JP6226994B2 - 水蒸気改質交換器−反応器のためのバヨネット管に触媒を濃密に装填する取り外し可能ならせん要素を用いたシステム - Google Patents

Description

本発明は、高度吸熱反応または高度発熱反応を使用する管型反応器において使用される触媒管の装填（ｌｏａｄｉｎｇ）の分野に関する。したがって、本発明は、合成ガスとして知られるＣＯ＋Ｈ_２混合物を製造する目的で、天然ガスまたは種々の炭化水素留分を水蒸気改質するための反応器に特に適している。

水蒸気改質反応器の２つの主なファミリー：熱が反応器の内側に設置された一連のバーナーによって供給される反応器および熱が熱伝達流体、一般に、燃焼煙霧によって供給され、前記燃焼が、水蒸気改質反応器自体の外側で起こるものが分類され得る。

本明細書において以下、交換器−反応器と示されるこの後者の種類の特定の反応器は、簡単な管を使用する。その他のものは、バヨネット管としても知られる二重壁同心管を使用する。バヨネット管は、内管と同軸である外管によって囲まれている内管として定義され得、内管と外管の間の環状空間は、一般に、触媒が充填されている。本明細書の残部では、用語「環状空間」または「触媒帯域」は、バヨネット管によって定義される前記環状空間を指定するために使用される。

天然ガスまたはより一般的には、炭化水素フィードが上から下への流れで環状帯域を通って導入され、反応流出物が下から上への流れで内管の中心部分に集められる。内管を通ってフィードを導入することおよび環状帯域４を通って反応流出物を排出することもあり得る。本発明は、バヨネット管の内側の流体の流れの方向に依存していない。

水素を製造するために天然ガスを水蒸気改質するための反応は、高度に吸熱性であり、従って、一般に、上記で定義されるように、炉において、または交換器−反応器において起こる。

反応は、極めて高温、通常、９００℃で、通常、２０〜３０バールである圧力の下で起こる。これらの条件下で、反応は、材料の機械的挙動のために、管の内側である場合には、実行可能な経済的条件下でのみ実施され得る。

触媒交換器−反応器は、多数の管、通常、１０００００Ｎｍ^３／ｈの水素を製造するユニットについて、ほぼ２００〜３５０程度の管によってこのように構成され、この一連の管は、高温流体を受け取るシェル中に封入されており、これは、水蒸気改質反応に必要な熱が供給され得ることを意味する。

この高温流体または熱伝達流体は、一般に、交換器−反応器の外側で起こった燃焼からの煙霧によって構成される。

したがって、触媒は、各管において圧力降下が同一であるよう、水蒸気改質管のすべてにおいて管ごとに規則的に設置されなければならない。

この条件は、一連の触媒管にわたって試料の良好な分布を保証するのに、また、例えば、これが、管を構成する物質の主要な過熱をもたらし得、この過熱が、管の耐用年数を実質的に減少させてしまうような、ある管が十分に供給されていないことを防ぐために極めて重要である。

同様に、やはり、管がその内側での触媒反応の不在下では局所的に過熱し得るので、管中に、空隙、すなわち、触媒を伴わないか、または触媒が枯渇した領域がないことが重要である。さらに、反応帯域における触媒の分布の何らかの不均一性は、反応流体（単数または複数）の不均衡な流れをもたらし得る。

したがって、本発明の装置の目的は、交換器−反応器の一部を形成するバヨネット管の各々にわたって、濃密で、均一である装填を可能にすることである。

先行技術の調査
従来の改質炉では、通常、１０ｃｍの内径を有する管は、従来、床の表面上で開かれる触媒が充填されたバッグを使用して装填される。この装填様式は、「ソック・ローディング（ｓｏｃｋ ｌｏａｄｉｎｇ）」として当業者に公知であり、高い装填密度をもたらさないことがわかっている。

その結果、管は、触媒の粒が適切に位置付けられるようになり、空隙を最小にし、ひいては、装填密度を高めることを促すよう、ハンマーで打たれることによって、または機械的振動系によって手動で振動される。しかし、過剰な振動は、触媒粒の破壊および圧力降下の実質的な増大をもたらし得る。

しかし、この方法を用いた場合、高品質な装填をもたらすことが困難であり、一般に、管ごとに同様である圧力降下を得るために振動操作を数回反復することが必要である。

その他の改善された手順および設備が、Ｎｏｒｓｋ Ｈｙｄｒｏによって最初に開発された技術用語Ｕｎｉｄｅｎｓｅ（商標）の下で、またはＨａｌｄｏｒ Ｔｏｐｓｏｅによって開発された技術用語Ｓｐｉｒａｌｏａｄ（商標）の下で提案されている。これらの技術は、単一管に適用可能であるが、バヨネット管には適用可能ではない。

本出願人の特許文献１には、機械的ブレーキまたは空気式制動を用いて、３つの装填管を有するバヨネット管に装填するための解決策が記載されている。その装填法は、バヨネット管の濃密で、均一な装填をもたらすために使用され得る。それは、「粒ごとの」方法であり、数百の管を含む工業的反応器の規模で使用するにはあまりにも遅く、十分に適したものではないとわかる。

一般に、触媒の水蒸気改質管中への装填という分野には多数の文書が存在するといえる。それらの大部分は、可撓性（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）減速手段または傾斜面の形態の堅い（ｒｉｇｉｄ）障害物を使用する。

しかし、見られる文書のうち、内管を避けながら環状帯域が装填される場合の、バヨネット管への適用に関するものはない。

特許ＦＲ２９５０８２２

したがって、本発明の装置は、水蒸気改質交換器−反応器中に提供されるバヨネット管の環状帯域への触媒の濃密装填のための装置として定義され得、装置は、工業的規模の開始の必要性と適合する期間内に交換器−反応器の管の各々において均一な装填密度を得るために使用される。

さらに、一定数の場合には、本発明の装置は、管に沿って変化する機械的応力および熱応力によって課される外管の内径の変動、ひいては、環状帯域の寸法の変化に適応できなければならない。先行技術の文書のうち、この追加制約に適合し得るものはない。

本発明は、シェル中に封入された複数のバヨネット管からなり、各バヨネット管が、触媒で少なくとも部分的に充填される環状帯域を含む、水蒸気改質交換器−反応器に特別に適応している触媒を濃密に充填するための装置として定義され得る。前記触媒は、内管５と外管６の間に含まれる環状空間４の少なくとも一部を占有する粒子によって構成され、これら２種の管の組み立てによってバヨネット管が構成され、前記環状空間の幅は、３０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲にあり、その高さは、１０〜２０メートルの範囲にある。

触媒粒子は、一般に、１０ｍｍ〜２０ｍｍのおよその高さおよび５ｍｍ〜２０ｍｍのおよその直径を有する円柱の形態である。

その基本版では、本発明の装置は、
・２つの連続するらせん状要素の外側へりと内側へりの間に伸びる垂直ワイヤまたはチェーンによって可撓的に一緒に接続される一連の「シャフトレス」らせん状要素からなる。

らせん状要素は、３０°〜６０°の範囲の、好ましくは、３０°〜５０°の範囲の垂直に対するその傾斜の角度、１ピッチ〜１．５ピッチの範囲の、好ましくは、１ピッチ〜１．３ピッチの範囲のその高さおよび装置が完全に配置され、各らせん状要素が環状断面４の全体を占有するよう外管６の内径の関数として変化するその外径によって規定される。

２つの連続するらせん状要素を分離する垂直距離が、５０ｃｍ〜１５０ｃｍの範囲にある。

各らせん状要素は、各らせん状要素の内部空間を占有する堅い管がないので「シャフトレス」であると言われる。

らせんの「ピッチ」の概念は、らせんの１回転に相当する垂直距離のその普通の定義内にあると理解されなければならない。

その基本版では、各バヨネット管の環状空間４は、連続空間を形成し、その上側部分のみが、外管６を横切る内管５によって構成される障害物を含有する。この障害物は、本発明の装置の配置について何ら問題を引き起こさない。それは容易に迂回され得、装置の配置の際に種々のらせん状要素を正しくはめ込む。

内管５がセントラライザーによって中心化される版では、この障害物はまた、本発明の装置によって容易に迂回され得る。

外管６の内径が、バヨネット管の頂部から下部へと減少する直径を有する外管６の一部を規定する変動を有する場合には、らせん状要素７のシステムは、周囲でより小さい直径を有し、例えば、より小さい直径のらせん状要素の外部へりに固定されるゴムから形成される可撓性へりを有するらせん状要素を使用することによって、断面におけるこの変動に適応している。

装置を適所に配置する場合には、可撓性周囲へりは、外管６の壁に押し付けられ、次いで、装置が上げられる限り、より大きな直径を有する上側断面にわたってでさえ、外管６の内壁と接触したままであるよう、可撓性へりが広がる。

次いで、システムをより小さい直径の部分中に降下させるよう、バラストがチェーンの下部に付加され得る。

本発明はまた、上記の装置を使用して触媒を装填する方法に関し、この方法は、以下の一連のステップ：
・装填システムが、まず、外部スプーラー１０中に巻かれ、フィードホッパー１に固体が充填されるステップ；
・次いで、第１のらせん状要素７が管の下部に対して５０ｃｍ〜１００ｃｍの範囲の距離に達するまで、装填システムが、その上部部分を通って環状帯域４中に徐々に導入されるステップ；
・２５０〜５００ｋｇ／ｈの範囲の固体の供給速度を提供するようコンベヤーベルトまたはシェーカーコンベヤー２の動きが開始され、固体粒子が漏斗３を通って環状帯域４中に導入されるステップ；
・管が充填される限り、外部スプーラー１０を、第１のらせん状要素７と、徐々に構成されている床の表面の間に一定距離を維持するような方法で用いて、装填システムが環状帯域４から持ち上げられ、前記距離が５０ｃｍ〜１００ｃｍの範囲にあるステップ；
・システムが、０．２ｍ／分〜０．４ｍ／分の範囲の管の装填の速度と同等の速度で巻き上げられるステップ；
・ひとたび、管が装填され、装填システムが巻き上げられると、システムが次の管を装填するために動かされるステップに分解され得る。

各バヨネット管の環状帯域が、触媒管の上側部分に内管を保持するためのシステムによって形成される、同一表面積を有する３つの装填セクターに分割される場合における、本発明に従う装置を表す図である。 環状帯域の上側部分が、内管５によって横切られる場合における、本発明の装置を表す図である。

本発明は、バヨネット管の環状空間４への触媒の濃密装填のための装置として定義され得、各バヨネット管は、１０〜２０ｍの範囲の高さ、２５０ｍｍ〜１５０ｍｍの範囲の外径および１０〜４０ｍｍの範囲の内管５の外径を有する。

触媒を含有する環状空間は、従って、およそ５０ｍｍの特徴的な幅を有する。実際には、場合に応じて、環状空間４の特徴的な幅は、８０〜３０ｍｍの間で変わり得る。

さらに、いくつかの場合には、外管６は、断面において頂部から下部へと減少する直径を有し、従って、環状空間４の特徴的な幅もまた、頂部から下部へと進むにつれ減少することを意味する。したがって、本発明の装置は、特徴的な幅におけるこれらの変動にそれ自体が適応し、一連の全断面にわたってその性能を保持しなくてはならない。

触媒の粒は、一般に、およそ１０ｍｍ〜２０ｍｍの高さおよび０．５ｃｍ〜２ｃｍの直径の円柱の形態である。

何ら対策を取らずに、それらが自由にただ単に落ちることが可能にされる場合（これは、濃密装填をもたらすための先行技術の解決策の１つである）には、１５メートルを超える長さの管中に装填されているそれらによって提示される問題の１つは、これらの粒破壊の危険である。

その他の問題は、従来の装填システムの通過を妨げる環状触媒空間の幾何学自体と関係している。

本発明と関連して頻繁な場合には、外管６を横切る内管５は、反応流出物が完全に妨げられない方法で出ることを可能にするよう、環状帯域４の上部部分において適合されなくてはならない。

らせん状要素７は、装置を位置付ける際に、簡単に、らせん状要素を障害物の下にはめ込み、前記要素が、障害物の下を完全に通過するまで回転することを可能にすることによって、自然にこの障害物を迂回するよう使用され得る。

先行技術において示されるように、環状空間の通常幅（５０ｍｍ）が、触媒の粒子の特徴的な直径の約４倍と等しいので、本発明と関連する場合にはよくある、管の直径と粒子の主要寸法の間の比が８未満である場合に、上にアーチを形成する危険は顕著である。

本発明の装置は、固体粒子がらせん状要素と接触して徐々に流れ、せいぜい１ｍの形成されている床に対する降下高さを横切らなければならないことによって終わるので、アーチの形成の危険を相当に低減する。

最後に、装填は管ごとに実施され、そのため、およそ１０００００Ｎｍ^３／ｈのＨ_２の製造を目的とする水蒸気改質反応器は、一般に、およそ２００〜３５０のバヨネット管を含むので、工業的使用のためには十分に迅速でなくてはならない。

この制約のセットは、以下の通りに定義され得る本発明の濃密充填装置によって満たされる：
本発明は、シェル中に封入された複数のバヨネット管からなる水蒸気改質反応器中に触媒を濃密充填するための装置を記載し、触媒は、内管および外管の間に含まれる環状空間の少なくとも一部を占有する固体粒によって構成され、これら２つの管の組み立てによってバヨネット管が構成される。本発明が適合する水蒸気改質交換器−反応器は、およそ３００の、１２〜２０メートルの範囲の高さを有する同一のバヨネット管によって構成され、一連のこれらのバヨネット管は、直径１０メートルに達し得るシェル中に封入される。

バヨネット管の内管と外管の間に含まれる環状空間の幅は、３０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲にあり、その高さは、１２〜２０メートルの範囲にある。触媒の粒子は、一般に、およそ５ｍｍ〜２０ｍｍの高さおよびおよそ１０ｍｍ〜２０ｍｍの直径を有する円柱の形態である。

この方法で定義される環状空間は、単一のものである場合も、最初に内管５を外管６内に中心化するために使用され得る「セントラライザー」として知られるシステムを使用していくつかの実質的に同一のセクターに分割されている場合もある。したがって、セクターは、環状断面の明確に定義された画分に対応し、前記環状空間の高さ全体にわたって広がる環状空間の一部として定義される。

本発明の充填装置は、
・環状空間４の長さに沿って、規則的に垂直に分布される一連のらせん状要素７からなり、各らせん状要素７は、らせんの１〜１．５ピッチの範囲の、好ましくは、らせんの１〜１．３ピッチの範囲の長さを有し、要素７は、５０ｃｍ〜１５０ｃｍの範囲の垂直距離によって分離され；
・前記らせん状要素７は、充填される管の外部に設置されたスプーラー１０に巻き付けられるチェーン８を介して一緒に接続されており、触媒の粒子は、
○それによって環状空間４に供給するコンベヤーベルト２上に粒子を送達するための中心フィードホッパー１；
○それを介して粒子が環状空間４の内部へ流れる漏斗３
中に含有されている。

各らせん状要素７は、３０°〜６０°の範囲の、好ましくは、３０°〜５０°の範囲の垂直に対する角度アルファで下方に傾斜している面の形状にある。本発明の装置の変動では、らせん状要素は、互い違いにされ得、傾斜面の回転の方向に応じて「左巻きの」および「右巻きの」種類のものであり得る。

頂部から下部へと減少する内径を有する外管６の部分のために、環状空間４の壁の直径が変わる場合には、らせん状要素７のシステムは、環状空間４の壁に最も近いその末端に、ゴムから形成されるへりが提供され、これは、環状空間４の内壁と接触するよう、傾斜面の幅を調整するために使用され得る。

環状帯域の内部の装置の降下を容易にするために、第１のらせん状要素に、外管６の壁でのゴムへりの摩擦を克服するために使用され得る重りを装備することが可能である。第１のらせん状要素７は、常に、形成されている触媒床の表面に最も近く設置されるものである。

上記のような装置を使用する装填法に関して、以下のステップによって記載され得る：
・装填システムが、外部スプーラー１０中にまず巻き付けられ、フィードホッパー１に固体が充填されるステップ；
・次いで、らせん状要素７が管の下部に対して５０ｃｍ〜１００ｃｍの範囲にある距離に達するまで、装填システムが、その上部部分を通って環状帯域４中に徐々に導入されるステップ；
・２５０〜５００ｋｇ／ｈの範囲の固体の供給速度を提供するようコンベヤーベルト２の動きが開始されるステップ；
・管が充填される限り、外部スプーラー１０を、最後のディフレクターと、徐々に構成されている床の表面の間に一定距離を維持するような方法で用いて、装填システムが、環状帯域４から持ち上げられるステップ。この距離は、５０ｃｍ〜１００ｃｍの範囲にある。したがって、システムが、０．２メートル／分〜０．４メートル／分の範囲の管の装填の速度と同等の速度で巻き上げられる
；
・装填の間、フィードホッパー１が、その容量が管のものより少ない場合には再充填され得るステップ。この操作は、装填を停止して、または停止することなく実施され得る；
・ひとたび、管が装填され、装填システムが巻き上げられると、システムが、次の管を装填するために動かされるステップ；
・バヨネット管の２点間の圧力降下測定を用いて装填を調べるための操作が、装填操作に付随して起こるが、それらは当業者にはよく知られていると考えられるのでこの明細書には記載されない。

４２ｍｍの外径を有する内管および１２８．１ｍｍの内径を有する外管によって構成される、実験用の２ｍの高さのカラムで、同一方向の回転を有する２つのらせん状要素によって構成される本発明の装置を用いて、装填試験を実施した。

装填される固体粒子は、１．５ｃｍの高さおよび０．８ｃｍの直径を有する小円柱の形状にあった。

２００ｍｍの高さを有し、５０°の垂直に対する傾斜の角度を有する２つのらせん状要素を、互いに６０ｃｍの距離でカラム中に導入した。

第１のらせん状要素と、形成されていた床の表面の間の距離を、装填の間５０ｃｍで維持した。したがって、装置は、０．２メートル／分の速度で連続して上げられた。

ひとたび床が装填されると、１１６Ｎｍ^３／ｈの気流速度を用いてΔＰを測定した。

排出後、破壊された粒子を単離した。破壊パーセンテージを観察し、ほぼ１％程度で極めて低かった。

装填の結果が、以下の表１に示されている。

本発明の装置を用いて得られた装填は、高度に満足のいくものであり、圧力降下の点で優れた再現性を有していた（標準偏差±１％）。

最大装填時間は、５分／メートルであり、これは、１２ｍの管に対しておよそ１時間という時間に相当する（およそ２００ｋｇ／ｈの固体の供給速度に対して）。

装填密度は、９５９ｋｇ／ｍ^３であり、これは、実施された全装填操作にわたって再現性があった。

表１：１ｍの高さのカラムでのらせんシステムを用いた装填の結果。圧力降下測定のための気流速度＝１１６Ｎｍ^３／ｈ。

Claims (7)

1. シェル中に封入された複数のバヨネット管からなる水蒸気改質交換器−反応器に特別に適応している触媒を濃密に充填するための装置であって、触媒は、内管（５）と外管（６）の間に含まれる環状空間（４）の少なくとも一部を占有する粒子によって構成され、前記の２つの管の組み立てによってバヨネット管が構成され、前記環状空間の幅は３０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲にあり、その高さは１０〜２０メートルの範囲にあり、触媒の粒子は、１０ｍｍ〜２０ｍｍの高さおよび１０ｍｍ〜２０ｍｍの直径を有する円柱の形態であり、装置は、
   ・らせんの１〜１．５ピッチの範囲の長さを有する、環状空間（４）の長さに沿って、規則的に垂直に分布される一連のシャフトレスらせん状要素（７）からなり、前記要素は、５０ｃｍ〜１５０ｃｍの範囲の垂直距離によって分離され；
   ・前記らせん状要素（７）は、充填される管の外部に設置されたスプーラー（１０）に巻き付けられるチェーン（８）を介して一緒に接続されており、触媒の粒子は、
   ○それによって環状空間（４）に供給するコンベヤーベルト（２）上に粒子を送達するための中心フィードホッパー（１）；
   ○それを介して粒子が環状空間（４）の内部へ流れる漏斗（３）
   中に含有されている、装置。
2. らせん状要素が、らせんの１ピッチ〜らせんの１．３ピッチの範囲の長さを有する、請求項１に記載の充填装置。
3. 各らせん状要素（７）が、３０°〜５０°の範囲の垂直に対する角度アルファで下方に傾斜した面の形態である、請求項１に記載の充填装置。
4. ２つの連続するらせん状要素（７）が、逆の方向の回転を有し、一方が「左巻き」であり、もう一方が「右巻き」である、請求項１に記載の充填装置。
5. 外管（６）の部分の内径のために、環状空間（４）の壁の直径が変わる場合には、らせん状要素（７）のシステムに、環状空間（４）の壁に最も近いその末端に、ゴムから形成されるへりが備えられ、これが、環状空間（４）の内壁と接触するよう、傾斜面の幅を調整するために使用され得る、請求項１に記載の充填装置。
6. 第１のらせん状要素（粒子の床に最も近いという意味で第１）に、外管（６）の壁でのゴムへりの摩擦を克服するために使用され得る重りが装備される、請求項５に記載の充填装置。
7. 以下の一連のステップ：
   ・装填システムが、外部スプーラー（１０）中にまず巻き付けられ、フィードホッパー（１）に固体が充填されるステップ；
   ・次いで、第１のらせん状要素（７）が管の下部に対して５０ｃｍ〜１００ｃｍの範囲にある距離に達するまで、装填システムが、その上部部分を通って環状帯域（４）中に徐々に導入されるステップ；
   ・２５０〜５００ｋｇ／ｈの範囲の固体の供給速度を提供するようコンベヤーベルト（２）の動きが開始され、固体粒子が漏斗（３）を通って環状帯域（４）中に導入されるステップ；
   環状帯域（４）が充填される限り、外部スプーラー（１０）を、第１のらせん状要素と、徐々に構成されている床の表面の間に一定距離を維持するような方法で用いて、装填システムが、環状帯域（４）から持ち上げられ、前記距離が、５０ｃｍ〜１００ｃｍの範囲にあるステップ；
   ・システムが、０．２ｍ／分〜０．４ｍ／分の範囲の管の装填の速度と同等の速度で巻き上げられるステップ；
   ・ひとたび、管が装填され、装填システムが巻き上げられると、システムが、次の管を装填するために動かされるステップ
   を特徴とする、請求項１に記載の装置を使用して触媒を装填する方法。

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