JP2016049491A - リアクタ - Google Patents

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Abstract

【課題】反応側流路から外部への放熱、または、外部から反応側流路への熱の流入を抑制し、反応効率を向上させる。【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、反応側流路２１０内に配され、反応流体の反応を促進させる触媒（触媒構造体）と、反応側流路２１０と交互に積層されるとともに、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複数の熱媒体側流路２２０と、反応側流路２１０における熱媒体側流路２２０が積層されない面に隣接して設けられ、反応側流路２１０を流通する反応流体から外部への放熱、または、外部から反応流体への伝熱を抑制する流体である抑制流体が流通する抑制流路２５０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、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として、反応側流路と、熱媒体側流路とが交互に積層された積層タイプのリアクタが開発されている（例えば、特許文献１）。
特許第５０７６３５３号公報
しかし、従来の積層タイプのリアクタでは、反応側流路のうち、熱媒体側流路が積層されていない側面が外部に曝され、側面を通じて反応側流路から外部へ放熱してしまったり、外部から反応側流路に熱が流入してしまう。そうすると、反応側流路における側面付近の温度が反応に適した温度から遠ざかり、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、反応側流路から外部への放熱、または、外部から反応側流路への熱の流入を抑制し、反応効率を向上させ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、前記反応側流路内に配され、前記反応流体の反応を促進させる触媒と、前記反応側流路と交互に積層されるとともに、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複数の熱媒体側流路と、前記反応側流路における前記熱媒体側流路が積層されない面に隣接して設けられ、該反応側流路を流通する反応流体から外部への放熱、または、外部から該反応流体への伝熱を抑制する流体である抑制流体が流通する抑制流路と、を備えたことを特徴とする。
また、前記抑制流路には、前記抑制流体として前記熱媒体が流通するとしてもよい。
また、前記熱媒体側流路と前記抑制流路とを連通する連通部を備え、前記抑制流路には、前記連通部を通じて前記熱媒体側流路から前記熱媒体が導入されるとしてもよい。
本発明によれば、反応側流路から外部への放熱、または、外部から反応側流路への熱の流入を抑制し、反応効率を向上させ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。 反応側流路から外部への放熱、および、抑制流路を説明するための図である。 抑制流路における熱媒体の流通機構について説明する図である。
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、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、オフセットフィン３００および触媒構造体４００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を構成する天板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、最も上に配される伝熱隔壁１１０に天板１０２を接合する。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、図１（ｂ）に示すように、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、図１（ａ）に示すように、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。つまり、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、天板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１１０ａ、１１０ｂ間の間隙を保持するためのリブ１１２が複数立設されている。また、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や反応流体排出部１２２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、熱媒体側流路２２０は、リブ１１２によって、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に区画されることとなる。
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（図１参照）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。
さらに、熱媒体側流路２２０の区画流路２２２には、金属で構成されたオフセットフィン３００が設けられている。オフセットフィン３００を配する構成により、区画流路２２２（熱媒体側流路２２０）を流通する熱媒体を攪拌することができ、熱媒体と、反応側流路２１０を流通する反応流体との熱交換効率を向上させることが可能となる。
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、上面が伝熱隔壁１１０ａ（図２（ａ）参照）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１１４とが立設されている。つまり、反応側流路２１０は、リブ１１２によって、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に区画されることとなる。
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、２つの側壁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（図１参照）を形成することとなる。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。
さらに、反応側流路２１０を構成する区画流路２１２には、反応流体の反応を促進させる触媒構造体４００が設けられている。触媒構造体４００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）の金属板に、担体に担持された触媒が固定されたものである。なお、触媒構造体４００を構成する金属板は、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、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＴｉＯ２（チタニア）、ＺｒＯ２（ジルコニア）、ＣｅＯ２（セリア）、ＳｉＯ２（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。
また、伝熱隔壁１１０ｂには、最も外側に配されるリブ１１２（図２中、１１２Ａで示す）と、側壁１１４とを連結する遮断壁１１８が設けられている。遮断壁１１８を設ける構成により、伝熱隔壁１１０ａ、１１０ｂ、リブ１１２Ａ、側壁１１４、遮断壁１１８で囲繞された空間（以下、抑制流路２５０と称する）が形成されることとなる。つまり、抑制流路２５０は、反応側流路２１０における熱媒体側流路２２０が積層されない面（伝熱隔壁１１０が配される面以外の面、ここでは、リブ１１２Ａ）に隣接して設けられることとなる。換言すれば、反応側流路２１０の両側に抑制流路２５０が配されることとなる。
さらに、伝熱隔壁１１０ｂのうち、抑制流路２５０を構成する部分には、貫通孔で構成される連通部２３０が設けられている。また、伝熱隔壁１１０ａのうち、最も外側に配される区画流路２２２（図中、２２２Ａで示す）を構成する部分、すなわち、伝熱隔壁１１０が積層されたときに、抑制流路２５０の上面を構成する伝熱隔壁１１０ａには、貫通孔で構成される連通部２３２が設けられている。抑制流路２５０、連通部２３０、２３２の機能については、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）することとなる。
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。
ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ → ３Ｈ２ ＋ ＣＯ…化学式（１）
ＣＨ４ ＋ ＣＯ２ → ２Ｈ２ ＋ 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 ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ Ｈ２…化学式（３）
ＣＯ ＋ ３Ｈ２ → ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ…化学式（４）
（２ｎ＋１）Ｈ２ ＋ ｎＣＯ → ＣｎＨ２ｎ＋２ ＋ ｎＨ２Ｏ…化学式（５）
このように、反応側流路２１０と熱媒体側流路２２０とを積層し、反応流体と熱媒体とで熱交換を行うことで、反応側流路２１０において効率よく反応が進行することとなる。しかし、反応側流路２１０のうち、熱媒体側流路２２０が積層されない面（例えば、側壁１１４）が外部（外気）に曝されていると、反応側流路２１０から外部へ放熱してしまったり、外部から反応側流路２１０に熱が流入してしまう。
図３は、反応側流路２１０から外部への放熱、および、抑制流路２５０を説明するための図であり、伝熱隔壁１１０ｂの上面図を示す。また、図３（ａ）は、抑制流路２５０を備えない比較例の反応側流路１０を説明するための図であり、図３（ｂ）は、本実施形態の抑制流路２５０を備えた反応側流路２１０を説明するための図である。なお、図３中、理解を容易にするために、触媒構造体４００の記載を省略する。また、ここは、反応側流路で吸熱反応を行う場合を例に挙げて説明する。
図３（ａ）に示すように、比較例の反応側流路１０では、区画流路１２のうち、側壁１１４によって区画される、最も外側に配される区画流路１２Ａ、１２Ｇは、側壁１１４を介して外気に曝されている。一方、区画流路１２Ｂ〜１２Ｆは、リブ１１２もしくは伝熱隔壁１１０を介して反応流体もしくは熱媒体に曝されることとなる。したがって、区画流路１２Ａ、１２Ｇを流通する反応流体から外部（外気）へ放熱が生じ、区画流路１２Ａ、１２Ｇは、区画流路１２Ｂ〜１２Ｆよりも温度が低下し、これにより反応効率が低下してしまう。
また、例えば、上記化学式（１）、（２）の反応のように、反応流体よりも生成物の方が体積（モル数）が多くなる反応を行う場合、区画流路１２Ａ、１２Ｇは、区画流路１２Ｂ〜１２Ｆよりも反応効率が低下するため、ガス量が少なくなり圧力損失が小さくなる。そうすると、反応側流路１０に導入された反応流体は、区画流路１２Ｂ〜１２Ｆよりも区画流路１２Ａ、１２Ｇへ多く流れ込んでしまうこととなり、さらに反応効率が低下してしまう。
そこで、本実施形態のリアクタ１００では、図３（ｂ）に示すように、反応側流路２１０における熱媒体側流路２２０が積層されない面（リブ１１２Ａ）に隣接して抑制流路２５０が設けられる。抑制流路２５０には、熱媒体（抑制流体）が流通し、これにより、反応側流路２１０を流通する反応流体は、リブ１１２Ａを介して熱媒体に曝されることとなる。したがって、反応側流路２１０から外部への放熱、または、外部から反応流体への伝熱を抑制することが可能となる。これにより、最も外側に配される区画流路２１２Ａ、２１２Ｅにおいて温度の低下を抑制することができ、反応効率の低下を抑制することが可能となる。
また、区画流路２１２間のガス量（圧力損失）の差を低減することができ、圧力損失差に基づく反応効率の低下を抑制することが可能となる。
図４は、抑制流路２５０における熱媒体の流通機構について説明する図であり、リアクタ１００における連通部２３０、２３２近傍の部分断面（ＸＺ断面）図を示す。上述したように、伝熱隔壁１１０ｂのうち、抑制流路２５０を構成する部分には連通部２３０が設けられ、積層されたときに抑制流路２５０の上面を構成する伝熱隔壁１１０ａには連通部２３２が設けられている。
したがって、熱媒体導入部１３０から熱媒体側流路２２０内へ導入された熱媒体は、図４中、実線の矢印で示すように、熱媒体側流路２２０内を流通するとともに、図４中、破線の矢印で示すように、連通部２３０を通じて、伝熱隔壁１１０ｂの上方に形成される抑制流路２５０に導入され、連通部２３２を通じて、伝熱隔壁１１０ａの下方に形成される抑制流路２５０に導入されることとなる。そして、抑制流路２５０を流通した熱媒体は、連通部２３０、２３２を通じて熱媒体側流路２２０へ返送されることとなる。
連通部２３０、２３２を備える構成により、別途の手段を設けずとも、抑制流路２５０に熱媒体を流通させることが可能となる。
また、反応に適した温度が高温（例えば、５００℃以上）の場合、熱応力によって接合箇所に欠損が生じる場合がある。例えば、側壁１１４との接合箇所に欠損が生じた場合、図３（ａ）に示す比較例のリアクタでは、反応流体が外部に流出して、反応効率が低下してしまうおそれがある。しかし、本実施形態では、側壁１１４を介して外部に曝される流路（抑制流路２５０）には、反応流体ではなく熱媒体が流通するため、仮に欠損が生じたとしても、反応流体が流出する事態を回避することができ、反応効率の低下を防止することが可能となる。
また、上記化学式（１）〜（５）に示すような、反応流体および生成物のいずれか一方または両方が、可燃性や毒性を有するガスである場合であっても、反応流体が流出する事態を回避することができ、別途の手段を設けずとも、作業環境の安全性を確保することが可能となる。
以上説明したように、本実施形態のリアクタ１００によれば、反応側流路２１０における積層方向（図中、Ｚ軸方向）に配されない面に隣接して抑制流路２５０を設ける構成により、反応側流路２１０から外部への放熱、または、外部から反応側流路２１０への熱の流入を抑制し、反応効率を向上させ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、１の伝熱隔壁１１０において連通部２３０、２３２が２つずつ形成される構成を例に挙げて説明した。しかし、連通部２３０、２３２を通じて抑制流路２５０へ熱媒体が導入され、連通部２３０、２３２を通じて抑制流路２５０から熱媒体を排出できれば、連通部２３０、２３２の数や形状に限定はない。
また、上記実施形態において、リアクタ１００が連通部２３０、２３２を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、抑制流路２５０に熱媒体を流通させることができれば、連通部２３０、２３２は必須の構成ではい。
また、上記実施形態において、抑制流路２５０を熱媒体が流通する構成を例に挙げて説明した。しかし、反応側流路２１０を流通する反応流体から外部への放熱、または、外部から反応流体への伝熱を抑制する流体であれば、熱媒体側流路２２０を流通する熱媒体に限らず、他の流体（抑制流体）を抑制流路２５０に流通させてもよい。
また、上記実施形態において、抑制流路２５０にオフセットフィン３００を設けず、抑制流路２５０に隣接する区画流路２１２Ａ、２１２Ｅの過剰な加熱（もしくは冷却）を抑制する構成を例に挙げて説明した。しかし、抑制流路２５０にオフセットフィン３００を設けるとしてもよい。
また、上記実施形態において、反応側流路２１０が区画流路２１２に区画される構成を例に挙げて説明した。しかし、反応側流路２１０は、区画流路２１２に区画されずともよい。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、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。
また、熱媒体側流路２２０を流通する熱媒体は、気体（例えば、燃焼排ガス）であってもよいし、液体であってもよい。しかし、熱媒体として気体を採用することで、液体を採用する場合と比較して、取り扱いを容易にすることができる。
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
２１０ 反応側流路
２２０ 熱媒体側流路
２３０ 連通部
２５０ 抑制流路
４００ 触媒構造体（触媒）

Claims (3)

  1. 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、
    前記反応側流路内に配され、前記反応流体の反応を促進させる触媒と、
    前記反応側流路と交互に積層されるとともに、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複数の熱媒体側流路と、
    前記反応側流路における前記熱媒体側流路が積層されない面に隣接して設けられ、該反応側流路を流通する反応流体から外部への放熱、または、外部から該反応流体への伝熱を抑制する流体である抑制流体が流通する抑制流路と、
    を備えたことを特徴とするリアクタ。
  2. 前記抑制流路には、前記抑制流体として前記熱媒体が流通することを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
  3. 前記熱媒体側流路と前記抑制流路とを連通する連通部を備え、
    前記抑制流路には、前記連通部を通じて前記熱媒体側流路から前記熱媒体が導入されることを特徴とする請求項２に記載のリアクタ。
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