seen from FIG. 5, when the structure of the present application is adopted, a water absorption amount of about 3 times per unit weight of the reaction material is obtained, and a water absorption amount of about 1.5 times that of the same volume is obtained. Has been obtained.
3 第二実施形態
フィン3b間に反応材sの層を形成する前の反応器構造体1を用意する。この反応器構造体は、先に説明したように、ヘッダー3c,3d、多数のプレート3a、フィン3bを、図1に示すように結合したものである。
3 Second Embodiment A
第二実施形態での熱交換型反応器1の製造は、充填工程、液分脱離工程を経たものとする。以下順に説明する。
充填工程
この工程は、酸化マグネシウム或いは酸化カルシウムの粉末スラリーを反応ガス流路3f内に充填する工程である。
酸化マグネシウムに対しては、水が本願にいう化学的な気固系可逆反応を起こす。
酸化カルシウムに対しては、水、二酸化炭素が本願にいう化学的な気固系可逆反応を起こす。
The production of the heat
Filling Step This step is a step of filling the reaction
For magnesium oxide, water causes a chemical gas-solid reversible reaction as referred to herein.
For calcium oxide, water and carbon dioxide cause the chemical gas-solid reversible reaction referred to in the present application.
これらの物質は、その粉体として、平均粒径として0.01〜200μm程度のものを使用する。 As these powders, those having an average particle size of about 0.01 to 200 μm are used.
これらの物質をスラリーとする場合、液分としては、一般的には水、アルコール等を利用でき、アセトン、トルエン等も液分として使用することができる。スラリーの作成は、常温・常圧で行う。本願の場合、得られたスラリーを反応ガス流路3fに充填するため、スラリー濃度は充分高いものとしておく。この充填工程は、本願の場合、反応容器2内に熱交換部3が配設される前に行える。このようにして得られたスラリーを反応ガス流路3fに充填することで、充填工程を終える。
When these materials are used as a slurry, water, alcohol or the like can be generally used as the liquid, and acetone, toluene or the like can also be used as the liquid. The slurry is made at room temperature and normal pressure. In the case of the present application, since the obtained slurry is filled in the
液分脱離工程
この工程では、充填状態にあるスラリーから液分を脱離する。先に例と同様に、この脱離に際しては、容器の上部開口を閉じた状態で、加熱しながら内部の脱気を実行する。
このようにすることで、少なくとも反応ガス流路3f側の反応器構造体表面に、反応材sの固化相を形成することができる。本願にあっては、先の充填工程において、少なくともフィン3b間、さらにはフィン3b−プレート3a間にスラリーを充填するため、反応器構造体表面(フィン3b表面あるいはプレート3aの反応ガス流通路側表面)に反応材sの固化相が形成される。さらに、この固化相の形成は、反応器構造体表面に固化相が形成された後、反応ガス流路3fを横断する形態で通気性を有する固化相の連続層が形成される。
Liquid desorption step In this step, the liquid component is desorbed from the slurry in a packed state. As in the above example, the degassing is performed while heating with the upper opening of the container closed, as in the above example.
By doing in this way, the solidified phase of the reaction material s can be formed at least on the surface of the reactor structure on the side of the
酸化カルシウムを反応材として使用する場合の、スラリーの作成条件及び液分脱離工程の条件を以下に示す。
スラリーの作成条件
平均粒径0.01〜200μmの酸化カルシウム粉20〜60gを100gの水に混合し、酸化カルシウム粉体のスラリーを得る。このスラリーの作成は、常温・常圧で行う。上記のようにして得られた飽和溶液を一旦加熱して濃度を上げた後、温度を低下させ、固化しようとしている溶液(スラリーと呼んでいる)を下記の充填に使用する。
液分脱離工程の条件
上記の条件で得られた酸化カルシウムスラリーをフィン3b間に充填し、脱水・焼成処理を施す。
The conditions for forming the slurry and the liquid desorption step when calcium oxide is used as the reaction material are shown below.
Conditions for the liquid desorption step The calcium oxide slurry obtained under the above conditions is filled between the
脱水は、温度80℃、常圧の条件で、24時間実行する。この処理を実行することで、反応器構造体表面に、酸化カルシウム粉体の固化相が形成できる。 Dehydration is carried out for 24 hours at a temperature of 80 ° C. and normal pressure. By performing this treatment, a solidified phase of calcium oxide powder can be formed on the surface of the reactor structure.
上記の脱水処理に引き続いて、温度600℃、常圧の条件で、焼成処理を240分実行する。この処理を実行することで、焼成処理を施すことで、反応材sの固化相を安定化させることができる。 Subsequent to the dehydration process, the baking process is performed for 240 minutes under the conditions of a temperature of 600 ° C. and a normal pressure. By performing this process, the solidified phase of the reaction material s can be stabilized by performing the baking process.
〔別実施の形態〕
これまで説明してきた実施の形態においては、反応ガス流路3f内に、通気性を有する反応材の層を形成する場合に関して述べたが、伝熱性及び通気性の改良、通気性の改良として、以下のような製造手法を取ることができる。
以下、第一の実施形態、第二の実施形態に関して、各別に説明する。
(1) 伝熱性及び通気性の改良
第一実施形態の場合
この形態の場合は、充填工程において、反応材溶液に反応ガスが透過可能なガス透過性材料を混入し、溶媒脱離工程を経て、反応ガス流路に、反応材の析出相とガス透過性材料が混在する複合層を形成することができる。
この種のガス透過性材料としては、膨張黒鉛、金属フォーム等が代表的である。このようなガス透過性材料を混合した反応材溶液を使用して、反応材の析出相を析出させると、反応器構造材の表面及びガス透過性材料の表面に反応材の析出相を形成できる。
膨張黒鉛を使用する場合は、この材質の有する高い熱伝性のため、伝熱性及び通気性を確保できるが、その混入量は、膨張黒鉛の混入割合として、1〜20質量%が好ましい。1質量%より低いと膨張黒鉛の混入効果が発現されにくく、20質量%より高いと反応材の充填密度が減少する問題が発生しやすい。
第二実施形態の場合
この形態の場合は、充填工程において、スラリーに前記反応ガスが透過可能なガス透過性材料を混入し、液分脱離工程を経て、反応ガス流路に、反応材の固化相とガス透過性材料が混在する複合層を形成することができる。この場合、反応材の平均粒径は、ガス透過性材料が有する通気孔の径に対して、十分に小さい(例えば1/10)ものとしておく。
この実施形態の場合も、ガス透過性材料としては、膨張黒鉛、金属フォーム等が代表的である。このようなガス透過性材料を混合したスラリーを使用して、反応材の固化相を形成すると、反応器構造材の表面及びガス透過性材料の表面に反応材の固化相を形成できる。
[Another embodiment]
In the embodiment described so far, the case where a layer of a reactive material having air permeability is formed in the
Hereinafter, the first embodiment and the second embodiment will be described separately.
(1) Improvement of heat transfer and air permeability In the case of this embodiment In this case, in the filling process, a gas permeable material that allows the reaction gas to permeate is mixed in the reaction material solution, and then the solvent desorption process is performed. In the reaction gas flow path, a composite layer in which the precipitated phase of the reaction material and the gas permeable material are mixed can be formed.
Typical examples of this type of gas permeable material include expanded graphite and metal foam. When a reaction material solution mixed with such a gas permeable material is used to precipitate a reaction material precipitation phase, a reaction material precipitation phase can be formed on the surface of the reactor structure material and the gas permeable material. .
When expanded graphite is used, heat conductivity and air permeability can be ensured due to the high thermal conductivity of this material, but the mixing amount is preferably 1 to 20% by mass as the mixing ratio of expanded graphite. When the content is lower than 1% by mass, the mixing effect of the expanded graphite is hardly expressed, and when the content is higher than 20% by mass, a problem that the packing density of the reaction material decreases is likely to occur.
In the case of this embodiment, in the case of this embodiment, in the filling step, a gas permeable material that allows the reaction gas to permeate is mixed into the slurry, and after passing through the liquid desorption step, A composite layer in which the solidified phase and the gas permeable material are mixed can be formed. In this case, the average particle diameter of the reaction material is set to be sufficiently small (for example, 1/10) with respect to the diameter of the air hole of the gas permeable material.
Also in this embodiment, as the gas permeable material, expanded graphite, metal foam and the like are typical. When the solidified phase of the reaction material is formed using the slurry mixed with such a gas permeable material, the solidified phase of the reaction material can be formed on the surface of the reactor structure material and the surface of the gas permeable material.
膨張黒鉛を使用する場合は、この材質の有する高い熱伝性のため、伝熱性及び通気性を確保できるが、その混入量は、膨張黒鉛の混入割合(膨張黒鉛量/(反応材量+膨張黒鉛量)として、1〜20質量%が好ましい。1質量%より低いと膨張黒鉛の混入効果が発現されにくく、20質量%より高いと反応材の充填密度が減少する問題が発生しやすい。 When expanded graphite is used, heat conductivity and air permeability can be ensured due to the high thermal conductivity of this material, but the mixing amount is the mixing ratio of expanded graphite (expanded graphite amount / (reaction material amount + expansion amount). The amount of graphite is preferably 1 to 20% by mass, and if it is lower than 1% by mass, the mixing effect of expanded graphite is difficult to express, and if it is higher than 20% by mass, the problem of reducing the packing density of the reaction material tends to occur.
(2)通気性の改良
第一実施形態の場合
この例の場合、充填工程において、加熱により除去可能な空隙形成材を反応材溶液に混入し、溶媒脱離工程を経て、反応材の析出相を反応ガス流路3fに形成するとともに、空隙形成材を加熱除去する空隙形成材除去工程を実行し、反応ガス流路内の反応材の析出相間に、空隙形成材の除去により形成された空隙を形成する。
(2) Improvement of air permeability In the case of the first embodiment In this case, in the filling step, a void forming material that can be removed by heating is mixed in the reaction material solution, and after passing through the solvent desorption step, the precipitated phase of the reaction material Is formed in the reaction
この種の空隙形成材としては、重炭酸ナトリウムや炭素粒子を使用する。先に示した反応材のみを使用する例にあっても、脱水の後に焼成を行うが、この焼成工程は、比較的高温(先の例では300℃程度)で行うため、この焼成工程が、本願にいう空隙形成材を混入しておいた場合、空隙形成材除去工程を兼ねる。この空隙形成材の混入割合(空隙形成材量/(反応材量+空隙形成材量)は、数質量%程度である。
この工程を実行することで、反応材層内に充分な空隙を形成することができる。
As this kind of void forming material, sodium bicarbonate or carbon particles are used. Even in the example using only the reaction material shown above, firing is performed after dehydration. Since this firing step is performed at a relatively high temperature (about 300 ° C. in the previous example), this firing step is When the void forming material referred to in the present application is mixed, it also serves as a void forming material removing step. The mixing ratio of the void forming material (the amount of void forming material / (the amount of reaction material + the amount of void forming material)) is about several mass%.
By executing this step, sufficient voids can be formed in the reaction material layer.
第二実施形態の場合
この例の場合、充填工程において、加熱により除去可能な空隙形成材をスラリーに混入し、前記液分脱離工程を経て、反応材の固化相を反応ガス流路に形成するとともに、空隙形成材を加熱除去する空隙形成材除去工程を実行し、反応ガス流路の前記反応材の固化相間に、前記空隙形成材の除去により形成された空隙を形成する。
In the case of the second embodiment In the case of this example, in the filling process, a void forming material that can be removed by heating is mixed into the slurry, and the solidified phase of the reaction material is formed in the reaction gas channel through the liquid desorption process. At the same time, a void forming material removing step of removing the void forming material by heating is performed, and voids formed by removing the void forming material are formed between the solidified phases of the reaction material in the reaction gas flow path.
この種の空隙形成材としては、重炭酸ナトリウムや炭素粒子を使用する。先に示した反応材のみを使用する例にあっても、脱水の後に焼成を行うが、この焼成工程は、比較的高温(先の例では300℃程度)で行うため、この焼成工程が、本願にいう空隙形成材を混入しておいた場合、空隙形成材除去工程を兼ねる。この空隙形成材の混入割合(空隙形成材量/(反応材量+空隙形成材量)は、数質量%程度である。
この工程を実行することで、反応材層内に充分な空隙を形成することができる。
As this kind of void forming material, sodium bicarbonate or carbon particles are used. Even in the example using only the reaction material shown above, firing is performed after dehydration. Since this firing step is performed at a relatively high temperature (about 300 ° C. in the previous example), this firing step is When the void forming material referred to in the present application is mixed, it also serves as a void forming material removing step. The mixing ratio of the void forming material (the amount of void forming material / (the amount of reaction material + the amount of void forming material)) is about several mass%.
By executing this step, sufficient voids can be formed in the reaction material layer.
充分な伝熱促進・ガス透過効果を確保できるとともに、装置の小型化や伝熱距離や物質移動距離の減少を達成できる熱交換型反応器を得ることができた。また、本願に係る熱交換型反応器は、比較的簡単な製作工程で製造することができる。 A heat exchange reactor capable of ensuring sufficient heat transfer and gas permeation effects and miniaturizing the apparatus and reducing the heat transfer distance and mass transfer distance could be obtained. Further, the heat exchange reactor according to the present application can be manufactured by a relatively simple manufacturing process.
1 熱交換反応器
2 反応容器
3 熱交換部
3a プレート
3b フィン
3e 熱交換媒体流路
3f 反応ガス流路
g 反応ガス
s 反応材
se 析出相
h 熱交換媒体
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記熱交換媒体が流れる熱交換媒体流路と、前記気固系可逆反応により前記反応材から分離若しくは前記反応材に吸収される反応ガスが流れる反応ガス流路とを備えた熱交換型反応器の製造方法であって、
無機化合物系反応材である前記反応材を溶媒に溶解させた反応材溶液を前記反応ガス流路内に充填する充填工程と、
充填状態にある前記反応材溶液から前記溶媒を脱離する溶媒脱離工程とを経て、前記反応ガス流路側の反応器構造体表面に、前記反応材の析出相を形成する熱交換型反応器の製造方法。 With a reaction material that causes a chemical gas-solid reversible reaction with the transfer of heat to and from the heat exchange medium,
A heat exchange reactor comprising: a heat exchange medium flow path through which the heat exchange medium flows; and a reaction gas flow path through which a reaction gas separated from or absorbed by the reaction material by the gas-solid reversible reaction flows. A manufacturing method of
A filling step of filling the reaction gas channel with a reaction material solution obtained by dissolving the reaction material, which is an inorganic compound reaction material, in a solvent;
A heat exchange reactor that forms a deposition phase of the reaction material on the surface of the reactor structure on the reaction gas flow path side through a solvent desorption step of desorbing the solvent from the reaction material solution in a packed state Manufacturing method.
前記溶媒脱離工程において、前記放熱状態における前記反応材の反応ガス成分比より少ない反応ガス成分比に、前記析出相の前記反応ガス成分比を調整して、前記反応器構造体表面に前記析出相を形成する請求項1記載の熱交換型反応器の製造方法。 The chemical gas-solid reversible reaction includes a heat storage state where the reaction material receives heat from the heat exchange medium and the reaction gas is separated, and the reaction material dissipates heat to the heat exchange medium. It is a reaction repeated between the absorbed heat dissipation state,
In the solvent desorption step, the reaction gas component ratio of the precipitation phase is adjusted to a reaction gas component ratio that is less than the reaction gas component ratio of the reaction material in the heat dissipation state, and the precipitation on the reactor structure surface The method for producing a heat exchange reactor according to claim 1, wherein a phase is formed.
前記溶媒脱離工程を経て、前記反応材の析出相を前記反応ガス流路に形成するとともに、前記空隙形成材を加熱除去する空隙形成材除去工程を実行し、
前記反応ガス流路内の前記反応材の析出相間に、前記空隙形成材の除去により形成された空隙を形成する請求項1〜3のいずれか1項記載の熱交換型反応器の製造方法。 In the filling step, a gap forming material that can be removed by heating is mixed into the reaction material solution,
Through the solvent desorption step, a precipitate forming phase of the reaction material is formed in the reaction gas flow path, and a void forming material removing step of heating and removing the void forming material is performed.
The method for producing a heat exchange reactor according to any one of claims 1 to 3, wherein a void formed by removing the void forming material is formed between the precipitation phases of the reactive material in the reaction gas flow path.
前記熱交換媒体が流れる熱交換媒体流路と、前記気固系可逆反応により前記反応材から分離若しくは前記反応材に吸収される反応ガスが流れる反応ガス流路とを備えた熱交換型反応器であって、
前記反応ガス流路側の反応器構造体表面に、前記反応材の析出相を備えた熱交換型反応器。 With a reaction material that causes a chemical gas-solid reversible reaction with the transfer of heat to and from the heat exchange medium,
A heat exchange reactor comprising: a heat exchange medium flow path through which the heat exchange medium flows; and a reaction gas flow path through which a reaction gas separated from or absorbed by the reaction material by the gas-solid reversible reaction flows. Because
A heat exchange type reactor in which a reaction material precipitation phase is provided on the surface of the reactor structure on the reaction gas flow path side.
前記熱交換媒体が流れる熱交換媒体流路と、前記気固系可逆反応により前記反応材から分離若しくは前記反応材に吸収される反応ガスが流れる反応ガス流路とを備えた熱交換型反応器の製造方法であって、
前記反応材が酸化マグネシウム若しくは酸化カルシウムから選択される一種以上であり、
粉化された前記反応材のスラリーを前記反応ガス流路内に充填する充填工程と、充填状態にある前記スラリーから液分を脱離する液分脱離工程とを実行し、反応器構造体の前記反応ガス流路側表面に、前記反応材の固化相を形成する熱交換型反応器の製造方法。 With a reaction material that causes a chemical gas-solid reversible reaction with the transfer of heat to and from the heat exchange medium,
A heat exchange reactor comprising: a heat exchange medium flow path through which the heat exchange medium flows; and a reaction gas flow path through which a reaction gas separated from or absorbed by the reaction material by the gas-solid reversible reaction flows. A manufacturing method of
The reactant is one or more selected from magnesium oxide or calcium oxide;
Performing a filling step of filling the reaction gas flow path with the pulverized slurry of the reaction material and a liquid desorption step of desorbing a liquid component from the slurry in a packed state, and a reactor structure A method for producing a heat exchange reactor in which a solidified phase of the reaction material is formed on the reaction gas flow channel side surface.
前記液分脱離工程を経て、前記反応材の固化相を前記反応ガス流路に形成するとともに、前記空隙形成材を加熱除去する空隙形成材除去工程を実行し、
前記反応ガス流路の前記反応材の固化相間に、前記空隙形成材の除去により形成された空隙を形成する請求項8又は9記載の熱交換型反応器の製造方法。 In the filling step, a void forming material that can be removed by heating is mixed into the slurry,
Through the liquid desorption step, a solidified phase of the reaction material is formed in the reaction gas flow path, and a void forming material removing step of heating and removing the void forming material is performed.
The method for producing a heat exchange reactor according to claim 8 or 9, wherein a void formed by removing the void forming material is formed between the solidified phases of the reaction material in the reaction gas channel.
前記熱交換媒体が流れる熱交換媒体流路と、前記気固系可逆反応により前記反応材から分離若しくは前記反応材に吸収される反応ガスが流れる反応ガス流路とを備えた熱交換型反応器であって、
前記反応材が酸化マグネシウム若しくは酸化カルシウムから選択される一種以上であり、
前記反応ガス流路側の反応器構造体表面に、前記反応材の固化相を備えた熱交換型反応器。 With a reaction material that causes a chemical gas-solid reversible reaction with the transfer of heat to and from the heat exchange medium,
A heat exchange reactor comprising: a heat exchange medium flow path through which the heat exchange medium flows; and a reaction gas flow path through which a reaction gas separated from or absorbed by the reaction material by the gas-solid reversible reaction flows. Because
The reactant is one or more selected from magnesium oxide or calcium oxide;
A heat exchange type reactor comprising a solidified phase of the reaction material on the surface of the reactor structure on the reaction gas channel side.
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