JP6172039B2

JP6172039B2 - 転化器

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Publication number: JP6172039B2
Application number: JP2014091046A
Authority: JP
Inventors: 正記北原; 之仁佐々木
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: JP2015208706A

Description

本発明は、気体を触媒反応により転化する転化器に関し、さらに詳しくは精錬工程で発生するＳＯ_２ガスをＳＯ_３に転化反応するための転化器に関する。

触媒を用いて気体を反応させるものには、異なる温度の二種類以上の反応ガスを混合して混合ガスを生成し、生成した混合ガスを触媒の表面に供給するものがある。例えば製錬工程で発生するＳＯ_２ガス（製錬排ガス）を触媒（転化工程）でＳＯ_３に転化するものがある。なお、転化されたＳＯ_３を循環酸（濃度９９％未満の硫酸）中に吸収させることによって、濃硫酸（硫酸濃度が９９％になった循環酸）が生成される。

特許文献１では、濃硫酸の製造工程において、ＳＯ_２ガスをＳＯ_３ガスに転化する転化器において、循環酸の循環経路中に配置した比色計を用いて、転化器の廃熱ボイラーチューブの破損を検知する技術が開示されている。

特開２００８−１７０２４３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、異なる温度の二種類以上の反応ガスで生成した混合ガスについて、触媒に混合ガスが到達した時点で、混合ガスに温度分布があるため、触媒の一部が活性化するのに必要な温度に達せず、転化効率を低下させる場合があった。また、触媒の一部が高温になり、分解して粉化して、ガスの通気性を阻害してしまう場合もあった。すなわち、特許文献１には、触媒反応を向上するために、混合ガスが触媒に到達した時点での混合ガスの温度分布を均一にする技術が開示されていない。

本発明は、上記の事情に鑑み、触媒に到達したときの混合ガスの温度が、触媒を活性化するのに必要な温度以上、かつ、触媒が分解して粉化しないように温度分布を均一にする転化器を提供することを目的とする。

本発明の一の態様によれば、温度の異なる少なくとも２種類の反応ガスを混合して混合ガスを生成し、触媒を用いて前記混合ガスを転化する下部ガス空間を有する転化器であって、二酸化硫黄ガスである第１のガスを搬送する第１のガス搬送部と、酸化剤である第２のガスを搬送する第２のガス搬送部と、前記第１のガス搬送部及び前記第２のガス搬送部の下流側で、前記第１のガスと前記第２のガスとを混合して前記混合ガスを生成し、前記下部ガス空間より上部にある上部ガス空間へ前記混合ガスを送るガス合流部とを有し、前記ガス合流部は、該ガス合流部の内部に邪魔板を備え、前記邪魔板は、生成された前記混合ガスの流れに乱れを付加し、前記混合ガスの流れ方向に対して直交する平面において、前記混合ガスの温度が最も低い位置に配置され、かつ、前記混合ガスの流速が低い位置に配置される、ことを特徴とする転化器が提供される。前記邪魔板は、該邪魔板の平面を前記混合ガスの流れ方向に対して直交する位置に配置されている、ことを特徴とする転化器であってもよい。前記邪魔板は、前記第１のガス搬送部の内径に対して１／５から１／２の範囲内の径の円形平板である、ことを特徴とする転化器であってもよい。前記触媒が配置された転化手段を備え、前記転化手段は、前記ガス合流部で生成された前記混合ガスを供給され、前記触媒を用いて前記混合ガスを転化し、前記触媒の表面を前記ガス合流部に向かって前記混合ガスが流す、ことを特徴とする転化器であってもよい。

本発明に係る転化器によれば、混合ガスを生成する流路に邪魔板を配置することによって、触媒に到達したときの混合ガスの温度分布を均一にすることができる。

本発明の実施形態に係る転化器の例を説明する概略外観図である。本発明の実施形態に係る転化器のガス搬送手段及び転化手段を説明する説明図である。本発明の実施例に係る転化器において、ガス搬送手段の内部の混合ガスの流れを説明する説明図である。本発明の実施例に係る転化器において、転化手段の内部の混合ガスの流れを説明する説明図である。比較例に係る転化器において、ガス搬送手段の内部の混合ガスの流れを説明する説明図である。比較例に係る転化器において、転化手段の内部の混合ガスの流れを説明する説明図である。

添付の図面を参照しながら、限定的でない例示の実施形態に係る転化器を用いて、本発明を説明する。本発明は、以後に説明する転化器以外でも、温度の異なる少なくとも２種類の反応ガスから生成した混合ガスを転化するもの（装置、機械、機器、ユニット、システムなど）であれば、いずれのものにも用いることができる。

以後の説明において、添付の全図面の記載の同一又は対応する装置、部品又は部材には、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面は、特に説明しない限り、装置、部品若しくは部材間の限定的な関係を示すことを目的としない。したがって、具体的な相関関係は、以下の限定的でない実施形態に照らし、当業者により決定することができる。

図１及び図２を用いて、本発明の実施形態に係る転化器１００の構成を説明する。ここで、図１は、本発明の実施形態に係る転化器１００の例を説明する概略外観図である。図２は、本実施形態に係る転化器１００のガス搬送手段１０及び転化手段２０を説明する説明図である。なお、図１及び図２に示す例は一例であり、本発明を用いることができる転化器は図１等に示すものに限定されるものではない。

図１に示すように、転化器１００は、ガス搬送用パイプ１０ｉｎから温度の異なる少なくとも２種類の反応ガスを供給され（図中のＦｉｎ）、反応ガスを混合した混合ガスを複数の転化部（図中のＡからＥ）で転化し、転化された混合ガスをガス搬送用パイプ１０ｏｕｔから搬出する（図中のＦｏｕｔ）。転化器１００は、本実施形態では、５層に積層した転化部（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥ）を備える。転化器１００は、転化部（Ａ等）を用いて、混合ガス（反応ガス）を順次転化する。なお、本発明に係る転化器は、１層、又は、２層から４層若しくは６層以上の転化部を備えるものであってもよい。

図２に、図１の転化部Ａの概略構成図を示す。図２に示すように、本実施形態に係る転化器１００は、混合ガス（反応ガス）を搬送するガス搬送手段１０と、混合ガスを転化する転化手段２０と、を有する。なお、図１の転化部Ａ以外の転化部（ＢからＥ）は、図２に示す転化部Ａの構成と同様のため、説明を省略する。

ガス搬送手段１０は、第１のガス（高温ガス）を搬送する第１のガス搬送部１１と、第２のガス（低温ガス）を搬送する第２のガス搬送部１２と、第１のガス搬送部１１及び第２のガス搬送部１２の下流側に配置されたガス合流部１３と、転化手段２０で転化された混合ガスを搬出するガス搬出部１４と、を有する。ここで、第１のガスは、第２のガスよりも高温のガスである。第１のガス搬送部１１と第２のガス搬送部１２とは、図１のガス搬送用パイプ１０ｉｎに相当する。なお、本発明に係る転化器に用いることができる第１のガス及び第２のガスの種類は特に限定されない。

第１のガス搬送部１１は、第１のガスをガス合流部１３（転化手段２０）に搬送するものである。第１のガス搬送部１１は、本実施形態では、円管を用いる。第１のガス搬送部１１は、図２に示すように、円管の下端から第１のガスを流入される（図中のＦｉｎ）。第１のガス搬送部１１は、例えば転化器１００を製錬システム（製錬プラントなど）に用いた場合に、第１のガスとして、銅製錬工程で発生する二酸化硫黄ガスを供給されるものであってもよい。

第２のガス搬送部１２は、第２のガスをガス合流部１３（転化手段２０）に搬送するものである。第２のガス搬送部１２は、本実施形態では、円管を用いる。第２のガス搬送部１２は、図２に示すように、第１のガス搬送部１１の側面に配置され、第１のガス搬送部１１の断面の中心部から上方に第２のガスを供給する（図中のＦａ）。第２のガス搬送部１２は、例えば転化器１００を製錬システム（製錬プラントなど）に用いた場合に、第２のガスとして、酸化剤（空気など）を供給されるものであってもよい。

ガス合流部１３は、第１のガスと第２のガスとを混合して、混合ガスを生成するものである。図２に示すように、本発明に係るガス合流部１３は、その内部に邪魔板１３ａを備える。

邪魔板１３ａは、生成された混合ガスの流れに乱れを付加するものである。邪魔板１３ａは、本実施形態では、円形平板を用いる。邪魔板１３ａは、第１のガス搬送部１１の内径に対して１／５から１／２の範囲内の径の円形平板を用いてもよい。

邪魔板１３ａの平面は、ガス合流部１３の内部であって、混合ガスの流れ方向に対して直交する位置に配置されている。また、邪魔板１３ａは、ガス合流部１３の内部であって、混合ガスの流れ方向に対して直交する平面において、混合ガスの温度が最も低い位置に配置されている。

本発明に係る転化器１００は、ガス合流部１３を用いて、第１のガス搬送部１１から供給される第１のガスに第２のガス搬送部１２から供給される第２のガスを混合することができる。また、本発明に係る転化器１００は、ガス合流部１３を用いて、第１のガス（高温ガス）に第２のガス（低温ガス）を混合することができるので、混合する第１のガスの流量及び第２のガスの流量を制御することによって混合ガスの温度を制御することができる。更に、本発明に係る転化器１００は、混合する第１のガスの流量及び第２のガスの流量を制御することによって混合ガスの温度を制御することができるので、混合ガスによる転化手段２０（後述する触媒２１ｃ）の加熱動作を制御することができる。

また、本発明に係る転化器１００は、ガス合流部１３の内部の混合ガスの流速が低い位置と混合ガスの温度が低い位置とがほぼ一致する場合に、邪魔板１３ａを混合ガスの流速が低い位置に配置することによって、圧力損失を増加させることなく、混合ガスの混合性を向上することができる。すなわち、転化器１００は、例えば計測又は計算によって定められた最もガス温度が低い位置（ガス合流部１３の内部）に邪魔板１３ａを配置することによって、圧力損失を増加させることなく、混合ガスの混合性を向上することができる。これにより、転化器１００は、混合ガスの温度分布の均一性を向上し、混合ガスが供給される転化手段２０での転化効率を向上することができる。

ガス搬出部１４は、転化手段２０で転化された混合ガスを搬出する（図中のＦｓ）。ガス搬出部１４は、本実施形態では、転化部Ｂ（図１）に混合ガスを搬出する。

転化手段２０は、ガス搬送手段１０（ガス合流部１３）から混合ガスを供給される上部ガス空間２１ｕと、供給された混合ガスを転化する触媒２１ｃと、転化された混合ガスを保留する下部ガス空間２１ｄと、を有する。

上部ガス空間２１ｕは、ガス合流部１３から混合ガスを供給され、供給された混合ガスを触媒２１ｃの表面に供給する。触媒２１ｃは、その表面の触媒作用で、混合ガスを科学反応させる。下部ガス空間２１ｄは、触媒２１ｃを通過した混合ガスをガス搬出部１４（ガス搬送手段１０）に搬出する。転化手段２０は、本実施形態では、上部ガス空間２１ｕのドーム状の天井に沿って混合ガスを搬送し、上部ガス空間２１ｕの入口の反対側の壁に沿って混合ガスを降下させ、混合ガスが触媒に到達すると混合ガスが触媒の表面を入口に向かって戻る流れを形成する。また、転化手段２０は、本実施形態では、触媒２１ｃに接触した混合ガスによって、触媒２１ｃを加熱し、触媒２１ｃを活性化する。

本発明に係る転化器１００は、転化手段２０の上部ガス空間２１ｕを用いて、混合ガス（第１のガス及び第２のガス）の混合性を更に向上することができる。これにより、転化器１００は、混合ガスによって加熱される触媒２１ｃの温度分布の均一性を向上することができる。また、転化器１００は、触媒２１ｃの温度分布の均一性を向上することができるので、触媒２１ｃを十分に活性化することができ、混合ガスの転化効率を向上することができる。更に、転化器１００は、触媒２１ｃの温度分布の均一性を向上することができるので、活性化させるために触媒２１ｃを加熱するときに、触媒２１ｃを加熱し過ぎることを防止することができ、触媒２１ｃの劣化を防止することができる。

また、本発明に係る転化器１００は、ガス合流部１３の内部の混合ガスの流速が低い位置に邪魔板１３ａを配置することによって圧力損失の増加を低減することができるので、邪魔板１３ａによって乱れを付加された混合ガスを上部ガス空間２１ｕで更に混合することができる。これにより、転化器１００は、混合ガスの混合性を更に向上することができる。

なお、触媒２１ｃは、公知の技術を用いることができる。触媒２１ｃは、例えば転化器１００を製錬システム（製錬プラントなど）に用いた場合に、五酸化バナジウム触媒を用いることができる。また、転化手段２０は、例えば転化器１００を製錬システム（製錬プラントなど）に用いた場合に、五酸化バナジウム触媒（触媒２１ｃ）を用いて、二酸化硫黄ガス（第１のガス）と空気（第２のガス）との混合ガスを三酸化硫黄に転化することができる。

以上のとおり、本発明の実施形態に係る転化器１００によれば、混合ガスを生成する流路に邪魔板を配置することによって、第１のガスと第２のガスとの混合を向上することができる。すなわち、本発明に係る転化器１００によれば、生成される混合ガスの温度分布の均一性を向上することができる。これにより、本発明に係る転化器１００によれば、生成される混合ガスの温度分布の均一性を向上することができるので、触媒を用いた転化効率を向上することができる。また、本発明に係る転化器１００によれば、製錬プロセスに転化器１００を用いる場合に、触媒を用いた転化効率を向上することができるので、設備の稼動効率を向上することができ、生産効率を向上することができる。

本発明に係る転化器の効果を確認するために、シミュレーションによって転化器の内部の流れを解析した実施例を説明する。なお、本シミュレーションは、最適な邪魔板の位置と大きさを決定するために、以下の手順で解析の最適化を実施した。

（１）邪魔板の位置と大きさを入力パラメータとして定義する。

（２）目的関数を定義する。

（３）目的関数を最大化する入力パラメータを探索する。

ここで、上記の（１）では、入力パラメータとは、邪魔板の大きさと位置（Ｘ座標、Ｙ座標）の３つにすることを決定するものである。実験などで得た知見や邪魔板の配置などの幾何的な制約を考慮して、入力パラメータの範囲を決定することができる。上記の（２）では、目的関数を、混合ガスが触媒に到達した時点で温度が４２０度以上となる面積比率とした。なお、入力パラメータは、繰り返し計算によって最適化されるものであってもよい。また、最適化では、所定の数の入力パラメータの組み合わせに対するシミュレーション結果から生成される応答曲面上の最大値を探索するものであってもよい。

（解析結果）
図３及び図４に、シミュレーションによって転化器の内部の流れを解析した解析結果を示す。図３は、本実施例に係る転化器において、ガス搬送手段の内部の混合ガスの流れを説明する説明図である。図３（ａ）はガス搬送手段のガス合流部１３の邪魔板１３ａ（図２）を配置した位置の温度分布であり、図３（ｂ）はガス搬送手段のガス合流部１３の下流側の端面（図２の転化手段２０の上部ガス空間２１ｕの入口）の温度分布である。図４は、転化手段２０の内部の混合ガスの流れを説明する説明図である。また、図３及び図４のＬＦ３ａ、ＬＦ３ｂ、ＬＦ４は温度分布の等高線を示す。

図３（ａ）に示すように、本解析結果では、等高線ＬＦ３ａの中心部で温度が低くなった。すなわち、本実施例に係る転化器は、この温度が低くなった位置（等高線ＬＦ３ａの中心部）に邪魔板を配置される。

図３（ｂ）に示すように、本解析結果では、図３（ａ）と比較して、等高線ＬＦ３ｂの数が少なくなった。すなわち、本実施例に係る転化器は、ガス搬送手段のガス合流部１３の下流側の端面（図２の転化手段２０の上部ガス空間２１ｕの入口）で温度分布の均一性が向上した。

図４に示すように、本解析結果では、図３（ａ）及び図３（ｂ）と比較して、等高線ＬＦ４の数が更に少なくなった。すなわち、本実施例に係る転化器は、転化手段の内部（例えば触媒の表面近傍）で温度分布の均一性が更に向上した。これにより、本実施例に係る転化器によれば、生成される混合ガスの温度分布の均一性を向上することができるので、触媒を用いた転化効率を向上することができることを確認された。なお、混合ガスが触媒に到達した時点（例えば図４）で、混合ガスの全体が所定の温度（例えば触媒が活性化する摂氏４２０度）以上となるように、解析結果を用いて、邪魔板の位置を変更してもよい。
（比較例）
図５及び図６に、シミュレーションによって転化器の内部の流れを解析した比較例の解析結果を示す。図５は、本比較例に係る転化器において、ガス搬送手段の内部の混合ガスの流れを説明する説明図である。図３（ａ）はガス搬送手段のガス合流部１３Ｂの邪魔板を配置した位置の温度分布であり、図３（ｂ）はガス搬送手段のガス合流部１３Ｂの下流側の端面の温度分布である。図４は、転化手段２０Ｂの内部の混合ガスの流れを説明する説明図である。また、図５及び図６のＬＦ５ａ、ＬＦ５ｂ、ＬＦ６は温度分布の等高線を示す。

図５（ａ）に示すように、本解析結果では、等高線ＬＦ５ａの中心部で温度が低くなった。なお、本比較例では邪魔板を配置していない。図５（ｂ）に示すように、本解析結果では、図３（ｂ）と比較して、等高線ＬＦ５ｂの数が多くなった。すなわち、本比較例に係る転化器は、実施例に係る転化器（図３（ｂ））と比較して、ガス搬送手段のガス合流部１３Ｂの下流側の端面で温度分布の均一性が低下した。

図６に示すように、本解析結果では、実施例に係る転化器（図４）と比較して、等高線ＬＦ６の数が多くなった。すなわち、本比較例に係る転化器は、実施例に係る転化器（図４）と比較して、転化手段の内部（例えば触媒の表面近傍）で温度分布の均一性が低下した。これにより、本実施例に係る転化器によれば、邪魔板を配置することによって、混合ガスの温度分布の均一性を向上することができることを確認された。

以上、本発明に係る実施形態及び実施例を参照しながら本発明を説明したが、本発明は上記の実施形態又は実施例に限定されることなく、添付の特許請求の範囲に照らし、種々に変更又は変形することが可能である。

１００：転化器
１０：ガス搬送手段
１１：第１のガス搬送部
１２：第２のガス搬送部
１３：ガス合流部
１３ａ：邪魔板
１４：ガス搬出部
２０：転化手段
２１Ｃ：触媒
２１ｕ：上部ガス空間
２１ｄ：下部ガス空間

Claims

温度の異なる少なくとも２種類の反応ガスを混合して混合ガスを生成し、触媒を用いて前記混合ガスを転化する下部ガス空間を有する転化器であって、
二酸化硫黄ガスである第１のガスを搬送する第１のガス搬送部と、
酸化剤である第２のガスを搬送する第２のガス搬送部と、
前記第１のガス搬送部及び前記第２のガス搬送部の下流側で、前記第１のガスと前記第２のガスとを混合して前記混合ガスを生成し、前記下部ガス空間より上部にある上部ガス空間へ前記混合ガスを送るガス合流部と
を有し、
前記ガス合流部は、該ガス合流部の内部に邪魔板を備え、
前記邪魔板は、生成された前記混合ガスの流れに乱れを付加し、
前記混合ガスの流れ方向に対して直交する平面において、前記混合ガスの温度が最も低い位置のうち、前記混合ガスの流速が最も低い位置に配置される
ことを特徴とする転化器。
前記邪魔板は、該邪魔板の平面を前記混合ガスの流れ方向に対して直交する位置に配置されている、ことを特徴とする、請求項１に記載の転化器。
前記邪魔板は、前記第１のガス搬送部の内径に対して１／５から１／２の範囲内の径の円形平板である、ことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の転化器。
前記触媒が配置された転化手段を備え、
前記転化手段は、前記ガス合流部で生成された前記混合ガスを供給され、前記触媒を用いて前記混合ガスを転化し、前記触媒の表面を前記ガス合流部に向かって前記混合ガスが流す、ことを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の転化器。