JP2019098323A - 反応装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原料ガスから目的ガスへ変化する反応を促進する触媒が原料ガスを案内するガス配管中に配置された反応装置において、ガス配管の圧力損失の増加を抑制する。【解決手段】原料ガスから原料ガスよりも流量が少ない目的ガスへ変化する反応を促進する触媒と、触媒が配置されると共に原料ガス及び目的ガスを案内するガス流路とを備える反応装置であって、ガス流路は、触媒の下流端位置の流路面積が触媒の上流端位置の流路面積よりも広く設定されている。【選択図】図２

Description

本発明は、反応装置に関するものである。

例えば、特許文献１に示すように、メタネーション反応によって、原料ガスからメタン含有ガスを目的ガスとして生成する反応装置が知られている。このような反応装置では、原料ガスを案内するガス配管中に、原料ガスから目的ガスへ変化する反応を促進する触媒が配置されている。

特開２０１３−１３６５３８号公報

ところで、ガス配管中に配置される触媒は、一般的には漏れなく原料ガスが触媒と接触できるように、ガス配管の断面の全域に充填されている。このため、触媒によってガス配管の圧力損失が高まることが避けられず、原料ガスの供給量が制約されてしまう。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、原料ガスから目的ガスへ変化する反応を促進する触媒が原料ガスを案内するガス配管中に配置された反応装置において、ガス配管の圧力損失の増加を抑制することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、原料ガスから上記原料ガスよりも流量が少ない目的ガスへ変化する反応を促進する触媒と、上記触媒が配置されると共に上記原料ガス及び上記目的ガスを案内するガス流路とを備える反応装置であって、上記ガス流路が、上記触媒の下流端位置の流路面積が上記触媒の上流端位置の流路面積よりも広く設定されているという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記触媒が、上記下流端位置と上記上流端位置との間の領域にて、上記ガス流路に充填されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記ガス流路が、上記上流端位置から上記下流端位置まで連続的に断面形状が拡径されているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記ガス流路が内部に配置されると共に内部に冷媒が流通される冷媒流路を備えるという構成を採用する。

第５の発明は、上記第４の発明において、上記原料ガス及び上記目的ガスの流動方向と、上記冷媒の流動方向とが反対方向であるという構成を採用する。

第６の発明は、上記第４の発明において、上記原料ガス及び上記目的ガスの流動方向と、上記冷媒の流動方向とが同一方向であるという構成を採用する。

第７の発明は、上記第１〜第６いずれかの発明において、上記触媒が、上記原料ガスがメタン含有ガスに変化するメタネーション反応を促進するという構成を採用する。

本発明によれば、ガス流路の触媒の下流端位置の流路面積が上流端位置の流路面積よりも広く設定されている。このため、触媒の下流端位置における圧力が低下する。さらに、本発明では、反応により目的ガスの流量は原料ガスの流量よりも少なくなる。このため、触媒の下流端位置での圧力低下がより顕著となり、触媒の下流端位置に低圧の領域が形成され、原料ガスを触媒に向けて引き込む力が発生する。この結果、触媒が配置されることによるガス配管の圧力損失の増大を抑制することが可能となる。したがって、本発明によれば、原料ガスから目的ガスへ変化する反応を促進する触媒が原料ガスを案内するガス配管中に配置された反応装置において、ガス配管の圧力損失の増加を抑制することが可能となる。

本発明の一実施形態における反応器を備える触媒反応システムの概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態における反応器の概略構成を示す断面図である。 （ａ）が本発明の一実施形態における反応器が備える上部管板の正面図であり、（ｂ）が本発明の一実施形態における反応器が備える下部管板の正面図である。 本発明の一実施形態における反応器の変形例の概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態における反応器の変形例の概略構成を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る反応装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本発明の一実施形態である反応器１（反応装置）を備える触媒反応システム１０の概略構成を示す模式図である。触媒反応システム１０は、原料ガスＸを後述する触媒１ｅの存在下で化学反応（メタネーション反応）させることによりメタン含有ガスＹ（目的ガス）を生成するものであり、図１に示すように、反応器１と、冷媒供給装置２とを備えている。

反応器１は、外部から原料ガスＸが供給され、内部にてメタネーション反応させることによってメタン含有ガスＹを生成し、この生成したメタン含有ガスＹを排出する装置である。本実施形態では、原料ガスＸは、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ_２）とが所定の割合（モル比）で混合した混合ガスである。このような原料ガスＸは、以下の反応式に示すように、触媒１ｅの存在下でメタネーション反応（発熱反応）することによって、メタン（ＣＨ_４）と水（Ｈ_２Ｏ）となる。すなわち、メタン含有ガスＹは、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気（Ｈ_２Ｏ）とからなる混合ガスである。
ＣＯ＋３Ｈ_２＝ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ＋２０６（ｋＪ／ｍｏｌ）
このようにして原料ガスＸから生成されたメタン含有ガスＹの流量は、原料ガスＸの流量よりも少なくなる。つまり、本実施形態においては、原料ガスＸから原料ガスＸよりも流量が少ない目的ガスへ変化する反応が行われ、この反応が触媒１ｅによって促進される。

図２は、反応器１の概略構成を示す断面図である。この図に示すように反応器１は、容器１ａと、上部管板１ｂと、下部管板１ｃと、ガス配管１ｄと、触媒１ｅとを備えている。容器１ａは、軸芯が鉛直方向に向けられた略円筒形状の容器本体部１ａ１と、容器本体部１ａ１の頂部に設けられた原料ガス供給ポート１ａ２と、容器本体部１ａ１の底部に設けられたメタン含有ガス排出ポート１ａ３と、容器本体部１ａ１の下部であって容器本体部１ａ１の側部に設けられた冷媒供給ポート１ａ４と、容器本体部１ａ１の上部であって容器本体部１ａ１の側部に設けられた冷媒排出ポート１ａ５とを備えている。

原料ガス供給ポート１ａ２は、容器本体部１ａ１内部の上部空間（後述の原料ガスバッファ領域Ｒ１）に外部から原料ガスＸを供給するためのポートである。メタン含有ガス排出ポート１ａ３は、容器本体部１ａ１内部の下部空間（後述のメタン含有ガスバッファ領域Ｒ２）から外部にメタン含有ガスＹを排出するためのポートである。冷媒供給ポート１ａ４は、容器本体部１ａ１内部であって上部管板１ｂと下部管板１ｃとの間の空間（後述の冷媒流路Ｒａ）に、外部（冷媒供給装置２）から供給される冷媒Ｚを供給するためのポートである。冷媒排出ポート１ａ５は、冷媒流路Ｒａから冷媒Ｚを排出するためのポートである。

上部管板１ｂは、容器本体部１ａ１の内部であって、容器本体部１ａ１の上下方向中央よりも上部に配置された板部材である。この上部管板１ｂは、表裏面を上下方向に向けて配置されており、容器本体部１ａ１の頂部との間に原料ガスバッファ領域Ｒ１が形成されるように、容器本体部１ａ１の内部空間を区画している。また、上部管板１ｂは、ガス配管１ｄの一端（原料ガスＸの流動方向における上流側の端部）が接続される開口部１ｂ１を複数備えている。図３（ａ）は、上部管板１ｂの正面図である。本実施形態では、ガス配管１ｄが５つ設けられている。このため、図３（ａ）に示すように、上部管板１ｂは、５つの開口部１ｂ１を有している。

なお、このような上部管板１ｂが容器本体部１ａ１の内部を区画することによって形成されている原料ガスバッファ領域Ｒ１は、容器本体部１ａ１の内部空間の上部を形成しており、原料ガス供給ポート１ａ２と接続されている。このような原料ガスバッファ領域Ｒ１は、原料ガス供給ポート１ａ２から供給される原料ガスＸを一時的に貯留する。原料ガス供給ポート１ａ２に貯留された原料ガスＸは、上部管板１ｂの複数の開口部１ｂ１を通じて、各々のガス配管１ｄに分配される。

下部管板１ｃは、容器本体部１ａ１の内部であって、容器本体部１ａ１の上下方向中央よりも下部に配置された板部材である。この下部管板１ｃは、表裏面を上下方向に向けて配置されており、容器本体部１ａ１の底部との間にメタン含有ガスバッファ領域Ｒ２が形成されるように、容器本体部１ａ１の内部空間を区画している。また、下部管板１ｃは、ガス配管１ｄの他端（原料ガスＸの流動方向における下流側の端部）が接続される開口部１ｃ１を複数備えている。図３（ｂ）は、下部管板１ｃの正面図である。本実施形態では、ガス配管１ｄが５つ設けられている。このため、図３（ｂ）に示すように、下部管板１ｃは５つ開口部１ｃ１を有している。

なお、このような下部管板１ｃが容器本体部１ａ１の内部を区画することによって形成されているメタン含有ガスバッファ領域Ｒ２は、容器本体部１ａ１の内部空間の下部を形成しており、メタン含有ガス排出ポート１ａ３と接続されている。このようなメタン含有ガスバッファ領域Ｒ２は、複数のガス配管１ｄから排出されるメタン含有ガスＹを一時的に貯留する。メタン含有ガスバッファ領域Ｒ２に貯留されたメタン含有ガスＹは、メタン含有ガス排出ポート１ａ３を通じて反応器１の外部に排出される。

また、図２に示すように、容器本体部１ａ１の内部空間であって、上部管板１ｂと下部管板１ｃとの間の領域は、冷媒Ｚが流れる冷媒流路Ｒａとされている。この冷媒流路Ｒａの下部には冷媒供給ポート１ａ４が接続され、冷媒流路Ｒａの上部には冷媒排出ポート１ａ５が接続されている。このような冷媒流路Ｒａにおいて冷媒Ｚは、冷媒供給ポート１ａ４から供給された後に下方から上方に向かって鉛直方向に沿って流れ、冷媒排出ポート１ａ５を介して冷媒流路Ｒａの外部に排出される。

ガス配管１ｄは、一端が上部管板１ｂの開口部１ｂ１に接続され、他端が下部管板１ｃの開口部１ｃ１と接続され、軸芯が鉛直方向に沿うように冷媒流路Ｒａの内部に配置されている。このようなガス配管１ｄは、原料ガスバッファ領域Ｒ１に供給された原料ガスＸを下方に案内し、内部にて生成されたメタン含有ガスＹをメタン含有ガスバッファ領域Ｒ２に案内する。つまり、ガス配管１ｄの内部空間は、原料ガスＸ及びメタン含有ガスＹを案内するガス流路Ｒｂとされている。

各々のガス配管１ｄは、上部の小径直管部１ｄ１と、下部の大径直管部１ｄ２と、小径直管部１ｄ１と大径直管部１ｄ２とを接続する拡径部１ｄ３とを有している。小径直管部１ｄ１は、上部管板１ｂの開口部１ｂ１に接続され、一定径にて直線状とされた部位である。大径直管部１ｄ２は、下部管板１ｃの開口部１ｃ１に接続され、小径直管部１ｄ１よりも大きな一定径で直線状とされた部位である。このため、図３に示すように、上部管板１ｂの開口部１ｂ１は、下部管板１ｃの開口部１ｃ１よりも小径とされている。

拡径部１ｄ３は、上端（原料ガスＸの流動方向の上流側の端部）が小径直管部１ｄ１に接続され、下端（メタン含有ガスＹの流動方向の下流側の端部）が大径直管部１ｄ２に接続されている。この拡径部１ｄ３は、上端から下端に向けて一定の比率にて連続的に拡径されている。つまり、拡径部１ｄ３は、原料ガスＸ及びメタン含有ガスＹの流動方向において、下流側に向かうに連れて拡がった略円錐状の形状とされている。

このような拡径部１ｄ３には、図２に示すように、触媒１ｅが配置されている。つまり、本実施形態においてガス流路Ｒｂは、触媒１ｅの下流端位置（拡径部１ｄ３の下流端位置）の流路面積が触媒１ｅの上流端位置（拡径部１ｄ３の上流端位置）の流路面積よりも広く設定されている。また、ガス流路Ｒｂは、触媒１ｅの上流端位置から下流端位置まで連続的に断面形状が拡径されている。

このようなガス配管１ｄ（すなわちガス流路Ｒｂ）は、上方から下方に向かって原料ガスＸ及びメタン含有ガスＹが案内する。つまり、本実施形態では、冷媒流路Ｒａでの冷媒Ｚの流動方向が、ガス流路Ｒｂでの原料ガスＸ及びメタン含有ガスＹの流動方向と反対方向とされている。

触媒１ｅは、上流端位置と下流端位置との間の領域にて、拡径部１ｄ３に隙間なく充填されている。つまり、触媒１ｅは、拡径部１ｄ３の内部空間に倣って、原料ガスＸ及びメタン含有ガスＹの流動方向において、下流側に向かうに連れて拡がった略円錐状の形状とされている。このような触媒１ｅは、メタネーション反応を促進するメタネーション触媒である。

図１に戻り、冷媒供給装置２は、反応器１を等温反応器とするために、所定仕様（冷媒仕様）の冷媒Ｚを反応器１に供給する装置である。冷媒供給装置２は、冷媒供給ポート１ａ４を通じて容器本体部１ａ１内部の冷媒流路Ｒａに冷媒Ｚを供給し、触媒１ｅの冷却に用いられた加熱状態の冷媒Ｚを反応器１から回収して再冷却し、上記所定仕様の冷媒として反応器１に供給する循環式の冷媒供給装置である。

なお、図１においては、１つの冷媒供給装置２に対して単一の反応器１が接続された構成を示している。しかしながら、図１では省略しているが、触媒反応システム１０は、複数の反応器１を備えており、複数の反応器１で並列的にメタネーション反応によりメタン含有ガスＹが生成されている。

このような触媒反応システム１０では、原料ガスＸは、原料ガス供給ポート１ａ２から容器本体部１ａ１の内部に供給される。容器本体部１ａ１に供給された原料ガスＸは、原料ガスバッファ領域Ｒ１から各々のガス配管１ｄに分配される。このような原料ガスＸが触媒１ｅに到達するとメタネーション反応が促進されて、多量のメタン含有ガスＹが生成される。

ここでメタン含有ガスＹ及び触媒１ｅは、冷媒供給装置２から反応器１に供給された冷媒Ｚにより冷却される。冷媒Ｚは、冷媒供給装置２から冷媒供給ポート１ａ４を通じて容器本体部１ａ１内部の冷媒流路Ｒａに供給され、冷媒流路Ｒａを上方に向けて流れる過程においてメタン含有ガスＹ及び触媒１ｅと熱交換することにより、メタン含有ガスＹ及び触媒１ｅを冷却する。メタン含有ガスＹ及び触媒１ｅを冷却することによって加熱された冷媒Ｚは、冷媒排出ポート１ａ５を通じて冷媒供給装置２に回収され、再度冷却されて反応器１に返流される。なお、冷媒Ｚの温度は、反応器１から排出されるメタン含有ガスＹの温度が予め定められた一定温度となるように設定されている。

複数のガス配管１ｄの内部で生成されたメタン含有ガスＹは、メタン含有ガスバッファ領域Ｒ２に供給される。メタン含有ガスバッファ領域Ｒ２で集められたメタン含有ガスＹは、メタン含有ガス排出ポート１ａ３から容器本体部１ａ１（すなわち反応器１）の外部に排出される。

以上のような本実施形態の反応器１によれば、ガス流路Ｒｂの触媒１ｅの下流端位置の流路面積が上流端位置の流路面積よりも広く設定されている。このため、触媒１ｅの下流端位置における空間容積が増大して圧力が低下する。さらに、メタネーション反応によりメタン含有ガスＹの流量は原料ガスＸの流量よりも少なくなる。このため、触媒１ｅの下流端位置での圧力低下がより顕著となり、触媒１ｅの下流端位置に低圧の領域が形成され、原料ガスＸを触媒１ｅに向けて引き込む力が増大する。この結果、触媒１ｅが配置されることによるガス配管１ｄの圧力損失の増大を抑制することが可能となる。

さらに、本実施形態の反応器１においては、ガス流路Ｒｂの触媒１ｅの上流端位置の流路面積が狭く下流端位置の流路面積が広いことから、触媒１ｅは上流側が細い略円錐形状となっている。このため、触媒１ｅの上流端側の単位体積当たりの放熱面積が大きくなり、かつ、放熱面までの距離を短くすることができ、触媒１ｅの上流端位置でメタネーション反応により発生した熱が籠ることを抑制することができる。触媒１ｅの上流端位置では、最も活発にメタネーション反応が進むため、最も発熱量が大きい。本実施形態では、このような位置における触媒１ｅの単位体積当たりの放熱面積を大きく確保できるため、効率的に触媒１ｅを冷却することができる。

また、本実施形態の反応器１においては、ガス流路Ｒｂの触媒１ｅの上流端位置の流路面積が狭いことから、触媒１ｅの上流端位置における原料ガスＸの流速が速くなり、触媒１ｅの上流端位置でメタネーション反応により発生した熱が籠ることを抑制することができる。

また、通常、メタネーション反応等は触媒１ｅの上流端位置で活発となるため、触媒１ｅの上流端位置での発熱量が大きくなる。本実施形態のように発熱反応が活発な触媒１ｅの上流端位置における原料ガスＸの流速を速くすることによって、原料ガスＸの流れ方向における下流側に熱の一部をシフトさせることができ、触媒１ｅの上流端位置における反応を抑制することが可能となる。反対に、触媒１ｅの下流端位置における原料ガスＸの流速を遅くして触媒１ｅの下流端位置における反応を促進することが可能となる。また、触媒１ｅの上流端位置において加熱された原料ガスＸが触媒１ｅの下流端側で流速が低減されるため、原料ガスＸが触媒１ｅの下流端側での反応がより促進される。

また、本実施形態の反応器１においては、ガス流路Ｒｂの触媒１ｅの上流端位置の流路面積が狭く下流端位置の流路面積が広いことから、触媒１ｅの下流側の体積を大きく確保することができる。このため、メタネーション反応が促進される領域を広く確保することができ、メタン含有ガスＹの生成量を確保することができる。

また、本実施形態の反応器１においては、触媒１ｅが、下流端位置と上流端位置との間の領域（すなわちガス配管１ｄの拡径部１ｄ３）にて、ガス流路Ｒｂに隙間なく充填されている。このため、拡径部１ｄ３の全域でメタネーション反応を促進することができ、メタン含有ガスＹの生成効率を高めることができる。

また、本実施形態の反応器１においては、ガス流路Ｒｂは、触媒１ｅの上流端位置から下流端位置まで連続的に断面形状が拡径されている。このため、拡径部１ｄ３の内壁面に段差部が形成されず、原料ガスＸ及びメタン含有ガスＹを円滑に流すことができ、拡径部１ｄ３における圧力損失を低減することができる。

また、本実施形態の反応器１においては、ガス流路Ｒｂが内部に配置されると共に内部に冷媒Ｚが流通される冷媒流路Ｒａを備えている。このため、メタネーション反応によって発生した熱を効率的に外部に排出することができる。

さらに、本実施形態の反応器１においては、原料ガスＸ及びメタン含有ガスＹの流動方向と、冷媒Ｚの流動方向とが反対方向とされている。このため、メタン含有ガスＹの排出時の温度を冷媒Ｚの温度に合わせることができ、メタン含有ガスＹを安定した一定温度にて排出することが可能となる。

以上、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、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、メタネーション反応を促進させる触媒１ｅを備える反応器１について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、原料ガスから原料ガスよりも流量が少なく目的ガスへ変化する反応を促進する触媒を備える構成であれば適用することが可能である。

また、上記実施形態においては、原料ガスＸ及びメタン含有ガスＹの流動方向と、冷媒Ｚの流動方向とが反対方向とされた構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、原料ガスＸ及びメタン含有ガスＹの流動方向と、冷媒Ｚの流動方向とが同一方向とされた構成を採用することも可能である。このような構成を採用することによって、最も発熱量が大きな触媒１ｅの上流端位置に低温の冷媒Ｚを供給することができ、メタン含有ガスＹ及び触媒１ｅをより低温まで冷却することが可能となる。

また、上記実施形態においては、ガス流路Ｒｂが触媒１ｅの上流端位置から下流端位置まで連続的に断面形状が拡径されている構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ガス流路Ｒｂが触媒１ｅの上流端位置から下流端位置まで段階的に断面形状が拡径される構成を採用することも可能である。例えば、図４に示すように、ガス流路Ｒｂが触媒１ｅの上流端位置から下流端位置までに二段階で拡径される構成を採用する構成を採用することも可能である。また、図５に示すように、ガス流路Ｒｂが触媒１ｅの上流端位置から下流端位置までに三段階に分けて徐々に拡径される構成を採用することも可能である。このように、ガス流路Ｒｂを段階的に拡径することによって、同一径とされた各領域における原料ガスＸの流速を安定化することができる。

また、上記実施形態においては、原料ガスＸをメタネーション反応によってメタン含有ガスＹとする反応器１に本発明を適用した例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、オレフィン合成反応等の発熱反応を行う反応器に適用することも可能である。

１……反応器（反応装置）
１ａ……容器
１ａ１……容器本体部
１ａ２……原料ガス供給ポート
１ａ３……メタン含有ガス排出ポート
１ａ４……冷媒供給ポート
１ａ５……冷媒排出ポート
１ｂ……上部管板
１ｂ１……開口部
１ｃ……下部管板
１ｃ１……開口部
１ｄ……ガス配管
１ｄ１……小径直管部
１ｄ２……大径直管部
１ｄ３……拡径部
１ｅ……触媒
２……冷媒供給装置
１０……触媒反応システム
Ｒ１……原料ガスバッファ領域
Ｒ２……メタン含有ガスバッファ領域
Ｒａ……冷媒流路
Ｒｂ……ガス流路
Ｘ……原料ガス
Ｙ……メタン含有ガス（目的ガス）
Ｚ……冷媒

Claims (7)

1. 原料ガスから前記原料ガスよりも流量が少ない目的ガスへ変化する反応を促進する触媒と、前記触媒が配置されると共に前記原料ガス及び前記目的ガスを案内するガス流路とを備える反応装置であって、
   前記ガス流路は、前記触媒の下流端位置の流路面積が前記触媒の上流端位置の流路面積よりも広く設定されていることを特徴とする反応装置。
2. 前記触媒は、前記下流端位置と前記上流端位置との間の領域にて、前記ガス流路に充填されていることを特徴とする請求項１記載の反応装置。
3. 前記ガス流路は、前記上流端位置から前記下流端位置まで連続的に断面形状が拡径されていることを特徴とする請求項１または２記載の反応装置。
4. 前記ガス流路が内部に配置されると共に内部に冷媒が流通される冷媒流路を備えることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の反応装置。
5. 前記原料ガス及び前記目的ガスの流動方向と、前記冷媒の流動方向とが反対方向であることを特徴とする請求項４記載の反応装置。
6. 前記原料ガス及び前記目的ガスの流動方向と、前記冷媒の流動方向とが同一方向であることを特徴とする請求項４記載の反応装置。
7. 前記触媒は、前記原料ガスがメタン含有ガスに変化するメタネーション反応を促進することを特徴とする請求項１〜６いずれか一項に記載の反応装置。

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