JP2014144418A - リアクタ - Google Patents

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Abstract

【課題】伝熱隔壁の形状を工夫することで、伝熱隔壁に生じる熱応力を吸収し、伝熱隔壁の歪みを抑制する。
【解決手段】リアクタは、反応対象となる流体である反応流体が流通する反応側流路と、反応側流路と積層して設けられ、反応側流路を流通する反応流体と熱交換を行う熱媒体が流通する熱媒体側流路と、反応側流路と熱媒体側流路とを区画するとともに、当該反応側流路と当該熱媒体側流路との間で熱を伝達する伝熱隔壁１１０と、を備え、伝熱隔壁１１０には、反応側流路と熱媒体側流路との積層方向に隆起または陥没する熱延吸収部１５０が設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、熱交換型のリアクタに関する。
熱交換型のリアクタは、反応場となる反応側流路と、伝熱隔壁を隔てて反応側流路と並行して設けられ、当該反応側流路を流通する反応流体と熱交換を行う熱媒体が流通する熱媒体側流路とを備えており、反応側流路において効率よく反応を遂行することができるリアクタである。このような熱交換型のリアクタは、熱伝導性の高さから金属で構成されることが多く、流路間または流路から外部への流体の漏出（リーク）を防止するために、外周部を溶接等で接合している。
このような熱交換型のリアクタでは、反応側流路において発熱や吸熱が生じるため、反応側流路の入口の温度と反応側流路に反応流体を導入する導入路との温度や、反応側流路の出口の温度と反応側流路から反応流体を排出する排出路の温度に差が生じる。そうすると、反応側流路の入口と導入路との接合部や、反応側流路の出口と排出路との接合部に熱応力が生じ、接合部が歪んでしまうおそれがある。
そこで、反応側流路の入口と導入路との間、および、反応側流路の出口と排出路との間を波形管（フレキシブルチューブ）で接続することで、当該波形管によって熱応力を吸収する構成が開示されている（例えば、特許文献１）。
特表２０１０−５３２８５９号公報
しかし、上述した熱交換型のリアクタの反応側流路においては、吸熱反応や発熱反応が遂行されることとなるが、反応側流路の入口と導入路や、反応側流路の出口と排出路のみならず、反応側流路自体にも流路方向に温度差（温度勾配）が生じる。具体的に説明すると、反応側流路において吸熱反応が遂行される場合、出口側（下流側）の温度が入口側（上流側）の温度より高くなり、反応によっては、２５０℃程度の差が生じる。また、反応側流路において発熱反応が遂行される場合、入口側の温度が出口側の温度より高くなり、反応によっては、２５０℃程度の差が生じる。
そうすると、反応側流路と熱媒体側流路とを区画する伝熱隔壁に熱応力が作用するが、リアクタの外周部は接合されているため、伝熱隔壁や接合部に歪みが生じるおそれがあった。
そこで本発明は、このような課題に鑑み、伝熱隔壁の形状を工夫することで、伝熱隔壁に生じる熱応力を吸収し、伝熱隔壁の歪み（ガタ）を抑制することが可能なリアクタを提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明のリアクタは、反応対象となる流体である反応流体が流通する反応側流路と、反応側流路と積層して設けられ、反応側流路を流通する反応流体と熱交換を行う熱媒体が流通する熱媒体側流路と、反応側流路と熱媒体側流路とを区画するとともに、当該反応側流路と当該熱媒体側流路との間で熱を伝達する伝熱隔壁と、を備え、伝熱隔壁には、反応側流路と熱媒体側流路との積層方向に隆起または陥没する熱延吸収部が設けられていることを特徴とする。
また、熱延吸収部は伝熱隔壁に複数設けられ、熱延吸収部は、反応側流路の入口および出口のうち相対的に高温側に多く設けられているとしてもよい。
また、熱延吸収部は伝熱隔壁に複数設けられ、反応側流路の入口および出口のうち相対的に高温側に位置する熱延吸収部は、相対的に低温側に位置する熱延吸収部よりも大きいとしてもよい。
また、熱延吸収部は伝熱隔壁に複数設けられ、反応側流路の入口および出口のうち相対的に高温側において、相対的に低温側よりも、隣接する熱延吸収部同士の間隔が短いとしてもよい。
本発明によれば、伝熱隔壁の形状を工夫することで、伝熱隔壁に生じる熱応力を吸収し、伝熱隔壁の歪みを抑制することが可能となる。
リアクタを説明するための図である。 反応側流路および熱媒体側流路を説明するための図である。 リアクタでメタンの水蒸気改質反応を行った場合の反応流体、熱媒体、伝熱隔壁の温度を説明するための図である。 伝熱隔壁を説明するための図である。 熱延吸収部およびリブの構成を説明するための図である。 変形例にかかる熱延吸収部を説明するための図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
（リアクタ１００）
図１は、本実施形態にかかるリアクタ１００を説明するための図であり、図２は、反応側流路２１０および熱媒体側流路２２０を説明するための図である。本実施形態の図１および図２では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。また、図１中、理解を容易にするために触媒板１４０の記載を省略する。
図１に示すようにリアクタ１００は、伝熱隔壁１１０が予め定められた間隔離隔して複数積層された構造となっている。また、リアクタ１００を構成する上面１０２、伝熱隔壁１１０（１１０ａ、１１０ｂで示す場合もある）、反応流体導入部１２０、反応流体排出部１２２、熱媒体導入部１３０、熱媒体排出部１３２はすべて金属材料（例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）２３０）等の耐熱金属）で形成されている。
リアクタ１００を製造する場合、伝熱隔壁１１０を積層してそれぞれを接合するとともに、上面１０２を伝熱隔壁１１０に接合する。そして、反応流体導入部１２０、反応流体排出部１２２、熱媒体導入部１３０、熱媒体排出部１３２を積層された伝熱隔壁１１０にそれぞれ接合する。リアクタ１００を製造する際に用いる接合方法に限定はないが、例えば、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接や拡散接合が利用できる。
ここで、伝熱隔壁１１０によって区画される空間のうち、反応流体導入部１２０および反応流体排出部１２２側に形成された孔２１０ａを介して、反応流体導入部１２０および反応流体排出部１２２と連通した空間が反応側流路２１０となる。また、伝熱隔壁１１０によって区画される空間のうち、熱媒体導入部１３０および熱媒体排出部１３２側に形成された孔２２０ａを介して、熱媒体導入部１３０および熱媒体排出部１３２と連通した空間が熱媒体側流路２２０となる。本実施形態のリアクタ１００では、反応側流路２１０と熱媒体側流路２２０とが伝熱隔壁１１０に区画されて並行して設けられるとともに、反応側流路２１０と熱媒体側流路２２０とが交互に積層された構造となっている。
具体的に説明すると、図２（ａ）に示すように、熱媒体側流路２２０は、底面が伝熱隔壁１１０（図２（ａ）中、１１０ａで示す）で構成される。また、熱媒体側流路２２０の上面は上面１０２もしくは後述する伝熱隔壁１１０（図２（ｂ）中、１１０ｂで示す）で構成される。伝熱隔壁１１０ａには、伝熱隔壁１１０間の間隙を保持するためのリブ１１２が複数設けられている。さらに、伝熱隔壁１１０ａには、リアクタ１００の側壁を構成する側壁部１１４と、反応流体導入部１２０からの反応流体の混入を防止するためのサイドバー１１６とが設けられている。また、側壁部１１４のうち、熱媒体導入部１３０および熱媒体排出部１３２が接合される側の側壁部１１４には、切り欠き１１４ａが設けられており、伝熱隔壁１１０が積層されたときに、当該切り欠き１１４ａが孔２２０ａを形成することとなる。そして、熱媒体導入部１３０から孔２２０ａを介して熱媒体側流路２２０内へ熱媒体が導入されたり、熱媒体側流路２２０内から孔２２０ａを介して熱媒体排出部１３２へ熱媒体が排出されたりする。
反応側流路２１０は、図２（ｂ）に示すように、底面が伝熱隔壁１１０ｂで構成される。また、反応側流路２１０の上面は、伝熱隔壁１１０ａで構成される。伝熱隔壁１１０ｂにも、上記伝熱隔壁１１０ａと同様に伝熱隔壁１１０間の間隙を保持するための複数のリブ１１２と、側壁部１１４とが設けられている。なお、伝熱隔壁１１０ｂには、伝熱隔壁１１０ａと異なり、サイドバー１１６が設けられていないため、両側壁部１１４間に間隙１１４ｂが形成されることとなる。間隙１１４ｂは、伝熱隔壁１１０が積層されたときに、孔２１０ａを形成する。そして、反応流体導入部１２０から孔２１０ａを介して反応側流路２１０内へ反応流体が導入されたり、反応側流路２１０内から孔２１０ａを介して反応流体排出部１２２へ反応生成物が排出されたりする。また、反応側流路２１０には、波板形状（コルゲート形状）の金属板に触媒（活性金属）が担持された触媒板１４０が設置される。
ここで、触媒は、反応側流路２１０において遂行される反応に適した触媒であり、例えば、反応側流路２１０において遂行される反応が、メタンの水蒸気改質反応である場合、Ｎｉ（ニッケル）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｐｔ（白金）の群から選択される１または複数の金属である。
図１に戻って説明すると、熱媒体導入部１３０から熱媒体が導入されると、図１（ａ）中実線の矢印で示すように、熱媒体側流路２２０を熱媒体が流通し、熱媒体排出部１３２から排出される。また、反応流体導入部１２０から反応流体（反応対象となる流体）が導入されると、図１（ｂ）中破線の矢印で示すように、反応側流路２１０を反応流体が流通し、反応流体排出部１２２から排出される。なお、図１に示すように、本実施形態において、反応流体と熱媒体とは、対向流の関係となっている。
このように、反応側流路２１０と熱媒体側流路２２０とが伝熱隔壁１１０に区画されて並行して設けられることから、伝熱隔壁１１０は、熱媒体側流路２２０を流れる熱媒体の熱を当該反応側流路２１０に伝達する。換言すれば、熱媒体側流路２２０を流通する熱媒体は、伝熱隔壁１１０を介して、反応側流路２１０を流通する反応流体と熱交換することとなる。
また、本実施形態にかかるリアクタ１００の寸法は、例えば、図１中Ｘ軸方向の距離が１ｍ程度、図１中Ｙ軸方向の距離が１ｍ程度、伝熱隔壁１１０間の離隔距離が数ｍｍ程度である。なお、図１では、理解を容易にするために、図１中Ｘ軸方向の距離およびＹ軸方向の距離と比較して、伝熱隔壁１１０間の離隔距離を大きく示している。
このような熱交換型のリアクタ１００のうち、流路断面の少なくとも１辺が数ｍｍ程度のリアクタ１００や、１ｍｍ未満のマイクロリアクタ（microreactor）等の微小な空間を反応場とするリアクタ１００（コンパクトリアクタ）は、単位体積あたりの比表面積が大きいため、伝熱効率が高く、反応速度や収率を向上させることができる。また、対流や拡散態様を任意に構成することで迅速混合や能動的に濃度分布をつける制御が可能であることから、反応を厳密に制御することが可能となる。
熱交換型のリアクタ１００の反応側流路２１０においては、吸熱反応や発熱反応が遂行されることとなり、反応側流路２１０自体や熱媒体側流路２２０自体に、流路方向に温度差（温度勾配）が生じる。
図３は、リアクタ１００でメタンの水蒸気改質反応を行った場合の反応流体、熱媒体、伝熱隔壁１１０の温度を説明するための図である。メタンの水蒸気改質反応は、下記化学式（１）で示される。
ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ → ３Ｈ２ ＋ ＣＯ…化学式（１）
上記化学式（１）に示す、メタンの水蒸気改質反応は、エンタルピー変化（ΔＨ０ ２９８）が−２０６ｋＪ／ｍｏｌ程度の吸熱反応である。
したがって、反応側流路２１０における反応流体の温度推移は、図３に破線で示すように、反応側流路２１０の入口側で４５０℃程度と最低となり、出口側で８００℃程度と最高となる。これは、反応側流路２１０に導入されたばかりの反応流体には未反応の物質が相対的に多く含まれるため反応頻度が高くなるのに対し、反応側流路２１０の出口側では、未反応の物質が目的とする反応生成物に変換され相対的に少なくなっているため反応頻度が低くなるからである。
一方、熱媒体側流路２２０における熱媒体の温度推移は、図３に一点鎖線で示すように、熱媒体側流路２２０の入口付近で８００℃程度と最高となり、出口付近で６００℃程度と最低となる。これは、熱媒体側流路２２０には相対的に高温の熱媒体が導入され、熱媒体側流路２２０を流通する間に当該熱媒体側流路２２０に隣接した反応側流路２１０に伝熱されるためである。
また、上述したように、本実施形態のリアクタ１００では、反応流体と熱媒体との流れ方向が対向しているため、熱媒体側流路２２０の入口側が反応側流路２１０の出口側に隣接し、熱媒体側流路２２０の出口側が反応側流路２１０の入口側に隣接している。したがって、熱媒体側流路２２０における熱媒体の温度推移は、反応頻度が低い反応側流路２１０の出口側に隣接した熱媒体側流路２２０の入口側では、反応流体による吸熱程度が低く、反応頻度が高い反応側流路２１０の入口側に隣接した熱媒体側流路２２０の出口側では、反応流体による吸熱程度が高くなることにも起因する。
このように反応側流路２１０と熱媒体側流路２２０とにおいて流路方向に温度勾配が生じるため、図３に実線で示すように、伝熱隔壁１１０の温度も反応側流路２１０の入口側から出口側に向かうに従って、例えば、５５０℃程度から８００℃程度まで２５０℃程度上昇する。したがって、伝熱隔壁１１０は、流路方向に２５０℃程度の差が生じる。
そうすると、反応側流路２１０と熱媒体側流路２２０とを区画する伝熱隔壁１１０に熱応力がかかる。上述したように、伝熱隔壁１１０の外周は、側壁部１１４同士やサイドバー１１６同士が接合されているため、伝熱隔壁１１０に熱応力が作用すると伝熱隔壁１１０や接合部（側壁部１１４同士の接合部、サイドバー１１６同士の接合部）に歪みが生じるおそれがある。
例えば、伝熱隔壁をステンレス鋼で形成する場合、伝熱隔壁の線膨張係数（α）は１６×１０−６（１／Ｋ）である。そして、伝熱隔壁の流路方向の温度差（ΔＴ）が２５０（Ｋ）であり、伝熱隔壁の図１中Ｘ軸方向の幅（Ｌ）が１ｍとすると、伝熱隔壁の熱延び（ＬαΔＴ）は、０．００４ｍ、すなわち図１中Ｘ軸方向に（流路方向に）４ｍｍ程度熱延びしてしまう。
そこで、本実施形態では、伝熱隔壁１１０の形状を工夫して、伝熱隔壁１１０に生じる熱応力を吸収する。
図４は、本実施形態にかかる伝熱隔壁１１０を説明するための図であり、図５は、熱延吸収部１５０およびリブ１１２の構成を説明するための図である。また、図５（ａ）は、図４における熱延吸収部１５０付近のＸＺ断面図を示し、図５（ｂ）は、図４（a）のＡＡ線のＸＺ断面図を示す。
図４および図５（ａ）に示すように、伝熱隔壁１１０ａ、１１０ｂには、反応側流路２１０と熱媒体側流路２２０との積層方向に隆起または陥没する熱延吸収部１５０を有する。熱延吸収部１５０は、伝熱隔壁１１０にプレス加工を施すことによって形成される。ここで、熱延吸収部１５０の径は、実質的に全て等しく、例えば、伝熱隔壁１１０の厚み（図５（ａ）中、Ｚ軸方向の厚み）以上とする。熱延吸収部１５０の径を伝熱隔壁１１０の厚み以上とする構成により、加工が容易となる。
このように、伝熱隔壁１１０が熱延吸収部１５０を備える構成により、熱延吸収部１５０における図５（ａ）中破線の丸で囲んだ部分が、伝熱隔壁１１０に生じた熱応力を吸収することができる。したがって、伝熱隔壁１１０全体が流路方向（図４中Ｘ軸方向）に延伸してしまう事態を回避することが可能となる。
また、図４（ａ）に示すように、熱媒体側流路２２０の底面を構成する伝熱隔壁１１０ａに設けられる熱延吸収部１５０は、熱媒体側流路２２０の入口および出口のうち相対的に高温側（ここでは、入口）に多く設けられている。ここで、伝熱隔壁１１０ａは、熱媒体側流路２２０の底面を構成するとともに反応側流路２１０の上面を構成することから、熱延吸収部１５０は、反応側流路２１０の入口および出口のうち相対的に高温側（ここでは、出口）に多く設けられているとも言える。
また、図４（ｂ）に示すように、反応側流路２１０の底面を構成する伝熱隔壁１１０ｂに設けられる熱延吸収部１５０は、反応側流路２１０の入口および出口のうち相対的に高温側（ここでは、出口）に多く設けられている。ここで、伝熱隔壁１１０ｂは、反応側流路２１０の底面を構成するとともに熱媒体側流路２２０の上面を構成することから、熱延吸収部１５０は、熱媒体側流路２２０の入口および出口のうち相対的に高温側（ここでは、入口）に多く設けられているとも言える。
このように、反応側流路２１０の入口および出口のうち相対的に高温側に、熱延吸収部１５０の数を多く設けることにより、熱延びが生じやすい相対的に温度が高い部分の熱応力を効率よく吸収することが可能となる。
また、図４（ｂ）に示すように、反応側流路２１０の底面を構成する伝熱隔壁１１０ｂのリブ１１２には、触媒板１４０の移動を規制するための規制部１１２ａが設けられている。規制部１１２ａを備える構成により、反応流体の流れ方向の触媒板１４０の移動を規制することが可能となる。
また、図５（ｂ）に示すように、本実施形態において、リブ１１２は、全体に亘って伝熱隔壁１１０ａに接合されている訳ではなく、例えば、リブ１１２の図５（ｂ）中Ｘ軸方向の長さＱの１／３程度のみが接合されている。また、リブ１１２における伝熱隔壁１１０ａとの接合部分は、反応側流路２１０の入口から出口のうち相対的に低温側に配される。つまり、反応側流路２１０の入口から出口のうち相対的に高温側において、リブ１１２は、伝熱隔壁１１０ａに接合されておらず、当接しているのみである。
かかる構成により、伝熱隔壁１１０ａにおける相対的に温度が高い部分で発生する熱応力がリブ１１２にかかってしまう事態を回避することが可能となる。なお、伝熱隔壁１１０ｂのリブ１１２も伝熱隔壁１１０ａのリブ１１２と実質的に同様の接合態様であるため、重複説明を省略する。
以上説明したように、本実施形態にかかるリアクタ１００によれば、伝熱隔壁１１０に熱延吸収部１５０を設けることにより、伝熱隔壁１１０に生じる熱応力を吸収し、伝熱隔壁１１０の歪みを抑制することが可能となる。
なお、上述した、反応側流路２１０の入口および出口のうち相対的に高温側に、熱延吸収部１５０を多く設ける構成以外の構成でも、熱延びが生じやすい、相対的に温度が高い部分の熱応力を効率よく吸収することが可能である。続いて、熱延吸収部１５０の他の例について説明する。
（変形例）
図６は、変形例にかかる熱延吸収部１５０を説明するための図である。なお、ここでは、伝熱隔壁１１０ｂについて説明し、実質的に構成が等しい伝熱隔壁１１０ａについての説明を省略する。
図６（ａ）に示すように、伝熱隔壁１１０ｂにおいて、反応側流路２１０の入口および出口のうち相対的に高温側に位置する熱延吸収部１５０は、相対的に低温側に位置する熱延吸収部１５０よりも大きく形成される。
また、図６（ｂ）に示すように、伝熱隔壁１１０ｂにおいて、反応側流路２１０の入口および出口のうち相対的に高温側において、相対的に低温側よりも、隣接する熱延吸収部１５０同士の間隔を短く形成する。
これらの構成によっても、熱延びが生じやすい相対的に温度が高い部分の熱応力を効率よく吸収することが可能である。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上述した実施形態では、反応流体と熱媒体との差圧が相対的に大きいため伝熱隔壁１１０がリブ１１２を備える構成について説明したが、反応流体と熱媒体との差圧が相対的に小さい場合には、リブ１１２は必須ではない。
また、上述した実施形態において、反応流体と熱媒体とを対向流として熱交換させるリアクタ１００を例に挙げて説明したが、反応流体と熱媒体とを平行流として熱交換させるリアクタであってもよい。
また、上述した実施形態では、リアクタ１００が吸熱反応を遂行する場合を例に挙げて説明したが、発熱反応を遂行してもよい。発熱反応を遂行する場合であっても、反応側流路２１０の入口および出口のうち相対的に高温側に、伝熱隔壁１１０の熱延吸収部１５０の数を相対的に多くしたり、相対的に高温側に位置する熱延吸収部１５０の大きさを相対的に大きくしたり、相対的に高温側に位置する熱延吸収部１５０同士の間隔を相対的に低温側に位置する熱延吸収部１５０同士の間隔よりも短くしたりすればよい。
本発明は、熱交換型のリアクタに利用することができる。
１００ …リアクタ
１１０ …伝熱隔壁
１５０ …熱延吸収部
２１０ …反応側流路
２２０ …熱媒体側流路

Claims (4)

  1. 反応対象となる流体である反応流体が流通する反応側流路と、
    前記反応側流路と積層して設けられ、該反応側流路を流通する反応流体と熱交換を行う熱媒体が流通する熱媒体側流路と、
    前記反応側流路と前記熱媒体側流路とを区画するとともに、当該反応側流路と当該熱媒体側流路との間で熱を伝達する伝熱隔壁と、
    を備え、
    前記伝熱隔壁には、前記反応側流路と前記熱媒体側流路との積層方向に隆起または陥没する熱延吸収部が設けられていることを特徴とするリアクタ。
  2. 前記熱延吸収部は前記伝熱隔壁に複数設けられ、
    前記熱延吸収部は、前記反応側流路の入口および出口のうち相対的に高温側に多く設けられていることを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
  3. 前記熱延吸収部は前記伝熱隔壁に複数設けられ、
    前記反応側流路の入口および出口のうち相対的に高温側に位置する前記熱延吸収部は、相対的に低温側に位置する該熱延吸収部よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のリアクタ。
  4. 前記熱延吸収部は前記伝熱隔壁に複数設けられ、
    前記反応側流路の入口および出口のうち相対的に高温側において、相対的に低温側よりも、隣接する前記熱延吸収部同士の間隔が短いことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のリアクタ。
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