JP4705643B2 - 噴射衝突の熱伝導を伴う反応器 - Google Patents

Description

この出願は、２００４年１１月２３日に出願された米国特許仮出願第６０／６３０，４９２号の利益を主張しており、その全体が参照によってここに組み込まれている。

本発明は、触媒反応器に関する。

触媒反応器は化学的反応を促進することで知られている。

異成分からなる触媒反応器がここでは参照されている。

流体の固体表面への噴射衝突（ｊｅｔ ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ）は、冷却タービンのベイン（ｖｅｉｎ）及び電気部品のような用途に対して、表面近傍の熱伝動係数を増加することで知られている。特許文献１は、小型の熱交換器における噴射衝突及び熱伝導を補助する好適な構成を教示しており、その開示の全体がここに参照によって組み込まれている。

特許文献２、特許文献３、及び特許文献４は、触媒として使用することができ、反応器の全体を通しての乱流を強めることによる処理流体の混合を可能とする、透過性を有する産業用構造を教示しており、３つの特許としてここに適正に参照され、それぞれの全体がここに参照として組み込まれている。３つの特許のそれぞれは、それぞれの反応器の入り口から出口への流体の流れの全体的な方向に対して、斜めの角度で傾斜した波状の起伏を有する、波状のシートを使用している。波状のシートは有孔であるか、又はこれらシート間に空隙を有しているか、又は有孔であり、かつシート間に空隙を有している。斜めに傾斜した起伏は、流体の速度に横方向の成分を生じさせる。孔、又は波状のシート間の空隙は、流体のための横方向の戻り通路を提供し、反応器を通じる横方向の流れを合計としてゼロに維持している。横方向の流れは、短距離範囲において生じるが、長距離範囲では横方向の流れの合計はバランスしている。３つの特許のそれぞれは、混合を促進することを教唆している。したがって、設計は横方向のモーメントを保持することは無いが、対向する横方向の成分の速度を有する流れを合流させ、それらそれぞれの横方向のモーメントの相互消滅を生じさせている。このような設計は、混合に対して効果的ではあるが、反応器壁における境界の破壊、又は反応器壁近傍の熱伝導係数の増加に対しては、反応器壁に低い入射角で衝突するような噴射物の噴射よりも効果は少ない。

また、３つの特許は交互に傾斜した状態の波状のシートの平行なスタックを使用している。シートは平坦かつ、平行な面状であるので、チャネルは反応器の断面に対して弦状である。これは、チャネルを、反応器壁のある部分の近傍では反応器壁に対して垂直であり、反応器壁の別の場所の近傍では反応器壁に平行であるようにし、チャネルを、半径方向に並べられたチャネルに比べて、反応器のすべての部分における熱伝導を増加するという点で非効率的であるとともに、不定なものにしている。特許文献５は、流体が、交互に反応器のコアを通じて、及びコア構造と容器の壁部との間の間隙を通じて流れるようにした装置について教示しており、その全体が参照によってここに組み込まれている。この特許文献は、反応器壁における、噴射衝突による境界層の破壊について教示していない。すべての実施形態は反応器壁と充填材との間の空隙を通じる、反応器壁に平行な広範囲に亘る流体の流れを教示している。また、この特許文献は、２つの代替的なタイプの構造を教示している。一方は、有孔の構造であり、他方は、無孔の、すなわち中実な構造を使用している。有孔の構造が使用されている場合、流体の流れは撹拌を伴ったほとんど軸方向の流れであるとともに、混合は横方向に生じ、反応器壁近傍の流れは、軸方向に壁部に平行である。このような流れは、反応器壁での流体境界層を破壊するためには噴射衝突に比べて効果的ではない。中実なシートが使用される場合、反応器の開口断面領域すなわち有効断面領域は、中央構造内の流れの通路がコア構造と反応器壁との間の空隙のみを介して互いに連通しているので、十分に効果を発揮することができない。この制限は、好適な有孔の構造、又は十字に交差しているチャネルが互いに全体として連通している構造に比べて圧力降下を増幅する。
米国特許第５０２９６３８号明細書 米国特許第５３５０５６６号明細書 米国特許第５６５１９４６号明細書 米国特許第４７１９０９０号明細書 欧州特許公開第００２５３０８号明細書 米国特許第４９８５２３０号明細書

特許文献５における円錐台形の形状の使用は、もっぱら環状の反応器の断面に対して考えられている。このような円錐台形の形状は、有孔であるか、又は列状に並べられた交互の領域の状態に配置されており、反応器の長さに沿って遠心方向と求心方向の流れを生じさせている。反応器壁にもっぱら平行な流体の流れの経路が、すべての実施形態について詳細に記載されている。コアの構造と反応器壁との間の空隙の使用は、反応器壁の広範囲に亘る、均一で細かく分散された噴射衝突の代わりに、反応器壁の表面に沿った軸方向の流れを促進する。特許文献６は、第１及び第２の壁部に向かって交互に流体を噴射するチャネルを通じて通過する流体を介する、第１の壁部から第２の壁部への熱の伝導を教示しており、その全体が参照によってここに組み込まれている。壁部は、互いに平行であり、均一に離間している。チャネルは、流体の異種性触媒反応を行うための触媒を支持している。一方の壁部は反応器壁であり、他方の壁部は反応器内内壁である。この技術は、スチームリフォーミングに使用されるような環状又はバヨネット式の反応器の特定の用途に対して有益であり得るが、円筒状の、又は中実な形状の反応器には適用することはできない。特許文献６における半径方向に配列されたチャネルは、軸方向において境界付けられ、横方向に流れる流体によって供給される必要がある。チャネルは反応器の軸近傍に収束するので、反応器壁近傍より反応器の軸の近傍において、幅若しくは断面積を必然的に減少される。このような充填材が円筒形状の反応器の全体を通じて使用されている場合、反応器の軸近傍への収束する壁部の減少された断面積は、チャネルを通じた流体の流れを制限し、熱伝導を非効果的なものにしている。また、反応器の軸へのチャネルの延長は、反応器を通じる望ましくない圧力降下を実質的に増加させる。

本発明は、反応器の一部分ではない容積を少なくとも部分的に含む、又は取り囲む環状の空間又は反応器の容積に対向するような円形状の、又は別の充填された断面の触媒反応器に関する。本発明の目的は、上述した困難のそれぞれを克服することであり、特に、円形状の、又は充填された断面の触媒反応器の容積全体を通じての、特に反応器壁近傍の効果的な熱伝導を提供することである。

本発明は、スチームリフォーミング反応器及び、内燃エンジンからの熱放射を減少させる処理のための触媒式排ガス浄化装置に対して有用である。後者の場合には、本発明は排ガス浄化装置の冷却を目的としており、触媒の寿命を延長させる。

本発明の要旨は、本発明の理解を導くように提供されている。この要旨は、必ずしも本発明の最も一般的な実施形態、又はここに開示されている本発明のすべての種を記載しているわけではない。本発明は、触媒表面において流体の反応を行い、反応器壁において熱伝導を行う装置である。反応器の軸近傍の第１の構造、及び反応器壁近傍の第２の構造は、それら構造が互いに異なり、触媒反応と熱伝導とのそれぞれの目的を促進するように設けられている。

触媒反応器は、第２の容積を閉塞することのない容積を含み、この第２の容積は反応器の一部分ではない。一般的に、反応器は、第１の端部に入り口を有し、第２の端部に出口を有する、反応器壁によって閉塞された円筒状の容積である。反応器は、好適な活性を有する触媒反応成分を含み、望ましい反応を促進する、中実な表面を含んでいる。

ここでコアと呼ばれている反応器の軸近傍の構造は、反応器壁から反応器の軸に向かう所定の距離を反応器の軸から延在している。所定の距離は、反応器壁の内側から反応器の軸への距離の約０．０１〜０．４倍、好ましくは０．０５〜０．２倍である。コアを備える幾何学的形状によって、流体は連通通路を通じて軸方向及び半径方向の両方に流れることができる。好適なコアの例は、球状、又は円筒状の粒子、孔を含むペレット、ラシヒリング（Ｒａｓｃｈｉｇ ｒｉｎｇ）、サドル、有孔なチャネル又は互いに連通する十字交差するチャネルを含むモノリシック構造、及びその種のものを含む。産業用充填材とも呼ばれているモノリシックコア構造はＪｏｎａｔｈａｎ Ｊ． Ｆｅｉｎｓｔｅｉｎによる、２００４年７月７日に出願された“主チャネル及び予備チャネルを有する反応器”という発明の名称の米国特許出願第１０／８８６２３７号明細書の図１７及び図１８に見ることのできるコア構造を含むことが好ましく、この明細書の全体がここに参照によって組み込まれている。モノリシックコアは、金属、セラミック、又は金属とセラミックとの組み合わせから構成することができ、好ましくは好適な触媒担持体をコーティングされた金属基板及び活性を有する触媒とから構成することができる。ここではケーシングと呼ばれている反応器壁近傍の構造は、反応器壁の内側から所定の距離まで、反応器壁の内側から延在している。ケーシングは、効果的な熱伝導が望ましい、反応器壁のすべての部分においてコアと反応器壁との間に存在している。ケーシングは、流体を遠心的に誘導し反応器壁に衝突させるための複数の第１の装置、及び流体が反応器の入り口から出口へ流れるときに、反応器壁から離間して流れることを可能とする複数の第２の装置を含んでいる。第１の装置は、好ましくは中実な壁部によって取り囲まれたチャネルである。第２の装置は、壁部、翼板、チャネル、又は多孔性構造とすることができる。多孔性構造の一例は、流体が壁部又はチャネルを横切って流れることを許容する有孔の壁部又はチャネルである。ケーシングは、コアから分離して形成することができるか、又は第１及び第２の装置を設けるように有孔率の好適な修正を伴ったコア構造の延長であっても良い。修正の例は、ケーシング中の表面を好適な位置で中実にすることであり、コア中の類似の表面は有孔である。ケーシングは金属又はセラミックで構成され、好ましくは好適な触媒担持体及び活性な触媒でコーティングされた金属基板で構成されている。

ケーシングはモノリス（ｍｏｎｏｌｉｔｈ）であり、ここでは、間に流体通路を有するつながった中実な、又は有孔な壁部又はシートを含む産業用構造体として形成されている。コアの構造は、４つの点の少なくとも１つにおいて、ケーシングの構造から異なっている。第１の相違は、コアがモノリスではないことである。第２の相違は、コアが、ケーシングより少なくとも１０％低い容積を含む、反応器の入り口から出口へ流れるように流体を遠心的に導く、中実な壁で囲まれたチャネルを有するモノリスであることである。第３の相違は、コアが、ケーシングより少なくとも１０％低い空孔容積を含むモノリスであることである。第４の相違は、コアが、ケーシングより少なくとも１０％高い平均水力直径を有し、反応器の入り口から出口へ流れるように流体を遠心的に導く、中実な壁で囲まれたチャネルを有するモノリスであることであり、この水力直径はチャネルの断面の周囲によって分割されたチャネルの断面積の４倍に等しい。

反応器の入り口から出口へ流れるように流体を遠心的に導く、ケーシング中の中実な壁で囲まれたチャネルは、半径方向に並べられ、流体が反応器壁に入射角が０〜８５度、好ましくは０〜４５度で衝突するのを可能としている。ケーシングの透過度は、コアの透過度より高くなるように設計することができ、流体のケーシングを通じる軸方向の主流れはコア中より高く、反応器壁における流体の熱伝導係数がさらに増加する。

この詳細な説明は最良の形態であって、これに限られるものではない。他に示さない限り、図１Ａを参照すると、図１Ａは実施形態の一例の切り欠き斜視図を示している。触媒反応器１００は、入り口１０１と出口１０２と円筒状の反応器壁１０３を有している。内部容積は、コア１１０とケーシング１２０を含んでいる。コアは、滑らかな円錐形状のシート１１１からなるモノリシックな基板を備えており、シート１１１は、横断面にのみ示されている波状の円錐形状のシート１１２によって分離された横方向及び長さ方向の部分の両方に示されている。コアの滑らかなシート及び波状のシートの両方は、この例及び有孔な面の別の例に点線で示されているように有孔とされている。滑らかなシートと波状のシートとの間の間隙は、チャネル１１３を構成している。滑らかな円錐及び波状の円錐は、好ましくは反応器壁に対して４５度の角度をなしている。チャネル１１３は、半径方向に並べられている。流体は、チャネル１１３に沿ってコアを通じ、また軸方向に最小の曲がりくねりを有するチャネル中の孔を通じて、入り口から出口へと通過する。コアは、流体が反応器の入り口から出口へと流れるように流体を遠心的に導くための中実な壁で囲まれたチャネルは含んでいない。ケーシングは、反応器壁における熱伝導を推進するためのコア構造の改変を有する以外に、コア中の滑らかな円錐及び波状の円錐の延長部を構成する。ケーシングは、波状の円錐台形状のシート１２２に差し込まれるとともに、波状の円錐台形状のシート１２２によって分離された、滑らかな円錐台形状のシート１２１を含み、これらシート１２１及び１２２は、それぞれシート１１１及び１１２の延長部である。ケーシング中の滑らかなシートと波状のシートとの間の間隙はチャネル１２３を形成し、このチャネル１２３は円錐台形状の面に沿って軸方向に延在している。ケーシングの円錐台形状の面は、コアの円錐形状の面と同じ、反応器壁に対する入射角をなしている。滑らかなシート１２１は、反応器壁に当接している。図示はされていないが、ケーシングの波状のシートと反応器壁との間には間隙がある。間隙は、図１Ｄの説明に記載されている。ケーシングのシートは、有孔な部分と中実な他の部分とを含み、中実な面によって完全に囲まれたチャネル１１５と、有孔な面によって少なくとも部分的に囲まれたチャネル１２５とを形成している。中実なチャネル１１５は、流体が反応器の入り口から出口へと流れるときに反応器壁に衝突するように、流体を遠心的に導く。前記遠心的流れは、矢印１１６で示されている。チャネル１２５によって、流体は、反応器の入口から出口へと流れるときに、反応器壁から求心的に戻ることができる。矢印１２６は、液体が有孔のチャネル１２５を横断する流れの方向を示している。チャネル１１５は、１つのチャネルが外周方向に並行する軸方向のスタックの状態に配置されるとともに位置合わせされている。チャネル１２５は、少なくとも２つのチャネルが外周方向に並行する軸方向のスタックに配置されるとともに位置合わせされている。チャネル１１５及びチャネル１２５のスタックは、反応器の入口から出口まで延在するか、又は反応器の周囲との効果的な熱伝導が望まれる反応器の部分に亘って延在する。チャネル１１５及び１２５のスタックは、反応器壁の外周全体の回り、又は反応器の周囲との効果的な熱伝導が望まれる反応器壁の部分の周りに交互に配置されている。スタックの配置は、図１Ｂ、１Ｃ及び１Ｄに、より明瞭にされている。

ケーシング中の滑らかなシート及び波状のシートが一様な透過率を提供するように有孔であることが、通常好ましいとされているが、熱伝導が圧力低下より相対的により重要であるいくつかの用途においては、孔の密度は、反応器の軸近傍において、反応器壁近傍より低い軸方向の透過率を提供するように、設計することができる。前記透過率の変型は、反応器を通じた所定の流体流れにとって、反応器壁に衝突する流れの相対的な流量及び速度を助長し、反応器壁における熱伝導係数をさらに増加させる。

別に示されない限り、図１Ｂを参照すると、図１Ｂは、図１Ａの実施形態のケーシングを通しての周面を示している。ケーシングは、交互に配置された滑らかな円錐台形状のシートと波状の円錐台形状のシートとを含み、これらシートの間にチャネルを形成している。滑らかなシートの部分１１４は、実線で示された中実な部分であり、滑らかなシートの部分１２４は、点線で示された有孔な部分である。波状のシートの部分１１７は、実線で示された中実な部分であり、波状のシートの部分１２７は、点線で示された有孔な部分である。チャネル１１５は中実な面で囲まれており、チャネル１２５は、有孔な面で少なくとも部分的に囲まれている。滑らかなシート及び波状のシートの部分は、チャネル１１５からなる並行する１つのチャネルが、３つのチャネルが並行するチャネル１２５の垂直スタックと周方向に交互とされている、垂直若しくは軸方向のスタックを形成するように配置されている。スタックは、反応器の入口から出口へ延在するか、又は効果的な熱伝導が望まれるところへ延在する。チャネル１１５は、流体が前記チャネルの長さに沿って流れるときに、反応器壁に衝突するように流体を遠心的に導く。チャネル１２５中の流体は、チャネル１２５を実質的に横断し、反応器の入口から出口までと、反応器壁から求心的に離隔するようにとの両方に流れるようになる。任意のグローブ又は凹部を、舌部と溝部との結合部１３０を形成するように、滑らかなシート及び波状のシートに形成し、滑らかなシート及び波状のシートの相対的な位置を示し、よってスタックの位置合わせを保障することができる。チャネル１２５を取り囲む滑らかなシートの開口面積または開孔面積のパーセンテージ、及びチャネル１２５の所定のスタックに並行するチャネルの数は、流体が滑らかな有孔な面を通じて、十分に低い圧力低下を伴って流れるように調整され、流体がケーシングを通じて流れ、反応器壁における望ましい熱伝導を提供する。面１２４の開口又は開孔のパーセンテージは、コア中の滑らかなシート中より高くすることができ、又は所定のスタックに並行するチャネル１２４の数は、円錐形状の傾斜角度、及び波状の断面形状によって増加することができる。

別に示されない限り、図１Ｃを参照すると、図１Ｃは、図１Ａの実施形態の異なる波状形状のケーシングを通しての周面を示している。ケーシングは、交互に配置された滑らかな円錐台形状のシートと波状の円錐台形状のシートとを備え、これらシートの間にチャネルを形成している。滑らかなシートの部分１１４は、実線で示された中実な部分であり、滑らかなシートの部分１２４は、点線で示された有孔な部分である。波状のシートの部分１１７は、実線で示された中実な部分であり、波状のシートの部分１２７は、点線で示された有孔な部分である。チャネル１１５は中実な面で囲まれており、チャネル１２５は、有孔な面で少なくとも部分的に囲まれている。滑らかなシート及び波状のシートの部分は、並行するチャネル１１５の１つのチャネルが３つのチャネルが並行するチャネル１２５の垂直スタックと周方向に交互とされている、垂直スタックを形成するように配置されている。スタックは、反応器の入口から出口へ延在するか、又は効果的な熱伝導が望まれるところへ延在する。チャネル１２５は、流体が前記チャネルの長さに沿って流れるときに、反応器壁に衝突するように、流体を遠心的に導く。チャネル１２５中の流体は、チャネル１２５を実質的に横断し、反応器の入口から出口までと、反応器壁から求心的に離隔するようにとの両方に流れるようになる。任意のグローブ又は凹部を、舌部と溝部との結合部１３０を形成するように、滑らかなシート及び波状のシートに形成し、滑らかなシート及び波状のシートの相対的な位置を示し、よってスタックの位置合わせを保障することができる。波状の形状は、狭い凹状の下向きの区画と、広い凸状の上向きの区画を組み込んでいる。図Ｃの波状の形状は、図１Ｂに示した形状より、チャネル１１５を含むスタックのより均一な幅を許容している。

別に示されない限り、図１Ｄを参照すると、図１Ｄは、図１Ａの反応器の実施形態を通しての横断方向の区画の部分を示している。反応器１００は壁部１０３、コア１１０、及びケーシング１２０を有している。コア内の構造は示されていない。ケーシング内において、中実な波状のシート１１７は、中実な波状のシート及び滑らかなシートによって取り囲まれたチャネルのスタック１１８を、有孔な滑らかなシート及び波状のシートによって少なくとも部分的に取り囲まれたチャネルのスタック１２８から分離している。交互のスタック１１８及び１２８は、反応器壁の周の周りに配置されている。スタック１１８においては、チャネルは１つのチャネルが並行し、スタック１２８より周幅が狭く、スタック１２８においては、チャネルは、少なくとも２つのチャネルが周に並行するようにスタックされている。スタック１１８中のチャネルは、流体を遠心的に導き、矢印１１６で示すように反応器壁に衝突させる。スタック１１８中のチャネルによって反応器壁に導かれる流体は、スタック１１８から出て、矢印１３２で示される波状のシートと反応器壁との間の間隙１３１を介して、スタック１２８に入る。反応器壁近傍でスタック１２８に入る流体は、矢印１２６で示されるように、反応器壁から求心的に戻る。間隙の幅は、反応壁部に最も近い端部におけるスタック１１８の平均周囲幅の倍数である。圧力降下を最小化することが、熱伝導を増加することより相対的に重要である用途においては、この倍数は約０．５〜２．０の範囲とすることができる。高い熱伝導の達成が圧力降下の最小化より相対的に重要である用途に対しては、この倍数は約０．１〜０．７の範囲とすることができる。間隙の幅は、波状のシートの端部を形成前に切断することによって、均一若しくは鋸歯状とすることができる。間隙が均一で無い場合には、間隙の幅に関係する前記倍数は、平均間隙幅を規定する。別途示されない限り図２Ａを参照すると、図２Ａは本発明によるケーシングの別の実施形態を示し、そこでは中実な壁部を有するチャネルが、流体を反応器壁へと、反応器壁からとの両方の方向に移送するように設けられている。このことは円筒状の反応器中における使用に好適である。コアと反応器壁との間に配置された交互のカラムは、流体の遠心的な流れと求心的な流れとをそれぞれ導く翼板を含んでいる。図示されていない反応器の入口は、ケーシング２００の図示された区画の上部に、図示されていない反応器の出口はケーシング２００の図示された区画の下部にある。ケーシング２００は、カラムを互いから分離するカラム分離壁２０１を備えている。カラム２０２は、流体が反応器の入り口から出口へ流れるときに、図示されない反応器壁から離れるように流体を求心的に導くか、又は図示されているようにケーシングの上端から底部へ導くための翼板２０３を含んでいる。翼板２０３の上端は反応器壁に当接し、カラム分離壁を反応器壁から間隙距離２０４によって分離する。カラム２０５は、流体を反応器壁に衝突させるように遠心的に導くための翼板２０６及び間隙スペーサ２０７を含んでいる。隙間スペーサの下端は反応器壁に当接し、カラム分離壁を反応器壁から間隙距離２０８によって分離し、この間隙距離２０８は間隙距離２０４に等しい。反応器壁近傍のカラム幅スペーサ２０９、およびコアに当接しているカラム幅スペーサ２１０は、カラム２０５及び２０２の周幅をそれぞれ維持している。カラム２０２及び２０５の幅は互いにほぼ等しい。カラム幅スペーサ２０９はスペーサ２１０より広く、よってケーシングは反応器壁の曲線に順応している。凸部２１１は、翼板の両側でカラム分離壁の中に圧入され、翼板を所定の位置に保持している。矢印２１２はケーシングを通じた流体の流れの方向を示しており、この流れは、反応器の入り口から出口へ流れるときに、最初に翼板２０６の間のカラム２０５を介して反応器壁に接近し、次いで（図示しない）反応器壁に衝突し、次いでカラム分離壁と反応器壁との間の間隙を通じて周方向へ横方向に曲がり、カラム２０２に入り、反応器壁から離間するように翼板２０３によって求心的に再度導かれる。ケーシングは反応器の周囲全体の周りであって反応器の入り口から出口までのコアと反応器壁との間に存在している。

別途示されない限り図２Ｂを参照すると、図２Ｂは図２Ａに示したケーシングを製造する形成方法を図示している。ケーシングは金属性シートから作られている。翼板２０３と間隙スペーサ２０７とは図示されるように３つの縁を切り取られ、それぞれ点線２１３及び２１７に沿って約４５度で前方に折りたたまれる。翼板２０６は図示されるように３つの縁を切り取られ、点線２１６に沿って約４５度で後方に折りたたまれる。シートは、約９０度で、もしくはカラム分離壁２０１が翼板２０３及び２０６に接触するまで、翼板２０３の側面に最も近い点線２２０に沿って前方に折りたたまれ、翼板２０６の側面に最も近い点線２２１に沿って後方に折りたたまれる。カラム幅スペーサ２０９及び２１０は、好ましくは同じ高さである。翼板２０３及び２０６の幅は、テーパをつけられていても良く、カラム幅スペーサ２０９の幅は、カラム幅スペーサ２１０の幅より大きく、ケーシングが反応器壁のカーブに順応し、翼板が分離壁のすべての部分に当接することを可能としていても良い。折りたたまれたケーシングは、次いで好適な触媒担持体及び活性な触媒でコーティングされ、反応器のコアと反応器壁との間に挿入される。

別に示されない限り図３Ａを参照すると、図３Ａは、本発明の実施形態の一例の長手方向の断面を図示している。触媒反応器３００は、入口３０１、出口３０２、及び円筒状の反応器壁３０３を有している。内部容積は、コア３０４とケーシング３０５を備えている。コアは、固体のアルミナの球体を詰められ、アルミナの球体は活性な触媒で含浸されている。ケーシングは、反応器の入口から出口までの反応器壁のすべての部分でコアと反応器壁との間にある。ケーシングは、軸方向の空隙によって分離された平坦な環状部材３０６及び３０７を備えている。ケーシングとコアとの間の面は、点線３０８で示される有孔な壁部を任意に備えることができる。入り口に入り、反応器を通って、出口から出る流体の流れの方向は、矢印３０９で示されている。別途示されない限り図３Ｂを参照すると、図３Ｂは、図３Ａに示された図の反応器壁近傍の拡大された部分を図示している。ケーシング３０５は反応壁部３０３に当接している。ケーシングは、内側平坦環状部材３０６と外側平坦環状部材３０７とを備えている。内側環状部材及び外側環状部材は、互いに対して、また壁部に対して配置され、流体が反応器の入り口から出口へ流れるときに、矢印３１０によって示されるように、流体が遠心的に流れ反応器壁に衝突し、矢印３１１によって示されるように、反応器壁から求心的に戻るように導くための、邪魔板又は交互のチャネルを形成している。チャネルを通じて遠心的に流れる流体は、矢印３１２で示されるように反応器壁に衝突し、求心的に流れるチャネルへ方向を変えられる。ケーシング中の流体の通路は、コア中の流体の通路と連通している。任意な有孔な壁部を、点線３０８に示すように、ケーシングとコアとの間に配置することができる。外側平坦環状部材は、反応器壁に当接するとともに、内側平坦環状部材の外径より小さい内径を有している。内側平坦環状部材は、その内径部においてコアに当接し、ケーシングの内径を規定し、コアから反応器壁までの距離の少なくとも半分における外径を有している。内側及び外側環状部材は、反応器の入り口から出口まで交互の順に配置されている。隣り合う内側環状部材と外側環状部材との間の空隙は一様である。内側環状部材と反応器壁との間の間隙は、隣り合う内側環状部材と外側環状部材との間の軸方向の距離とほぼ同じ距離である。コアから反応器壁までの距離は、反応器壁の内側から反応器の軸までの距離の約０．０１〜０．４倍、好ましくは０．０５〜０．２倍である。内側環状部材及び外側環状部材は、図示されていない長手方向の支持部材又は支柱によって固定されている。

［例］
図２Ｂに示されたケーシングを使用する実施形態の一例として、以下の寸法を使用することができる。ケーシングの部分に付された参照符号は、図２Ｂ中の参照符号の部分に対応している。例は、水素の製造に使用されるスチームリフォーミング反応器に関し、１００ｍｍの内径、１３ｍｍの厚み、１０メータの長さ、上端における入り口、及び底部端部における出口を有する壁部を有している。コアの直径は８０ｍｍである。ケーシングは、コアから反応器壁まで延在し、その距離は１０ｍｍである。ケーシングは８０カラムに分割されており、反応器壁においてほぼ３．９ｍｍの幅である。厚さ０．２ｍｍ、幅９４５ｍｍ、反応器の軸方向の長さ５００ｍｍの金属シートがケーシングの基板として使用されている。カラム分離壁は８．０ｍｍの幅であり、カラム分離壁と反応器壁との間に２．０ｍｍの間隙を残している。翼板２０３は、切断縁において長さ１４．１ｍｍ、幅３．９ｍｍであり、折りたたみ縁において幅３．５ｍｍである。翼板２０６は、切断縁において長さ１１．４ｍｍ、幅３．５ｍｍであり、折りたたみ縁において幅３．９ｍｍである。間隙スペーサ２０７は、長さ２．８ｍｍで、幅３．９ｍｍである。カラム幅スペーサ２０９は、高さ３ｍｍで、幅３．９ｍｍである。カラム幅スペーサ２１０は、高さ３ｍｍで幅３．５ｍｍである。スペーサ２０９及び２１０は、好ましくは高さに対して位置合わせされている。翼板２０３及び間隙スペーサ２０７は、それぞれ折りたたみ線２１３及び２１７に沿って４５度前方に折られ、翼板２０６は折りたたみ線２１６に沿って４５度後方に折られている。シートは、折りたたみ線２２０に沿って約９０度前方に折られており、翼板２０３の側面から３．５ｍｍ離隔するとともに翼板２０３に最も近い。シートは折りたたみ線２２１に沿って約９０度後方に折られており、翼板２０６の側面から３．５ｍｍ離隔するとともに翼板２０６に最も近い。ケーシングは円筒状に形成され、最初及び最後のカラム分離壁は、折り込むことによって固定することができる。

コアは、Ｊｏｎａｔｈａｎ Ｊ． Ｆｅｉｎｓｔｅｉｎによって、２００４年７月７日に出願された、「第１及び第２のチャネルを有する反応器」という名称の米国特許出願第１０／８８６２３７号明細書の例１に記載されているように製造され、直径８０ｍｍ、長さ５００ｍｍに構成された、入れ子式のモジュールである。

コア及びケーシングは、アルミナを含む既存の触媒担持体でコーティングされ、酸化ニッケルを含む好適な活性を有する触媒で含浸されている。このようないくつかのケーシング組立体及びコア組立体が、反応器の端から端まで取り付けられ、反応器を充填している。処理ガスは、反応器を通じて流れ、スチームリフォーミングを行うように流されている。

本発明による反応器の１つの実施形態の切り欠き部分斜視図であり、異なるコアとケーシングとの構造及び機能を提供するために修正された特性を有する、滑らかで波状の円錐台形状のシートを含んでいる。 図１Ａの実施形態の所定のチャネルの周面を通じた断面図である。 図１Ａの実施形態のチャネル形状の第２の変形の周面を通じた断面図である。 図１Ａの実施形態の反応器の横方向の部分断面図であり、ケーシング内のチャネルの連通及び半径方向の流体流れの形態を図示している。 本発明のケーシングの第２の実施形態の部分斜視図である。 図２Ａに示された実施形態を形成するための方法を示す図である。 本発明の別の実施形態の長手方向の断面図である。 図３Ａに示されたケーシングの詳細を示す図である。

符号の説明

１００、２００・・・反応器
１０１・・・入口
１０２・・・出口
１０３・・・反応器壁
１１０・・・コア
１１１、１１２、１２１、１２２・・・シート
１１３、１１５、１２３、１２５・・・チャネル
１１８、１２８・・・スタック
１２０・・・ケーシング
２０２、２０５・・・カラム
２０１・・・カラム分離壁
２０７、２０８・・・間隙スペーサ
２０９，２１０・・・カラム幅スペーサ

Claims (37)

1. 入口と、
   出口と、
   反応器軸と、
   前記反応器軸の周りに配置された反応器壁と、
   少なくとも前記反応器軸の近傍に配置され、液体が通過するための複数の通路を有するコア構造と、
   前記コア構造と前記反応器壁との間に配置されたモノリシックなケーシング構造と、
   を備え、
   前記モノリシックなケーシング構造はコア構造と異なっているとともに、前記反応器を通じて液体を遠心的に導き、前記反応器壁に、前記反応器壁に対して８５度以下の入射角で衝突させる、触媒反応器。
2. 前記コア構造は、モノリシックではないことを特徴とする請求項１に記載の反応器。
3. 前記コア構造は、前記モノリシックなケーシング構造の空隙率より少なくとも１０％低い空隙率を有することを特徴とする請求項１に記載の反応器。
4. 前記コア構造の複数の通路は水力学的な直径を有し、前記モノリシックなケーシング構造の複数のチャネルは水力学的な直径を有し、前記コア構造の平均の水力学的直径は前記モノリシックなケーシング構造の水力学的直径より少なくとも１０％大きいことを特徴とする請求項１に記載の反応器。
5. 前記モノリシックなケーシング構造の複数のチャネルのそれぞれ、及び前記コア構造の複数の通路のそれぞれは、液体が触媒反応器の入口から出口まで流れるときに液体を遠心的に導くための容積率をそれぞれ有し、前記コア構造は、前記モノシリックなケーシング構造の前記容積率よりも少なくとも１０％低い前記容積率を有することを特徴とする請求項１に記載の反応器。
6. 前記モノリシックなケーシング構造及び前記コア構造は、それぞれの透過率を有し、モノリシックなケーシング構造の透過率はコア構造の透過率より大きく、前記モノリシックなケーシング構造を通じる液体の軸方向の質量流束は、コア構造を通じる液体の軸方向の質量流束より大きいことを特徴とする請求項１に記載の反応器。
7. 前記コア構造の複数の通路は、有孔の壁部のみによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
8. 前記ケーシング構造の複数のチャネルは、半径方向に並べられていることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
9. 前記モノリシックなケーシング構造及び前記コア構造は複数の面を有し、前記モノリシックなケーシング構造及び前記コア構造のうちの少なくとも一方の少なくともいくつかの前記面は、触媒を備えていることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
10. 前記モノリシックなケーシング構造及び前記コア構造のうちの前記少なくとも一方は、金属又はセラミック基板のうちの少なくとも一方を備えることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
11. 前記金属は有孔のシート状金属であることを特徴とする請求項１０に記載の反応器。
12. 前記コア構造は、前記反応器壁から、前記反応器壁から前記反応器の軸までの距離の約０．０１〜０．４倍の距離まで延在していることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
13. 前記モノリシックなケーシング構造は、第１及び第２のカラムを備え、該第１及び第２のカラムのそれぞれは、前記第１及び第２のカラムを通じて遠心的、及び求心的に流れる液体をそれぞれ導くための装置を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
14. 前記第１及び第２のカラムは、壁部によって分離され、前記第１及び第２のカラムは、前記反応器壁に最も近い位置で液体的に連通していることを特徴とする請求項１３に記載の反応器。
15. 前記触媒反応器は、少なくとも１つのスチームリフォーミングのため、及び内燃機関からの排ガスの後処理のために使用されることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
16. 前記ケーシング構造は幾何学的な構成を有し、前記ケーシング構造の前記幾何学的な構成は、反応器の軸から反応器壁への前記コア構造の幾何学的構造の延長部と異なっていることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
17. 液体をそれぞれ遠心的に、及び求心的に流れるように導くための半径方向に配列されたチャネルを有する、モノリシック構造を含む反応器を形成する方法であって、
    シートを折り曲げて、周方向、かつ軸方向に配列された壁部によって結合された、半径方向、かつ軸方向に配列された一連の壁部を形成するステップを備え、
    前記半径方向に配列された壁部の連続的な対の間の前記周方向の壁部は、交互に反応器壁により近接し、及び反応器壁からより離隔しており、
    前記周方向の壁部は、一般的な配列から、反応器の軸に対して傾斜角を有するように折り曲げられた部分をさらに有し、よって、流体が前記反応器を通じて流れるときに、流体を遠心的若しくは求心的に導き、
    前記構造は、反応器壁に近接して配置されていることを特徴とする方法。
18. 液体をそれぞれ遠心的に、及び求心的に流れるように導くための半径方向に配列されたチャネルを備え、
    半径方向、かつ軸方向に配列された複数の壁部は、周方向、かつ軸方向に配列された壁部によって結合され、
    前記半径方向に配列された壁部の連続的な対の間の前記周方向の壁部は、交互に反応器壁により近接し、及び反応器壁からより離隔しており、
    前記周方向の壁部は、一般的な配列から、反応器の軸に対して傾斜角を有するように折り曲げられた部分を有し、よって、流体が前記反応器を通じて流れるときに、流体を遠心的若しくは求心的に導き、
    前記構造は、反応器壁に近接して配置されていることを特徴とする、反応器に使用するためのモノリシック構造。
19. 前記モノリシックなケーシング構造の前記複数のチャネルは、無孔のチャネル壁によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
20. 入口と、
    出口と、
    軸と、
    少なくとも前記軸の近傍に配置され、液体が通過するための複数の通路を有するコア構造と、
    前記コア構造の少なくとも一部分の周りに配置されたモノリシックなケーシング構造と、
    を備え、
    前記モノリシックなケーシング構造は、コア構造と異なっているとともに、前記コア構造の複数の通路と液体連通している複数のチャネルを含む、反応器に使用するための産業用充填材。
21. 前記コア構造は、モノリシックではないことを特徴とする請求項２０に記載の産業用充填材。
22. 前記コア構造は、前記モノリシックなケーシング構造の空隙率より少なくとも１０％低い空隙率を有することを特徴とする請求項２０に記載の産業用充填材。
23. 前記コア構造内の複数の通路は、水力直径を有し、前記モノリシックなケーシング構造内の複数のチャネルは、水力直径を有し、前記コア構造の平均水力直径は、前記モノリシックなケーシング構造の平均水力直径より少なくとも１０％大きいことを特徴とする請求項２０に記載の産業用充填材。
24. 前記モノリシックなケーシング構造内の複数のチャネルのそれぞれ、及び前記コア構造内の複数の通路のそれぞれは、液体が前記産業用充填材の前記入口から前記出口へ流れるときに、液体を遠心的に導くための個別の容積比率を有し、前記コア構造は、液体が前記産業用充填材の前記入口から前記出口へ流れるときに、前記モノリシックなケーシング構造よりも少なくとも１０％低い、液体を遠心的に導くための容積比率を有することを特徴とする請求項２０に記載の産業用充填材。
25. 前記モノリシックなケーシング構造、及び前記コア構造は、それぞれの透過率を有し、前記モノリシックなケーシング構造の透過率は、前記コア構造の透過率より大きく、前記モノリシックなケーシング構造を通じる液体の軸方向の質量流速は、前記コア構造を通じる液体の質量流速より大きいことを特徴とする請求項２０に記載の産業用充填材。
26. 前記コア構造の負数の通路は、有孔の壁部によってのみ形成されていることを特徴とする請求項２０に記載の産業用充填材。
27. 前記ケーシング構造の複数のチャネルは、半径方向に配列されていることを特徴とする請求項２０に記載の産業用充填材。
28. 前記モノリシックなケーシング構造、及び前記コア構造は、複数の面を有し、前記モノリシックなケーシング構造、及び前記コア構造のうちの少なくとも一方の少なくともいくつかの面は、触媒を備えていることを特徴とする請求項２０に記載の産業用充填材。
29. 前記モノリシックなケーシング構造、及び前記コア構造のうちの少なくとも一方は、金属若しくはセラミックの基板のうちの少なくとも一方を備えていることを特徴とする請求項２０に記載の産業用充填材。
30. 前記金属は、有孔のシート状金属であることを特徴とする請求項２９に記載の産業用充填材。
31. 前記モノリシックなケーシング構造は、第１及び第２カラムを備え、これら第１及び第２カラムのそれぞれは、遠心的及び求心的に流れる流体それぞれを導くための装置を含むことを特徴とする請求項２０に記載の産業用充填材。
32. 前記第１及び第２カラムは、壁部によって分離され、前記第１及び第２カラムは前記反応器壁の近傍で流体連通していることを特徴とする請求項３１に記載の産業用充填材。
33. 前記触媒反応器は、少なくとも１つのスチームリフォーミング、及び内燃機関からの排ガスの後処理のために採用されることを特徴とする請求項２０に記載の産業用充填材。
34. 前記ケーシング構造は、幾何学的構成を有し、前記ケーシング構造の幾何学的構成は、前記コア構造の幾何学的構成の延長部と異なることを特徴とする請求項２０に記載の産業用充填材。
35. 前記複数のチャネルは、無孔の壁部によって形成されていることを特徴とする請求項２０に記載の産業用充填材。
36. 液体をそれぞれ遠心的に、及び求心的に流れるように導くための半径方向に配列されたチャネルを有する反応器に使用するための産業用充填材を形成する方法であって、
    シートを折り曲げて、周方向、かつ軸方向に配列された壁部によって結合された、半径方向、かつ軸方向に配列された一連の壁部を形成するステップを備え、
    前記半径方向に配列された壁部の連続的な対の間の前記周方向の壁部は、交互に反応器壁により近接し、及び反応器壁からより離隔し、
    前記周方向の壁部は、一般的な配列から、前記産業用充填材の軸に対して傾斜角を有するように折り曲げられた部分をさらに有し、よって、流体が前記産業用充填材を通じて流れるときに、流体を遠心的若しくは求心的に導くことを特徴とする方法。
37. 液体をそれぞれ遠心的に、及び求心的に流れるように導くための半径方向に配列されたチャネルを備え、
    半径方向、かつ軸方向に配列された複数の壁部は、周方向、かつ軸方向に配列された壁部によって結合され、
    前記半径方向に配列された壁部の連続的な対の間の前記周方向の壁部は、交互に前記反応器壁により近接し、及び反応器壁からより離隔しており、
    前記周方向の壁部は、一般的な配列から、前記反応器の軸に対して傾斜角を有するように傾斜した部分をさらに有し、よって、流体が前記反応器を通じて流れるときに、流体を遠心的若しくは求心的に導き、
    前記産業用充填材は、前記反応器壁に近接して配置されていることを特徴とする、反応器に使用するための産業用充填材。

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