JP6078260B2 - 熱交換型反応器 - Google Patents

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Description

本発明は、合成ガスの製造を目的とした、例えば、オイルカットまたはアルコールの水蒸気改質等の、吸熱反応を行うための熱交換型反応器の分野に関する。
に関する。
このようなタイプの反応器は、当該技術分野において公知であり、その説明は、特許文献１、特許文献２、特許文献３および特許文献４に見ることができる。
このような熱交換型反応器の原理は、概略的には、反応器入口において１２００℃に達した高温の煙道ガスを、一式の管の周囲に移動させ、同管の内部において、１つの吸熱反応、または概ね一連の吸熱反応を起こさせることである。このような熱交換型反応器の熱効率は、実質的に、煙道ガスの出口温度によって決定される。
本明細書の以降において、本発明の熱交換型反応器において行われる吸熱反応を代表するものとして、天然ガスの水蒸気改質反応の一例に言及する。しかし、より一般的には、本発明は、高温煙道ガスを介して熱が加えられる必要がある、任意の吸熱反応に関する。
水蒸気改質反応は、非常に高い温度、典型的には９００℃で、圧力下、典型的には２０〜３０バールで起こる。このことは、該反応が、一式の管の中で行われることを意味し、これは、材料の力学的挙動を考慮すると、経済的に実行可能な唯一の解決策であるからである。このような触媒反応器は、１０００００Ｎｍ３／時の水素を製造する装置では、複数の管、典型的には２００〜４００程度の管によって構成される。
これらの管は、熱交換型反応器の上流、例えば、外部燃焼室において発生させられた高温煙道ガスによって加熱されるか、あるいは、特許文献５に記載された熱交換型反応器の場合のように、外部燃焼室に続くタービンによって発生させられた高温ガスによって加熱される。
管は、差し込みタイプのものであってよく、これにより、試薬の入口および生成物の出口を同一端とすることができる。差し込み管は、熱交換型反応器の上部ドームから吊され、これにより、熱膨張の管理が容易となる。
大規模な熱交換型反応器の一例は、特許文献５に記載の「ＨｙＧｅｎＳｙｓ」反応器である。この熱交換型反応器は、多数（５０超）の管を備えている。これらの管は、大径（数メートル）シェル内で、プロセス側（すなわち管側）と煙道ガス側（すなわちシェル側）間で高い圧力差をもたされて、シールされている。
煙道ガスと、内部で吸熱反応が起こる差し込み管との間の熱交換係数を向上させるための、公知の解決策の１つは、煙道ガスの循環速さを速くすることである。このことは、特に、差し込み管を取り囲んでいる煙突管、あるいはより簡単に、煙突と称される外管内における差し込み管の周囲に、煙道ガスを通過させることによって行われる。
従来技術（特許文献５）において、このような煙突は、熱交換型反応器のシェルの壁に固定された水平板によって固定状に支持されている。このシェルは、従来、その厚さを最小限に抑えるために、梁によって、シェルの底部または頂部に強化される。
高温煙道ガスは、そのエネルギーの一部を差し込み管に伝達するが、熱交換型反応器の出口において、依然として非常に高温である（５５０〜７００℃、典型的には６００〜６５０℃）。したがって、熱効率は非常に高いわけではなく、本発明の目的の１つは、煙道ガスの出口温度を低減させることによって、このタイプの熱交換型反応器の熱効率を、向上させることである。
従来技術の説明
煙道ガスを有する熱交換型反応器を、圧力下（典型的には、２〜５相対バールの範囲）で用いる場合、各煙道ガス出口が５５０℃超の温度である時、煙道ガスの出口同士を接続することが、非常に困難となる。従来技術において、配管内部は、十分に低い温度となるように、熱的に絶縁されなければならないが、このような形態では、管の径が、一層、より大きくなければならないことを意味する。このことは、熱交換型反応器のシェルに機械的問題をもたらし、熱交換型反応器自体は、経済性を維持するために比較的低温（典型的には３００℃未満）に抑えられなければならない。
更に、従来技術の解決策において、熱交換型反応器の頂部から出る煙道ガスは、収集されて地上レベルまで降下させられなければならず、これにより、煙道ガスが、一般的に地面に位置する下流の設備（二次燃焼室、エキスパンダー、または水蒸気発生器）に供給される。しかし、この煙道ガス降下ラインもまた、内部が絶縁されなければならず、これにより、この降下ラインは、かさ高くかつ高価となる。更に、このことは、システム全体の効率にとって不利になるヒートロスの一根源である。
本発明は、煙道ガスの降下ラインを除去しかつ熱交換型反応器の熱効率を向上させるために用いられ得る。
米国特許第４９１９８４４号明細書 米国特許第４６９０６９０号明細書 国際公開第２００３０３１０５０号パンフレット 国際公開第０３／０３５２４２号パンフレット 仏国特許発明第２９１８９０４号明細書
本発明の目的は、煙道ガスの出口温度を低減させることによって、このような熱交換型反応器の熱効率を向上させることにある。
この発明の目的は、適切に配置された蒸気発生管束を、熱交換型反応器自体の内部に組み込むことによって、達成される。
本発明による熱交換型反応器は、吸熱反応を行うためのものであって、シェル（１）内に封入されて、吸熱化学反応を行うために用いられる複数の差し込み管（４）と、前記反応器の上部ドーム（２）に吊されかつその下部ボトム（３）に向かって延びた複数の垂直状蒸気発生管（５）によって構成された蒸気発生管束とを備えており、前記シェル（１）は、熱を前記差し込み管（４）に供給する高温煙道ガスの入口管（Ｅ）と、熱交換後の低温煙道ガスを排出するための少なくとも１つの出口管（Ｓ）とを備えており、前記蒸気発生管は、前記反応器の上部ドーム（２）に吊されかつ前記シェルの垂直壁（１）と実質的に平行な内部じゃま板（Ｂｉ）および前記垂直壁（１）間の周辺スペース（８）内に収容されており、前記内部じゃま板（Ｂｉ）は、煙道ガス（１０）を前記反応器の中央スペースから前記周辺スペース（８）に通過させるための少なくとも１つの開口（Ｏｉ）を有しており、前記蒸気発生管（５）には、前記周辺スペース（８）の下部に位置する下部フィーダーヘッド（９）を介して、水が供給され、前記蒸気発生管（５）からの液体−水蒸気の混合物は、前記反応器の上部ドーム（２）の上方に位置する上部収集器（７）内に収集され、下部ライン（１４）が、分離ドラム（６）の液相を前記上部収集器（７）に接続されており、上部ライン（１３）が、前記上部収集器（７）を前記分離ドラム（６）の蒸気相に接続されているものである。上記において、上部収集器（７）は、分離ドラム（６）と実質的に同一レベルである。
本発明の熱交換型反応器の第１変形例において、各蒸気発生管（５）は、煙道ガスを蒸気発生管（５）の周囲に運ぶことが可能な外管によって取り囲まれている。
本発明の熱交換型反応器の第２変形例において、周辺スペース（８）の壁に固定されたそらせ板のシステムによって、煙道ガス（１０）が、実質的に垂直管（５）に直交状に移動することが可能となる。
好ましくは、前記開口（Ｏｉ）は、内部じゃま板（Ｂｉ）の上部に位置している。
本発明の熱交換型反応器において、正しく採寸された周辺スペース（８）の体積は、熱交換型反応器の全体積の１０％未満、好ましくは５％未満である。
本発明の熱交換型反応器は、特に、オイルカット、天然ガス、またはアルコールを水蒸気改質するための方法を行うために用いられてもよい。
この場合、周辺スペース（８）内の煙道ガスの速度は、一般的に２０〜８０ｍ／ｓの範囲、好ましくは３０〜６０ｍ／ｓの範囲である。
更に、オイルカット、天然ガス、またはアルコールを水蒸気改質するための方法において、本発明の熱交換型反応器を用いることに関連し、煙道ガスは、１２００℃付近の温度で熱交換型反応器に入り、好ましくは、４００℃未満の温度で前記熱交換型反応器を出る。
本発明の熱交換型反応器の概略図であって、フィーダーヘッド（９）、蒸気発生管（５）、上部収集器（７）、および分離ドラム（６）を含む水蒸気発生回路を示す。 同熱交換型反応器の断面図であって、本方法の差し込み管専用の中央スペースと、蒸気発生管を含む周辺スペースとを示す。
本発明は、熱交換型反応器のエネルギー効率を向上させたものとして規定される。このエネルギー効率の向上は、蒸気発生管束の位置決めによるものである。蒸気発生管束は、完全に前記反応器内に組み込まれ、すなわち、差し込み管の束によって占められる反応器の中央スペースに対して、周辺スペースに配置される。このことは、煙道ガスが、より良く排気されることを意味する。
本発明の解決策は、本方法の化学反応を行うための差し込み管（４）によって、最初の熱交換後の煙道ガスを冷却することである。これにより、熱交換型反応器（１）を出る前に、熱交換型反応器の周辺に位置するスペース（８）において、水蒸気が発生させられる。
この目的のために、垂直状蒸気発生管（５）が、熱交換型反応器（１）の周辺スペース（８）内に取り付けられる。周辺スペース（８）は、一方では、下部ボトム（３）から上部ドーム（２）へと延びる、実質的に垂直な内部じゃま板（Ｂｉ）によって画定され、他方では、熱交換型反応器のシェル（１）の垂直壁によって画定される。
これらの垂直状蒸気発生管（５）は、反応器の上部ドーム（２）から吊されて下方に向かって自在にのびている。
蒸気発生管（５）には、蒸気ドラム（６）から、環状下部フィーダーヘッド（９）を介して、水が供給される。蒸気ドラム（６）は、好ましくは、熱交換型反応器（１）の上部レベルより高所に位置させられている。この下部フィーダーヘッド（９）に、分離ドラム（６）から、実質的に垂直な水ライン（１１）によって、水が供給される。水ライン（１１）自体は、周辺スペース（８）の内部に位置する。
蒸気発生管（５）内で、水は、煙道ガス（１０）との熱交換によって、部分的に、典型的には、５〜１００％の気化率で、気化させられる。煙道ガス（１０）は、熱交換型反応器（１）の周辺スペース（８）において、開口（Ｏｉ）から出口管（Ｓ）に向かって降下する。
蒸気発生管（５）の上部は、反応器の外側の上部収集器（７）に接続され、これにより、水蒸気、または水／水蒸気混合物が、分離ドラム（６）に供給される前に、収集される。
次いで、煙道ガス（１０）は、４００℃未満、好ましくは３００〜３５０℃で冷却される。このことは、煙道ガス（１０）が、標準的な金属、例えば、３１６ステンレス鋼から作られる少なくとも１つの出口管（Ｓ）を経由して、熱交換型反応器（１）から出ることが可能であることを意味する。出口管（Ｓ）は、好ましくは、熱交換型反応器の下部に置かれる。
耐火性材料（Ｒ）が、下部ボトム（３）に沿って設けられるとともに、じゃま板（Ｂｉ）の差し込み管側およびシェル（１）の垂直壁内側に沿って、それぞれ設けられている。
煙道ガス（１０）が、このようにして形成された周辺スペース（８）中を移動することは、ヒートロスが最小限に抑えられることを意味する。更に、シェル（１）付近の煙道ガスの温度が、より低温であることは、シェル（１）の垂直壁に沿って設けられた耐火材料（Ｒ）の厚さが、最小限に抑えられ得ることを意味する。
煙道ガスとの熱交換係数を増加させるために、蒸気発生管（５）に、外部フィン（図示略）が設けられてもよい。
環状下部フィーダーヘッド（９）には、熱サイホン（液体の水および部分的に気化された水の密度の差異）によって、あるいは、特に、蒸気ドラムが、十分高い位置に配置されていない場合、ポンプによって、蒸気ドラム（６）から水ライン（１１）を介して、気泡点で液体の水が供給される。
下部ライン（１４）は、分離ドラム（６）の液相を、上部収集器（７）に接続する。
上部ライン（１３）は、上部収集器（７）を、分離ドラム（６）の蒸気相に接続する。
入口管（Ｅ）からの煙道ガスは、反応器の中央スペースから内部じゃま板（Ｂｉ）へと広がり、内部じゃま板（Ｂｉ）に設けられた少なくとも１つの開口（Ｏｉ）を介して、蒸気発生管（５）を含む周辺スペース（８）を通過した後、シェル（１）の下部に位置する出口管（Ｓ）を介して、周辺スペース（８）から出る。図１に示すように、開口（Ｏｉ）は、好ましくは、じゃま板（Ｂｉ）の上部に設けられる。
煙道ガス（１０）および蒸気発生管（５）間の熱交換を強制的に行うために、煙道ガス（１０）が、蒸気発生管（５）に沿ってではなく、強制的に蒸気発生管（５）を横切るように、そらせ板（図示略）を取り付けてもよい。
別の実施形態において、蒸気発生管（５）自体は、煙道ガス（１０）を搬送する管（図示略）内に配置されてもよく、これにより、前記煙道ガスの移動が加速され、蒸気発生管（５）との熱交換が強化される。
水蒸気を過熱するために、熱交換管束（５）を用いてもよい。
本発明は、１０００００Ｎｍ３／時の高純度の水素を製造する装置のために実施された。この能力のために、「ＨｙＧｅｎＳｙｓ」反応器は、高さ１５ｍの３０１の触媒管からよりなる。
管のピッチは、４５０ｍｍであると考慮された。本方法に必要とされる蒸気の一部は、蒸気ドラムに接続されかつ熱サイホンとして機能する反応器の内部熱交換器によって発生させられると考慮された。
気化に必要な熱量は、３０ＭＷであった。本方法によって、反応器入口における圧力が３絶対バールで、流量が４００Ｔ／ｈである煙道ガスが生成された。
触媒管を有する熱交換セクションの出口において、煙道ガスの温度は、６００℃であった。
気化セクションの出口において、煙道ガスの温度は、３７５℃であった。
気化セクションの外径は、５０ｍｍであって、内径は４４ｍｍであった。
これらの気化管は、反応器周辺に位置する幅１２０ｍｍの環状帯域に位置させられていた。管同士の間の煙道ガスの速さは、９２ｍ／ｓであった。
全体的な熱交換係数は、２８５Ｗ／ｍ２／℃であった。この熱交換のために、触媒管と同じ高さの管を２１０だけ用意する必要があった。
管のピッチは、従って、１３４ｍｍであった。
耐火性材料を無視して、反応器の内径は、９ｍであった。一方、気化セクションを除けば、反応器の内径は、８．７６ｍであったであろうと考慮された。したがって、蒸気発生管束を内部に組み込むことに起因する体積の増加は、５．２％であり、煙道ガスの出口温度に直接関連するエネルギー効率の獲得は、３２％であった。
この発明による熱交換型反応器は、例えば、オイルカットまたはアルコールの水蒸気改質等の、吸熱反応を行うことを達成するのに適している。
（１） シェル
（２） 上部ドーム
（３） 下部ボトム
（４） 差し込み管
（５） 蒸気発生管
（６） 分離ドラム
（７） 上部収集器
（９） フィーダーヘッド
（１０） 煙道ガス
（１３） 上部ライン
（１４） 下部ライン
（Ｅ） 入口管
（Ｓ） 出口管
（Ｏｉ） 開口
（Ｂｉ） じゃま板

Claims (7)

  1. 吸熱反応を行うための熱交換型反応器であって、シェル（１）内に封入されて、吸熱化学反応を行うために用いられる、前記反応器の上部ドーム（２）に吊されかつその下部ボトム（３）に向かって延びた複数の差し込み管（４）と、複数の垂直状蒸気発生管（５）によって構成された蒸気発生管束とを備えており、前記シェル（１）は、熱を前記差し込み管（４）に供給する高温煙道ガスの入口管（Ｅ）と、熱交換後の低温煙道ガスを排出するための少なくとも１つの出口管（Ｓ）とを備えており、前記蒸気発生管は、前記反応器の上部ドーム（２）に吊されかつ前記シェルの垂直壁（１）と実質的に平行な内部じゃま板（Ｂｉ）および前記垂直壁（１）間の周辺スペース（８）内に収容されており、前記差し込み管（４）は、前記内部じゃま板（Ｂｉ）によって前記周辺スペース（８）の内側に画定された中央スペース内に収容されており、前記内部じゃま板（Ｂｉ）は、煙道ガス（１０）を、前記反応器の中央スペースから前記周辺スペース（８）に通過させるための少なくとも１つの開口（Ｏｉ）を有しており、前記入口管（Ｅ）は前記中央スペースに配置され、前記出口管（Ｓ）は前記周辺スペース（８）に配置され、前記蒸気発生管（５）には、前記周辺スペース（８）の下部に位置する下部フィーダーヘッド（９）を介して、水が供給され、前記蒸気発生管（５）からの液体−水蒸気の混合物は、前記反応器の上部ドーム（２）の上方に位置する上部収集器（７）内に収集され、下部ライン（１４）が、分離ドラム（６）の液相を前記上部収集器（７）に接続されており、上部ライン（１３）が、前記上部収集器（７）を前記分離ドラム（６）の蒸気相に接続されている熱交換型反応器。
  2. 各蒸気発生管（５）は、これと同軸である外管によって取り囲まれ、これにより、煙道ガス（１０）が蒸気発生管（５）の周囲に運ばれる、請求項１に記載の熱交換型反応器。
  3. そらせ板のシステムが、周辺スペース（８）の壁に固定されており、システムによって、煙道ガス（１０）が、蒸気発生管（５）に直交状に移動させられる、請求項１に記載の熱交換型反応器。
  4. 周辺スペース（８）の体積が、熱交換型反応器の全体積の１０％未満である、請求項１に記載の熱交換型反応器。
  5. 煙道ガスを、反応器の中央スペースから周辺スペース（８）へ通過させるための開口（Ｏｉ）は、内部じゃま板（Ｂｉ）の上部に位置させられている、請求項１に記載の熱交換型反応器。
  6. 請求項１に記載の熱交換型反応器を用いて、オイルカット、天然ガス、またはアルコールの水蒸気改質をする方法であって、周辺スペース（８）内の煙道ガスの速度は、２０〜８０ｍ／ｓの範囲である、方法。
  7. 請求項１に記載の熱交換型反応器を用いて、オイルカット、天然ガス、またはアルコールの水蒸気改質をする方法であって、煙道ガスは、１２００℃付近の温度で熱交換型反応器に入り、４００℃未満の温度で前記熱交換型反応器から出る、方法。
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