JP4247952B2 - 熱交換機能を組合せた気体用触媒反応器及びそれを用いた触媒反応装置 - Google Patents
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- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換機能を組合せた触媒反応器に関し、特にガス状炭化水素を効率良く反応させることができると共に、廃熱を有効利用することのできる触媒反応器及びそれを用いた触媒反応装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギーの観点から、加熱効率を高めたり、触媒反応後の廃熱を有効利用することのできる熱交換機能を組合せた触媒反応器が提案されている。例えば、特開平６−２２９５３０号公報には、加熱器の周囲に触媒体をおき、加熱器表面から発生する輻射線を触媒体に吸収させることによってエネルギーの無駄を省き、触媒を加熱するための熱入力を最小限とした、コンパクトな触媒反応器が開示されている。この触媒反応器は、廃熱を利用して反応ガスを予熱する熱交換機能を有しているが、この場合には、熱交換領域が反応器の長さの１／３足らずと限られている為、廃熱の利用は限られたものであった。かかる欠点は特表平９−５０３９６１号公報に開示された吸熱反応用触媒反応器によって大幅に改善されたが、この場合には、反応ガスを予熱するためには、該予熱を別途行わなければならないという欠点があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明者らは、更に熱エネルギーの有効利用を徹底し、ランニングコストの更なる低減をなすべく鋭意検討した結果、反応器内に反応室も含めたガス流路を１往復半設け、往路及び復路の両方で熱交換させることにより、更に熱効率を改善することができることを見出し本発明に到達した。
従って、本発明の目的は、熱効率に優れランニングコストの低減された、熱交換機能を組合せた気体用触媒反応器を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記の目的は、予熱室、触媒反応室及び排気室が、該排気室が最外側となる如く３層をなす、熱交換機能を有する気体用触媒反応器であって、前記触媒反応室が、反応室内の器壁表面に触媒金属を担持してなる反応室であると共に、少なくとも最内層から中間層に向かって熱交換による熱伝導が生じるように構成されていることを特徴とする熱交換機能を組合せた気体用触媒反応器によって達成された。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
図１は、触媒反応が発熱反応である場合の、本発明の気体用触媒反応器１０の例である。図中の符号１は触媒反応室、２は予熱室、３は排気室、４は反応ガスの流入口、５は排気ガス排出口、６は熱交換を促進するためのフィンである。この場合の触媒反応は発熱反応であるので、反応が始まると触媒反応室は反応熱によって加熱される。従って、反応ガスの流入口から反応器内中層の予熱室に流入したガスは最内層の反応室の外壁と接触して予熱される。尚、反応を開始させるに際しては、公知の如く、加熱した反応ガスを触媒反応室に導入するか、及び／又は触媒反応室自身を加熱できるようにしておくことが必要である。
【０００６】
この場合の熱交換効率を高めるために、予熱室内には適度にフィンを設けることが好ましい。予熱された反応ガスは、触媒反応室に適切な温度で導入されるので反応効率が改善される。触媒反応室から最外層の排気室に流出した排気ガスは十分廃熱を有するのでこの廃熱によっても予熱室内のガスが予熱される。このように廃熱が有効に利用されるので、触媒反応器としてのエネルギー効率は従来より大幅に改善される。この場合の熱交換効率を高めるために、排気室の予熱室側壁面にもフィンを設けることが好ましい。
【０００７】
図２は、触媒反応が吸熱反応である場合の、本発明の気体用触媒反応器１０の例である。反応ガスは、壁面を介してガスバーナー等の加熱手段によって最内層の予熱室で十分に加熱された後中層の触媒反応室に導入され反応する。また、触媒反応室は、予熱室との間の壁面を介して加熱されるだけでなく、十分に予熱された反応ガスによって直接的に加熱される。更に、触媒反応室は、最外層の排気室に排出された排気ガスの廃熱によって保温される。
【０００８】
本発明の触媒反応室は、器壁表面に触媒を担持してなる。この場合、反応器の基材として陽極酸化アルミナ被膜を生成したアルミニウム及びアルミニウム合金、又はアルミニウムと鉄、ステンレス、銅などとのクラッド材等を使用し、内部に多数のフィンを設けることが好ましく、特に、陽極酸化被膜表面に触媒を担持させることが好ましい。陽極酸化表面に触媒を担持させる場合には、該陽極酸化表面の比表面積を大きくするために室温〜８０℃で５分〜２４時間水和処理することが好ましい。また、触媒を担持させるに際しては、例えばアルミナゾルを結着剤として使用しても良い。尚、触媒反応室の温度を制御するための公知の加熱手段や冷却手段を併用しても良いことは当然である。反応器全体をアルミニウム、銅、ステンレスなどの金属で製造した場合にはユニット化が容易であり、このユニットを適宜組合せることにより、所望の規模の反応装置とすることも容易である。
【０００９】
本発明の触媒反応器は、反応ガスの流入口４から導入された反応ガスが予熱室、反応室、排気室を順次通過するので、排出口に近いほどガスの空間速度が遅くなる。従って、この特性を利用することによって、混合ガスの反応率を９９．９％程度とすることが可能である。また、ガソリンを改質して水素ガスを得るような反応の場合でも、ガソリンの反応室内の滞留時間を制御することにより、水素の収率を高めることができる。このように、反応率を高めたり、特定の生成物の収率を高める場合には、排気室にも触媒を充填したり担持させたりして、実質的に反応室とすることが好ましい。排気室の触媒は、反応室の触媒と必ずしも同一にする必要はない。尚、ガスの組成を均一にするために、適宜多孔板を配し、該多孔板を透過するようにガスを流すことが好ましい。
【００１０】
図３は、本発明の反応器１０を２段４列に併設してなる、本発明の触媒反応装置３０の内部構造を説明するための右側面説明図、図４は平面説明図である。図中の符号４は反応ガス流入口、５は排気ガス排出口、１０は触媒反応器、１１はサンプリング口、１２は制御装置、１３はファン、１４はヒーター、１５は流量計、１６は自動切換弁、１７はガスの組成を均一にするための多孔板、１８は反応ガス分配室、１９は排気ガス収集室である。
【００１１】
本発明を稼動する場合には、先ずファン１３とヒーター１４をオンにし、反応ガスを吸気口２０から取り入れる。導入された反応ガスはヒーター１４を通って分配室１８に入り、８個の反応器に分配される。各反応器の反応ガス流入口から反応器内部に流入したガスは、適宜多孔板１７を通過し、３層構造の反応器を経て、反応によって組成を変えながら排気ガス排出口５から排気ガス収集室１９に排出され、排気口２１から本装置３０外に排出される。
【００１２】
発熱反応の場合には反応室が過熱するので、ヒーター１４は適宜オフにされる。尚、ヒーターは電気ヒーターに限定されるものではなく、バーナーであっても良いことは当然である。吸熱反応の場合には引き続きヒーター１４をオンにしておく。電磁弁１６を作動させ、適宜サンプリング口１１から反応前のガスを試料として取り出し、排気ガスの組成と比較しながら反応を制御する。反応の制御は、制御装置の設定によって行われる。設定は、少なくとも、流量及び反応室の温度について行われ、温度センサーと連動してヒーターのオン・オフが行われる。尚、本装置では反応器を８個としたが、その数は特に限定されず、処理の規模や反応の種類によって適宜設計することができる。図５は、反応ガスが前部から入り、後部に抜ける本発明の触媒反応装置の全体図である。
【００１３】
【発明の効果】
本発明の触媒反応器は、熱交換領域が十分大きく熱の無駄が従来より著しく少なくなるので、省エネルギー効果に優れている。また、ユニット化が容易であるので、それを組合せることによって、容易に、所望の規模の触媒反応装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 触媒反応が発熱反応である場合の本発明の、気体用触媒反応器の例である。
【図２】 触媒反応が吸熱反応である場合の本発明の、気体用触媒反応器の例である。
【図３】 本発明の触媒反応器を２段４列に配した触媒反応装置の内部構造を説明する右側面図である。
【図４】 本発明の触媒反応器を２段４列に配した触媒反応装置の内部構造を説明する平面図である。
【図５】 本発明の、他の触媒反応装置の例である。
【符号の説明】
１ 触媒反応室
２ 予熱室
３ 排気室
４ 反応ガスの流入口
５ 排気ガス排出口
６ フィン
１０ 触媒反応器
１１ 試料取り出し口
１２ 制御装置
１３ ファン
１４ ヒーター
１５ 流量計
１６ 自動切換弁
１７ 多孔板
１８ 反応ガス分配室
１９ 排気ガス収集室
２０ 吸気口
２１ 排気口
３０ 触媒反応装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換機能を組合せた触媒反応器に関し、特にガス状炭化水素を効率良く反応させることができると共に、廃熱を有効利用することのできる触媒反応器及びそれを用いた触媒反応装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギーの観点から、加熱効率を高めたり、触媒反応後の廃熱を有効利用することのできる熱交換機能を組合せた触媒反応器が提案されている。例えば、特開平６−２２９５３０号公報には、加熱器の周囲に触媒体をおき、加熱器表面から発生する輻射線を触媒体に吸収させることによってエネルギーの無駄を省き、触媒を加熱するための熱入力を最小限とした、コンパクトな触媒反応器が開示されている。この触媒反応器は、廃熱を利用して反応ガスを予熱する熱交換機能を有しているが、この場合には、熱交換領域が反応器の長さの１／３足らずと限られている為、廃熱の利用は限られたものであった。かかる欠点は特表平９−５０３９６１号公報に開示された吸熱反応用触媒反応器によって大幅に改善されたが、この場合には、反応ガスを予熱するためには、該予熱を別途行わなければならないという欠点があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明者らは、更に熱エネルギーの有効利用を徹底し、ランニングコストの更なる低減をなすべく鋭意検討した結果、反応器内に反応室も含めたガス流路を１往復半設け、往路及び復路の両方で熱交換させることにより、更に熱効率を改善することができることを見出し本発明に到達した。
従って、本発明の目的は、熱効率に優れランニングコストの低減された、熱交換機能を組合せた気体用触媒反応器を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記の目的は、予熱室、触媒反応室及び排気室が、該排気室が最外側となる如く３層をなす、熱交換機能を有する気体用触媒反応器であって、前記触媒反応室が、反応室内の器壁表面に触媒金属を担持してなる反応室であると共に、少なくとも最内層から中間層に向かって熱交換による熱伝導が生じるように構成されていることを特徴とする熱交換機能を組合せた気体用触媒反応器によって達成された。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
図１は、触媒反応が発熱反応である場合の、本発明の気体用触媒反応器１０の例である。図中の符号１は触媒反応室、２は予熱室、３は排気室、４は反応ガスの流入口、５は排気ガス排出口、６は熱交換を促進するためのフィンである。この場合の触媒反応は発熱反応であるので、反応が始まると触媒反応室は反応熱によって加熱される。従って、反応ガスの流入口から反応器内中層の予熱室に流入したガスは最内層の反応室の外壁と接触して予熱される。尚、反応を開始させるに際しては、公知の如く、加熱した反応ガスを触媒反応室に導入するか、及び／又は触媒反応室自身を加熱できるようにしておくことが必要である。
【０００６】
この場合の熱交換効率を高めるために、予熱室内には適度にフィンを設けることが好ましい。予熱された反応ガスは、触媒反応室に適切な温度で導入されるので反応効率が改善される。触媒反応室から最外層の排気室に流出した排気ガスは十分廃熱を有するのでこの廃熱によっても予熱室内のガスが予熱される。このように廃熱が有効に利用されるので、触媒反応器としてのエネルギー効率は従来より大幅に改善される。この場合の熱交換効率を高めるために、排気室の予熱室側壁面にもフィンを設けることが好ましい。
【０００７】
図２は、触媒反応が吸熱反応である場合の、本発明の気体用触媒反応器１０の例である。反応ガスは、壁面を介してガスバーナー等の加熱手段によって最内層の予熱室で十分に加熱された後中層の触媒反応室に導入され反応する。また、触媒反応室は、予熱室との間の壁面を介して加熱されるだけでなく、十分に予熱された反応ガスによって直接的に加熱される。更に、触媒反応室は、最外層の排気室に排出された排気ガスの廃熱によって保温される。
【０００８】
本発明の触媒反応室は、器壁表面に触媒を担持してなる。この場合、反応器の基材として陽極酸化アルミナ被膜を生成したアルミニウム及びアルミニウム合金、又はアルミニウムと鉄、ステンレス、銅などとのクラッド材等を使用し、内部に多数のフィンを設けることが好ましく、特に、陽極酸化被膜表面に触媒を担持させることが好ましい。陽極酸化表面に触媒を担持させる場合には、該陽極酸化表面の比表面積を大きくするために室温〜８０℃で５分〜２４時間水和処理することが好ましい。また、触媒を担持させるに際しては、例えばアルミナゾルを結着剤として使用しても良い。尚、触媒反応室の温度を制御するための公知の加熱手段や冷却手段を併用しても良いことは当然である。反応器全体をアルミニウム、銅、ステンレスなどの金属で製造した場合にはユニット化が容易であり、このユニットを適宜組合せることにより、所望の規模の反応装置とすることも容易である。
【０００９】
本発明の触媒反応器は、反応ガスの流入口４から導入された反応ガスが予熱室、反応室、排気室を順次通過するので、排出口に近いほどガスの空間速度が遅くなる。従って、この特性を利用することによって、混合ガスの反応率を９９．９％程度とすることが可能である。また、ガソリンを改質して水素ガスを得るような反応の場合でも、ガソリンの反応室内の滞留時間を制御することにより、水素の収率を高めることができる。このように、反応率を高めたり、特定の生成物の収率を高める場合には、排気室にも触媒を充填したり担持させたりして、実質的に反応室とすることが好ましい。排気室の触媒は、反応室の触媒と必ずしも同一にする必要はない。尚、ガスの組成を均一にするために、適宜多孔板を配し、該多孔板を透過するようにガスを流すことが好ましい。
【００１０】
図３は、本発明の反応器１０を２段４列に併設してなる、本発明の触媒反応装置３０の内部構造を説明するための右側面説明図、図４は平面説明図である。図中の符号４は反応ガス流入口、５は排気ガス排出口、１０は触媒反応器、１１はサンプリング口、１２は制御装置、１３はファン、１４はヒーター、１５は流量計、１６は自動切換弁、１７はガスの組成を均一にするための多孔板、１８は反応ガス分配室、１９は排気ガス収集室である。
【００１１】
本発明を稼動する場合には、先ずファン１３とヒーター１４をオンにし、反応ガスを吸気口２０から取り入れる。導入された反応ガスはヒーター１４を通って分配室１８に入り、８個の反応器に分配される。各反応器の反応ガス流入口から反応器内部に流入したガスは、適宜多孔板１７を通過し、３層構造の反応器を経て、反応によって組成を変えながら排気ガス排出口５から排気ガス収集室１９に排出され、排気口２１から本装置３０外に排出される。
【００１２】
発熱反応の場合には反応室が過熱するので、ヒーター１４は適宜オフにされる。尚、ヒーターは電気ヒーターに限定されるものではなく、バーナーであっても良いことは当然である。吸熱反応の場合には引き続きヒーター１４をオンにしておく。電磁弁１６を作動させ、適宜サンプリング口１１から反応前のガスを試料として取り出し、排気ガスの組成と比較しながら反応を制御する。反応の制御は、制御装置の設定によって行われる。設定は、少なくとも、流量及び反応室の温度について行われ、温度センサーと連動してヒーターのオン・オフが行われる。尚、本装置では反応器を８個としたが、その数は特に限定されず、処理の規模や反応の種類によって適宜設計することができる。図５は、反応ガスが前部から入り、後部に抜ける本発明の触媒反応装置の全体図である。
【００１３】
【発明の効果】
本発明の触媒反応器は、熱交換領域が十分大きく熱の無駄が従来より著しく少なくなるので、省エネルギー効果に優れている。また、ユニット化が容易であるので、それを組合せることによって、容易に、所望の規模の触媒反応装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 触媒反応が発熱反応である場合の本発明の、気体用触媒反応器の例である。
【図２】 触媒反応が吸熱反応である場合の本発明の、気体用触媒反応器の例である。
【図３】 本発明の触媒反応器を２段４列に配した触媒反応装置の内部構造を説明する右側面図である。
【図４】 本発明の触媒反応器を２段４列に配した触媒反応装置の内部構造を説明する平面図である。
【図５】 本発明の、他の触媒反応装置の例である。
【符号の説明】
１ 触媒反応室
２ 予熱室
３ 排気室
４ 反応ガスの流入口
５ 排気ガス排出口
６ フィン
１０ 触媒反応器
１１ 試料取り出し口
１２ 制御装置
１３ ファン
１４ ヒーター
１５ 流量計
１６ 自動切換弁
１７ 多孔板
１８ 反応ガス分配室
１９ 排気ガス収集室
２０ 吸気口
２１ 排気口
３０ 触媒反応装置
Claims (5)
- 予熱室、触媒反応室及び排気室が、該排気室が最外側となる如く３層をなす、熱交換機能を有する気体用触媒反応器であって、前記触媒反応室が、反応室内の器壁表面に触媒金属を担持してなる反応室であると共に、少なくとも最内層から中間層に向かって熱交換による熱伝導が生じるように構成されていることを特徴とする熱交換機能を組合せた気体用触媒反応器。
- 前記反応器のガス流路に、更に、ガス透過性の多孔板が適宜の位置に配されてなる、請求項１に記載された熱交換機能を組合せた気体用触媒反応器。
- 反応器の中心部から触媒反応室、予熱室、排気室と３層に構成された請求項１又は２に記載された熱交換機能を組合せた気体用触媒反応器。
- 中心に加熱手段を有すると共に、内側の層から順次、予熱室、触媒反応室、排気室が３層に設けられてなる、請求項１又は２に記載された熱交換機能を組合せた気体用触媒反応器。
- 少なくとも、反応ガスを導入する吸気口、サンプリング口、流量計、ファン、反応ガスを加熱するためのヒーター、請求項１〜４の何れかに記載された熱交換機能を組合せた気体用触媒反応器、排気口、及び反応を制御するための制御装置からなることを特徴とする触媒反応装置。
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|---|---|---|---|
| JP2001033258A JP4247952B2 (ja) | 2001-02-09 | 2001-02-09 | 熱交換機能を組合せた気体用触媒反応器及びそれを用いた触媒反応装置 |
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|---|---|---|---|
| JP2001033258A JP4247952B2 (ja) | 2001-02-09 | 2001-02-09 | 熱交換機能を組合せた気体用触媒反応器及びそれを用いた触媒反応装置 |
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| JP2001033258A Expired - Fee Related JP4247952B2 (ja) | 2001-02-09 | 2001-02-09 | 熱交換機能を組合せた気体用触媒反応器及びそれを用いた触媒反応装置 |
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| JP5576012B2 (ja) * | 2007-06-07 | 2014-08-20 | 光洋サーモシステム株式会社 | 熱回収装置 |
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- 2001-02-09 JP JP2001033258A patent/JP4247952B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2002233750A (ja) | 2002-08-20 |
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