JP2010207756A - 触媒カートリッジ並びにその触媒カートリッジを用いた多管式触媒反応器および触媒交換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多管式触媒反応器において、触媒交換の作業性を向上して触媒交換に要する時間を削減すると共に、触媒交換後の性能評価に要する時間も削減することが可能な装置を提供する。
【解決手段】熱媒体が供給される内部空間を有する反応器と、当該反応器の内部空間を貫通し、且つ、一端が反応器の原料入口に、他端が反応器の反応生成物出口に連通する複数の反応管とを備える多管式触媒反応器に用いられ、反応管のそれぞれに対応する位置に開口３が設けられたフランジ部２と、開口３のそれぞれから延在して多管式触媒反応器への設置時には反応管内に収容される内管４と、内管４のフランジ部２側とは反対側の端部に設けられて、当該内管４内に充填される触媒を原料が流通可能なように支持する、触媒支持部５とを備える、触媒カートリッジ１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、多管式触媒反応器の触媒の交換および触媒交換後の調整を容易にする触媒カートリッジ並びに該触媒カートリッジを用いた多管式触媒反応器および触媒の交換方法に関する。

従来、熱交換型の触媒反応装置として、熱媒体が供給される反応領域内に複数本の反応管を並設した多管式固定床反応器が知られている（例えば、特許文献１参照）。そして、一般的に、その様な多管式固定床反応器においては反応管内に触媒を直接充填している。

ここで、通常、触媒を用いた反応装置では触媒の経時劣化による反応効率の低下を防止するために一定期間毎に触媒を交換する必要があるところ、反応管内に触媒を直接充填した反応器では、劣化した触媒を抜き取り、新しい触媒を充填し、更にすべての反応管に均一に原料等が流れるように触媒充填状態を調整するのに長時間を要するため、安定した運転を行えるようになるまで長時間を要し、その間、品質の安定した製品を生産できないという問題がある。そして、このような触媒交換および触媒充填状態の調整に時間がかかるという問題は、例えば、水素自動車などの燃料となる水素を安全かつ安定的に供給するための水素ステーションにおいて、都市ガス、灯油、ナフサ、有機ハイドライドなどから触媒を用いて水素を製造する場合に、触媒交換および触媒充填状態の調整中は安定した水素製造が出来ないため顧客への水素供給を停止しなければならず、水素を安定的に供給できなくなるという点で特に問題となっている。

これに対し、触媒交換が容易な触媒反応装置として、装置の本体胴部内に配されたガス室に、該ガス室を原料ガス室と改質ガス室とに区画するパスパーティションを設けるとともに、このパスパーティションに、触媒管の内管を改質ガス室に開口させた状態で連結し、さらに、熱交換室とガス室とを区画する管板に、触媒管の外管の開口部を連結することにより、触媒の交換作業、触媒管の定期検査等を容易に行うことができるようにした水蒸気改質装置が開発されている（例えば、特許文献２参照）。

また、触媒交換を容易にする方法として、触媒を充填した反応管を内部に複数有し、且つ、反応管と接続する触媒排出管と、一端が反応管の底部から空気流入可能な位置に向けられ、他端が外部に開放された空気流通管と、反応管の上部と接続された触媒供給管とを備える水蒸気改質器において、触媒供給管から反応管を通して触媒排出管に空気を通流させることにより反応管内の触媒を抜き出した後、触媒供給管から反応管を通して空気通流管に空気を通流させることにより反応管内に新たな触媒を充填する、水蒸気改質器の触媒交換方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００７−３２６０５３号公報 特開平０５−２１３６０３号公報 特開平１１−０００５４８号公報

しかしながら、上記従来技術に係る触媒反応装置および触媒交換方法では、触媒交換の作業性は若干向上するものの、未だに改善の余地があった。また、上記従来技術では、触媒交換後の触媒反応装置の触媒充填状態の調整をその場で行う必要があり、触媒交換後、実運転を行うまでに時間を要していた。

そのため、触媒交換の作業性を向上して触媒交換に要する時間を削減すると共に、触媒交換後の触媒充填状態の調整に要する時間も削減することが可能な装置が求められていた。

この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の触媒カートリッジは、熱媒体が供給される内部空間を有する反応器と、当該反応器の内部空間を貫通し、且つ、一端が反応器の原料入口に、他端が反応器の反応生成物出口に連通する複数の反応管とを備える多管式触媒反応器に用いられ、前記反応管のそれぞれに対応する位置に開口が設けられたフランジ部と、前記開口のそれぞれから延在して前記多管式触媒反応器への設置時には前記反応管内に収容される内管と、前記内管の前記フランジ部側とは反対側の端部に設けられて、当該内管内に充填される触媒を前記原料が流通可能なように支持する、触媒支持部とを備えることを特徴とする。このように、本発明の触媒カートリッジは、多管式触媒反応器の反応管に対応する位置に内管が設けられており、且つ、該内管の一端には原料が流通可能なように触媒を支持する触媒支持部が設けられているので、内管内に触媒を充填した状態で多管式触媒反応器に取付けると共に、該内管に原料を流通させて原料と触媒とを接触させることで、多管式触媒反応器での触媒反応に利用することができる。そして、本発明の触媒カートリッジによれば、予め内管内に触媒を充填した交換用の触媒カートリッジを準備しておくことで、使用済みの触媒カートリッジを抜き取り、交換用の触媒カートリッジを取付けるのみで簡単且つ迅速に触媒の交換を行うことができる。更に、本発明の触媒カートリッジによれば、多管式触媒反応器の反応管内に設置する触媒を触媒カートリッジの内管に充填・支持した状態で運搬し得るので、予め各内管の触媒充填状態を評価・調整して触媒充填状態の均一化を図った状態で、触媒を多管式触媒反応器に設置することができる。即ち、反応管への触媒設置後にその場で長時間かけて触媒充填状態を調整する必要がない。

また、本発明の多管式触媒反応器は、熱媒体が供給される内部空間を有する反応器と、当該反応器の内部空間を貫通し、且つ、一端が反応器の原料入口に、他端が反応器の反応生成物出口に連通する複数の反応管と、前記内管内に触媒を充填した上記触媒カートリッジとを備えており、前記触媒カートリッジは、触媒を充填した内管が前記反応管内に収容されるように設置されていることを特徴とする。このように、本発明の多管式触媒反応器では、上述した触媒カートリッジを用いているので、触媒の交換が容易であり、また、触媒交換後に各反応管内の触媒充填状態の調整を行う必要がない。

更に、本発明の触媒交換方法は、上記多管式触媒反応器において触媒を交換する方法であって、上述した触媒カートリッジの内管内に触媒を充填する工程と、前記内管内の触媒充填状態を評価・調整し、交換用触媒カートリッジを準備する工程と、前記多管式触媒反応器に設置されている触媒カートリッジを取り出す工程と、前記触媒カートリッジを取り外した多管式触媒反応器に、触媒充填状態を調整した前記交換用触媒カートリッジを取付ける工程とを含むことを特徴とする。このように、本発明の触媒交換方法では、予め交換用触媒カートリッジについて各内管の触媒充填状態の均一性を評価し、調整しているので、触媒交換後にその場で触媒充填状態の調整をする必要がない。また、触媒交換を迅速に行うことができる。

従って、本発明によれば、触媒の交換に要する時間を削減することができると共に触媒交換後の触媒充填状態の調整に要する時間も削減することができる触媒カートリッジ、並びに該触媒カートリッジを用いた多管式触媒反応器および触媒交換方法を提供することができる。

本発明の触媒カートリッジの一例を示す斜視図である。 図１に示す触媒カートリッジの変形例を示す斜視図である。 図１に示す触媒カートリッジの内管の第一の変形例を示す拡大正面図である。 図１に示す触媒カートリッジの内管の第二の変形例を示す拡大正面図である。 本発明の多管式触媒反応器を示す断面図である。

以下に、図面を参照しながら本発明の触媒カートリッジおよび多管式触媒反応器を詳細に説明する。

［触媒カートリッジ］
図１に本発明の触媒カートリッジの一例の斜視図を示す。図１に示す触媒カートリッジ１は、後に詳細に説明する多管式触媒反応器に用いる触媒カートリッジであって、フランジ部としてのフランジ板２と、フランジ板２に設けられた複数の開口３と、各開口３から図１では下方に向かって延在する複数の内管４と、各内管４のフランジ板２側とは反対側の端部に設けられた触媒支持部としての網５とを備えている。なお、開口３および内管４の数および設置位置は、触媒カートリッジ１を設置する多管式触媒反応器の構造に応じて任意に変更することができる。

ここで、フランジ板２は、略円盤状で、多管式触媒反応器の使用条件等に応じて選択した材料、例えばＳＵＳ、銅等の金属からなる。そして、フランジ板２には、触媒カートリッジ１が設置される多管式触媒反応器の反応管の位置に対応する場所、即ち触媒カートリッジ１を多管式触媒反応器に設置した場合に多管式触媒反応器の反応管の開口と重なる位置に、該反応管の開口（内径）より少なくとも内管４の厚み分は小径の開口３が設けられている。

また、内管４は、円筒状で、多管式触媒反応器の使用条件等に応じて選択した材料、例えばＳＵＳ、銅等の金属からなり、内管４の一端は、開口３の周縁でフランジ板２に溶接されている。そして、内管４は、触媒カートリッジ１の多管式触媒反応器への設置時には多管式触媒反応器の反応管内に収容されるので、内管４の外径は多管式触媒反応器の反応管の内径と同等またはそれより小さくされている。

更に、内管４のフランジ板２と溶接されている側とは反対側の端部には、充填する触媒の荷重に耐えうる強度を有する網５が設けられている。そして、この網５の網目の大きさは、内管４内に充填・支持する触媒の粒径より小さく、且つ、多管式触媒反応器に供給する原料が通り抜けられる大きさとされている。

そして、上述の触媒カートリッジ１は、内管４に任意の触媒（改質触媒、脱水素触媒など）を充填・支持した状態で多管式触媒反応器に設置することができる。更に、多管式触媒反応器での使用に伴い触媒が劣化した場合には、多管式触媒反応器から使用済の触媒カートリッジを取り出し、別途準備しておいた交換用の触媒カートリッジと交換することで、迅速な触媒交換を行うことができる。

ここで、本発明の触媒カートリッジは、上述した一例以外にも、以下のような変形を加えることができる。

例えば、フランジ板２は、図２に示すように複数（図２では２つ）の板２ａ，２ｂに分割しても良い。このようにすれば、１枚の板に設けられている内管４の数を減らして重量を削減し、触媒交換時の作業負担をより軽減することができる。なお、触媒交換作業を容易かつ迅速に行うという観点からは、１枚の板に複数の内管４が設けられている必要がある。フランジ板２を内管４の数と同数の板に分割した場合、触媒の交換作業が煩雑となるからである。更に、フランジ板２は、触媒カートリッジ１の多管式触媒反応器への挿入および多管式触媒反応器からの取り出しが容易となるように取っ手を設けても良く、また、運搬時等に内管４および内管４に充填した触媒の重量でフランジ板２が変形することのないよう既知の手段で補強しても良い。

また、内管４は、図３に内管４の第一の変形例の拡大正面図を示すように、伝熱性を高めるためのフィン４１を設けても良い。ここで、フィン４１は、アルミ、銅、ＳＵＳ等の伝熱性の良い任意の金属からなる。そして、フィン４１は、例えば上記材質の薄板を内管４の外周に螺旋状に巻き付けることにより、内管４に設けることができる。このように、フィン４１を設ければ、多管式触媒反応器の反応管と内管４との間の伝熱性を良くして、内管４に充填された触媒に熱を効率良く伝えることができる。

更に、内管４は、図４に内管４の第二の変形例の拡大正面図を示すように、内管４を補強するための補強リング４２を設けても良い。補強リング４２を設けることで、触媒充填による内管４の変形を防止することができる。

その他、内管４は、多管式触媒反応器への設置時に反応管に挿入し易いように、網５側をテーパーにしても良い。

［多管式触媒反応器］
本発明の多管式触媒反応器の一例の断面図を図５に示す。この多管式触媒反応器１０は、改質反応、脱水素反応等の触媒を用いた任意の反応に用いることができ、ここでは、一例として吸熱反応である脱水素反応に本発明の多管式触媒反応器を用いる場合に関して説明する。

図５に示すように、多管式触媒反応器１０は、反応器としての反応器本体１１と、反応器本体１１の図５では下側に取付けられた、原料の入口を有する入口板１２と、反応器本体１１の図５では上側に取付けられた、生成物の出口を有する出口板１３とを備えている。そして、この多管式触媒反応器１０では、入口板１２の入口から流入した原料（例えば有機ハイドライド）が反応器本体１１内で脱水素され、生成物および未反応物が出口板１３の出口から流出する。

ここで、反応器本体１１は、略円筒状で、その両端部にはフランジ部１６が設けられている。そして、反応器本体１１の内部空間１４には熱媒体が供給可能となっており、その内部空間１４およびフランジ部１６を貫通するように複数の反応管１５が設けられている。また、内部空間１４内には、任意に、反応管１５が気密に貫通する複数の邪魔板１７が互い違いの配置で設けられている。即ち、この邪魔板１７は一部に円弧状の切り欠きが設けられた略円形であり、１枚置きに切り欠きが互いに反対位置にくるように互いに所定間隔をおいて内部空間１４内を仕切っている。これにより、内部空間１４内での熱媒体の流路は屈曲し、熱媒体がジグザグに流れるようになっている。なお、図５中では、邪魔板１７は図示を一部省略している。

そして、反応器本体１１の内部空間には、例えば図示しないインラインバーナーから燃焼ガス等の熱媒体が供給されるが、この熱媒体の供給は、反応器本体１１に複数設けられた熱媒体供給管１８を介して行うことができる。この熱媒体供給管１８にはそれぞれ切替弁１９が設けられており、反応に必要な熱供給量、伝熱量、触媒の劣化等に応じて、熱媒体を複数の熱媒体供給管１８から導入したり、熱媒体の導入位置を切り替えたりすることで、反応条件（反応温度）の制御及び熱原単位の最適化が可能なようにされている。なお、供給された熱媒体は、反応管１５内の原料および生成物の流れと並流となる方向で内部空間１４内を流れ、反応器本体１１の上部に設けられた排出管２０から排出される。

また、反応器本体１１には、上述した触媒カートリッジ１が設置されている。具体的には、反応管１５内に触媒を充填した触媒カートリッジ１の内管４が挿通され、反応器本体１の図５では上側のフランジ部１６の上に触媒カートリッジ１のフランジ板２が載っている。そして、このフランジ板２は、フランジ部１６と出口板１３とで狭持されている。フランジ板２を狭持してフランジ部１６とフランジ板２との間の隙間をシールしない場合、多管式触媒反応器に供給された原料が内管４と反応管１５との間の隙間を通ってフランジ部１６とフランジ板２との間から流出（ショートパス）する恐れがあるからである。なお、フランジ部１６とフランジ板２との間の隙間のシールは、既知のパッキンを用いて行っても良い。また、この一例の多管式触媒反応器１０のように原料を上向流で流す場合には、触媒の流出を防止するために、フランジ板２の上部を覆って触媒の流出を防止する金網２１をフランジ部１６および出口板１３でフランジ板２と共に狭持しても良い。

このような多管式触媒反応器１０によれば、入口板１２の入口から供給した原料を、反応管１５内に設置された内管４に充填された触媒と接触させて脱水素し、生成物および未反応物を出口板１３の出口から取り出すことができる。なお、本例の多管式触媒反応器１０は縦置きであり、原料を上向流で供給しているが、本発明の多管式触媒反応器は、原料をダウンフローで供給しても良く、また、横置きとしても良い。更に、本発明においては、反応器本体、反応管、内管の形状は、円筒以外にも四角柱等の任意の形状とすることができる。

そして、上述した多管式触媒反応器１０では、触媒が経時劣化した場合、例えば以下のようにして触媒交換を行うことができる。

まず、事前に交換用の触媒カートリッジを準備しておく。具体的には、交換用触媒カートリッジに触媒を充填し、その交換用触媒カートリッジについて、別途用意した試験用の多管式触媒反応器にて各内管内の触媒充填状態の均一化（窒素または空気を流した際の各内管の差圧を圧力センサー等で測定し、各内管の差圧が均一となるように触媒充填量・充填状態を調整することなど）を予め行った後、例えば密閉容器に収納した状態で多管式触媒反応器１０の近傍まで運搬しておく。

そして、触媒を交換する際には、多管式触媒反応器１０の出口板１３を取り外し、例えばホイストを使用して、使用済の触媒カートリッジ１を多管式触媒反応器１０から取り出した後、交換用触媒カートリッジを設置する。

このようにすれば、反応管１５それぞれについて触媒の抜き出しおよび充填作業を行うことなく、短時間で触媒交換を実施することができる。また、交換用触媒カートリッジは内管内の触媒充填状態が均一となるように予め調整しているので、多管式触媒反応器１０への設置後にその場で触媒充填状態を調整する必要がなく、設置直後から実運転を開始することができる。なお、使用済の触媒カートリッジ１に充填されている使用済の触媒は、触媒カートリッジに充填したまま、或いは、抜き出してから再生し、再利用に供することができる。

なお、交換用触媒カートリッジの多管式触媒反応器１０への設置時には、交換用触媒カートリッジの内管が多管式触媒反応器１０の反応管１５内に確実に収容されるように、位置決め機構を利用しても良い。この位置決め機構としては、通常用いられているものを使用することができる。具体的には、例えば、多管式触媒反応器のフランジ部に突起を設けると共に、該突起に嵌合する溝と、触媒カートリッジのフランジ板と同じ位置に設けられた開口とを有する円盤状の位置決めプレートを用意し、触媒の設置時には、交換用触媒カートリッジの下端部で位置決めプレートの開口に内管に挿通した状態で、位置決めプレートの溝とフランジ部に設けられた突起とを嵌合させることで、交換用触媒カートリッジの設置位置の位置決めを行うことができる。

１ 触媒カートリッジ
２ フランジ板
２ａ，２ｂ 板
３ 開口
４ 内管
５ 網
１０ 多管式触媒反応器
１１ 反応器本体
１２ 入口板
１３ 出口板
１４ 内部空間
１５ 反応管
１６ フランジ部
１７ 邪魔板
１８ 熱媒体供給管
１９ 切替弁
２０ 排出管
２１ 金網
４１ フィン
４２ リング

Claims (3)

1. 熱媒体が供給される内部空間を有する反応器と、当該反応器の内部空間を貫通し、且つ、一端が反応器の原料入口に、他端が反応器の反応生成物出口に連通する複数の反応管とを備える多管式触媒反応器に用いられ、
   前記反応管のそれぞれに対応する位置に開口が設けられたフランジ部と、
   前記開口のそれぞれから延在して前記多管式触媒反応器への設置時には前記反応管内に収容される内管と、
   前記内管の前記フランジ部側とは反対側の端部に設けられて、当該内管内に充填される触媒を前記原料が流通可能なように支持する、触媒支持部と、
   を備える、触媒カートリッジ。
2. 熱媒体が供給される内部空間を有する反応器と、
   当該反応器の内部空間を貫通し、且つ、一端が反応器の原料入口に、他端が反応器の反応生成物出口に連通する複数の反応管と、
   前記内管内に触媒を充填した請求項１に記載の触媒カートリッジと、
   を備えており、前記触媒カートリッジは、触媒を充填した内管が前記反応管内に収容されるように設置されている、多管式触媒反応器。
3. 請求項２に記載の多管式触媒反応器において触媒を交換する方法であって、
   請求項１に記載の触媒カートリッジの内管内に触媒を充填する工程と、
   前記内管内の触媒充填状態を評価・調整し、交換用触媒カートリッジを準備する工程と、
   前記多管式触媒反応器に設置されている触媒カートリッジを取り出す工程と、
   前記触媒カートリッジを取り外した多管式触媒反応器に、触媒充填状態を調整した前記交換用触媒カートリッジを取付ける工程と、
   を含む、触媒交換方法。

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