JP2015150471A - Fluid bed reaction system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流動媒体の流動層を用いて反応を遂行する流動層反応システムに関する。 The present invention relates to a fluidized bed reaction system that performs a reaction using a fluidized bed of a fluidized medium.
熱を利用して反応を進行させる反応器として、流動層反応器(例えば、特許文献1)が利用されている。流動層反応器は、内部に流動媒体を収容しており、底部から流動化ガスとしての原料ガスが導入されることで、当該原料ガスによって内部に流動媒体の流動層が形成される。そして、流動層反応器の外部から側壁を通じて流動層反応器内に熱を加えることで流動媒体が加熱され、当該流動媒体が有する熱で原料ガスを反応させて反応生成物が生成される。 A fluidized bed reactor (for example, Patent Document 1) is used as a reactor for proceeding the reaction using heat. The fluidized bed reactor contains a fluidized medium inside, and a fluidized bed of fluidized medium is formed inside the raw material gas by introducing a raw material gas as a fluidizing gas from the bottom. Then, the fluidized medium is heated by applying heat from the outside of the fluidized bed reactor through the side wall into the fluidized bed reactor, and the raw material gas is reacted with the heat of the fluidized medium to generate a reaction product.
流動層反応器においては、遂行される反応によって、固体の反応生成物が得られる場合がある。上述したように流動層反応器は、側壁を通じて外部から内部へ加熱されるため、流動層反応器の側壁の内面が最も高温となる。したがって、側壁の内面において最も反応が進行することとなり、生成された反応生成物が固着してしまう。側壁の内面に反応生成物が固着すると、側壁を通じた外部からの伝熱効率が低下し、反応効率が低下してしまうという課題がある。 In a fluidized bed reactor, a solid reaction product may be obtained depending on the reaction performed. As described above, since the fluidized bed reactor is heated from the outside to the inside through the side wall, the inner surface of the side wall of the fluidized bed reactor has the highest temperature. Therefore, the reaction proceeds most on the inner surface of the side wall, and the generated reaction product is fixed. When the reaction product adheres to the inner surface of the side wall, there is a problem that the heat transfer efficiency from the outside through the side wall is lowered and the reaction efficiency is lowered.
そこで本発明は、このような課題に鑑み、流動層反応器に導入する流動化ガスの流速を制御して、流動媒体の流れを工夫することで、側壁の内面への反応生成物の固着を抑制することが可能な流動層反応システムを提供することを目的としている。 Therefore, in view of such problems, the present invention controls the flow rate of the fluidizing gas introduced into the fluidized bed reactor and devise the flow of the fluidized medium to fix the reaction product to the inner surface of the side wall. It aims at providing the fluidized bed reaction system which can be suppressed.
上記課題を解決するために、本発明の流動層反応システムは、原料ガスを加熱して生成ガスを製造する流動層反応システムであって、固体粒子で構成された流動媒体が収容される流動層反応器と、流動層反応器の底部に形成されたガス導入口から少なくとも原料ガスを含む流動化ガスを導入して、流動媒体が流動化ガス中に浮遊した状態である流動層を流動層反応器内に形成するガス導入部と、流動層反応器を構成する側壁の外方から、流動層反応器内の流動媒体を加熱する加熱部と、流動層反応器に導入した流動化ガスの流速が、流動層反応器の中心側よりも側壁側の方が大きくなるようにガス導入部を制御する制御部と、を備え、制御部は、流動層反応器の中心側に導入した流動化ガスの流速が、流動媒体が静止した状態である固定層から流動層へ移行させる流動化ガスの流速である最小流動化速度以上となり、流動層反応器の側壁側に導入した流動化ガスの流速が、流動層から流動媒体が流動化ガスとともに飛散する状態である輸送層へ移行させる流動化ガスの流速である終端速度未満となるようにガス導入部を制御することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a fluidized bed reaction system of the present invention is a fluidized bed reaction system for producing a product gas by heating a raw material gas, and a fluidized bed in which a fluid medium composed of solid particles is accommodated. A fluidized bed reaction is performed in a fluidized bed in which a fluidized medium is suspended in the fluidized gas by introducing a fluidized gas containing at least a raw material gas from a reactor and a gas inlet formed at the bottom of the fluidized bed reactor. A gas introduction section formed in the reactor, a heating section for heating the fluidized medium in the fluidized bed reactor from the outside of the side wall constituting the fluidized bed reactor, and a flow rate of the fluidized gas introduced into the fluidized bed reactor A control unit that controls the gas introduction unit so that the side wall side is larger than the center side of the fluidized bed reactor, and the control unit is a fluidized gas introduced to the center side of the fluidized bed reactor. The flow rate of the fixed bed where the fluid medium is stationary In the state where the fluidization gas flow rate introduced into the side wall of the fluidized bed reactor is greater than the minimum fluidization velocity that is the flow velocity of the fluidized gas transferred to the fluidized bed, and the fluidized medium is scattered from the fluidized bed together with the fluidized gas. The gas introduction unit is controlled to be less than the terminal velocity which is the flow velocity of the fluidized gas to be transferred to a certain transport layer.
また、流動層反応器内に設けられ、流動媒体の循環を促す整流板を備えるとしてもよい。 Moreover, it is good also as providing the baffle plate provided in a fluidized bed reactor and encouraging circulation of a fluidized medium.
また、流動層反応器内の水平断面積は、下方から上方に向かうに従って漸減するとしてもよい。 Further, the horizontal cross-sectional area in the fluidized bed reactor may be gradually decreased from the lower side to the upper side.
また、ガス導入部は、流動層反応器の底部のうち、中心側より側壁側に設けられたガス導入口から、流動化ガスとして、生成ガス、または、不活性ガスを導入するとしてもよい。 In addition, the gas introduction part may introduce a production gas or an inert gas as a fluidizing gas from a gas introduction port provided on the side wall side from the center side in the bottom part of the fluidized bed reactor.
また、原料ガスはメタンであり、生成ガスは水素であり、流動媒体は、メタンから水素への分解反応を促進する触媒であるとしてもよい。 In addition, the source gas may be methane, the generated gas may be hydrogen, and the fluid medium may be a catalyst that promotes a decomposition reaction from methane to hydrogen.
本発明によれば、側壁の内面への反応生成物の固着を抑制することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to suppress sticking of the reaction product to the inner surface of the side wall.
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。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the embodiments are merely examples for facilitating the understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and elements not directly related to the present invention are not illustrated. To do.
(第1の実施形態:流動層反応システム100)
図1は、第1の実施形態にかかる流動層反応システム100を説明するための図であり、図2は、図1のII−II線断面を上面視した図である。本実施形態の図1、図2では、垂直に交わるX軸(水平方向)、Y軸(水平方向)、Z軸(鉛直方向)を図示の通り定義している。また、図1中、ガスの流れを実線の矢印で、信号の流れを破線の矢印で示す。なお、ここでは、流動層反応システム100を利用し、下記式(1)に示す反応に基づいて原料ガスとしてのメタン(CH4)から生成ガスとしての水素(H2)を製造する構成を例に挙げて説明する。
CH4(気体) → 2H2(気体) + C(固体)
…式(1)
(First embodiment: fluidized bed reaction system 100)
FIG. 1 is a diagram for explaining a fluidized
CH 4 (gas) → 2H 2 (gas) + C (solid)
... Formula (1)
流動層反応器110には、固体粒子で構成された流動媒体として、上記式(1)に示すメタンから水素への分解反応(以下、熱分解反応と称する)を促進する触媒(例えば、カーボンブラック)が収容されている。また、流動層反応器110内には、鉛直方向(図1〜図3中、Z軸方向)に延伸した整流板114が設けられる。
The fluidized
整流板114は、流動層反応器110を構成する、天板112a、側壁112b、底部112cの少なくともいずれかの一部に固定されているものの、図1に示すように、整流板114の下方と上方において流動媒体が流動可能な固定構造で流動層反応器110内に配される。また、図1、図2に示すように、流動層反応器110内の中央部分は、整流板114によって、中心側の内部屋110Aと、側壁112b側の外部屋110Bとに区画される。具体的に説明すると、内部屋110Aは、整流板114に囲繞された領域であり(図1中、破線で囲繞した領域)、鉛直方向の長さは、整流板114と実質的に等しい。また、外部屋110Bは、整流板114と側壁112bとに囲繞された領域(図1中、破線で囲繞した領域)であり、鉛直方向の長さは、整流板114と実質的に等しい。
Although the rectifying
なお、本実施形態において、内部屋110Aの水平断面積(図1〜図3、XY断面積)を、外部屋110Bの水平断面積より大きくし、内部屋110A(流動層反応器110の中心側)および内部屋110Aの鉛直上方の部分と鉛直下方の部分において主に熱分解反応が遂行されるように構成している。
In the present embodiment, the horizontal sectional area of the
図1に戻って説明すると、流動層反応器110の下方には、風箱120A、120Bが設けられており、ガス導入部130によって、風箱120Aを通じて内部屋110A内に少なくとも原料ガスを含む流動化ガスが導入されるとともに、風箱120Bを通じて外部屋110B内に、同流動化ガスが導入される。
Referring back to FIG. 1,
ガス導入部130は、風箱120Aに接続された配管132Aと、配管132A上に設けられたバルブ134Aと、風箱120Bに接続された配管132Bと、配管132B上に設けられたバルブ134Bと、配管132A、132Bに流動化ガスを供給する流動化ガス供給源136とを含んで構成される。
The
流動層反応システム100を運転する際には、後述する制御部150によってガス導入部130が制御され、ガス導入部130によって、流動化ガスが風箱120A、120Bに導入される。導入された流動化ガスは、風箱120A、120Bに一時的に貯留され、この風箱120A、120Bに貯留された流動化ガスが、流動層反応器110の底部112cに配されたノズル116に形成されたガス導入口116aから当該流動層反応器110内に導入される。このように、流動層反応器110に収容されている流動媒体に流動化ガスを導入することにより、流動層反応器110内において流動媒体の流動層が形成されることとなる。
When operating the fluidized
ここで、固体粒子で構成された流動媒体の下方から流動化ガスを導入した場合の流動媒体の状態について説明すると、流動化ガスの流速が小さく流動化ガスが流動媒体の間隙を流れるものの流動媒体が静止した状態を固定層と呼び、流動化ガスの流速が固定層の場合より大きく流動媒体が流動化ガス中に浮遊した状態を流動層と呼び、流動化ガスの流速が流動層の場合より大きく流動媒体が流動化ガスとともに飛散する状態を輸送層と呼ぶ。 Here, the state of the fluidized medium when the fluidized gas is introduced from below the fluidized medium composed of solid particles will be described. Although the fluidized gas has a small flow velocity, the fluidized gas flows through the gap between the fluidized media. The stationary state is called a fixed bed, the flow rate of fluidized gas is larger than that of the fixed bed, and the fluidized medium is suspended in the fluidized gas is called fluidized bed, and the flow rate of the fluidized gas is higher than that of the fluidized bed. A state in which the fluid medium is largely scattered with the fluidizing gas is called a transport layer.
加熱部140は、流動層反応器110の側壁112bの外方から、流動層反応器110内の流動媒体を加熱する。
The
加熱部140によって流動媒体が加熱されると、流動層反応器110内で熱分解反応が遂行され、生成ガスとしての水素と、固体炭素が生成されることとなる。こうして生成された水素は、流動層反応器110における流動層より上方(ここでは、流動層反応器110の天板112a)に形成されたガス排出口118を通じて外部に排出される。また、生成された固体炭素は、流動層反応器110内に留まり、熱分解反応を促進する触媒として、また、流動媒体として機能する。
When the fluidized medium is heated by the
制御部150は、CPU(中央処理装置)を含む半導体集積回路で構成され、ROMからCPU自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのRAMや他の電子回路と協働して流動層反応システム100全体を管理および制御する。本実施形態において、制御部150は、ガス導入部130を構成するバルブ134A、134Bの開度制御を遂行して、流動層反応器110に導入した流動化ガスの流速が、流動層反応器110の中心側よりも側壁112b側の方が大きくなるようにガス導入部130を制御する。
The
本実施形態において、内部屋110Aには、風箱120Aを通じて流動化ガスが導入され、外部屋110Bには風箱120Bを通じて流動化ガスが導入される。したがって、制御部150は、バルブ134A、134Bの開度を制御することで、外部屋110B(流動層反応器110の側壁112b側)に導入した流動化ガスの流速を、内部屋110A(中心側)に導入した流動化ガスの流速よりも大きくすることができる。ここで、流速は、単位時間あたりに流動層反応器110の単位断面積(ここでは、XY断面積)を通過するガスの量を示し、空塔速度(体積流量(m3/s)/断面積(m2))と言われる速度である。
In the present embodiment, the fluidizing gas is introduced into the
具体的に説明すると、制御部150は、風箱120Bから外部屋110Bに導入した流動化ガスの流速が、終端速度Ut未満となるようにバルブ134Bの開度を制御する。また、制御部150は、風箱120Aから内部屋110Aに導入した流動化ガスの流速が、最小流動化速度Umf以上となるようにバルブ134Aの開度を制御する。ここで、終端速度Utは、流動層から輸送層へ移行させる流速、すなわち、流動層を維持できなくなる(輸送層を維持するための)流速の最小値である。また、最小流動化速度Umfは、固定層から流動層へ移行させる流速、すなわち、流動層を維持するための(固定層を維持できなくなる)流速の最小値である。
Specifically, the
なお、流動層反応器110内の流動媒体全体の流速は、風箱120Bから外部屋110Bに導入した流動化ガスの流速と、風箱120Aから内部屋110Aに導入した流動化ガスの流速との平均値となるため、制御部150は、その平均値が適切な流速(バブリング速度)となるように、内部屋110Aに導入した流動化ガスの流速および外部屋110Bに導入した流動化ガスの流速を調整する。
The flow rate of the entire fluidized medium in the
図3は、流動媒体の流れを説明するための図であり、図3(a)は本実施形態にかかる流動層反応システム100における流動媒体の流れを、図3(b)は比較例の流動層反応システム10における流動媒体の流れを示す。本実施形態の図3では、垂直に交わるX軸(水平方向)、Y軸(水平方向)、Z軸(鉛直方向)を図示の通り定義している。また、図3中、流動媒体の流れを太線の矢印で示す。
FIG. 3 is a diagram for explaining the flow of the fluidized medium. FIG. 3A shows the flow of the fluidized medium in the fluidized
制御部150が上記流速で流動化ガスを導入することで、流動層反応器110内で流動層を維持したまま、図3(a)に示すように、流動媒体を、外部屋110Bから内部屋110Aに向けて循環させることが可能となる。
When the
仮に、流動層反応器110内で流動媒体を循環させずに流動層を維持する場合、外部屋110B(側壁112b側)は内部屋110A(中心側)よりも加熱部140と近い距離に位置するため、内部屋110Aよりも外部屋110Bの方(特に側壁112bの内面112d近傍)が局所的に高温場となる。そうすると、側壁112bの内面112d近傍において熱分解反応の進行程度が大きくなり、反応生成物としての固体炭素が多く生成される。したがって、流動層反応システム100の運転を継続すると、固体炭素が、側壁112bの内面112dに固着し易くなる。側壁112bの内面112dに固体炭素が固着すると、加熱部140による流動媒体への伝熱効率が低下し、熱分解反応の反応効率が低下してしまう。
If the fluidized bed is maintained without circulating the fluidized medium in the
そこで、制御部150が流動層反応器110に導入する流動化ガスの流速を上記のように制御して、流動層反応器110内で流動媒体を循環させる構成により、外部屋110Bの高温の流動媒体を内部屋110Aに循環させることができる。これにより、局所的に高温場が形成される事態を回避することができ、すなわち、側壁112bの内面112d近傍のみで偏って熱分解反応が進行してしまう事態を回避することができ、内面112dへの固体炭素の固着を低減することが可能となる。
Therefore, the
さらに、本実施形態の流動層反応システム100は、流動層反応器110内に整流板114を備えている。制御部150が流動層反応器110に導入する流動化ガスの流速を上記のように制御することで、整流板114を備えずとも、流動媒体を循環させることはできるが、内部屋110A、外部屋110B間で流動媒体が水平方向(図3中、X方向やY方向)へ移動する。そうすると、流動媒体の循環(内部屋110Aで下降流となり、外部屋110Bで上昇流となる循環)が一部阻害されてしまう。そこで、流動層反応器110内に整流板114を備えることで、流動媒体の良好な循環を促すことができ、局所的な高温場の形成を抑制して、側壁112bの内面112dへの固体炭素の固着を低減することが可能となる。
Furthermore, the fluidized
また、図3(a)に示すように、本実施形態の流動層反応システム100では、流動媒体の流れを、外部屋110B(流動層反応器110の側壁112b側)において上昇流とし、内部屋110A(中心側)において下降流として、流動媒体を、外部屋110Bから内部屋110Aに向けて循環させている。
In addition, as shown in FIG. 3A, in the fluidized
仮に、流動媒体の循環の方向を逆にした流動層反応システム10を比較例として説明すると、流動層反応システム10では、流動層反応器110に導入した流動化ガスの流速が、流動層反応器110の側壁112b側よりも中心側の方が大きくなるようにガス導入部130を制御して、図3(b)に示すように、流動層反応器110内における流動媒体の流れが、外部屋110Bにおいて下降流となり、内部屋110Aにおいて上昇流となるように流動媒体を循環させる。この場合、流動化ガスの流速の平均値が、図3(a)と等しいとすると、本実施形態の流動層反応システム100と比較して、側壁112b側を通過する流動媒体の移動速度が相対的に小さくなるため、側壁112bの内面112dにおいて局所的な高温場が形成され易くなる。そうすると、側壁112bの内面112dにおいて固体炭素が固着し易くなってしまう。
If the fluidized
これに対し、本実施形態の流動層反応システム100では、流動化ガスの流速が、流動層反応器110の中心側よりも側壁112bの方が大きくなるため、比較例の流動層反応システム10と比較して、側壁112b側を通過する流動媒体の移動速度を相対的に大きくすることができ、側壁112bの内面112dにおいて局所的な高温場が形成される事態を回避することが可能となる。これにより、側壁112bの内面112dにおける固体炭素の固着を低減することができる。
On the other hand, in the fluidized
さらに、図3(b)に示すように、比較例の流動層反応システム10では、外部屋110Bで加熱された流動媒体が流動層反応器110の底部112cを通って内部屋110Aに移動するため、底部付近110Cにおいて流動媒体が最も高温となる。すなわち、流動層反応器110の底部付近110Cにおいて熱分解反応が最も遂行されることとなるため、底部付近110Cにおいて固体炭素が多く生成されることとなる。そうすると、底部112cに配されるガス導入口116aが固体炭素で閉塞されるおそれが生じる。これに対し、本実施形態の流動層反応システム100では、図3(a)に示すように、外部屋110Bで加熱された流動媒体が流動層反応器110の上部(流動層の上部)110Dを通って内部屋110Aに移動するため、上部110Dにおいて熱分解反応が最も遂行されることとなる。このため、底部付近110Cにおいて生成される固体炭素の量を、比較例の流動層反応システム10と比較して極めて少なくすることができ、ガス導入口116aが固体炭素で閉塞されてしまう事態を抑制することが可能となる。
Further, as shown in FIG. 3B, in the fluidized
また、流動層反応システム100では、外部屋110Bから内部屋110Aに向けて流動媒体を循環させているため、外部屋110Bの流速を、流動層を維持できる最大限(終端速度Ut未満)まで上昇させることができる。これにより、外部屋110Bの流動媒体の移動速度を向上させることができ、側壁112bの内面112dにおける局所的な高温場の形成を抑制することが可能となる。したがって、側壁112bの内面112dにおいて、固体炭素の固着をさらに低減することができる。
Further, in the fluidized
さらに、仮に固体炭素が固着した場合であっても、側壁112bの内面112dと流動媒体とが衝突する力が大きくなるため、固着した固体炭素を流動媒体で削剥することが可能となる。
Furthermore, even if solid carbon is fixed, the force with which the
以上説明したように、本実施形態にかかる流動層反応システム100によれば、制御部150が流動層反応器110に導入した流動化ガスの流速を、内部屋110Aよりも外部屋110Bの方が大きくなるようにガス導入部130を制御して、流動層反応器110内で流動媒体を循環させる構成により、側壁112bの内面112dへの固体炭素の固着を抑制することが可能となる。
As described above, according to the fluidized
(第1の実施形態の変形例:流動層反応システム200)
図4は、第1の実施形態の変形例にかかる流動層反応システム200を説明するための図である。本実施形態の図4では、垂直に交わるX軸(水平方向)、Y軸(水平方向)、Z軸(鉛直方向)を図示の通り定義している。また、図4中、ガスの流れを実線の矢印で、信号の流れを破線の矢印で示す。
(Modification of the first embodiment: fluidized bed reaction system 200)
FIG. 4 is a diagram for explaining a fluidized
図4に示すように、流動層反応システム200は、流動層反応器210と、風箱120A、120Bと、ガス導入部130と、加熱部140と、制御部150とを含んで構成される。なお、上述した流動層反応システム100と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、ここでは、形状の異なる流動層反応器210について詳述する。
As shown in FIG. 4, the fluidized
図4に示すように、流動層反応システム200は、流動層反応器210内の水平断面積(図4中、XY断面積)が、下方から上方に向かうに従って漸減した流動層反応器210を備える。つまり、流動層反応器210の側壁112bが、鉛直上方に向かうに従って流動層反応器210の中心側に傾いている。
As shown in FIG. 4, the fluidized
上述したように、本実施形態では、流動層反応器110内における流動媒体の流れを、外部屋110Bにおいて上昇流として流動媒体を循環させるため、外部屋110Bの流動媒体は、鉛直上方に流れることとなる。したがって、流動層反応器210を、側壁112bが鉛直上方に向かうに従って中心側に傾いた形状とすることで、外部屋110Bの上昇流として移動する流動媒体と、側壁112bの内面112dとの衝突頻度を増加させることができる。これにより、側壁112bの内面112dに固着した固体炭素を流動媒体で効率よく削剥することが可能となる。
As described above, in the present embodiment, the fluid medium in the
(第2の実施形態:流動層反応システム300)
上述した第1の実施形態では、流動層反応器110内に流動媒体の流動層を形成させるための流動化ガスとして、原料ガスのみを例に挙げて説明した。しかし、流動化ガスの一部を原料ガス以外に変更することで、さらに側壁112bの内面112dへの固体炭素の固着を抑制することができる。第2の実施形態ではかかる構成について説明する。
(Second Embodiment: Fluidized Bed Reaction System 300)
In the first embodiment described above, only the raw material gas has been described as an example of the fluidizing gas for forming the fluidized bed of the fluidized medium in the
図5は、第2の実施形態にかかる流動層反応システム300を説明するための図である。本実施形態の図5では、垂直に交わるX軸(水平方向)、Y軸(水平方向)、Z軸(鉛直方向)を図示の通り定義している。また、図5中、ガスの流れを実線の矢印で、信号の流れを破線の矢印で示す。
FIG. 5 is a diagram for explaining a fluidized
図5に示すように、流動層反応システム300は、流動層反応器110と、風箱120A、120Bと、ガス導入部330と、加熱部140と、制御部350とを含んで構成される。なお、上述した流動層反応システム100と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、ここでは、構成の異なるガス導入部330および制御部350について詳述する。
As shown in FIG. 5, the fluidized
ガス導入部330は、風箱120Aに接続された配管332Aと、配管332A上に設けられたバルブ334Aと、配管332Aに原料ガスを供給する原料ガス供給源336と、ガス排出口118より延伸した配管から分岐され、風箱120Bに接続された配管332Bと、配管332B上に設けられたバルブ334Bとを含んで構成される。つまり、本実施形態において、風箱120A(内部屋110A)には原料ガスが導入され、風箱120B(外部屋110B)には生成ガス(水素)が導入されることとなる。
The
制御部350は、CPU(中央処理装置)を含む半導体集積回路で構成され、ROMからCPU自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのRAMや他の電子回路と協働して流動層反応システム300全体を管理および制御する。本実施形態において、制御部350は、ガス導入部330を構成するバルブ334A、334Bの開度制御を遂行して、流動層反応器110に導入した生成ガスの流速が、導入した流動化ガスの流速よりも大きくなるようにガス導入部330を制御する。
The
具体的に説明すると、制御部350は、風箱120Bから外部屋110Bに導入した生成ガスの流速が、終端速度Ut未満となるようにバルブ334Bの開度を制御する。また、制御部350は、風箱120Aから内部屋110Aに導入した原料ガスの流速が、最小流動化速度Umf以上となるようにバルブ334Aの開度を制御する。
Specifically, the
制御部350が上記流速で原料ガスおよび生成ガスを導入することで、流動層を維持したまま、流動層反応器110内において流動媒体の流れを、外部屋110B(流動層反応器110の側壁112b側)において上昇流とし、内部屋110A(中心側)において下降流として、流動媒体を、外部屋110Bから内部屋110Aに向けて循環させることが可能となる。
The
また、ガス導入部330が、加熱しても固体炭素が生成されることのない生成ガス(水素)を外部屋110Bに導入する構成により、外部屋110Bにおける熱分解反応(メタンの熱分解反応)の遂行を抑制することができる。これにより、側壁112bの内面112dへの固体炭素の固着を抑制することが可能となる。
In addition, the
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。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Is done.
例えば、上記実施形態において、流動層反応システム100、200、300を利用し、上記式(1)に示す反応に基づいて原料ガスとしてのメタンから生成ガスとして水素を製造する構成を例に挙げて説明した。しかし、流動層反応システム100は、他の反応に基づいて、原料ガスから生成ガスを製造してもよい。例えば、原料ガスとしてのシラン(SiH4)や、ジシラン(Si2H6)を熱分解させて、生成ガスとしての水素と、シリコン(Si)を製造してもよい。
For example, in the said embodiment, the structure which manufactures hydrogen as production gas from methane as raw material gas based on reaction shown in said Formula (1) using fluidized bed reaction system 100,200,300 is mentioned as an example. explained. However, the fluidized
また、上記実施形態において、整流板114を備える構成について説明したが、整流板114を備えずとも、ガス導入部130、330、制御部150、350によって流動媒体は循環することとなるため、整流板114は必須の構成ではない。
Moreover, in the said embodiment, although the structure provided with the
また、上記実施形態において、流動層反応器110、210が円筒形状である場合を例に挙げて説明したが、流動層反応器110、210の形状に限定はない。
Moreover, in the said embodiment, although demonstrated taking the case where the
また、上記実施形態において、ガス排出口118が、流動層反応器110の天板112aに形成される構成を例に挙げて説明した。しかし、ガス排出口118は、流動層反応器110、210における流動層より上方であれば、側壁112bに形成されるとしてもよい。
In the above-described embodiment, the configuration in which the
また、上記第2の実施形態において、ガス導入部330は、流動層反応器110の底部112cのうち、中心側より側壁112b側に設けられたガス導入口116aから外部屋110Bに生成ガスを導入する構成について説明した。しかし、ガス導入部330は、生成ガスに代えて、窒素、アルゴン等の不活性ガスを導入してもよい。
In the second embodiment, the
本発明は流動媒体の流動層を用いて反応を遂行する流動層反応システムに利用することができる。 The present invention can be used in a fluidized bed reaction system that performs a reaction using a fluidized bed of a fluidized medium.
100、200、300 流動層反応システム
110、210 流動層反応器
112b 側壁
112c 底部
114 整流板
116a ガス導入口
130、330 ガス導入部
140 加熱部
150、350 制御部
100, 200, 300 Fluidized
Claims (5)
固体粒子で構成された流動媒体が収容される流動層反応器と、
前記流動層反応器の底部に形成されたガス導入口から少なくとも前記原料ガスを含む流動化ガスを導入して、前記流動媒体が該流動化ガス中に浮遊した状態である流動層を該流動層反応器内に形成するガス導入部と、
前記流動層反応器を構成する側壁の外方から、該流動層反応器内の流動媒体を加熱する加熱部と、
前記流動層反応器に導入した前記流動化ガスの流速が、該流動層反応器の中心側よりも側壁側の方が大きくなるように前記ガス導入部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記流動層反応器の中心側に導入した流動化ガスの流速が、前記流動媒体が静止した状態である固定層から前記流動層へ移行させる流動化ガスの流速である最小流動化速度以上となり、該流動層反応器の側壁側に導入した流動化ガスの流速が、該流動層から該流動媒体が該流動化ガスとともに飛散する状態である輸送層へ移行させる流動化ガスの流速である終端速度未満となるように前記ガス導入部を制御することを特徴とする流動層反応システム。 A fluidized bed reaction system for producing a product gas by heating a raw material gas,
A fluidized bed reactor containing a fluid medium composed of solid particles;
A fluidized gas containing at least the raw material gas is introduced from a gas inlet formed at the bottom of the fluidized bed reactor, and the fluidized bed is in a state where the fluidized medium is suspended in the fluidized gas. A gas inlet formed in the reactor;
A heating unit for heating the fluidized medium in the fluidized bed reactor from the outside of the side wall constituting the fluidized bed reactor;
A control unit for controlling the gas introduction unit such that the flow rate of the fluidized gas introduced into the fluidized bed reactor is larger on the side wall side than on the center side of the fluidized bed reactor;
With
The control unit is a minimum flow in which the flow rate of the fluidized gas introduced to the center side of the fluidized bed reactor is the flow rate of the fluidized gas to be transferred from the fixed bed where the fluidized medium is stationary to the fluidized bed. The fluidization gas flow rate is higher than the fluidization rate, and the flow rate of the fluidization gas introduced to the side wall side of the fluidized bed reactor is transferred from the fluidized bed to the transport layer where the fluidized medium is scattered together with the fluidization gas. The fluidized bed reaction system is characterized in that the gas introduction unit is controlled to be less than a terminal velocity that is a flow velocity.
前記生成ガスは水素であり、
前記流動媒体は、メタンから水素への分解反応を促進する触媒であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の流動層反応システム。 The source gas is methane,
The product gas is hydrogen;
The fluidized bed reaction system according to any one of claims 1 to 4, wherein the fluidized medium is a catalyst that promotes a decomposition reaction from methane to hydrogen.
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