JP2015223582A

JP2015223582A - リアクタ

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Publication number: JP2015223582A
Application number: JP2014112103A
Authority: JP
Inventors: 鎌田　博之; Hiroyuki Kamata; 博之鎌田; 拓哉吉野谷; Takuya Yoshinoya; 佑介武内; Yusuke Takeuchi
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2015-12-14

Abstract

【課題】複数の反応側流路が積層されたリアクタにおいて、反応側流路間の流量の偏りを抑制して、反応流体の反応効率の向上を図る。【解決手段】リアクタ１００は、反応対象となる流体である反応流体が流通する複数の反応側流路２１０と、２つの反応側流路２１０の間に位置し、伝熱隔壁１１０を介して反応側流路２１０と区画され、反応側流路２１０を流通する反応流体と熱交換を行う流体である熱媒体が流通する少なくとも１の熱媒体側流路２２０と、複数の反応側流路２１０を相互に連通する反応側連通部１４０とを備える。【選択図】図１

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、反応場となる複数の反応側流路と、２つの反応側流路の間に位置し、伝熱隔壁を介して反応側流路と区画され、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（例えば、特許文献１）。このようなリアクタでは、反応側流路内（反応場）に触媒を配し、その反応側流路に反応対象となる反応流体を流通させて反応を促進する。

国際公開第２０１２／０５４４５５号

しかし、上述した複数の反応側流路が積層されたリアクタでは、１の反応側流路に導入される反応流体の流量と、他の反応側流路に導入される反応流体の流量に偏りがあると、流量の大きい反応側流路での反応効率が、流量の小さい反応側流路よりも低下し、リアクタ全体の反応効率が低下してしまうおそれがある。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、複数の反応側流路が積層されたリアクタにおいて、反応側流路間の流量の偏りを抑制して、反応流体の反応効率の向上を図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複数の反応側流路と、２つの前記反応側流路の間に位置し、伝熱隔壁を介して該反応側流路と区画され、該反応側流路を流通する反応流体と熱交換を行う流体である熱媒体が流通する少なくとも１の熱媒体側流路と、前記複数の反応側流路を相互に連通する反応側連通部と、を備えたことを特徴とする。

また、前記熱媒体側流路は、複数設けられており、複数の前記熱媒体側流路を相互に連通する熱媒体側連通部をさらに備えるとしてもよい。

また、前記反応側流路は、前記反応流体の流通方向と直交する方向に並列した複数の流路に区画されており、前記複数の流路の一部または全部が互いに連通しているとしてもよい。

また、前記反応側流路を、前記反応流体の流通方向と直交する方向に並列した複数の区画流路に区画する区画壁を備え、前記区画壁には、隣接する前記区画流路を互いに連通する溝または貫通孔からなる区画流路連通部が設けられているとしてもよい。

また、隆起および陥没した板形状であり、前記区画壁によって区画された区画流路を、前記反応流体の流通方向と直交する方向に並列した複数の分割流路にさらに区画する分割部材を備え、前記分割部材には、隣接する前記分割流路を互いに連通する溝または貫通孔からなる分割流路連通部が設けられているとしてもよい。

また、隆起および陥没した板形状であり、前記反応側流路を、前記反応流体の流通方向と直交する方向に並列した複数の分割流路に区画する分割部材を備え、前記分割部材には、隣接する前記分割流路を互いに連通する溝または貫通孔からなる分割流路連通部が設けられているとしてもよい。

本発明によれば、複数の反応側流路が積層されたリアクタにおいて、反応側流路間の流量の偏りを抑制して、反応流体の反応効率の向上を図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。触媒構造体の具体的な構成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構造体３００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（ＳＵＳ等）、ニッケル（Ｎｉ）基合金（インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ヘインズ（登録商標））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、反応側連通管１４０ａ、熱媒体側連通管１４２ａ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。

さらに、図１中、Ｚ軸方向に積層された複数の反応側流路２１０は、反応側連通管１４０ａと孔１４０ｂとで構成される反応側連通部１４０によって相互に連通されており、Ｚ軸方向に積層された複数の熱媒体側流路２２０は、熱媒体側連通管１４２ａと孔１４２ｂとで構成される熱媒体側連通部１４２によって相互に連通されている。

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１１２ａが複数立設されている。さらに、伝熱隔壁１１０ａには、リアクタ１００の側面を構成する側壁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とが立設されている。つまり、リブ１１２ａは、熱媒体側流路２２０を、熱媒体の流通方向と直交する方向に並列した複数の区画流路２２２に区画する区画壁として機能する。

また、側壁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。

また、リブ１１２ａには、溝からなる区画流路連通部１５２が形成されている。区画流路連通部１５２を備える構成により、隣接する区画流路２２２を互いに連通することができる。したがって、導入された熱媒体の流量が区画流路２２２間で偏っていたとしても、区画流路２２２間において熱媒体を相互に移動させることができ、区画流路２２２間の熱媒体の流量の偏りを抑制することができる。

さらに、側壁１１４のうち、熱媒体側連通管１４２ａが接合される側の側壁１１４には、切り欠き１１４ｃ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１１４ｃが孔１４２ｂを形成することとなる。したがって、熱媒体側連通管１４２ａと孔１４２ｂとで構成される熱媒体側連通部１４２を介して、Ｚ軸方向に積層された複数の熱媒体側流路２２０が、相互に連通されることとなる。したがって、導入された熱媒体の流量が熱媒体側流路２２０間で偏っていたとしても、熱媒体側流路２２０間において熱媒体を相互に移動させることができ、熱媒体側流路２２０の熱媒体の流量の偏りを抑制することができる。

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１１２ｂと、側壁１１４が複数立設されている。つまり、リブ１１２ｂは、反応側流路２１０を、反応流体の流通方向と直交する方向に並列した複数の区画流路２１２に区画する区画壁として機能する。

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、リブ１１２ｂには、溝からなる区画流路連通部１５０が形成されている。区画流路連通部１５０を備える構成により、隣接する区画流路２１２を互いに連通することができる。したがって、導入された反応流体の流量が区画流路２１２間で偏っていたとしても、区画流路２１２間において反応流体を相互に移動させることができ、区画流路２１２間の反応流体の流量の偏りを抑制することができる。

さらに、側壁１１４のうち、反応側連通部１４０が接合される側の側壁１１４には、切り欠き１１４ｄ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１１４ｄが孔１４０ｂを形成することとなる。したがって、反応側連通管１４０ａと孔１４０ｂとで構成される反応側連通部１４０を介して、Ｚ軸方向に積層された複数の反応側流路２１０が、相互に連通されることとなる。したがって、導入された反応流体の流量が反応側流路２１０間で偏っていたとしても、反応側流路２１０間において反応流体を相互に移動させることができ、反応側流路２１０間の反応流体の流量の偏りを抑制することができる。

また、反応側流路２１０内には、反応流体の反応を促進させる触媒構造体３００が設けられている。触媒構造体３００の具体的な構成については後に詳述する。

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、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。ここで、反応側流路２１０において吸熱反応が遂行される場合、熱媒体側流路２２０および熱媒体は、反応側流路２１０を流通する反応流体に熱を供給（加熱）し、反応側流路２１０において発熱反応が遂行される場合、熱媒体側流路２２０および熱媒体は、反応側流路２１０を流通する反応流体を除熱（冷却）する温度制御部として機能する。

吸熱反応は、例えば、下記化学式（１）に示すメタンの水蒸気改質反応や、化学式（２）に示すメタンのドライリフォーミング反応が挙げられる。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ → ３Ｈ_２＋ＣＯ…化学式（１）
ＣＨ_４＋ＣＯ_２ → ２Ｈ_２＋２ＣＯ…化学式（２）

また、発熱反応は、例えば、下記化学式（３）に示すシフト反応や、化学式（４）に示すメタネーション反応、化学式（５）に示すＦＴ（Fischer Tropsch）合成反応が挙げられる。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋Ｈ_２…化学式（３）
ＣＯ＋３Ｈ_２ → ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ…化学式（４）
（２ｎ＋１）Ｈ_２＋ｎＣＯ → Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２＋ｎＨ_２Ｏ…化学式（５）

なお、本実施形態において、熱媒体側流路２２０には、熱媒体として気体が流通する。かかる構成により、熱媒体を液体で構成する場合と比較して、取り扱いが容易である。

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、反応場となる反応側流路２１０と、伝熱隔壁１１０を隔てて反応側流路２１０と並行して設けられ、当該反応側流路２１０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２２０とを備える構成により、反応側流路２１０において効率よく反応（吸熱反応、発熱反応）を遂行することができる。

以下、リアクタ１００の反応側流路２１０内に設けられ、反応流体の反応を促進させる触媒構造体３００について詳述する。

（触媒構造体３００）
図３は、触媒構造体３００の具体的な構成を説明するための図であり、図３（ａ）は、触媒構造体３００の斜視図を、図３（ｂ）は、触媒構造体３００が区画流路２１２に設置された際の図３（ａ）におけるＩＩＩ（ｂ）−ＩＩＩ（ｂ）線のＹＺ断面図を示す。本実施形態の図３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３中、反応流体の流通方向を白抜きの矢印で示す。

図３に示すように、触媒構造体３００は、反応側流路２１０において、リブ１１２ｂ（区画壁）によって区画された区画流路２１２を、反応流体の流通方向と直交する方向に並列した複数の分割流路Ａにさらに区画する分割部材３１０と、分割部材３１０に固定された触媒とを含んで構成される。分割部材３１０は、隆起および陥没した板形状の金属、すなわち、波板形状（コルゲート形状）の金属板で構成される。具体的に説明すると、分割部材３１０は、隆起部３２２（隆起した箇所）と、陥没部３２４（陥没した箇所）と、隆起部３２２から図３中、Ｚ軸方向に延伸した側壁部３２６と、図３中、Ｚ軸方向に延伸し隆起部３２２と陥没部３２４とを接続する分割壁部３２８とを含んで構成される。

図３（ｂ）に示すように、分割部材３１０の隆起部３２２または陥没部３２４と、分割壁部３２８（または、分割壁部３２８および側壁部３２６）と、区画流路２１２を構成する伝熱隔壁１１０ａ、１１０ｂとに囲繞された空間によって、分割流路Ａが形成される。

また、分割部材３１０には、貫通孔からなる分割流路連通部３４０が設けられている。分割流路連通部３４０を備える構成により、隣接する分割流路Ａを互いに連通することができる。したがって、導入された反応流体の流量が分割流路Ａ間で偏っていたとしても、分割流路Ａ間において反応流体を相互に移動させることができ、分割流路Ａ間の反応流体の流量の偏りを抑制することができる。

なお、触媒構造体３００を構成する分割部材３１０は、Ｆｅ（鉄）、Ｃｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｙ（イットリウム）を主成分とする耐熱合金、例えば、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ（登録商標）等の金属で構成される。また、触媒の担体は、リアクタ１００で遂行する反応によって適宜選択され、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、ＴｉＯ_２（チタニア）、ＺｒＯ_２（ジルコニア）、ＣｅＯ_２（セリア）、ＳｉＯ_２（シリカ）の群から選択される１または複数である。また、触媒（活性金属）は、リアクタ１００で遂行する反応によって適宜選択され、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）の群から選択される１または複数である。

以上説明したように、本実施形態のリアクタ１００によれば、分割流路連通部３４０、区画流路連通部１５０、反応側連通部１４０を備える構成により、分割流路Ａ間、区画流路２１２間、反応側流路２１０間の反応流体の流量の偏りを抑制することができる。したがって、反応流体の反応効率の向上を図ることが可能となる。また、区画流路連通部１５２、熱媒体側連通部１４２を備える構成により、区画流路２２２間、熱媒体側流路２２０間の熱媒体の流量の偏りを抑制することができる。したがって、熱媒体と反応側流路２１０との熱交換の偏りを低減することができ、反応流体の反応効率の向上を図ることが可能となる。

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、上記実施形態において、区画流路連通部１５０が溝からなる構成を例に挙げて説明したが、区画流路連通部１５０は、貫通孔で構成されてもよい。いずれにせよ、区画流路連通部１５０は、隣接する区画流路２１２を互いに連通できればよい。同様に、区画流路連通部１５２は、貫通孔で構成されてもよい。

また、上記実施形態において、分割流路連通部３４０が貫通孔からなる構成を例に挙げて説明したが、分割流路連通部３４０は、溝で構成されてもよい。いずれにせよ、分割流路連通部３４０は、隣接する分割流路Ａを互いに連通できればよい。

また、上記実施形態において、反応側流路２１０が区画流路２１２に区画され、区画流路２１２がさらに分割流路Ａに区画される構成を例に挙げて説明した。しかし、反応側流路２１０は、反応流体の流通方向と直交する方向に並列した複数の流路（区画流路２１２、分割流路Ａ）に区画されずともよい。この場合、反応側流路２１０に触媒が配されることとなる。また、リアクタは、リブ１１２ｂを備えず、反応側流路２１０に触媒構造体３００が設けられていてもよい。いずれにせよ、反応側流路２１０が、反応流体の流通方向と直交する方向に並列した複数の流路に区画されており、複数の流路の一部または全部が互いに連通していればよい。

また、上記実施形態において、熱媒体側流路２２０が区画流路２２２に区画される構成を例に挙げて説明した。しかし、熱媒体側流路２２０は、反応流体の流通方向と直交する方向に並列した複数の流路（区画流路２２２）に区画されずともよい。

また、上記実施形態において、反応側流路２１０を流通する反応流体と熱媒体側流路２２０を流通する熱媒体とが対向流の関係にある場合を例に挙げて説明したが、反応流体と熱媒体とが平行流の関係にあってもよい。

本発明は、熱交換型のリアクタに利用することができる。

Ａ分割流路
１００リアクタ
１１２ｂリブ（区画壁）
１４０反応側連通部
１４２熱媒体側連通部
１５０区画流路連通部
２１０反応側流路
２１２、２２２区画流路
２２０熱媒体側流路
３１０分割部材
３４０分割流路連通部

Claims

反応対象となる流体である反応流体が流通する複数の反応側流路と、
２つの前記反応側流路の間に位置し、伝熱隔壁を介して該反応側流路と区画され、該反応側流路を流通する反応流体と熱交換を行う流体である熱媒体が流通する少なくとも１の熱媒体側流路と、
前記複数の反応側流路を相互に連通する反応側連通部と、
を備えたことを特徴とするリアクタ。
前記熱媒体側流路は、複数設けられており、
複数の前記熱媒体側流路を相互に連通する熱媒体側連通部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
前記反応側流路は、前記反応流体の流通方向と直交する方向に並列した複数の流路に区画されており、
前記複数の流路の一部または全部が互いに連通していることを特徴とする請求項１または２に記載のリアクタ。
前記反応側流路を、前記反応流体の流通方向と直交する方向に並列した複数の区画流路に区画する区画壁を備え、
前記区画壁には、隣接する前記区画流路を互いに連通する溝または貫通孔からなる区画流路連通部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のリアクタ。
隆起および陥没した板形状であり、前記区画壁によって区画された区画流路を、前記反応流体の流通方向と直交する方向に並列した複数の分割流路にさらに区画する分割部材を備え、
前記分割部材には、隣接する前記分割流路を互いに連通する溝または貫通孔からなる分割流路連通部が設けられていることを特徴とする請求項４に記載のリアクタ。
隆起および陥没した板形状であり、前記反応側流路を、前記反応流体の流通方向と直交する方向に並列した複数の分割流路に分割する分割部材を備え、
前記分割部材には、隣接する前記分割流路を互いに連通する溝または貫通孔からなる分割流路連通部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のリアクタ。