JP4480949B2

JP4480949B2 - 反応装置及び反応方法

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Publication number: JP4480949B2
Application number: JP2003081802A
Authority: JP
Inventors: 雅敏堀田; 仁志跡辺
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: JP2004000920A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は反応装置及びそれを用いる反応方法に関する。さらに詳しく言えば、固体触媒あるいは固体反応剤を用いて高温で反応を行う熱交換一体型反応装置及びそれを用いる反応方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱交換器と触媒反応器が一体化された従来の装置としては、例えば、
（１）特開昭６４−５１１２６号公報（特許文献１）に記載されている高温触媒装置、
（２）特開昭５４−１２６６７１号公報（特許文献２）に記載されているハニカム構造体に触媒を被覆させた触媒酸化装置等が知られている。
【０００３】
前記（１）の高温触媒装置は、装置自身を比較的コンパクトにすることは可能であるが、処理前後のガスの流路が別々であるため、ガスの配管が複数必要であると共に、装置周りのスペースを必要とする。また、反応器に充填された触媒層を通過した処理ガスが熱交換器を通過する前に、反応器と熱交換器の接続部分に接触するため、接続部分が高温になる可能性があり、接続部分と熱交換器をシールするためのパッキンなどの材質として高温耐熱性があるものを選定しなければならない。また、前記（１）の高温触媒装置は、フランジ部の焼き付けを生ずるという課題も残している。
【０００４】
また、前記（２）のハニカム構造体に触媒を被覆させた触媒酸化装置は、熱交換部分に触媒が被覆されていることにより熱効率は改善されているものの、触媒交換時には装置全体を分解しなければならず、コスト及びメンテナンスに課題がある。
また、熱源に電気炉などのヒーターを用いる場合、反応剤あるいは触媒充填層は処理ガス流通方向に温度分布がつくという現象が発生する。この現象は、プレヒーター（予熱器）を設置したとしても効果的に温度分布をなくすように改善することは難しく、反応器に充填した触媒や反応剤を有効に用いることができない場合が多い。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６４−５１１２６号公報
【特許文献２】
特開昭５４−１２６６７１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような背景の下、反応容器の温度分布をガス流通方向に均一に保つことができ、熱エネルギーの回収効率を向上させることができると同時に、装置内のフランジ部の過熱を防止することができ、フランジには通常の低温用材質からなるシール材を使用することができる、コンパクトな熱交換器一体型の反応装置及びそれを用いる反応方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、外筒内に熱交換器と、その熱交換器の上部に接続されヒーターを備えた反応容器を具備し、前記熱交換器の他端（下部）と外筒の下部がフランジにより固定され、前記熱交換器の下部に被処理ガスの導入及び処理ガスの排出用の二重管を接続してなる反応装置を用いることにより、前記の課題を解決できることを確認し本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は以下の反応装置及び反応方法に関する。
１．外筒内に熱交換器と、ヒーターを備えた反応容器を具備し、熱交換器の上部が反応容器と接続され、前記熱交換器とそれを取り囲む外筒とは下端部でフランジにより互に固定され、前記熱交換器の下端面に被処理ガスの導入及び処理ガス排出用の二重管が接続され、前記被処理ガスは前記二重管の内管及び外管の一方から導入されて他方から排出される間に、熱交換器、反応容器及び熱交換器を通過するよう構成されていることを特徴とする反応装置。
２．熱交換器がシェルチューブ式熱交換器である前記１に記載の反応装置。
３．外筒の天井部にアイボルト取り付け部があり、アイボルトにより外筒が取り外し可能となっている前記１に記載の反応装置。
４．反応容器が内部にフィンを備えている前記１に記載の反応装置。
５．二重管の内管内部及び／または内管と外管の間にフィンを備えている前記１に記載の反応装置。
６．前記被処理ガスは前記二重管の内管から導入されて外管から排出されるよう構成されている前記１に記載の反応装置。
７．二重管の外管が放熱板を備えている前記６に記載の反応装置。
８．前記１に記載の反応装置を横向きに配置したことを特徴とする、ヒーターを備えた反応容器と熱交換器とが互いに水平方向に配設された前記１に記載の反応装置。
９．被処理ガスを、二重管の内管及び外管のいずれか一方、熱交換器、ヒーターを備えた反応容器、熱交換器、二重管の他方の順に流通させ、被処理ガスが反応容器に導入される前に前記ヒーターによって加熱して、前記反応容器内部のガス流通方向における温度差を調整することを特徴とする反応方法。
１０．前記被処理ガスが前記二重管の内管から導入されて外管から排出される前記９に記載の反応方法。
１１．前記温度差を５０℃以内に調整する前記９または１０に記載の反応方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の反応装置及び反応方法を詳しく説明する。
本発明の反応装置は、外筒（６）内に熱交換器（５）と、ヒーター（２）を備えた反応容器（１）とを具備し、熱交換器（５）の一端部（通常は上部）が反応容器（１）と接続され、熱交換器（５）の他端部（通常は下部）及び外筒（６）の一端部（通常は下部）がフランジ（４）により固定されており、熱交換器（５）の下端部に被処理ガスの導入及び処理ガスの排出用の二重管（７）が接続されている。
【００１０】
本発明の反応装置は、例えば半導体デバイスや液晶ディスプレイデバイス等の製造工程等におけるドライエッチング及びクリーニング排ガスを分解処理するために固体反応剤あるいは固体触媒を使用する反応に用いることができる。また、キャビネット用パージガスラインや、手術室から排出される余剰麻酔ガス中に含まれる亜酸化窒素を分解除去するために固体触媒を使用する反応に用いることができる。
【００１１】
図１の（Ａ）は本発明の熱交換器一体型反応装置の一例の概要を示す縦断面図であり、（Ｂ）は同じく横断面図である。なお、図１の装置は、熱交換器（５）の上部に反応容器（１）が接続され、熱交換器（５）の下部及び外筒（６）の下部がフランジ（４）により固定された縦型の反応装置として描かれているが、この装置は横向きにして使用することも可能であり、本発明は横向きで使用する態様をも含むものである。
【００１２】
図１の反応装置は外筒（６）内に、側面にヒーター（２）が接する壁面と触媒を載置するパンチングメタル板（３）からなる反応容器（１）と、反応容器下部に接続されたシェルチューブ式熱交換器（５）を備えている。
外筒（６）の下端部と前記熱交換部の下端部とはフランジ（４）により互いに固定されている。
シェルチューブ式熱交換器（５）は多数の小口径直管（チューブ）（１２）の両端を２枚の円板に挿入固定したものを１つのシェル内に収めたもので、広い伝熱面を小容積に納めることができる熱交換器であり、その下端の円板面には処理前ガスが熱交換器に導入される内管（７ａ）と、反応処理されたガスが前記チューブ（１２）を通った後熱交換器外に排出される外管（７ｂ）とからなる二重管（７）が接続されている。
外筒（６）は天井部と側壁部が一体に成形されるか、あるいは天井部と側壁部が接合された一体構造をしており、天井部にはアイボルト取り付け部（９）があり、取り付けられるアイボルトにより、外筒（６）はそれが覆っている熱交換器（５）及び反応容器（１）から外されて、固体反応剤あるいは触媒等をスムーズに交換することが可能である。
【００１３】
本発明の反応装置では、熱交換器としては、処理前と後のガスが向流で流れ、その間に熱交換するタイプの通常のものでもよいが、いわゆるシェルチューブ式熱交換器を使用することがより好ましい。
【００１４】
図１に示す反応装置においては、被処理ガスは、内管と外管により形成された二重管（７）の内管と外管のいずれか一方に導入され、円筒状のシェルチューブ式熱交換器（５）を通り、反応容器に導かれ、シェルチューブを通り二重管の他方から排出されるが、被処理ガスを二重管（７）の内管（７ａ）に導入し、外管（７ｂ）から排出する態様が好ましい。
【００１５】
次に円筒状の熱交換器（５）の中心部から入った被処理ガスは、シェル内のバッフル（１０）に誘導されバッフルで仕切られた流路を円筒の外側に向って流れ、再び中心部に流れる流れを熱交換器（５）の内部で繰り返し（図１中の矢印参照）、ジグザグに左右に流れながら熱交換器５の中を徐々に上昇し、反応容器（１）に向う。このとき、反応容器（１）のヒーター（２）で加熱処理された温度の高い処理ガスが処理前のガス（被処理ガス）が流れる小口径直管（チューブ）（１２）内壁面に接触するため、処理前のガス（被処理ガス）がジグザグに進んで反応容器（１）に到達するまでに次第に処理前後のガスの間で熱交換が行われる。
【００１６】
シェル内のバッフル（１０）で仕切られてジグザグに左右に流れ、熱交換された処理前のガス（被処理ガス）は、熱交換器（５）の垂直方向上部の反応容器（１）と熱交換器（５）との間にある流通口（８）から反応容器（１）に向かい、外筒（６）と反応容器（１）の壁面に存在するヒーター（２）との間（反応容器（１）の外側空間）を流れる際に更に加熱されて、反応容器上部のパンチングメタル板（３）から反応容器（１）に入り、反応容器（１）に予め充填された固体触媒あるいは反応剤（１１）によって反応処理される。次いで、反応容器（１）から出たガスは、熱交換器（５）のチューブ（１２）を垂直方向下部に向かって流れるが、この途中で前述したように、処理前ガスとの間で熱交換されてガス温度が低下した後、二重管（７）の外管（７ｂ）側に入り、さらに内管（７ａ）側を流れる処理前のガス（被処理ガス）との間で熱交換されて系外に排出される。
【００１７】
本発明の反応装置を用いれば、上述の処理ガスの流れによって処理前後のガスの間で熱交換を効率的に行うことができ、例えば、反応容器（１）に充填した触媒層の処理ガス流通方向に対する温度分布を従来の反応器に比べ著しく改善することができ、触媒層の温度差を５０℃以下に保つことができる。
反応容器（１）に充填した反応剤あるいは触媒の流路方向の温度分布の温度差を均一（５０℃以下）に保つためには、効率のよい熱交換が必須であるが、本発明の反応装置を用いることにより、
（ｉ）被処理ガスを熱交換器（５）及び反応容器（１）に導入する前に二重管（７）にて予め熱交換できること、
（ii）熱交換器（５）と反応容器（１）が一体化しているため、反応容器（１）における反応（処理）の前後のガス間での熱交換がスムーズかつ効率よく行われること、
（iii）反応容器（１）がヒーター（２）を有しているため、反応容器（１）に導入する前に被処理ガスを直接ヒーター（２）に接触させ設定温度に近づけた状態で反応容器（１）に導入できること、等の理由によって、効率のよい熱交換が実現できる。
【００１８】
反応容器（１）は内部に伝熱面積を大きくするためのフィン（１３）を備えていることが好ましい。反応容器から中心部に向かってフィン（１３）を設置することは、充填される反応剤や触媒の温度を均一にする効果がある。条件にもよるが、特に反応容器の直径が１０ｃｍより大きいものほど有効である。
【００１９】
内管（７ａ）と外管（７ｂ）により形成される二重管（７）は単に熱効率を上げるだけでなく、プレヒートするための予熱器等を省くことができる等、反応器周りの省スペース化の重要な要素である。
【００２０】
内管と外管の間にも、フィンを設けることによって熱交換の効率をさらに上げることができる。
処理後のガスが流れる二重管の外管（７ｂ）には、熱放出の効率を上げ、系外に排出する排ガス温度をさらに下げるために放熱板を取り付けることが好ましい。
【００２１】
本発明の反応装置によれば、反応容器の温度分布の均一化を図ることによって、反応容器に充填した触媒や反応剤を目標とする温度に広い範囲ですることができるため、触媒や反応剤の有効利用率を向上させることができ、反応率の向上やコストダウンをすることができる。
【００２２】
また、ヒーター（２）を有する反応容器（１）の下部に熱交換器（５）が接続された一体型容器の垂直方向下部に、フランジ（４）を備えた外筒（６）を設けることによって反応容器（１）とフランジ（４）を離すことができるため、フランジ（４）の発熱を抑えることが可能となり、例えば、反応温度が４５０℃の高温での使用時においても、フランジ（４）の温度は１００℃以下にすることができる。
従来の装置では反応部に近いフランジで焼き付けが生じていたのが、本発明の熱交換一体型反応装置を用いることによって従来の問題点であったフランジの焼き付けを防止することが可能となった。従って、カーボンやメタルパッキン等の特殊なシール材（パッキン）を用いることなく、１００℃前後の温度で通常用いることができる低温用のバイトン（商品名，デュポンダウエラストマー社製）のＯ−リング等のシール材（パッキン）を使用することができる。
【００２３】
また、本発明装置において、外筒（６）の下部にフランジ（４）がある本発明装置の利点として、低温用のシール材を選定することができるということの他に、外筒に取り付ける断熱材の脱着操作をスムーズに行うことができ、メンテナンスがしやすいことが挙げられる。さらに、天井部と一体化している外筒（６）の天井部にアイボルト取り付け部（９）があり、このアイボルト取り付け部（９）にアイボルトを取り付けて、熱交換器（５）と一体化した反応容器（１）から外筒（６）を外すことにより、反応剤あるいは触媒の交換をスムーズに行うことが可能である。
【００２４】
ヒーターを有する反応容器（１）の使用温度は、５０〜７００℃の範囲に設定することができ、好ましくは１００℃〜５００℃、さらに好ましくは２５０℃〜４５０℃であることがよいが、反応の種類によって適宜選択することができる。
反応容器（１）に充填する触媒あるいは反応剤（充填剤）は、反応の種類によって自由に選択することができ、特に限定されない。また、充填剤の充填量、反応容器及び熱交換器の長さや直径は特に限定されず、反応条件によって自由に選択することが可能である。また、反応容器（１）内の充填剤の中心部温度の均一化を図るため、反応容器（１）のヒーターを有する部分から中心方向に伝熱のためのフィンを設置することによりさらに温度分布の均一化を図ることができる。この場合のフィンの枚数や長さには特に制限はなく、反応条件によって自由に選択することができる。
【００２５】
本発明の反応方法は、被処理ガスを、二重管の内管（７ａ）及び外管（７ｂ）のいずれか一方、熱交換器（５）、ヒーター（２）を備えた反応容器（１）、熱交換器（５）、二重管の他方の順に流通させ、被処理ガスが反応容器に導入される前に前記ヒーター（２）によって加熱して、前記反応容器内部のガス流通方向における温度差を調整することを特徴とする反応方法である。
本発明の反応方法を用いれば、反応容器の充填層におけるガス流通方向に対する温度分布の温度差を５０℃以下の均一とすることができるため、反応温度を均一に制御する必要がある各種分解反応、並びに合成反応に用いることができる。
【００２６】
図３は、反応容器内の温度分布について、ヒーター温度設定一定でのガス量変更時の温度分布の測定結果を示したものである。反応装置としては図１に示した構成の装置を用いた。本装置は、フランジ（４）から反応容器（１）の下部パンチングメタル板（３ａ）までの距離が約１９０ｍｍでその上部にアルミナ担体が充填されている。また、反応装置は、熱交換器一体型の４０Ｌ用（外径３００ｍｍφ）のフィン（１３）を容器内に複数枚有し、固体反応剤としてアルミナと炭酸カルシウムの混合物（１１）を充填した後、ヒーターの温度設定を６００℃と一定とし、Ｎ₂ガス流量を４０、８０、１００Ｌ／ｍｉｎと変化させ、外筒の下部フランジ部を０ｍｍとした時の反応容器内の垂直方向の温度分布を測定した。また、温度（内部温度）は、反応容器水平方向の中心部での温度を測定した。図３に示すように、各流量において反応容器内の垂直方向の温度分布は均一となった。
【００２７】
図４は、反応容器内の温度分布について、ガス量一定でのヒーター温度設定変更時の温度分布の測定結果を示したものである。反応装置は図３の場合と同様に図１で示した本発明の反応装置を用い、フランジから反応容器までの距離が約１９０ｍｍで、反応剤はその上部に充填されている。また、温度（内部温度）は、反応容器水平方向の中心部について測定した。反応剤を充填した後、Ｎ₂ガス流量を８０Ｌ／ｍｉｎで一定とし、ヒーターの温度設定を４５０℃及び６００℃と変化させ、外筒の下部フランジ部を０ｍｍとした時の反応容器内の垂直方向の温度分布を測定した。その結果は、図４に示すように反応容器内の垂直方向の温度分布は均一となった。
【００２８】
一方、比較のために、図２に示す従来の外部加熱式の４０Ｌ用の反応装置を用いて反応容器の温度分布を測定した。使用した反応装置は、下部に反応剤を載置する下部パンチングメタル板（３）を有する反応容器（１）とその容器（１）を加熱するヒーター（２）と、フランジ（４）とで概略構成される。
図５は反応剤を充填した後、ヒーターの温度設定を６００℃とし、予熱器で流通ガスを５００℃に加熱したＮ₂ガス流量８０Ｌ／ｍｉｎを流通させ、反応器の下部パンチングメタル板（３）を０ｍｍとした時の反応容器内の温度分布を測定した結果を示したものである。温度は、反応容器水平方向の中心部について測定した。反応容器内の温度分布はパンチングメタル板（３）からの位置が約２００ｍｍ付近で最大値を示し、入口及び出口温度が低い一般的な温度分布となった。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は、シェルチューブ式熱交換器と、ヒーターを有する反応容器を一体化させ、かつ反応装置に導入する処理ガス用の配管を、処理前のガスと処理後のガスを向流として流すように内筒と外筒からなる二重構造とした装置を提供したものである。
本発明の反応装置によれば、熱交換の効率が上昇すると共に、反応容器がヒーターを備えていることから、反応容器内のガス流通方向の温度分布を均一化することができ、反応容器に充填する触媒や反応剤を目標とする温度に広い範囲で保持できるため、温度制御が望まれる触媒反応等に有効に利用することができる。また、熱交換器とヒーターを有する反応容器が一体化していること、反応装置に導入するガス用の配管が、処理前のガスと処理後のガスを向流で流すための内筒と外筒により形成された二重管構造となっているため、反応装置が小型化と反応装置周りの省スペース化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の熱交換器一体型反応装置の一例の概略縦断面であり、（Ｂ）は概略横断面である。
【図２】従来の外部加熱式の反応装置の一例を示す概略図である。
【図３】本発明の熱交換器一体型反応装置例のガス流量変更時の反応容器の温度分布図である。
【図４】本発明の熱交換器一体型反応装置例の温度設定変更時の反応容器の温度分布図である。
【図５】従来の外部加熱式の反応装置の反応剤あるいは触媒の温度分布図の一例である。
【符号の説明】
１反応容器
２ヒーター
３パンチングメタル板
４フランジ
５熱交換器
６外筒
７二重管
８流通口
９アイボルト取り付け部
１０バッフル
１１固体触媒あるいは反応剤
１２チューブ
１３フィン

Claims

外筒（６）内に熱交換器（５）と、ヒーター（２）を備えた反応容器（１）を具備し、熱交換器（５）の上部が反応容器（１）と接続され、前記熱交換器（５）とそれを取り囲む外筒（６）とは下端部のみでフランジ（４）により互に固定され、反応容器（１）は外筒（６）に接しておらず、前記熱交換器（５）の下端面に被処理ガスの導入及び処理ガス排出用の二重管（７）が接続され、前記被処理ガスは前記二重管の内管及び外管の一方から導入されて他方から排出される間に、熱交換器（５）、反応容器（１）及び熱交換器（５）を通過するよう構成され、外筒（６）は天井部と側壁部が一体に成形されているか、あるいは天井部と側壁部が接続された一体構造をしており、フランジ（４）と反応容器（１）の下端との距離が少なくとも１９０ｍｍであることを特徴とする反応装置。
熱交換器がシェルチューブ式熱交換器である請求項１に記載の反応装置。
外筒（６）の天井部にアイボルト取り付け部（９）があり、アイボルトにより外筒（６）が取り外し可能となっている請求項１に記載の反応装置。
反応容器が内部にフィン（１３）を備えている請求項１に記載の反応装置。
二重管の内管内部及び／または内管と外管の間にフィン（１３）を備えている請求項１に記載の反応装置。
前記被処理ガスは前記二重管の内管から導入されて外管から排出されるよう構成されている請求項１に記載の反応装置。
二重管の外管が放熱板を備えている請求項６に記載の反応装置。
請求項１に記載の反応装置を横向きに配置したことを特徴とする、ヒーター（２）を備えた反応容器（１）と熱交換器（５）とが互いに水平方向に配設された請求項１に記載の反応装置。
外筒（６）内に熱交換器（５）と、ヒーター（２）を備えた反応容器（１）を具備し、熱交換器（５）の上部が反応容器（１）と接続され、前記熱交換器（５）とそれを取り囲む外筒（６）とは下端部のみでフランジ（４）により互に固定され、反応容器（１）は外筒（６）に接しておらず、前記熱交換器（５）の下端面に被処理ガスの導入及び処理ガス排出用の二重管（７）が接続され、前記被処理ガスは前記二重管の内管及び外管の一方から導入されて他方から排出される間に、熱交換器（５）、反応容器（１）及び熱交換器（５）を通過するよう構成され、外筒（６）は天井部と側壁部が一体に成形されているか、あるいは天井部と側壁部が接続された一体構造をしており、フランジ（４）と反応容器（１）の下端との距離が少なくとも１９０ｍｍである反応装置を用いて、被処理ガスを、二重管の内管（７ａ）及び外管（７ｂ）のいずれか一方、熱交換器（５）、ヒーター（２）を備えた反応容器（１）、熱交換器（５）、二重管の他方の順に流通させ、被処理ガスが反応容器に導入される前に前記ヒーター（２）によって加熱して、前記反応容器内部のガス流通方向における温度差を調整することを特徴とする反応方法。
前記被処理ガスが前記二重管の内管から導入されて外管から排出される請求項９に記載の反応方法。
前記温度差を５０℃以内に調整する請求項９または１０に記載の反応方法。