JP2601707B2 - 触媒反応装置 - Google Patents
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- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
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- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
- C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
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- C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
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- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
- B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
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- B01J8/067—Heating or cooling the reactor
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- B01J2208/00008—Controlling the process
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、触媒反応装置に関するものである。さら
に詳しくは、炭化水素の水蒸気改質反応等の如き加熱反
応に使用するために適する熱回収効率が高いないし消費
エネルギーの低い装置に関する。
に詳しくは、炭化水素の水蒸気改質反応等の如き加熱反
応に使用するために適する熱回収効率が高いないし消費
エネルギーの低い装置に関する。
［従来の技術］ 水素発生装置の水蒸気改質等の為の装置にあって、内
部に触媒を有し、外部から熱の供給を受けつつ高温で反
応を行わせしめる反応装置においては、熱交換を効率よ
く行い、かつ設備の小形化を実現するために同心状の二
重管を反応管として採用し、内外の管壁で区画される環
状空間に触媒が充填され、内側管の内部に高温の反応済
みガスを通過せしめる方式が提案されている。これは、
二重管を採用することにより、高温度域にある触媒層を
通過した反応済みガスが内側管内を通過しつつ反応済み
ガスの顕熱を、内側管壁を通して触媒層に与えることに
なり、また水蒸気改質装置出口の反応済みガス温度が低
下していることによりこの下流に設置される熱交換器群
などで構成される熱回収設備容量の縮小化が可能となる
とともに、出口ガス温度が低いので熱放散量が小さくな
ることによる。
部に触媒を有し、外部から熱の供給を受けつつ高温で反
応を行わせしめる反応装置においては、熱交換を効率よ
く行い、かつ設備の小形化を実現するために同心状の二
重管を反応管として採用し、内外の管壁で区画される環
状空間に触媒が充填され、内側管の内部に高温の反応済
みガスを通過せしめる方式が提案されている。これは、
二重管を採用することにより、高温度域にある触媒層を
通過した反応済みガスが内側管内を通過しつつ反応済み
ガスの顕熱を、内側管壁を通して触媒層に与えることに
なり、また水蒸気改質装置出口の反応済みガス温度が低
下していることによりこの下流に設置される熱交換器群
などで構成される熱回収設備容量の縮小化が可能となる
とともに、出口ガス温度が低いので熱放散量が小さくな
ることによる。
このような二重管状のの反応装置の熱利用効率を更に
向上させた反応装置として、例えば特開昭59−16356で
は二重管の内側管内部に幅射面体を挿入し、触媒層出口
で反転して内側管内を上昇してくる反応済みガスを幅射
面体のある内側管内空間を通過させることにより、反応
済みガスの持つ顕熱を対流熱伝達だけでなく、対流熱伝
達で加熱された幅射面体からの幅射伝達にもより内側管
壁を通して触媒層に与える。
向上させた反応装置として、例えば特開昭59−16356で
は二重管の内側管内部に幅射面体を挿入し、触媒層出口
で反転して内側管内を上昇してくる反応済みガスを幅射
面体のある内側管内空間を通過させることにより、反応
済みガスの持つ顕熱を対流熱伝達だけでなく、対流熱伝
達で加熱された幅射面体からの幅射伝達にもより内側管
壁を通して触媒層に与える。
［従来技術の問題点］ 上記したような幅射面体を利用する装置にあっては、
必ずしも十分な熱の交換が期待できない場合がある。
必ずしも十分な熱の交換が期待できない場合がある。
また、加熱側についてみれば、反応装置を代表的加熱
槽である加熱炉内に設置する上で、加熱炉内は主として
高温の燃焼ガスの幅射による伝熱がおこなわれていた。
この伝熱後ガスからの幅射熱による伝熱を期待するには
十分ではない温度まで低下した燃焼排ガスは加熱炉の燃
焼排ガス通路に導かれた上で、例えば折り曲げられた管
の束からのなる熱交換器をその通路内に設けることによ
り、保有する顕熱を回収していた。この場合、例えば、
原料ガスを該熱交換器を通過せしめて予熱して、その後
に反応装置を送ることが考えられるが、設備する配管が
複雑になることは避けられない。また、いまだ高温のガ
スを炉外に導くことは、熱放散の程度を高め、装置全体
の効率を著しく低下せしめることになる。
槽である加熱炉内に設置する上で、加熱炉内は主として
高温の燃焼ガスの幅射による伝熱がおこなわれていた。
この伝熱後ガスからの幅射熱による伝熱を期待するには
十分ではない温度まで低下した燃焼排ガスは加熱炉の燃
焼排ガス通路に導かれた上で、例えば折り曲げられた管
の束からのなる熱交換器をその通路内に設けることによ
り、保有する顕熱を回収していた。この場合、例えば、
原料ガスを該熱交換器を通過せしめて予熱して、その後
に反応装置を送ることが考えられるが、設備する配管が
複雑になることは避けられない。また、いまだ高温のガ
スを炉外に導くことは、熱放散の程度を高め、装置全体
の効率を著しく低下せしめることになる。
この発明は、前記の問題点を回避して、より簡単な構
成で熱交換の効率を改善せしめ、なおかつ反応流体側お
よび／または燃焼ガス側の圧力損失を可能なかぎり低く
押え所要圧送動力を低減するための手段を提供すること
を目的とする。
成で熱交換の効率を改善せしめ、なおかつ反応流体側お
よび／または燃焼ガス側の圧力損失を可能なかぎり低く
押え所要圧送動力を低減するための手段を提供すること
を目的とする。
［課題を解決するための手段］ 本発明では反応済みガスおよび／または燃焼排ガスの
顕熱を有効的に回収するための熱回収手段として、該当
する伝熱壁に冶金的に一体的に接合して構成され、この
壁から突出するフィンや突起等の対流電熱を増強する熱
回収手段を用いて熱回収をはかる。
顕熱を有効的に回収するための熱回収手段として、該当
する伝熱壁に冶金的に一体的に接合して構成され、この
壁から突出するフィンや突起等の対流電熱を増強する熱
回収手段を用いて熱回収をはかる。
即ち本発明は： 「反応流体の入口と出口を同じ一端に有する同心二重
円筒管状反応装置であり、外側円筒管の他端は閉じられ
ており、二重管の主要部が加熱槽内に突出しており、反
応流体は前記入口から外側円筒管と内側円筒管とにより
区画形成された触媒が充填された環状空間を通過させら
れた後に他端で反転させられ、次いで該内側円筒管の内
部空間を通過させられて出口へ導かれ、加熱源となるガ
スが外側円筒管の外側を他端側から一端側へ流通させら
れる構造であり、加熱源となるガスの出口が、二重管が
加熱槽に突出する部分の加熱槽とで形成する二重管と同
心の環状空間である触媒反応装置において、 二重管の外側の加熱ガス流路側に外側管外壁から突出し
た通気性壁を設け、加熱槽内の空間を他端側の幅射伝熱
空間と一端側の対流伝熱空間とに分けると共に、以下
（１）、（２）記載の何れか一つ若しくは両方の熱交換
器を有する触媒反応装置である。
円筒管状反応装置であり、外側円筒管の他端は閉じられ
ており、二重管の主要部が加熱槽内に突出しており、反
応流体は前記入口から外側円筒管と内側円筒管とにより
区画形成された触媒が充填された環状空間を通過させら
れた後に他端で反転させられ、次いで該内側円筒管の内
部空間を通過させられて出口へ導かれ、加熱源となるガ
スが外側円筒管の外側を他端側から一端側へ流通させら
れる構造であり、加熱源となるガスの出口が、二重管が
加熱槽に突出する部分の加熱槽とで形成する二重管と同
心の環状空間である触媒反応装置において、 二重管の外側の加熱ガス流路側に外側管外壁から突出し
た通気性壁を設け、加熱槽内の空間を他端側の幅射伝熱
空間と一端側の対流伝熱空間とに分けると共に、以下
（１）、（２）記載の何れか一つ若しくは両方の熱交換
器を有する触媒反応装置である。
（１）前記内側円筒管の反応流体入り口部分に、円筒管
の軸方向に平行な流路を与えるプレートフィンを内側円
筒管の内面壁に一体的に接合した熱交換器。
の軸方向に平行な流路を与えるプレートフィンを内側円
筒管の内面壁に一体的に接合した熱交換器。
（２）前記外側円筒管の加熱ガス出口部分に、円筒管の
軸方向に平行な流路を与えるプレートフィンを外側円筒
管の外面壁に一体的に接合した熱交換器。」 ［図面による説明］ 以下、図面を用いて、この発明の実例を詳細に説明す
る。
軸方向に平行な流路を与えるプレートフィンを外側円筒
管の外面壁に一体的に接合した熱交換器。」 ［図面による説明］ 以下、図面を用いて、この発明の実例を詳細に説明す
る。
第１図はこの発明の反応装置を加熱炉内に設置した状
態を示す縦断面図である。
態を示す縦断面図である。
触媒反応装置１は炉の上壁（天井）３に固定されてい
る。この例では、適当な触媒の存在のもとに、水蒸気改
質反応が可能な炭化水素類と蒸気が原料とされて混合さ
れた状態で供給され、加熱炉から熱の供給を受けつつ触
媒層を通過することにより主として水素と二酸化炭素へ
転化される。
る。この例では、適当な触媒の存在のもとに、水蒸気改
質反応が可能な炭化水素類と蒸気が原料とされて混合さ
れた状態で供給され、加熱炉から熱の供給を受けつつ触
媒層を通過することにより主として水素と二酸化炭素へ
転化される。
原料ガス混合物は入口５から上部キャップの内部空間
７を経て、外側円筒管９と内側円筒管11とにより区画さ
れる環状空間13に供給される。この環状空間には改質触
媒15が充填されており、（図上では上下部以外の中間部
略記）この触媒層の上下部分は原料ガスの予熱用として
主に機能し、それより下の部分は反応用として機能して
いる。
７を経て、外側円筒管９と内側円筒管11とにより区画さ
れる環状空間13に供給される。この環状空間には改質触
媒15が充填されており、（図上では上下部以外の中間部
略記）この触媒層の上下部分は原料ガスの予熱用として
主に機能し、それより下の部分は反応用として機能して
いる。
原料ガスはこの触媒層を通過して改質された後、反応
管の底部17に至り、ここで反応済みガスとして反転され
て内側円筒管内部を上方に向かって流通する。前述の予
熱用として機能する部分に対応して、内側円筒管の内部
表面に管壁に冶金的に一体的に接合された流路に平行な
板状のフィン19が設置される。熱伝達度の良い金属製の
板状フィンを冶金的に一体的に接合させるためには、溶
接やろうづけが適している。冶金的一体的接合は勿論単
なる接触による接合に比し伝熱が優れるから採用され
る。圧力損失を極力小としてフィンの伝熱面積を拡大す
る為には、例えばステンレス鋼製の薄い板を波状に折り
曲げ内管内面にろうづけや溶接で一体的に接合させると
共にフィンと同質であってもよい補助円筒（dummy shel
l）21をろうづけで与えたプレートフィンによる方法が
採用できる。この場合には、板が薄いので、真空ろうづ
けの方法が適する。圧力損失少なく熱交換の効率を向上
させる目的をもつ本発明には、薄い波状のフィンを有す
るかかるプレートフィンによる方法が適する。
管の底部17に至り、ここで反応済みガスとして反転され
て内側円筒管内部を上方に向かって流通する。前述の予
熱用として機能する部分に対応して、内側円筒管の内部
表面に管壁に冶金的に一体的に接合された流路に平行な
板状のフィン19が設置される。熱伝達度の良い金属製の
板状フィンを冶金的に一体的に接合させるためには、溶
接やろうづけが適している。冶金的一体的接合は勿論単
なる接触による接合に比し伝熱が優れるから採用され
る。圧力損失を極力小としてフィンの伝熱面積を拡大す
る為には、例えばステンレス鋼製の薄い板を波状に折り
曲げ内管内面にろうづけや溶接で一体的に接合させると
共にフィンと同質であってもよい補助円筒（dummy shel
l）21をろうづけで与えたプレートフィンによる方法が
採用できる。この場合には、板が薄いので、真空ろうづ
けの方法が適する。圧力損失少なく熱交換の効率を向上
させる目的をもつ本発明には、薄い波状のフィンを有す
るかかるプレートフィンによる方法が適する。
補助円筒21のいずれか一端、好ましくは上端は閉じら
れて反応済みガスをプレートフィン中だけに流通させ
る。
れて反応済みガスをプレートフィン中だけに流通させ
る。
反応済みガスは該予熱用部位にて、前述のプレートフ
ィンを介し内側円筒管壁を通して、その外側の触媒床中
を下向きに流入してくる原料ガスにその顕熱を供給し、
自らの温度は低下して、反応装置の出口23より排出され
る。
ィンを介し内側円筒管壁を通して、その外側の触媒床中
を下向きに流入してくる原料ガスにその顕熱を供給し、
自らの温度は低下して、反応装置の出口23より排出され
る。
排出された反応済みガスは、例えば、燃料電池の水素
極などの所望の用途に使用される為に、次工程に送ら
れ、使用目的に応じて通常一酸化炭素変成器や圧力スイ
ング吸着装置などにより水素の純度を高められる。な
お、25は触媒を反応装置内部に充填するための開口部で
ある。
極などの所望の用途に使用される為に、次工程に送ら
れ、使用目的に応じて通常一酸化炭素変成器や圧力スイ
ング吸着装置などにより水素の純度を高められる。な
お、25は触媒を反応装置内部に充填するための開口部で
ある。
第１図の例では燃焼ガスの幅射熱を有効的に利用する
ために、反応管の長手方向の概ね半分のあたり通気性の
セラミック材料壁27を管を包囲し炉内空間を上下に仕切
るように配置している。29は外側管に与えられたセラミ
ック板用の支えである。
ために、反応管の長手方向の概ね半分のあたり通気性の
セラミック材料壁27を管を包囲し炉内空間を上下に仕切
るように配置している。29は外側管に与えられたセラミ
ック板用の支えである。
それより下の部分即ち幅射熱伝熱空間にあっては、反
応管への伝熱は主として燃焼ガスからの幅射熱により行
われる。この為、この部分にあってはプレートフィンを
配置するのは得策ではない。幅射伝熱の後、燃焼ガスは
この通気性セラミックを通過してその顕熱をこれに与
え、その結果熱はセラミックからの幅射で下側に戻さ
れ、最終的に通気性壁から下に突出した反応管の加熱に
寄与する。
応管への伝熱は主として燃焼ガスからの幅射熱により行
われる。この為、この部分にあってはプレートフィンを
配置するのは得策ではない。幅射伝熱の後、燃焼ガスは
この通気性セラミックを通過してその顕熱をこれに与
え、その結果熱はセラミックからの幅射で下側に戻さ
れ、最終的に通気性壁から下に突出した反応管の加熱に
寄与する。
なお、通気性壁の材料は、耐熱性で通気性であり、上
記の如く熱を幅射熱空間に圧力損失が少なく効果的に戻
し得る材料は全て用い得る。従って例えばセラミックの
他少なくとも部分的に金属材料であってもよい。
記の如く熱を幅射熱空間に圧力損失が少なく効果的に戻
し得る材料は全て用い得る。従って例えばセラミックの
他少なくとも部分的に金属材料であってもよい。
通気性壁通過後の燃焼ガスは幅射による伝熱を行わせ
しめるには不十分な程度に温度が低下しているが、未だ
十分な顕熱を有しているので、このガスの熱を原料ガス
の予熱に有効利用する為に、対流伝熱による熱回収手
段、即ち前述と同様の代表的には、プレートフィン31で
ある伝熱体を反応管の外側表面に冶金的に一体的に接合
して設ける。なおプレートフィン31の外周管は、伝熱に
寄与させる必要がないから単なる巻締めで与えてよい。
しめるには不十分な程度に温度が低下しているが、未だ
十分な顕熱を有しているので、このガスの熱を原料ガス
の予熱に有効利用する為に、対流伝熱による熱回収手
段、即ち前述と同様の代表的には、プレートフィン31で
ある伝熱体を反応管の外側表面に冶金的に一体的に接合
して設ける。なおプレートフィン31の外周管は、伝熱に
寄与させる必要がないから単なる巻締めで与えてよい。
通気性材料の上側となる加熱槽の部分を幅射伝熱空間
に対して対流電熱空間と称する。
に対して対流電熱空間と称する。
両伝熱空間の上下方向厚さの比は、加熱源ガスの主に
温度より調節される。
温度より調節される。
加熱源ガスは、加熱槽の幅射伝熱空間を燃焼炉とする
一般的な場合のほか、加熱槽外で燃焼の利用によっても
よい熱源で加熱されたガスを幅射伝熱空間に導入し通気
性壁経由対流伝熱空間へ流通させることもできる。
一般的な場合のほか、加熱槽外で燃焼の利用によっても
よい熱源で加熱されたガスを幅射伝熱空間に導入し通気
性壁経由対流伝熱空間へ流通させることもできる。
33は燃焼排ガス出口である。なお、35は断熱材、37は
支持用の型鋼、39は二重管内仕切筒、41は炉の下壁
（床）である。
支持用の型鋼、39は二重管内仕切筒、41は炉の下壁
（床）である。
仕切筒39は、環状空間内に充填された触媒を内側管内
に入らけない為のもので、この例では外側管底部17固定
され内側管と同心に、その内面又は外面と軸方向の相互
移動可能に接する。仕切筒には内側管下端と外側管底の
間に多数の孔が与えられ、反応済みガスを環状空間から
内側管内に通過させる。仕切筒を外側管に固定したので
内／外側管の熱膨張差等による相互変位を容易に吸収で
きる。
に入らけない為のもので、この例では外側管底部17固定
され内側管と同心に、その内面又は外面と軸方向の相互
移動可能に接する。仕切筒には内側管下端と外側管底の
間に多数の孔が与えられ、反応済みガスを環状空間から
内側管内に通過させる。仕切筒を外側管に固定したので
内／外側管の熱膨張差等による相互変位を容易に吸収で
きる。
第１図のように反応管の内側円筒管の内面および外側
円筒管の外面の両方にプレートフィンを配置することに
より、それぞれ反応済みガスおよび燃焼ガスの持つ顕熱
を有効に回収して利用することができる。この発明では
前記のように、反応管の内側円筒管の内面および外面円
筒管の外面の両方にプレートフィンを配置しているが、
熱計算上の有利性および構造上の可能性を考慮の上、必
要に応じて反応管の内側円筒管の内外面および／または
外側円筒管の内外面の一部又は全てに設けることもでき
る。
円筒管の外面の両方にプレートフィンを配置することに
より、それぞれ反応済みガスおよび燃焼ガスの持つ顕熱
を有効に回収して利用することができる。この発明では
前記のように、反応管の内側円筒管の内面および外面円
筒管の外面の両方にプレートフィンを配置しているが、
熱計算上の有利性および構造上の可能性を考慮の上、必
要に応じて反応管の内側円筒管の内外面および／または
外側円筒管の内外面の一部又は全てに設けることもでき
る。
［効果］ 以上に詳述した本発明によれば、加熱槽内に設けられ
た触媒反応装置にあって、熱回収手段、特に伝熱面積を
増大するのに有効な波状プレートフィン熱交換器等の伝
熱手段を該触媒反応装置円筒二重管の内管および／また
は外管の必要部に設けたので、反応済みガスおよび燃焼
ガスの持つ顕熱を原料ガスの予熱に充分供することがで
きるので、熱回収効率が改善され、ひいては加熱炉全体
の熱交換効率が向上し、反応装置を小型化することがで
きる。さらに、反応流体および／または燃焼ガス側の圧
力損失も少ないので、反応流体側および／または燃焼ガ
ス側の所要圧送動力を低減することができる。
た触媒反応装置にあって、熱回収手段、特に伝熱面積を
増大するのに有効な波状プレートフィン熱交換器等の伝
熱手段を該触媒反応装置円筒二重管の内管および／また
は外管の必要部に設けたので、反応済みガスおよび燃焼
ガスの持つ顕熱を原料ガスの予熱に充分供することがで
きるので、熱回収効率が改善され、ひいては加熱炉全体
の熱交換効率が向上し、反応装置を小型化することがで
きる。さらに、反応流体および／または燃焼ガス側の圧
力損失も少ないので、反応流体側および／または燃焼ガ
ス側の所要圧送動力を低減することができる。
第１図は本発明の具体的１例を説明する縦断面略図であ
る。 11……内側円筒管、５……原料ガス入口、 ９……外側円筒管、15……改質触媒、 19……フィン、23……反応ガス出口、 27……通気性セラミック材料
る。 11……内側円筒管、５……原料ガス入口、 ９……外側円筒管、15……改質触媒、 19……フィン、23……反応ガス出口、 27……通気性セラミック材料
Claims (1)
- 【請求項１】反応流体の入口と出口を同じ一端に有する
同心二重円筒管状反応装置であり、外側円筒端の他端は
閉じられており、二重管の主要部が加熱層内に突出して
おり、反応流体は前記入口から外側円筒管と内側円筒管
とにより区画形成され触媒が充填された環状空間を通過
させられた後に他端で反転させられ、次いで該内側円筒
管の内部空間を通過させられて出口へ導かれ、加熱源と
なるガスが外側円筒管の外側を他端側から一端側へ流通
させられる構造であり、加熱源となるガスの出口が、二
重管が加熱槽に突出する部分の加熱槽壁とで形成する二
重管と同心の環状空間である触媒反応装置において、 二重管の外側の加熱ガス流路側に外側管外壁から突出し
た通気性壁を設け、加熱槽内の空間を他端側の幅射伝熱
空間と一端側の対流伝熱空間とに分けると共に、以下
（１）、（２）記載の何れか一つ若しくは両方の熱交換
器を有することを特徴とする触媒反応装置。 （１）前記内側円筒管の反応流体入り口部分に、円筒管
の軸方向に平行な流路を与えるプレートフィンを内側円
筒管の内面壁に一体的に接合した熱交換器。 （２）前記外側円筒管の加熱ガス出口部分に、円筒管の
軸方向に平行な流路を与えるプレートフィンを外側円筒
管の外面壁に一体的に接合した熱交換器。
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|---|---|---|---|
| JP63314526A JP2601707B2 (ja) | 1988-12-13 | 1988-12-13 | 触媒反応装置 |
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| JP63314526A JP2601707B2 (ja) | 1988-12-13 | 1988-12-13 | 触媒反応装置 |
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