JP3839846B2 - たて型触媒反応装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、改良された触媒反応装置に関し、触媒の沈下および損壊を低減する触媒反応装置に関する。
炭化水素系燃料のような原燃料を利用価値の高いガスに変換する水蒸気改質技術はこの技術分野でよく知られている。この水蒸気の改質は、反応装置の燃料及び蒸気を加熱した触媒床に接触させることによって達成される。図１はこのような目的の従来技術の触媒反応装置の断面図を示す。この装置１０は、改質反応用の熱源となる炉１２と、少なくとも１つのたて型の触媒反応器１４により構成される。
炉１２は、炉室１８を形成するために配置された炉壁１６と、炉室１８に空気２２を導入する入口２０と、炉室１８に炉燃料を導入し、それによって高温燃焼ガス２８を生成する噴射装置２４と、燃焼ガス２８を排除する排気口３０とを有する。炉室１８は、燃焼ガスが発生する燃焼室３２と燃焼室３２の下に配置された熱交換部３４とに分割される。熱交換部３４は、燃焼ガス２８が流れる環状燃焼ガス通路３６を有する。燃焼ガス通路３６は、触媒反応器１４の外側に沿って燃焼室３２から熱交換部３４を通って排気口３０に伸びている。燃焼ガス通路３６には、固体粒子または他の材料（図示せず）が充填される場合もあり、これは、燃焼ガス２８から触媒反応器１４に熱を伝達する際の補助となる。
炉１２の燃焼ガス通路３６内に配置された触媒反応器１４は、燃焼室３２内に配置された高温部３８と、熱交換部３４内に配置された冷却部４０とを有する。
各触媒反応器１４は、対象軸線Ａを有し、反応管４２及び上部で管４２を密封するキャップ４４を有する。反応管４２は、燃焼ガス２８に露呈された外側反応壁４６と、外側反応壁４６から間隔を置いた内側反応壁４８とを有し、反応壁４６，４８の間に環状反応室５０が構成される。反応室５０は、原燃料と蒸気の混合ガス５４を導入する反応室５０内に配置された入口５２と、反応室５０から生成ガス５８を排出するための入口５２から間隔を置いて反応室５０内に配置された出口５６と、改質の補助を行うために触媒層６２を形成する反応室５０に配置された触媒６０と、触媒層６２を支持するために反応室５０内に配置された環状支持プレート６４とを有する。支持プレート６４にはその支持プレートを貫通する複数の穴（図示せず）がある。
触媒反応装置１０は、炉１２内の所望の作動温度及び熱サイクルに耐えることができる従来の触媒反応器１４を使用することができる。通常、温度及び熱サイクルは、約１，６００°Ｆ（８７１℃）までである。通常、触媒反応器１４は、ステンレススチール製管または同様の中空の構造である。このような従来のいくつかの触媒反応装置は、米国特許第４，０７１，３３０号，米国特許第４，０９８，５８７号、米国特許第４，０９８，５８８号、米国特許第４，０９８，５８９号及び米国特許第４，２０３，９５０号に示されている。
使用された触媒は、この技術分野の当業者によって公知の水蒸気改質触媒である。この触媒は、通常、球、ペレット、またはラシヒリング(Rasching ring)の形状である。
反応室５０内において、触媒層６２内の触媒６０の重量は、触媒層６２にわたって下方に伝わり、支持プレート６４によって支持される。
運転中、燃焼ガス２８は、燃焼ガス通路３６を通って反応器１４の外側に沿って燃焼室３２から流れ排気口３０から出る。原燃料及び蒸気の混合ガス５４は、入口５２を通り、反応室５０を通って流れる。よって、燃焼ガス２８及び原燃料及び蒸気の混合ガス５４は、対向流として流れ熱交換をおこなう。熱交換と炉の壁１６からの輻射熱は、原燃料と蒸気の混合ガス５４と触媒６０とで反応室５０内において改質反応を行い、よって生成ガス５８を生成する。生成ガスは出口５８を通って反応室５０から出る。産業用においては、生成ガス５８は、通常、水素リッチガスである。
触媒反応器１４は、熱サイクルによる問題を有する。起動時には触媒反応器１４の温度は上昇し、反応壁４６，４８及び触媒６０は異なる率で熱膨張する。反応壁４６，４８間または反応室５０の容積は、触媒６０の容積より大きくなる。なぜならば、反応壁４６，４８は、触媒６０より大きい熱膨張率を有するからである。外側の反応壁は燃焼ガスと直接接触するから最も膨張する。内側反応壁４８は膨張するが、それほどは膨張しない。触媒は熱膨張係数が小さくほとんど膨張せず、膨張した反応室５０の容積より小さい容積になる。その結果、反応壁４６，４８が拡張すると、触媒６０に作用する重力によって、触媒６０が反応室５０の下方に移動し、容量の増大によって生じた空隙を埋める。
この過程は、触媒沈下として知られている。触媒沈下は、触媒または他の固体熱伝達材料のような固体粒子が充填され、固体粒子の熱膨張率より大きい熱膨張係数を有し、熱源に露出された縦方向に配置される従来のどのような触媒反応装置または容器でも生じる。
触媒反応器１４が冷却される停止過程においては、反応壁４６，４８は収縮するが、触媒６０が下方に沈下しているので、触媒反応器１４の冷却によって、反応壁４６，４８は、触媒６０に機械的な圧縮力を及ぼす。機械的な圧縮力が加えられると、触媒層６２の重量及び触媒６０と反応壁４６，４８との間の摩擦力によって、触媒反応器１４内で触媒６０が上昇することが防止される。この機械的圧縮力の一部が、触媒６０と反応壁４６，４８によって吸収され、圧縮力の他の部分により触媒６０の一部が細片（図示せず）に砕かれる。
触媒６０の沈下及び圧壊は、触媒反応器１４内でいくつかの問題を生じる。その結果生じる触媒粒子（図示せず）は、元の触媒６０よりも大きい抵抗係数を有し、生成ガス５８は、触媒粒子（図示せず）を持ち上げ、反応室５０から排出する。触媒６０のロスの第１の影響は、触媒反応器１４の高温部３８における燃料変換率の減少である。これは、触媒反応器１４が、所望の燃料変換を達成するために一層高温度において作動することを必要とする。
他の影響は、触媒反応器１４が早期に停止しなければならないことである。通常、反応装置は、１年毎に複数の起動／停止熱サイクルで長年作動し、一連の熱サイクルを生じるように構成されており、触媒反応器１４の効率が十分減少する程大量の触媒が失われると、触媒反応器１４を停止して新しい触媒６０を補給しなければならない。さらに、もし、大量の触媒６０が触媒６０の空隙が減少するように圧壊する場合には、触媒反応器１４は、つまりを生じ、それによって、触媒層６２を通る原燃料及び蒸気５４の流れを許容できない程度まで制限する。よって、このつまりは、触媒６０を除去し新しい触媒６０を挿入することが必要となる。
触媒の沈下及び圧壊を低減するように構成された反応装置は、その全体が参考としてここに組み込まれた米国特許第４，２０３，９５０号に示されている。米国特許第４，２０３，９５０号に示された反応装置は、触媒の反応壁の機械的な圧力を低減することによって触媒の沈下及び圧壊の問題を解決する。最適な機械的な圧力範囲が決定され、触媒反応器及び触媒は、その範囲に適合するように構成されている。
米国特許第４，２０３，９５０号に示された触媒反応装置は、熱サイクルによる触媒の沈下と圧壊の問題を十分に低減するが、米国特許第４，２０３，９５０号によって教示された解決法は、ある範囲内にある寸法及び弾性レンジのような触媒反応装置及び触媒の設計に関してある変数を必要とする。触媒反応装置をこの指示どおりに組み立てなければならないので、この解決法は、既存の触媒反応装置に適用することができない。米国特許第４，２０３，９５０号に説明された構成は、触媒反応装置の沈下及び圧壊の問題を対応することができず、それらの構成によっては、多数の熱サイクルまたは大きな高さまたは直径の触媒反応装置を必要とする作動状態において最適な圧力範囲に適合することができない。
この技術分野で必要とされるものは、触媒の沈下と圧壊を低減し、効率を向上できる改良された触媒反応装置である。
本発明の目的は、既存の触媒反応装置に適応することができる方法で触媒の圧壊の問題を解決することである。
発明の開示
本発明によれば、触媒の沈下及び圧壊を低減するように構成された原燃料を生成ガスに水蒸気改質するたて型触媒反応装置が提供される。触媒反応器は、原燃料及び蒸気が触媒層に接触するように触媒層を形成する触媒で充填される。触媒反応器は、触媒よりも大きい熱膨張係数を有し、触媒が沈下及び圧壊するように触媒反応器内の容積を変化させるに十分な温度サイクルを受ける。
触媒反応器は、触媒層を複数の触媒部分に分割する複数の支持構造を有する。前記触媒部分及び支持構造は、所定の重量を有する。前記支持構造は、第１及び第２の支持構造を有するように触媒反応器内に配置されている。第１の支持構造は、前記第２の支持構造の下に配置され、前記第１及び第２の支持構造は、それぞれ中に第１及び第２の触媒部分を含む。
各支持構造は、複数の垂直方向の支持装置に結合されたベースを有する。触媒層を触媒部分に分割するベースは、有孔プレートを有する。有孔プレートは、原燃料及び蒸気の流れを触媒部分に接触することができるようにしながら触媒を保持することができる複数の穴を有する。第２の支持構造の重量及び第２の触媒部分の重量を支持する垂直方向の支持装置は、第２の支持構造の重量及び第２の触媒部分の重量を第１の支持構造に伝達する。
図の簡単な説明
図１は、本発明の複数の固定具（図示せず）を使用することができる従来技術の触媒反応の断面図である。
図２は、支持構造の１つの実施例の図面である。
図３は、反応室内に複数の支持構造を配置することを示す図１の線３内の領域の拡大図面である。
発明を実施するための最良の形態
図２は、支持構造１００の１つの実施例の斜視図である。この明細書及び特許請求の範囲で使用する支持構造と言う用語は、触媒層（図示せず）を複数の触媒部分（図示せず）に分割する構造を意味する。支持構造１００は、触媒層（図示せず）を触媒部分（図示せず）に分割するベース１０２を有する。ベース１０２には、第２の支持装置（図示せず）内の触媒及び第２の支持装置の重量を支持するための複数の垂直方向の支持装置１０４が接続されている。支持構造１００は対称軸線Ａを有する。この実施例において、ベース１０２は、環状補強部材１０８に結合された環状の有孔プレート１０６である。有孔プレート１０６は、穴１１０によって表され、その表面を通って配置された複数の穴を有する。穴１１０は、原燃料及び蒸気（図示せず）を触媒層（図示せず）に接触することを可能にしながら触媒（図示せず）を保持することができなければならない。
この実施例において垂直方向の支持装置１０４は、補強部材１０８に周方向に配置された複数のロッド１１２である。各ロッド１１２は第２の端部１１６とは反対側に第１の端部１１４を有する。第１の端部は補強部材１０８に取り付けられ、ロッド１１２は、対称軸線Ａに平行な補強部材１０８から上方に第２の端部１１６で終結している。複数のロッド１１２の各々は、第２の端部１１６に取り付けられた基準部材１１８を有する。基準部材１１８は、各支持構造１００が触媒（図示せず）によってオーバーロードされないように目視監視のために使用される。この実施例の部材はディスクである。
他の実施例は、上にある触媒部分及び支持構造（図示せず）の重量を下にある触媒部分（図示せず）に付与することなくロッド１１２が隣接する有孔プレート（図示せず）の間の距離を維持する限り、第２の端部１１６で部材１１８またはロッドの代わりに第２の端部１１６で９０°の角度を有するロッド１１２を使用することができる。
この実施例の支持構造１００は、スレンレススチールで製造され、熱サイクルと触媒部分（図示せず）の重量に耐えるように設計されるが、これらの要求を満たす材料を使用することができる。ロッド１１２の数及び補強部材１０８及び有孔プレート１０６のロッド１１２の寸法のような支持構造１００の特徴は、触媒部分（図示せず）を支持するために支持構造１００の構造的に必要とされる完全性及びその能力に基づいている。補強部材１０８が有孔プレート１０６にしっかりと取り付けられているので、補強部材１０８は、有孔プレート１０６に追加的な強度及び完全性を提供し、よって必要なプレートの厚さｔ（図示せず）を低減する。支持構造１００の他の実施例は、さらに実質的な有孔プレート１０６のために補強部材１０８を無くしてもよい。
図３は、図１の線３で囲まれた部分の拡大図であり、反応室５０内に複数の支持構造１００が配置された状態を示す。有孔支持プレート６４が反応室５０内に配置され、複数の穴１２０を有する。支持プレート６４は内側の反応壁４８にしっかりと取り付けられる。反応壁４８と反応壁４６との間の距離は、反応室の幅ｗｒである。支持プレート上には隔離器１２２が配置されている。隔離器１２２の上には第１の触媒部分１２４ａを有する第１の支持構造１００ａがある。第１の支持構造１００ａの上には第２の触媒部分１２４を有する第２の支持構造１００ｂがある。複数の支持構造は必要に応じて使用されるが、図３に示す触媒反応室５０は、２つの支持構造１００ａ，１００ｂのみを有する。
隔離器１２２は、第１の支持構造１００ａと支持プレート６４との不適当な整列が起こって原燃料及び蒸気の流れを中断しないようにすることができる。この隔離器１２２は、支持構造の数と同様の多数の垂直方向の支持装置１０４に結合された永久的な固定具または支持プレートのような第１の支持構造１００ａの有孔プレート１０６ａから支持プレート６４を分離する装置である。しかしながら、この実施例において、隔離器１２２はスチール製リングである。
この実施例において、各支持構造１００ａ，１００ｂは、有効プレート１０６ａ，１０６ｂ、補強部材１０８ａ，１０８ｂ及びロッド１１２ａ，１１２ｂによって表される複数のロッドから成る。各有孔プレート１０６ａ，１０６ｂは、穴１１０ａ，１１０ｂによって表される複数の穴を有する。各ロッド１１２ａ，１１２ｂは、補強部材１０８ａ，１０８ｂにロッド溶接部１２６ａ，１２６ｂで取り付けられる。有孔プレート１０６ａ，１０６ｂは、補強部材１０８ａ，１０８ｂの他の側にベース溶接部１２８ａ，１２８ｂで取り付けられる。図示した実施例において、ロッド１１２ａ、１１２ｂは、補強部材１０８ａ，１０８ｂから上方に伸びているが、当業者によって理解できるように、支持構造１００ａ，１００ｂは、ロッド１１２ａ，１１２ｂが補強部材１０８ａ，１０８ｂから下方に伸びるように構成することができ、この場合、隔離器１２２は必要ない。各ロッドは長さｌｓである。
有孔プレート１０６ａ，１０６ｂは、所定の厚さｔと、内径ｄｉと、外径ｄOと、内径ｄｉから外径ｄOへの距離である幅Ｗｐとを有する。有孔プレート幅Ｗｐは、反応室５０内に支持構造１００ａ，１００ｂの設置を容易にするように反応室の幅Ｗｒより小さくなければならない。補強部材１０８ａ，１０８ｂは直径ｄｓを有する。
各支持構造１００ａ，１００ｂは、各補強部材１０８ａ，１０８ｂの直径ｄｓに加えられた各ロッド１１２ａ，１１２ｂの長さｌｓによって画定された高さを有する。好ましい支持構造の高さｈは、熱サイクル及び支持構造が支持しなければならない重量に基づいた触媒反応器１４にわたって変化し、これは触媒反応器１４内の支持構造の場所に対応する。好ましい支持構造の高さｈは、所定部分内の触媒が触媒反応器の作動寿命の許容できる量の沈下及び圧壊に抵抗することができるようにする。
実際において、図１に示すように、支持構造（図示せず）は、たて型触媒反応装置において使用される。たて型の触媒反応器１４は、触媒反応器１４に配置された触媒６０が沈下の問題を受ける触媒反応器を説明するように意図されている。反応装置キャップ４４が反応装置管４２に溶接される前に、反応室５０が配置される。
必要に応じて図１，図２及び図３を参照すると、まず、隔離器１２２が支持プレート６４上に配置される。次に第１の支持構造１００ａは、触媒反応器１４の対称軸線Ａと支持構造１００ａとが整合するように反応室５０に挿入される。第１の支持構造１００ａは、ロッド１１２の第２の端部１１６で部材１１８を使用して第１の触媒部分１２４ａで充填される。次に第２の支持構造１００ｂ上のロッド１１２ｂが、第１の支持構造１００ａのロッド１１２ａと整合するように第２の支持構造１００ｂが入れられる。これは、支持構造１００ａ，１００ｂによって表される曲げ負荷及び側方の横断応力を制限し、支持構造１００ａ，１００ｂを製造する材料の構造上の要求を低減している。反応室５０の負荷は、この技術分野でよく知られた必要な高さまで反応室５０が触媒６０で埋められるまで前述した方法で追加の触媒部分（図示せず）及び支持構造（図示せず）を交互に配置することによって完成される。
図１を参照すると、取付が一旦完成すると、反応キャップ４４が反応装置管４２に溶接されている。起動時に温度が上昇する間、反応室５０内の支持構造１００ａ，１００ｂによって、第１の触媒部分１２４ａが第１の触媒部分１２４ａの重量のみを支持し、第２の支持構造１００ｂ及び第２の触媒部分１２４ｂの重量がロッド１１２ａを介して第１の支持構造１００ａによって支持されている。この重量の減少は、各支持構造１００ａ，１００ｂ内の局所的沈下を最少限にし、第２の支持構造１００ｂから第１の支持構造１００ａへの触媒の移動を最少限にする。
冷却中、反応壁４６，４８が収縮するとき、沈下した触媒部分１２４ａ，１２４ｂに圧縮荷重が加わる。しかしながら、上方の触媒の重量を支持することによって、拘束されていない大部分の沈下した触媒は、圧縮荷重で圧壊する代わりに上方に移動する。よって、触媒の圧壊は最小限しか起こらない。
特定の発明を図示した実施例を参照して説明したが、この説明は制限された意味で説明することを意図していない。本発明を好ましい実施例で説明したが、本発明の図示した実施例の実施例並びに追加の実施例は、特許請求の範囲に示したように、本発明の精神から逸脱することなくこの説明を参照した当業者には明らかであろう。従って、それは、本発明の範囲内のこのような変形例または実施例をカバーすることは考慮されよう。例えば、燃焼ガス通路内の熱伝達材料のような固体粒子の沈下及び圧壊を防止するために本発明を使用することができる。

Claims (9)

1. 原燃料及び蒸気が接触して流れる触媒層を形成するように触媒が配置され、触媒よりも大きい熱膨張係数を有し、触媒が沈下及び圧壊するような触媒反応器内の容積を変化させるに十分な温度サイクルを受けるたて型触媒反応装置において、前記触媒層を複数の所定の重量を有する触媒部分に分割する第１及び第２の支持構造を有し、前記第１の支持構造は、前記第２の支持構造の下に配置され、前記第１及び第２の支持構造は、それぞれ中に第１及び第２の触媒部分を含むように前記触媒反応器内に配置され、各支持構造は、
   ｉ．触媒層を触媒部分に分割し、原燃料及び蒸気の流れを触媒部分に接触することができるようにしながら触媒を保持することができる複数の穴を有する有孔プレートを有するベースと、
   ii．前記ベースに結合され、第２の支持構造の重量及び第２の触媒部分の重量を支持し、且つこれらの重量を第１の支持構造に伝達する複数の垂直方向の支持装置とを有する、原燃料を生成ガスに水蒸気改質するたて型触媒反応装置。
2. 前記ベースが、前記有孔プレートに結合された補強部材を有する請求項１に記載の触媒反応装置。
3. 前記垂直方向の支持装置が、ベースの周りに配置された複数のロッドから構成されている請求項１に記載の触媒反応装置。
4. 前記垂直方向の支持装置が、ベースの周りに配置された複数のロッドから構成され、第２の支持構造の前記ロッドは、第１の支持構造のロッドにほぼ整列しており、第１及び第２の支持構造によって生じる曲げ負荷及び側方横方向の応力を制限する請求項１に記載の触媒反応装置。
5. 前記垂直方向の支持装置が、複数のロッドから構成され、各ロッドは、前記ベースに結合された第１の端部と、前記第１の端部とは反対側で、触媒の充填に際して補助となる部材が取り付けられている第２の端部を有する請求項１に記載の触媒反応装置。
6. 原燃料及び蒸気が接触して流れる触媒層を形成するように触媒が配設され、触媒よりも大きい熱膨張係数を有し、触媒が沈下及び圧壊することができるように触媒反応装置内の容積を変化させるに十分な温度サイクルを受けるたて型触媒反応装置において、
   前記触媒層を複数の所定の重量を有する触媒部分に分割する複数の支持構造を有し、前記支持構造は第１の触媒部分を有し、前記支持構造上に第２の触媒部分を有するように触媒反応装置内に配置され、各支持構造は、
   ｉ．触媒層を触媒部分に分割し、原燃料及び蒸気の流れを触媒部分に接触することができるようにしながら触媒を保持することができる複数の穴を有する有孔プレートを有するベースと、
   ii．前記ベースに結合され、前記支持構造の重量及び第２の触媒部分の重量を伝達する多数の垂直方向の支持装置とを有する、
   原燃料を生成ガスに水蒸気改質するたて型触媒反応装置。
7. 前記ベースが、前記有孔プレートに結合された補強部材を有する請求項６に記載の触媒反応装置。
8. 垂直方向の支持装置は、ベースの周りに配置された複数のロッドからなる請求項６に記載の触媒反応装置。
9. 外側反応壁、内側反応壁を有し、前記外側反応壁から間隔を置いた内側反応壁は、前記外側壁と内側壁との間に反応室を構成し、前記反応室は、原燃料及び蒸気が入ることができるように反応室に配置された入口と、生成ガスの出口のための入口から離れて配置された出口と、原燃料及び蒸気が接触する触媒層を形成するように配置された触媒と、触媒層を支持するために反応室内に配置された支持プレートと、有し、
   前記触媒層を複数の触媒部分に分割する複数の支持構造であって、前記触媒部分及び支持構造は所定の重量を有し、前記支持構造は、第１及び第２の支持構造があり、前記第１の支持構造は、前記第２の支持構造の下に配置され、前記第１及び第２の支持構造は、それぞれ中に第１及び第２の触媒部分を含むように触媒反応装置内に配置され、各支持構造は、
   ｉ．触媒層を触媒部分に分割し、原燃料及び蒸気の流れを触媒部分に接触することができるようにしながら触媒を保持することができる複数の穴を有する有孔プレートと、
   ii．前記有孔プレートに結合された補強部材と、
   iii．補強部材の周りに配置され、前記第２の支持構造の前記ロッドは、前記第１の支持構造のロッドの上にほぼ整列し、各ロッドは、補強部材に結合された第１の端部と、前記ロッドの反対側の第２の端部とを有し、第２の支持構造の重量及び第２の触媒部分の重量を第１の支持構造に伝達する複数のロッドと、
   iv．触媒の充填時における目視監視できるように複数のロッドの第２の端部に取り付けられている基準部材とを有する、
   原燃料を生成ガスに水蒸気改質するたて型触媒反応装置。

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