JP5863506B2

JP5863506B2 - 化学反応器

Info

Publication number: JP5863506B2
Application number: JP2012039044A
Authority: JP
Inventors: 清木　義夫; 義夫清木; 藤井　秀治; 秀治藤井; 耕次東野; 香織吉田; 昌記湯島
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2032-02-24
Also published as: JP2013173101A

Description

本発明は、例えばガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を、水蒸気を用いて化学反応を行い、水素（Ｈ₂）と二酸化炭素（ＣＯ₂）とに改質する化学反応器に関する。

例えばＣＯシフト反応器等の化学反応器は、例えば、石炭ガス化ガスの精製工程などでＣＯ₂を除去する際に、必須となる。
すなわち、石炭ガス化ガス（生成ガス）中に存在する炭化水素化合物は、殆どが一酸化炭素（ＣＯ）であり、二酸化炭素（ＣＯ₂）、炭化水素（ＣＨ₄、ＣnＨm）は数パーセントに過ぎない。この結果、ＣＯ₂を回収するためには、生成ガス中に存在するＣＯをＣＯ₂に転換する必要があり、スチーム（Ｈ₂Ｏ）を添加しつつ、シフト触媒により下記反応によってＣＯ₂に転換することが提案されている（特許文献１）。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ⇔ ＣＯ₂＋Ｈ₂＋４０．９ｋＪ／ｍｏｌ

上記化学反応器に対しては、スチームを用いて改質反応を行うので、通常は、反応器自身や、プロセスの他反応器の発熱を回収して、反応器とは別の蒸発器を別途用意してスチームを発生させることが多い。このため、化学反応器以外に通常は蒸発器が必要となる。

特開２０１０−２６０７３１号公報

ところで、洋上プラント（例えば、浮体式海洋石油・ガス生産貯蔵積出施設（ＦＰＳＯ：ＦｌｏａｔｉｎｇＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ＳｔｏｒａｇｅａｎｄＯｆｆｌｏａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ）等において、ＣＯシフト反応器を設置する場合には、その設置スペースの制約上、反応器のコンパクト性が求められている。

本発明は、前記問題に鑑み、特に洋上プラントのような設置スペースが限定されているような設備において、ＣＯシフト反応器等にスチームを供給可能なコンパクトな化学反応器を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、反応器本体内に設けられ、化学反応させる被処理ガスを供給するガス供給部と、化学反応後の反応生成ガスを排出するガス排出部と、前記ガス供給部に一端が第１管板により接続されると共に、前記ガス排出部に他端が第２管板により接続され、その内部に触媒を充填してなる複数の触媒反応管と、前記触媒反応管の周囲に水を供給すると共に、発生するスチーム滞留部を有する水供給部と、化学反応の発熱により前記水供給部内に供給した水から発生したスチームを溜めるスチーム滞留部と、前記第１管板に設けられ、発生させたスチームを前記ガス供給部内に放出する減圧弁と、を具備することを特徴とする化学反応器にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記第１管板に設けられ、前記スチーム滞留部からガス供給部内にスチームを放出する集合管を有し、該集合管に減圧弁を設けてなることを特徴とする化学反応器にある。

第３の発明は、第１の発明において、前記第１管板に設けられ、前記スチーム滞留部からガス供給部内にスチームを放出する集合管を有すると共に、該集合管はその一部を反応装置本体の外部に引き出し、その後、再度ガス供給部内に導入され、外部に位置する集合管に減圧弁を設けてなることを特徴とする化学反応器にある。

本発明によれば、スチームを反応器本体内で直接発生させることができるので、従来用いられていたスチームを発生させるための蒸発器が不要となり、コンパクト性を確保することができる。

図１は、実施例１に係る化学反応器の概略図である。図２は、実施例２に係る化学反応器の概略図である。図３は、実施例３に係る化学反応器の概略図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明による実施例に係る化学反応器について、図面を参照して説明する。図１は、実施例１に係る化学反応器の概略図である。
図１に示すように、本実施例に係る化学反応器１０Ａは、反応器本体１０ａ内に設けられ、化学反応させる被処理ガス（例えばＣＯを含むガス）１１を供給するガス供給部１２と、化学反応後の反応生成ガス（例えばＨ₂、ＣＯ₂等）１３を排出するガス排出部１４と、前記ガス供給部１２に一端が接続されると共に、前記ガス排出部１４に他端が接続され、その内部に触媒（ＣＯ改質触媒）１５を充填してなる複数の触媒反応管１６と、触媒反応管１６の周囲に水（ボイラ水）１７を供給すると共に、発生するスチーム滞留部１８ａを有する水供給部１８と、を具備すると共に、前記水供給部１８内に供給した水１７が、化学反応の発熱により発生したスチーム１９をスチーム滞留部１８ａに溜め、この発生させたスチーム１９を、前記ガス供給部１２内に導入するものである。

なお、触媒反応管１６は、ガス供給部１２側とガス排出部１４側とに各々設けられた管板２５、２６に接続され、触媒反応管１６とガス供給部１２及びガス排出部１４とが連通されている。
また、被処理ガス１１は、ガス供給部１２内にガス導入管１２ａにより導入され、生成した反応生成ガス１３は、ガス排出部１４からガス排出管１４ａにより、後流側に排出される。

これにより、水供給部１８に供給された水１７が化学反応により発生した熱により、スチームとなり、この発生したスチームを直接ガス供給部１２内に供給することができる。

スチーム１９を供給するには、ガス供給部１２側の管板２５に設けた減圧弁２０を介して行う。そして、この減圧弁２０の開度を調整して、直接スチームの供給量を調整することができ、この供給されたスチーム１９は被処理ガス（例えばＣＯを含むガス）１１と混合される。

次いで、スチーム１９が混合された被処理ガス１１は、触媒反応管１６内に導入され、ここでＣＯ改質触媒の触媒反応によりＣＯシフト反応が進行し、改質ガスである反応生成ガス（Ｈ₂、ＣＯ₂等）１３が得られる。

次に、本実施例の化学反応器１０Ａを用いて、化学反応を起動する方法について説明する。
１）先ず、水供給部１８内に水１７を供給する前に、その内部を不活性雰囲気とするために、窒素ガスパージを行う。
２）その後、水１７を水供給部１８内に供給する。その際スチーム滞留部１８ａを残して所定量供給する。
３）一方、ガス供給部１２においても、窒素ガスパージさせる。
４）次に、ガス供給部１２内に、被処理ガス１１を供給すると共に、被処理ガス１１にスチームを一時的に別途供給する。
このスチームは化学反応を開始させるための一時的なものである。例えばガス導入管１２ａにスチーム供給管を接続してスチームを導入させるようにする。
５）触媒反応管１６において、スチームが混合された被処理ガス１１が導入されると、触媒反応が進行して発熱する。この発熱によりその周囲に存在する水供給部１８内の水１７の温度が上昇し、スチーム１９が発生する。
６）発生したスチーム１９は、減圧弁２０を介してガス供給部１２内に導入する。
７）所定時間経過した後、前記一時的に供給したスチームの供給を停止する。
８）スチーム滞留部１８ａ内に溜められたスチーム１９は、減圧弁２０を介して被処理ガス１１に供給される。

この際、スチーム１９の圧力は、４０ｋｇ／ｃｍ²Ｇであり、供給する被処理ガス１１の圧力は３５ｋｇ／ｃｍ²Ｇとしているので、所定の圧力差（本実施例では５ｋｇ／ｃｍ2Ｇ）をもっており、ガス供給部１２に供給することができる。
本実施例では、一時的に供給するスチームはガス導入管１２ａに導入してよく、またはガス供給部１２内に直接導入するようにしてもよい。

このようなシェル＆チューブ形式の反応器は、ＣＯシフト反応器として洋上プラントに設置される場合、従来のような蒸発器が不要となる。
洋上プラントに適用するＣＯシフト反応器の一例で、シェル（反応器本体１０ａ）の長さが１７ｍであり、直径が３．８ｍである場合、その内部に配置されるチューブ（触媒反応管１６）は、長さが５７ｍｍであり、直径が７６ｍｍであり、これが約１，４００本配置されている。
このような大きさのＣＯシフト反応器に設置する従来の蒸発器の大きさは、例えば
直径が例えば１ｍで長さが例えば５ｍの横置きのタンクが必要であるので、この蒸発器が不要となるのは、洋上プラントのようなスペースが限定されている場合には、その寄与率は大きいものとなる。

本実施例によれば、スチーム１９を反応器本体１０ａ内で直接発生させることができるので、従来用いられていたスチームを発生させるための蒸発器が不要となり、コンパクト性を確保することができる。

また、スチーム発生量に応じてスチーム反応量が変化し、スチーム１９の反応量をある程度、化学反応器１０Ａ自身で制御することが可能となる。

この結果、本実施例によれば、蒸発器等の機器を不要化し、コンパクトな反応器を構成することが可能となる。また、反応量に応じセルフ制御でスチーム供給量を調整することが可能となる。

よって、本発明の化学反応器は、例えば洋上プラント（例えば、浮体式海洋石油・ガス生産貯蔵積出施設（ＦＰＳＯ：ＦｌｏａｔｉｎｇＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ＳｔｏｒａｇｅａｎｄＯｆｆｌｏａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ）等におけるＣＯシフト反応器に適用することで、その設置スペースのコンパクト化が図ることができる。

本発明による実施例に係る化学反応器について、図面を参照して説明する。図２は、実施例２に係る化学反応器の概略図である。
図２に示すように、本実施例に係る化学反応器１０Ｂは、図１にかかる化学反応器１０Ａにおいて、各スチーム滞留部１８ａと連通する集合管２１を設け、この集合管２１に減圧弁２０を設けるようにしている。

これにより、実施例１のような各管板２５に設けた減圧弁２０を複数設置する必要がなく、更なるコンパクト化を図ることができる。

本発明による実施例に係る化学反応器について、図面を参照して説明する。図３は、実施例３に係る化学反応器の概略図である。
図３に示すように、本実施例に係る化学反応器１０Ｃは、図１にかかる化学反応器１０Ａにおいて、各スチーム滞留部１８ａと連通する集合管２１を設け、この集合管２１に減圧弁２０を設けるようにしている。また、本実施例では、集合管２１はその一部を反応装置本体１０ａの外部に引き出し、その後、再度ガス供給部内に導入されており、外部に位置する集合管２１に減圧弁２０を設けるようにしている。

これにより、実施例１のような各管板２５に設けた減圧弁２０を複数設置する必要がなく、コンパクト化を図ることができると共に、反応器本体１０ａの外部に減圧弁を設けているので、減圧弁２０の調整が容易となる。

本実施例では、化学反応器としてＣＯシフト反応器を例にして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、被処理ガスにスチームを混合して、触媒反応させるスチーム改質処理であれば、いずれの処理ガスの改質にも適用することができる。

１０Ａ〜１０Ｃ化学反応器
１０ａ反応器本体
１１被処理ガス
１２ガス供給部
１２ａガス導入管
１３反応生成ガス
１４ガス排出部
１４ａガス排出管
１５触媒
１６触媒反応管
１７水（ボイラ水）
１８ａスチーム滞留部
１８水供給部
１９スチーム
２０減圧弁
２１集合管
２５管板
２６管板

Claims

反応器本体内に設けられ、化学反応させる被処理ガスを供給するガス供給部と、
化学反応後の反応生成ガスを排出するガス排出部と、
前記ガス供給部に一端が第１管板により接続されると共に、前記ガス排出部に他端が第２管板により接続され、その内部に触媒を充填してなる複数の触媒反応管と、
前記触媒反応管の周囲に水を供給すると共に、発生するスチーム滞留部を有する水供給部と、
化学反応の発熱により前記水供給部内に供給した水から発生したスチームを溜めるスチーム滞留部と、
前記第１管板に設けられ、発生させたスチームを前記ガス供給部内に放出する減圧弁と、を具備することを特徴とする化学反応器。
請求項１において、
前記第１管板に設けられ、前記スチーム滞留部からガス供給部内にスチームを放出する集合管を有し、該集合管に減圧弁を設けてなることを特徴とする化学反応器。
請求項１において、
前記第１管板に設けられ、前記スチーム滞留部からガス供給部内にスチームを放出する集合管を有すると共に、
該集合管はその一部を反応装置本体の外部に引き出し、その後、再度ガス供給部内に導入され、外部に位置する集合管に減圧弁を設けてなることを特徴とする化学反応器。