JP2017087194A - 規制部材、反応容器、及び充填材の充填方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反応容器の充填材の充填密度の均一性を向上できる規制部材、反応容器、充填材の充填方法を提供する。
【解決手段】規制部材３０は、図９（ａ）に示すように、反応管２１の入口２１ａの上側で、充填材Ｐの水平方向への移動成分を規制する。従って、水平方向への移動成分が大きい外周側の充填材Ｐであっても、規制部材３０が充填材Ｐの水平方向への移動成分を規制することができる。これによって、充填材Ｐは規制部材３０に衝突することで、水平方向への移動成分が相殺され、内周側の充填材Ｐと同様な落下態様にて反応管２１へ充填される。すなわち、水平方向における位置に関わらず、充填材Ｐは均一な落下態様にて反応管２１へ充填される。以上により、反応容器１の充填材Ｐの充填密度の均一性を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、規制部材、反応容器、及び充填材の充填方法に関する。

従来の反応容器へ充填材を充填する方法として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に開示された充填方法では、反応容器の入口の上側にて、スリットが設けられた円盤を回転させ、スリットから遠心力を伴った充填材を反応容器へ散布している。

特開平８−２８２８５６号公報

特許文献１に開示された充填材の充填方法では、遠心力によって充填材が水平方向への移動成分を伴って充填される。水平方向において、円盤から遠い位置へ散布される充填材は、円盤から近い位置へ散布される充填材よりも、水平方向への移動成分が大きくなる。このように、水平方向における位置によって、散布される充填材の水平方向への移動成分が異なることにより、充填部での充填材の充填密度が異なるという問題が生じる。

そこで、本発明は、反応容器の充填材の充填密度の均一性を向上できる規制部材、反応容器、充填材の充填方法を提供することを目的とする。

本発明に係る規制部材は、水平方向への移動成分を伴って充填材を落下させることで、充填材を反応容器に散布するときに、反応容器の充填部の入口の上側に配置される規制部材であって、充填部の入口の上側で、少なくとも充填材の水平方向への移動成分を規制する。

本発明に係る規制部材は、充填部の入口の上側で、少なくとも充填材の水平方向への移動成分を規制する。水平方向における位置によって、散布される充填材の水平方向への移動成分が異なる場合であっても、規制部材が充填材の水平方向への移動成分を規制することができる。従って、水平方向における位置に関わらず、充填材は均一な落下態様にて反応容器の充填部へ充填される。以上により、反応容器の充填材の充填密度の均一性を向上できる。

本発明に係る規制部材は、鉛直方向へ貫通する貫通部が、水平方向に複数形成されていてよい。充填材の水平方向への移動成分が大きい場合、充填材が貫通部を通過するに伴って、水平方向への移動成分が規制される。

本発明に係る反応容器は、上述の規制部材を充填部の入口の上側に備える。

本発明に係る反応容器によれば、上述の規制部材と同様な作用・効果を得ることができる。

本発明に係る反応容器において、規制部材は取り外し可能であってよい。これにより、反応容器を使用する際には、規制部材を取り外しておくことができる。

本発明に係る反応容器において、充填部を複数備え、複数の充填部は、水平方向に互いに隔てられていてよい。このように、充填部が水平方向に互いに隔てられている場合は、充填部ごとに充填材の密度の差が生じやすくなる。従って、本発明を採用した場合の効果が一層顕著となる。

本発明に係る充填材の充填方法は、充填材を水平方向への移動成分を伴って落下させることで、充填材を反応容器に散布する充填材の充填方法であって、反応容器の充填部の入口の上側に規制部材を配置し、規制部材によって、入口の上側で、充填材の水平方向への移動成分を規制する。

本発明に係る充填材の充填方法によれば、上述の規制部材と同様の作用・効果を得ることができる。

本発明によれば、反応容器の充填材の充填密度の均一性を向上できる。

本発明の実施形態に係る反応容器と当該反応容器に充填材を散布するための散布装置を示す概略構成図である。 図１に示す散布装置の構成を示す断面図及び散布装置の散布部のスリット形状を示す図である。 規制部材の構成の例を示す図である。 規制部材の構成の例を示す図である。 規制部材の配置の例を示す図である。 図５に示す規制部材の構成を説明するための図である。 図５に示す規制部材の構成を説明するための図である。 図５に示す規制部材の構成を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る規制部材の作用・効果を説明するための図である。 比較例の実験結果を示す図である。 規制部材の効果を説明するための図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。

図１は、本実施形態に係る反応容器と当該反応容器に充填材を散布するための散布装置を示す概略構成図である。図２（ａ）は、散布装置の構成を示す断面図であり、図２（ｂ）は、散布装置の散布部のスリット形状を示す図である。図１に示すように、反応容器１は、入口２１ａが上方を向くように設置され、反応容器１の上方に散布装置２が設置される。

図１及び図２に示すように、散布装置２は、充填材Ｐをストックするストッカー３と、ストッカー３から充填材を供給するホース４と、充填材Ｐを吐き出すホッパー５と、ホッパー５の上端部に設けられたモータ６と、モータ６に設けられた回転軸７と、回転軸７を保護する鞘体８と、回転軸７の先端に設けられた散布部９と、を備えている。

ホッパー５は、中空の円筒形状を有しており、上端部が上壁で封止される。ホッパー５の下端部側は下方へ向かって先細りの形状を有し、下端部が開口することによってオリフィス１０を有している。ホッパー５の下端部には、散布部９が設けられている。

散布部９は、下方へ向かって凸となるように湾曲するドーム状の湾曲部１１と、湾曲部１１の上端部を塞ぐと共に中央位置において開口部を有する平板状の上壁部１２と、を備える。ホッパー５と散布部９の中心軸線は一致しており、散布部９の上壁部１２の開口部は、ホッパー５の下端部の開口部と上下方向に対向するように配置される。散布部９の湾曲部１１には、図２（ｂ）に示すように、中心から外周側へ向かって流線型の曲線を描くように延びる複数（ここでは４本）のスリット１３が形成されている。なお、スリット１３の形状は特に限定されず、散布部９の回転に伴って、充填材Ｐに遠心力を与えながら散布させることができる形状であれば、特に限定されない。ホッパー５の上端部に設けられたモータ６には、ホッパー５の内部空間を上下方向に延びる回転軸７の上端部が接続されている。また、回転軸７の下端部は、散布部９の内部空間を通過して、湾曲部１１の中央位置に接続されている。なお、回転軸７の下端部は、上壁部１２に接続されてもよく、または、コアレスでの接続であってもよい。

このような構成により、ホッパー５の内部空間にホース４を介して供給された充填材Ｐは、ホッパー５の下端部側の開口部から、散布部９の内部空間へ供給される。また、モータ６の回転によって、回転軸７を介して散布部９に回転力が付与される。従って、散布部９内に収納された充填材Ｐは、スリット１３から散布部９の外部へ飛散する。これによって、充填材Ｐが反応容器１へ散布される。

なお、充填材Ｐの種類は特に限定されない。例えば、充填材Ｐとして、脱水素触媒、水蒸気改質触媒、脱硫触媒、燃焼触媒、セラミックボール等を採用してよい。なお、充填材Ｐとして、吸熱又は発熱を伴う反応を起こすものを採用した場合、反応容器１内において均一に充填材Ｐを充填することが要求される。従って、充填材Ｐとして吸熱又は発熱を伴う反応を起こすものを採用した場合、本発明を採用することで充填密度の均一性を向上することの効果が一層顕著となる。また、充填材Ｐの形状・大きさも特に限定されない。例えば、充填材Ｐは、球状、ドーナツ状、円板状、柱状、捻じれ形状等の形状を有していてよい。柱状の充填材Ｐを採用する場合、断面形状は特に限定されず、円状、多角形状、三つ葉状、四つ葉状等の形状であってもよい。

散布部９は、充填材Ｐを水平方向への移動成分を伴って落下させる。散布部９は、充填材Ｐに遠心力を付与した状態で散布する。従って、充填材Ｐの移動成分Ｍは、重力による鉛直方向への移動成分Ｍｐに加えて、外周側へ向かう水平方向への移動成分Ｍｈを有する（図９参照）。また、散布部９の中心付近から飛散する充填材Ｐに比して、外周側から飛散する充填材Ｐの方が、付与される遠心力が大きくなることにより、水平方向への移動成分Ｍｈが大きくなる。

図１に示すように、本実施形態に係る反応容器１は、外筒２０と、外筒２０内に並べられた複数の反応管（充填部）２１と、反応容器１の反応管２１の入口２１ａの上側に配置される規制部材３０と、を備えている。なお、本実施形態においては、反応容器１の入口２１ａが上方を向いた状態を基準にして、反応容器１の構成の説明を行う。また、請求項においても、同様に当該状態を基準にしている。従って、反応容器１の軸方向が鉛直方向に対応し、反応容器１の径方向が水平方向に対応する。ただし、反応容器１の使用時においては、当該姿勢に限定されない。

外筒２０は、上端部２０ａが開口した円筒状の部材である。外筒２０の上端部２０ａは、散布装置２の散布部９から下方へ離間する位置に配置されている。なお、内部構成を明確に示すために、図１において外筒２０は二点鎖線で示されている。反応管２１は、外筒２０内において水平方向に複数並べられている。複数の反応管２１のそれぞれの入口２１ａは、上下方向において同一の位置に配置される。反応管２１は、外筒２０よりも径が小さい円筒状の部材である。外筒２０の直径が１０００〜１５００ｍｍである場合、反応管２１の直径は１０〜３０ｍｍに設定される。また、外筒２０に反応管２１は２００〜２０００本程度設けられる。複数の反応管２１は、水平方向に互いに隔てられている。すなわち、一本の反応管２１と、隣り合う反応管２１とは互いの管壁で隔てられている。複数の反応管２１のそれぞれの入口２１ａは、当該入口２１ａが開口した状態でバッフル板２２に支持されている。なお、説明の便宜上、各反応管２１の入口２１ａの位置に形成される仮想的な面、すなわちバッフル板２２が配置される位置に形成される仮想的な面を「充填面Ｆ」と称して以下の説明を行う場合がある。充填面Ｆは、水平に広がる平面をなしている。ただし、全ての反応管２１の入口２１ａが鉛直方向における同一の位置に配置されていなくともよい。

規制部材３０は、水平方向への移動成分Ｍｈを伴って充填材Ｐを落下させることで、充填材Ｐを反応容器１に散布するときに、反応容器１の反応管２１の入口２１ａの上側に配置される部材である。規制部材３０は、入口２１ａの上側で、充填材Ｐの水平方向への移動成分Ｍｈを規制する。規制部材３０は、充填面Ｆ、すなわち入口２１ａから上方へ離間した位置に配置される。規制部材３０の外径は、外筒２０の内径と略同一である。ただし、上方から見たときに、規制部材３０がすべての反応管２１を覆うことができる外径であればよい。規制部材３０は、反応容器１に対して取り外し可能であってよい。すなわち、反応管２１に充填材Ｐを充填する際には、反応容器１に規制部材３０に取り付け、充填後に反応容器１を使用する際には、規制部材３０を反応容器１から取り外してよい。

規制部材３０は、鉛直方向へ貫通する貫通部３１が、水平方向に複数形成された部材である。貫通部３１の大きさは特に限定されないが、充填材Ｐの最大寸法に対して、貫通部３１の目開きが１．２倍以上であればよい。また、貫通部３１の目開きは、反応管２１の入口２１ａよりも小さくてよい。なお、「目開き」とは、規制部材の開口部における最大長さと定義される。当該範囲より貫通部３１が小さい場合、規制部材３０を充填材Ｐが通り抜けにくくなる可能性がある。また、入口２１ａの直径より貫通部３１が大きい場合、充填材Ｐの水平方向への移動成分を十分に規制できない可能性がある。ここで、図３を参照して、規制部材３０の具体的な例について説明する。ただし、規制部材３０の構成は、図３に示されるものに限定されるものではない。

図３（ａ）に示すように、規制部材３０Ａは、縦方向及び横方向へ線状部材３２を直角に張り巡らせることによって構成される網状部材であってよい。規制部材３０Ａは、複数の線状部材３２によって形成される隙間によって形成される貫通部３１Ａを有する。一つ当たりの貫通部３１Ａは矩形状の形状を有している。

図３（ｂ）に示すように、規制部材３０Ｂは、線状部材３２を斜めに張り巡らせることによって構成される網状部材であってよい。規制部材３０Ｂは、複数の線状部材３２によって形成される隙間によって形成される貫通部３１Ｂを有する。一つ当たりの貫通部３１Ｂはひし形状の形状を有している。

図３（ｃ）に示すように、規制部材３０Ｃは、板状部材に複数の貫通孔を形成することによって構成されるパンチング部材であってよい。規制部材３０Ｃは、複数の貫通部３１Ｃを有する。一つ当たりの貫通部３１Ｃは円形の形状を有している。ただし、各規制部材の貫通部３１の形状は特に限定されず、どのような形状を選択するかは、実施者が任意で選択してよい。

図３（ｄ）に示すように、規制部材３０Ｄは、内周側の領域と外周側の領域とで、貫通部の大きさが異なる網状部材であってよい。規制部材３０Ｄは、中央側において貫通部３１Ｄｂが大きい領域を有し、外周側において貫通部３１Ｄａが小さい領域を有している。また、図３（ｅ）に示すように、規制部材３０Ｅは、外周側の領域が網状に構成されて、内周側の領域が網状に構成されていなくてもよい。規制部材３０Ｅは、外周側において、充填材Ｐの水平方向の移動成分を規制する貫通部３１Ｅａを有している。また、規制部材３０Ｅは、中央側において、貫通部の大きさが大き過ぎることにより、充填材Ｐの水平方向の移動成分を規制しない非規制部３１Ｅｂを有している。なお、図３（ｄ），（ｅ）においては、貫通部の形状として、図３（ａ）のパターンを採用しているが、図３（ｂ），（ｃ）のパターンであってもよく、貫通部の形状は限定されない。

図４（ａ），（ｂ）は、規制部材３０（貫通部の形状は、図３のいずれのパターンであってもよい）を水平方向から見た図である。図４（ａ）に示すように、規制部材３０は、内周側及び外周側の全域において真っ直ぐな平面状に形成されていてよい。あるいは、図４（ｂ）に示すように、規制部材３０は、内周側において真っ直ぐな平面状に形成され、外縁側において上方へ傾斜するように形成されてよい。また、図４（ｃ）に示すように、各反応管２１の入口２１ａに対応した漏斗状の治具４０を設けてもよい。

また、図５〜図８に示すように、規制部材３０は複数枚設けられてもよい。図５に示すように、充填面Ｆの上側に複数枚の（ここでは３枚）規制部材３０が鉛直方向に沿って順次設けられている。充填面Ｆから上方へ離間した位置に１枚目の規制部材３０Ａが設けられ、当該１枚目の規制部材３０Ａから上方へ離間した位置に２枚目の規制部材３０Ｂが設けられ、当該２枚目の規制部材３０Ｂから上方へ離間した位置に３枚目の規制部材３０Ｃが設けられる。また、各規制部材３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの貫通部の形状のパターンは同一であり、取付角度が互いに異なっている。

規制部材３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの形状及び取付態様について、図６〜図８を参照して説明する。まず、規制部材３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの形状について説明する。図６に示すように、反応容器１を上方から見たとき、一つの反応管２１が存在する部分に一つの六角形のテリトリＴを仮想的に設定する。図７に示すように、図６のテリトリＴの形状に合わせて、六角形の貫通部３１Ａが形成された規制部材３０Ａを反応容器１に取り付ける（なお、外筒２０からはみ出た部分は切断する）。図８に示すように、当該規制部材３０Ａから反時計回りに所定角度（ここでは１５°）回転させた状態で規制部材３０Ｂ（図８ではグレースケールが付されている）を反応容器１に取り付ける。また、規制部材３０Ａから時計回りに所定角度（ここでは１５°）回転させた状態で規制部材３０Ｃ（図８では白抜きで示されている）を反応容器１に取り付ける。これによって、規制部材３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃが組み合わさることにより、より確実に充填材Ｐの水平方向への移動成分を規制することができる。

次に、本実施形態に係る規制部材３０、及び反応容器の作用・効果について説明する。

ここで、本発明者らは、規制部材３０を設けずに反応容器１に充填材Ｐを散布した。その実験結果を図９に示す。当該実験では、充填材として、平均長さ４・２８ｍｍで円柱形状の「１／２２Ｑ”」という脱水素触媒を準備した。これを上述の実施形態に示した散布装置を用いて、落下速度２．３ｋｇ／ｍｉｎ、回転数１２０ｒｐｍにて散布を行った。散布装置の散布部の位置は、充填面より７００ｍｍ上方の位置に設定した。また、反応容器の外筒は直径１０００ｍｍ、反応管の長さは３００ｍｍで直径１インチに設定した。また、図１０に示す直線は、作業者が手作業で充填材Ｐを充填した際の充填密度を示す。図１０に示すように、中心に近い内周側では手作業の結果に比して充填密度のばらつきは少ないが、外周側の領域では、充填密度が低下していることが理解される。

本発明者らは、鋭意研究の結果、上述のような現象が生じる原因を見出すに至った。図９（ｂ）を参照して、規制部材３０を有さない反応容器１に対して充填材Ｐを充填する場合について説明する。図９（ｂ）に示すように、反応容器１の内周側（紙面左側）では充填材Ｐに作用する遠心力が小さいため、水平方向への移動成分は小さくなる。従って、充填材Ｐは真っ直ぐに反応管２１へ散布されるため、充填材Ｐの姿勢が反応管２１内で乱れることなく高密度に充填される。例えば、図１１（ａ）のように、充填材Ｐが鉛直方向に落下する場合は、鉛直方向への移動成分Ｍｐは、落下した充填面で直ちに吸収される。従って、充填材Ｐは、充填面で直ちに転倒する。従って、次の充填材Ｐが落下してくる前に先の充填材Ｐが充填面で転倒して固定されるため、図１１（ｃ）に示すように、各充填材Ｐ間には、平面的空間が存在する確率が高くなる。一方、反応容器１の外周側（紙面右側）では充填材Ｐに作用する遠心力が大きいため、水平方向への移動成分は大きくなる。従って、充填材Ｐは鉛直方向に対して大きな角度で反応管２１へ散布される。これにより、充填材Ｐが反応管２１の内壁に衝突し、壁面効果を受け易く、充填材Ｐの姿勢が反応管２１内で乱れることで、充填材Ｐ間で空隙が生じ、充填密度が低下する。例えば、図１１（ｂ）に示すように、水平方向の移動成分Ｍｈが充填材Ｐの充填面での転動の原因となる。このように、充填材Ｐの転動終了までに時間がかかることにより、先の充填材Ｐが充填面上に固定されないうちに、次の充填材Ｐが落下して来て倒れ込む。この場合、図１１（ｄ）に示すように、各充填材Ｐ間には、立体的空間（図においてＳＰで示す）が存在する確率が高くなる。

上述のような課題を解決するために、本発明者らは、本実施形態に係る規制部材３０を見出すに至った。本実施形態に係る規制部材３０は、図９（ａ）に示すように、反応管２１の入口２１ａの上側で、充填材Ｐの水平方向への移動成分を規制する。従って、水平方向への移動成分が大きい外周側の充填材Ｐであっても、規制部材３０が充填材Ｐの水平方向への移動成分を規制することができる。これによって、充填材Ｐは規制部材３０に衝突することで、水平方向への移動成分が相殺され、内周側の充填材Ｐと同様な落下態様にて反応管２１へ充填される。すなわち、水平方向における位置に関わらず、充填材Ｐは均一な落下態様にて反応管２１へ充填される。以上により、反応容器１の充填材Ｐの充填密度の均一性を向上できる。

本実施形態に係る規制部材３０は、鉛直方向へ貫通する貫通部３１が、水平方向に複数形成されている。充填材Ｐの水平方向への移動成分が大きい場合、充填材Ｐが貫通部３１を通過するに伴って、水平方向への移動成分が規制される。

本実施形態に係る反応容器１は、上述の規制部材３０を反応管２１の入口２１ａの上側に備える。本実施形態に係る反応容器１によれば、上述の規制部材３０と同様な作用・効果を得ることができる。

本実施形態に係る反応容器１において、規制部材３０は取り外し可能である。これにより、反応容器１を使用する際には、規制部材３０を取り外しておくことができる。

本実施形態に係る反応容器１において、充填部である反応管２１を複数備え、複数の反応管２１は、水平方向に互いに隔てられていている。このように、充填部が水平方向に互いに隔てられている場合は、充填部ごとに充填材Ｐの密度の差が生じやすくなる。従って、本実施形態の規制部材３０を採用した場合の効果が一層顕著となる。

本実施形態に係る充填材Ｐの充填方法は、充填材Ｐを水平方向への移動成分を伴って落下させることで、充填材Ｐを反応容器１に散布する充填材Ｐの充填方法であって、反応容器１の反応管２１の入口２１ａの上側に規制部材３０を配置し、規制部材３０によって、入口２１ａの上側で、充填材Ｐの水平方向への移動成分を規制する。本実施形態に係る充填材Ｐの充填方法によれば、上述の規制部材３０と同様の作用・効果を得ることができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、充填材の種類に応じて適宜反応容器の構成を変更してもよい。反応容器は、入口が、水平方向に一定の広さを有するものであればよい。散布装置が遠心力を付与して充填材を散布する場合、反応容器の入口は、内周側の領域と外周側の領域を有する形状であることが好ましい。例えば、反応容器は、円形状の外筒のみで構成されていてよい。また、反応容器は、例えば、スパイラル型の熱交換器のように、螺旋状に旋回する流路を有するものであってもよい。

また、散布装置も上述の実施形態で説明したものに限定されず、位置によって、充填材Ｐの水平方向への移動成分が異なる態様で散布することができる装置であれば、特に構成は限定されない。

１…反応容器、２…散布装置、２１…反応管（充填部）、３０…規制部材、３１…貫通部。

Claims (6)

1. 水平方向への移動成分を伴って充填材を落下させることで、前記充填材を反応容器に散布するときに、前記反応容器の充填部の入口の上側に配置される規制部材であって、
   前記充填部の前記入口の上側で、少なくとも前記充填材の水平方向への移動成分を規制する、規制部材。
2. 鉛直方向へ貫通する貫通部が、水平方向に複数形成されている、請求項１に記載の規制部材。
3. 請求項１又は２に記載の規制部材を充填部の前記入口の上側に備える、反応容器。
4. 前記規制部材は、取り外し可能である、請求項３に記載の反応容器。
5. 前記充填部を複数備え、
   前記複数の充填部は、前記水平方向に互いに隔てられている、請求項３又は４の反応容器。
6. 充填材を水平方向への移動成分を伴って落下させることで、前記充填材を反応容器に散布する充填材の充填方法であって、
   前記反応容器の充填部の入口の上側に規制部材を配置し、
   前記規制部材によって、前記入口の上側で、前記充填材の水平方向への移動成分を規制する、充填材の充填方法。