JP2508287B2 - 反応装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は反応管内において原料である例えば炭化水
素等の改質反応を行う反応装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来装置として例えば特願昭63−97582号公報に示さ
れたものがあり、これを上下逆としたものの概略を第２
図に示す。第２図において、（９）は原料ガス、（10）
は改質ガス、（31）は内管、（32）は内管（31）の外周
側で同心状に配設された外管、（33）は内管（31）と外
管（32）との間に同心状に配設された中間管、（34）は
内管（31）と中間管（33）との間に形成され原料ガス
（９）が導入される第１の環状部、（35）は第１の環状
部（34）に触媒（36）が充填されて形成された触媒層、
（37）は中間管（33）と外管（32）との間に形成され原
料ガス（９）が触媒層（35）を流通することにより改質
反応が行われて生成された改質ガス（10）が流通する第
２の環状部、（38）は内管（31），外管（32）のそれぞ
れの他端に配設された環状エンドキヤツプであり、第１
の環状部（34）と第２の環状部（37）とを連通し、触媒
層（35）から流出する改質ガス（10）を反転させて第２
の環状部（37）に流入させ、第２の環状部（37）内を原
料ガス（９）の流通方向と逆方向に流通させる。（39）
は触媒（36）を保持する受け皿であり、複数のガス流通
孔（図示せず）が形成されており、これら（31）〜（3
9）により環状の反応管（200）が構成されている。（4
0）は環状エンドキヤツプ（38）を囲繞して配設された
環状のエンドキヤツプ断熱材、（41）は加熱ガスである
高温の燃焼ガス、（42）は燃焼ガス（41）の流通路であ
り、内管（31）内に設けられている。

又、第３図は反応管（200）が複数加熱炉内に組込ま
れた状態を示し、第３図において、（９），（10），
（31）〜（38），（40）〜（42）は第２図の構成と同様
である。（201）は加熱炉であり、反応管（200）が複数
配設されている。（211）は加熱炉（201）に設けられた
バーナ、（221）は原料ガス（９）の導入マニホール
ド、（231）は改質ガス（10）の排出マニホールド、（2
41）は燃焼ガス（41）の排出マニホールド、（251）は
炉壁断熱材、（43）は反応管（200）の外周側、即ち、
外管（32）の外周側に配設された断熱材であり、図は一
例として外管（32）と外管（32）との間及び外管（32）
と炉壁断熱材（251）との間に配設されている。従つて
燃焼ガス（41）は内管（31）内の流通路（42）のみを流
通することになる。尚、バーナ（211）の燃料，燃焼用
空気等のバーナ（211）に必要なガスの供給ラインは省
略している。

次に動作について説明する。原料ガス（９）である炭
化水素とスチームは、例えば450℃程度に予熱された
後、導入マニホールド（221）から導入され、各反応管
（200）の内管（31）と中間管（33）との間の第１環状
部（34）内に導入され、その第１の環状部（34）に形成
された触媒層（35）内を流通し触媒（36）と接触する。
ここで、原料ガス（９）は水蒸気改質反応を生じ、H₂,C
o,Co₂等の混合ガス（改質ガス）となる。反応の終了し
た高温（約800℃程度）の改質ガス（10）は受け皿（3
9）のガス流通孔（図示せず）を通過して環状エンドキ
ヤツプ（38）内に流出し、流れを反転して中間管（33）
と外管（32）との間の第２の環状部（37）内に流入し、
その第２の環状部（37）内を原料ガス（９）の流通方向
とは逆方向に流通する。第２の環状部（37）を流通する
過程で、改質ガス（10）と中間管（33）との熱伝達が促
進され、改質ガス顕熱が中間管（33）の管壁を経て触媒
層（35）に回収された後、改質ガス（10）は排出マニホ
ールド（231）から系外に排出される。加熱源である燃
焼ガス（41）は加熱炉（201）に設置されたバーナ（21
1）より供給され、その燃焼ガス（41）は反応管（200）
の内部、即ち、内管（31）の内部の流通路（42）を内管
（31）の内壁部に沿つて流れ、排出マニホールド（24
1）から排出される。この過程で燃焼ガス（41）は内管
（31）を加熱する。エンドキヤツプ断熱材（40）はこの
燃焼ガス（41）により加熱が不要な所、即ち、触媒（3
6）が充填されていない環状エンドキヤツプ（38）内の
加熱を防止するものである。

以上のように燃焼ガス（41）は内管（31）の内部のみ
を流通するので、その燃焼ガス（41）によつて内管（3
1）の管壁は均一に加熱され、内管（31）の管壁を通し
て触媒層（35）内を均一に加熱することができ、均一な
改質反応が得られる。又、バーナ（211）より供給され
た燃焼ガス（41）は内管（31）の内部を流通させればよ
いので、燃焼ガス（41）が充満する加熱炉（201）内の
空間（燃焼空間）はバーナ火炎長分で済む。

ところで、反応管（200）の管壁温度の最高点は、燃
焼ガス（41）流れの最も上流側でかつエンドキヤツプ断
熱材（40）の覆われていない内管（31）の管壁部であ
る。この点は炉壁とは直接相対していないので、炉壁よ
りの固体輻射加熱は無視でき、内管（31）内に充満した
燃焼ガス（41）からのガス輻射が支配的となりその燃焼
ガス（41）により均一加熱が行える。又、各反応管（20
0）毎の内管（31）の管壁温度の均一性は燃焼ガス（4
1）の各反応管（200）への供給量を均一化することによ
り均一加熱が行える。これにより反応管（200）の長寿
命化が図れる。

尚、各反応管（200）の外周側に断熱材（43）を設け
て燃焼ガス（41）が第２の環状部（37）を流通する改質
ガス（10）に輻射熱を与えないための断熱効果を得るよ
うにしたが、断熱材（43）は必ずしも設ける必要はな
い。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら上述した従来装置では、装置の起動・停
止の繰り返しによる熱応力等によつて触媒層（35）の触
媒（36）が崩壊して小径のものとなり、触媒層（35）の
触媒充填密度が大きくなり充填高さが減少する。その結
果、第１の環状部（34）の頂部に触媒（36）が充填され
ない空隙部が生じる。この空隙部では触媒（36）がない
ため、ガス流速が低下し、内管（31）と改質ガス（10）
との熱伝達率が少なくなる。一方、内管（31）は燃焼ガ
ス（41）により加熱されているため、燃焼ガス（41）よ
り内管（31）へ与えられた熱量は改質ガス（10）に吸収
されず、内管（31）の温度が上昇する。内管（31）の材
料は例えば水蒸気改質反応装置では1000℃近くの温度に
なる。この温度レベルでは温度上昇に伴う材料寿命の低
下が著しいものとなつていた。

この発明は上記のような課題を解決するためになされ
たものであり、内管の長寿命化が図れる反応装置を得る
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る反応装置は、環状のエンドキヤツプの
上部に配設され、内側スカート部が内管内に延在し触媒
層の上部の一部分を覆うエンドキヤツプ断熱材を設けた
ものである。

〔作用〕

この発明における反応装置は、エンドキヤツプ断熱材
の内側スカート部により、触媒層の上部の一部分におけ
る内管の過熱を防止する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を第１図に基づいて説明す
る。第１図において、（９），（10），（31）〜（3
9），（41），（42）は上述した従来装置の構成と同様
である。（44）は環状のエンドキヤツプ（38）の上部に
その周囲を囲繞して配設され、内側スカート部（44a）
が内管（31）内に延在し触媒層（35）の上部の一部分、
即ち、第１の環状部（34）の触媒（36）が充填されてい
ない部分もしくは長期運転後に触媒（36）が充填されな
くなる恐れがある部分を覆うエンドキヤツプ断熱材であ
る。

次に動作について説明する。原料ガス（９）である炭
化水素とスチームは、例えば450℃程度に予熱された
後、導入マニホールド（221）から導入され、各反応管
（200）の内管（31）と中間管（33）との間の第１環状
部（34）内に導入され、その第１の環状部（34）に形成
された触媒層（35）内を流通し触媒（36）と接触する。
ここで、原料ガス（９）は水蒸気改質反応を生じ、H₂,C
o,Co₂等の混合ガス（改質ガス）となる。反応の終了し
た高温（約800℃程度）の改質ガス（10）は受け皿（3
9）のガス流通孔（図示せず）を通過して環状エンドキ
ヤツプ（38）内に流出し、流れを反転して中間管（33）
と外管（32）との間の第２の環状部（37）内に流入し、
その第２の環状部（37）内を原料ガス（９）の流通方向
とは逆方向に流通する。第２の環状部（37）を流通する
過程で、改質ガス（10）と中間管（33）との熱伝達が促
進され、改質ガス顕熱が中間管（33）の管壁を経て触媒
層（35）に回収された後、改質ガス（10）は排出マニホ
ールド（231）から系外に排出される。加熱源である燃
焼ガス（41）は加熱炉（201）に設置されたバーナ（21
1）より供給され、その燃焼ガス（41）は反応管（200）
の内部、即ち、内管（31）の内部の流通路（42）を内管
（31）の内壁部に沿つて流れ、排出マニホールド（24
1）から排出される。この過程で燃焼ガス（41）は内管
（31）を加熱する。以上のように燃焼ガス（41）は内管
（31）の内部のみを流通するので、その燃焼ガス（41）
によつて内管（31）の管壁は均一に加熱され、内管（3
1）の管壁を通して触媒層（35）内を均一に加熱するこ
とができ、均一な改質反応が得られる。

ところで、エンドキヤツプ断熱材（44）は環状のエン
ドキヤツプ（38）内の加熱を防止することは従来装置と
同様であるが、エンドキヤツプ断熱材（44）の内側スカ
ート部（44a）を内管（31）内に延在させ触媒層（35）
の上部の一部分を覆うようにしたことが新規なものであ
り、特異な効果を発揮する。即ち、装置の起動・停止の
繰り返しによる熱応力等によつて触媒層（35）の触媒
（36）が崩壊し、触媒層（35）の触媒（36）の充填高さ
が低くなり、第１の環状部（34）の頂部に触媒（36）が
充填されない空隙部が生じても、この空隙部に相対する
内管（31）はエンドキヤツプ断熱材（44）の内側スカー
ト部（44a）により覆われており過熱されることはな
く、内管（31）の長寿命化を図ることができる。

尚、エンドキヤツプ断熱材（44）としては単一材料よ
り構成されるだけでなく、適時複合材より構成されても
よい。さらに輻射シールド板との併用も可能である。

又、上記実施例では第２の環状部は改質ガス流路とし
て機能する場合について述べたが、第２の環状部に細線
や邪魔板等を入れて伝熱促進を図つてもよい。

ところで、上記説明では水蒸気改質反応装置の場合に
ついて述べたが、一般的な吸熱もしくは発熱反応装置に
もこの発明を適用し得ることは勿論のことである。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明した通り、高温ガスが内部を流通
する内管とその内管の外周側で同心状に配設された外管
との間に同心状に中間管を配設し、内管と中間管との間
に第１の環状部、中間管と外管との間に第２の環状部を
それぞれ形成し、第１の環状部に触媒を充填して触媒層
を形成し、内管と外管のそれぞれの他端に第１の環状部
と第２の環状部とを連通し触媒層から流出するガスを第
２の環状部に流入される環状エンドキヤツプを配設し、
環状のエンドキヤツプの上部にその内側スカート部が内
管内に延在し触媒層の上部の一部分を覆うエンドキヤツ
プ断熱材を配設したことにより、触媒層の上部の一部分
に空隙部が生じたとしても、その空隙部に相対する内管
が過熱されることがなく、内管の長寿命化を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による反応装置を示す断面
図、第２図は従来の反応装置を示す断面図、第３図は従
来の反応装置を加熱炉に組込んだ状態を示す断面図であ
る。 図において、（９）は原料ガス、（10）は改質ガス、
（31）は内管、（32）は外管、（33）は中間管、（34）
は第１の環状部、（35）は触媒層、（36）は触媒、（3
7）は第２の環状部、（38）は環状エンドキヤツプ、（4
4）はエンドキヤツプ断熱材である。 尚、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高温ガスが内部を流通する内管と、上記内
   管の外周側で同心状に配設された外管と、上記内管と上
   記外管との間に同心状に配設された中間管と、上記内管
   と上記中間管との間に形成され原料が導入される第１の
   環状部と、上記第１の環状部に触媒が充填されて形成さ
   れた触媒層と、上記中間管と上記外管との間に形成され
   上記原料が上記触媒層を流通することにより生成される
   ガスが流通する第２の環状部と、上記内管と上記外管の
   それぞれの他端に配設され、上記第１の環状部と上記第
   ２の環状部とを連通し、上記触媒層から流出する上記ガ
   スを上記第２の環状部に流入させる環状のエンドキヤツ
   プと、上記環状のエンドキヤツプの上部に配設され、内
   側スカート部が上記内管内に延在し上記触媒層の上部の
   一部分を覆うエンドキヤツプ断熱材とを備えたことを特
   徴とする反応装置。