JP6387585B2

JP6387585B2 - リアクタ

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Publication number: JP6387585B2
Application number: JP2013038785A
Authority: JP
Inventors: 鎌田　博之; 博之鎌田; 信之本間
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2018-09-12
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: JP2014166603A

Description

本発明は、反応流体を流通させて化学反応を行うリアクタに関する。

流路断面の少なくとも１辺が数ｍｍ程度のリアクタや、１ｍｍ未満のマイクロリアクタ（microreactor）等の微小な空間を反応場とするリアクタ（コンパクトリアクタ）は、単位体積あたりの比表面積が大きいため、熱伝達効率が高く、反応速度や収率を向上させることができる。また、対流や拡散態様を任意に構成することで迅速混合や能動的に濃度分布をつける制御が可能であることから、反応を厳密に制御することが可能となる。

また、反応流路隔壁によって形成され、反応場となる反応流路と、熱媒体流路隔壁によって形成され、伝熱隔壁を隔てて反応流路と並行して設けられ、当該反応流路を流通する反応流体と熱交換を行う熱媒体が流通する熱媒体流路とを備えた熱交換型のリアクタも開発されており、当該熱交換型のリアクタは、反応流路において効率よく反応を遂行することができるリアクタとして注目されている。

このようなリアクタでは、反応流路隔壁内（反応場）に触媒を配し、その反応流路に反応対象となる反応流体を流通させて反応を促進する。反応流路隔壁内に触媒を配する技術として、波板形状（コルゲート形状）の金属板に触媒を担持させておき、反応流路全域に亘って触媒が均一に配されるように、当該触媒を担持した金属板である触媒板を反応流路隔壁に載置する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２０００−１５４００１号公報

上述したリアクタの反応流路においては、吸熱反応や発熱反応が遂行されることとなる。そこで、反応流路内の反応流体と反応流路外との熱伝達効率を向上するために、反応流路を形成する反応流路隔壁を、熱伝導性が高い金属で構成することがある。

ここで、金属性の反応流路隔壁で形成された反応流路に、上記特許文献１に記載された触媒板を設けたリアクタでは、触媒板と反応流路隔壁との対向する面が接触して、触媒板と反応流路隔壁とが密着することとなる。このようなリアクタで吸熱反応を遂行する際、反応を促進するために反応流路隔壁を外部から加熱すると、触媒板と反応流路隔壁とが密着した状態で高温に曝されることとなる。また、上記金属製の反応流路隔壁と触媒板とを備えたリアクタで発熱反応を遂行する場合も、反応流体の反応による発熱で反応流路内の温度が上昇するため、触媒板と反応流路隔壁とが密着した状態で高温に曝されることとなる。

そうすると、触媒板と反応流路隔壁とが固着してしまうおそれがある。触媒板と反応流路隔壁とが固着すると、触媒板を交換する際に反応流路隔壁からの触媒板の抜き取りが困難になり、触媒板を交換するためにリアクタを分解するといった煩雑な作業を作業者に強いることとなってしまう。また、触媒板の抜き取り方によっては反応流路隔壁が歪んでしまい、再利用できなくなるおそれもある。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、反応流路隔壁と触媒板との接触面の構造を工夫することで、反応流路隔壁と触媒板との接触面積を低減して固着を回避または抑制することが可能なリアクタを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のリアクタは、反応流路隔壁によって形成され、反応対象となる流体である反応流体が流通する反応流路と、反応流路隔壁の少なくとも一部を構成する伝熱隔壁を介して反応流路と並行して設けられ、反応流路を流通する反応流体と熱交換を行う流体である熱媒体が流通する熱媒体流路を含み、反応流路隔壁外から反応流体を加熱または冷却する温度調整部と、反応流路隔壁内に載置され、反応流体の反応を促進する触媒が表面に担持された金属板である触媒板と、を備え、反応流路隔壁のうち触媒板と接触する接触部を有する接触面には、触媒板のうち反応流路隔壁と接触する接触部を有する接触面との間に空隙を形成するための接触面積低減部が、反応流体の流通方向に複数設けられていることを特徴とする。

また、触媒板の接触面は平滑面で構成され、反応流路隔壁の接触面には、反応流体の流通方向に、接触面積低減部と接触部とが交互に配されているとしてもよい。

また、反応流路と、熱媒体流路とが、伝熱隔壁を介して交互に複数積層されてなるとしてもよい。

本発明によれば、反応流路隔壁と触媒板との接触面の構造を工夫することで、反応流路隔壁と触媒板との接触面積を低減して、固着を回避または抑制することが可能なリアクタを提供する。

リアクタを説明するための図である。熱媒体流路隔壁および反応流路隔壁を説明するための図である。反応流路隔壁と触媒板とが接触する接触部を説明するための比較図である。反応流路隔壁および触媒板の断面図である。第１変形例にかかる接触面積低減部を説明するための図である。第２変形例にかかるリアクタを説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（リアクタ１００）
図１は、本実施形態にかかるリアクタ１００を説明するための図であり、図２は、熱媒体流路隔壁２３０および反応流路隔壁２４０を説明するための図である。本実施形態の図１および図２では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。また、図１中、理解を容易にするために触媒板１４０の記載を省略する。

図１および図２に示すように、リアクタ１００は、伝熱隔壁１１０が予め定められた間隔で離隔して複数積層された構造となっている。また、リアクタ１００を構成する上面部１０２、側壁部１１４、サイドバー１１６、伝熱隔壁１１０（個々に１１０ａ、１１０ｂで示す場合もある）、反応流体導入部１２０、反応流体排出部１２２、熱媒体導入部１３０、熱媒体排出部１３２はすべて金属材料（例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）２３０）等の耐熱金属）で形成されている。

リアクタ１００を製造する場合、伝熱隔壁１１０を積層し、側壁部１１４、サイドバー１１６を介してそれぞれを接合する。また上面部１０２は、側壁部１１４、サイドバー１１６を介して伝熱隔壁１１０に接合され、伝熱隔壁１１０と平行な位置関係にある。そして、反応流体導入部１２０、反応流体排出部１２２、熱媒体導入部１３０、熱媒体排出部１３２を、積層された伝熱隔壁１１０にそれぞれ接合する。リアクタ１００を製造する際に用いる接合方法に限定はないが、例えば、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接や拡散接合が利用できる。

ここで、伝熱隔壁１１０によって区画される空間のうち、反応流体導入部１２０および反応流体排出部１２２側に形成された孔２１０ａを介して、反応流体導入部１２０および反応流体排出部１２２と連通した空間が反応流路２１０となる。また、伝熱隔壁１１０によって区画される空間のうち、熱媒体導入部１３０および熱媒体排出部１３２側に形成された孔２２０ａを介して、熱媒体導入部１３０および熱媒体排出部１３２と連通した空間が熱媒体流路２２０となる。本実施形態のリアクタ１００では、図１（ａ）と図１（ｂ）とを比較して解るように、反応流路２１０と熱媒体流路２２０とが伝熱隔壁１１０に区画されて並行して設けられるとともに、反応流路２１０と熱媒体流路２２０とが交互に積層された構造となっている。

具体的に説明すると、図２（ａ）に示すように、熱媒体流路２２０は、熱媒体流路隔壁２３０として形成される、伝熱隔壁１１０ａ、リブ１１２、側壁部１１４、サイドバー１１６不図示の伝熱隔壁１１０ｂ（または上面部１０２）を含んで構成される。

伝熱隔壁１１０ａは、熱媒体流路２２０の底面を構成する。また、上面部１０２もしくは後述する伝熱隔壁１１０ｂは、熱媒体流路隔壁２３０の上面を構成する。リブ１１２は、伝熱隔壁１１０ａから垂直に立設され、伝熱隔壁１１０ａ、伝熱隔壁１１０ｂ間の空間を保持する。側壁部１１４は伝熱隔壁１１０ａの端部から垂直に立設され、リアクタ１００の側壁を構成する。また、側壁部１１４のうち、熱媒体導入部１３０および熱媒体排出部１３２が接合される側の側壁部１１４には、切り欠き１１４ａが設けられており、伝熱隔壁１１０が積層されたときに、当該切り欠き１１４ａが孔２２０ａを形成することとなる。そして、熱媒体導入部１３０から孔２２０ａを介して熱媒体流路２２０内へ熱媒体が導入されたり、熱媒体流路２２０内から孔２２０ａを介して熱媒体排出部１３２へ熱媒体が排出されたりする。サイドバー１１６は、伝熱隔壁１１０ａに設けられ、反応流体導入部１２０からの反応流体の混入を防止する。

図２（ｂ）に示すように、反応流路２１０は、反応流路隔壁２４０として形成される、伝熱隔壁１１０ｂ、リブ１１２、側壁部１１４、不図示の伝熱隔壁１１０ａを含んで構成される。

伝熱隔壁１１０ｂは、反応流路２１０の底面を構成する。また、伝熱隔壁１１０ａは、反応流路隔壁２４０の上面を構成する。伝熱隔壁１１０ｂにも、上記伝熱隔壁１１０ａと同様に複数のリブ１１２が伝熱隔壁１１０ｂから垂直に立設され、伝熱隔壁１１０ｂと伝熱隔壁１１０ａ間の空間を保持する。また側壁部１１４は伝熱隔壁１１０ｂの端部から垂直に立設され、リアクタ１００の側壁を構成する。なお、伝熱隔壁１１０ｂには、伝熱隔壁１１０ａと異なり、サイドバー１１６が設けられていないため、両側壁部１１４間に間隙１１４ｂが形成されることとなる。間隙１１４ｂは、伝熱隔壁１１０が積層されたときに、孔２１０ａを形成する。そして、反応流体導入部１２０から孔２１０ａを介して反応流路２１０内へ反応流体が導入されたり、反応流路２１０内から孔２１０ａを介して反応流体排出部１２２へ反応生成物が排出されたりする。

また、本実施形態にかかるリアクタ１００の寸法は、例えば、図１中Ｘ軸方向の距離が１ｍ程度、図１中Ｙ軸方向の距離が１ｍ程度、伝熱隔壁１１０間の離隔距離が数ｍｍ程度である。なお、図１では、理解を容易にするために、図１中Ｘ軸方向の距離およびＹ軸方向の距離と比較して、伝熱隔壁１１０間の離隔距離を大きく示している。

図２（ｂ）に戻って説明すると、反応流路隔壁２４０には、波板形状（コルゲート形状）の金属板に触媒（活性金属）が担持された触媒板１４０が載置される。金属板を構成する金属材料としては、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０など）、Ａlｕｃｈｒｏｍ、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ、Ｋａｎｔｈａｌ、Ｎｉｓｓｉｎｓｔｅｅｌ、ＵｇｉｎｅＳａｏｒｉｅが挙げられる。

ここで、触媒は反応流路２１０において遂行される反応に適した触媒であり、例えば、反応流路２１０において遂行される反応がメタンの水蒸気改質反応である場合、Ｎｉ（ニッケル）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｐｔ（白金）の群から選択される１または複数の金属である。

図１に戻って説明すると、熱媒体導入部１３０から熱媒体が導入されると、図１（ａ）中実線の矢印で示すように、熱媒体流路２２０を熱媒体が流通し、熱媒体排出部１３２から排出される。また、反応流体導入部１２０から反応流体（反応対象となる流体）が導入されると、図１（ｂ）中破線の矢印で示すように、反応流路２１０を反応流体が流通し、反応流体排出部１２２から排出される。なお、図１に示すように、本実施形態において、反応流体と熱媒体とは、対向流の関係となっている。

このように、反応流路２１０と熱媒体流路２２０とが伝熱隔壁１１０によって区画されて並行して設けられることから、熱媒体流路２２０を流通する熱媒体は、伝熱隔壁１１０を介して、反応流路２１０を流通する反応流体と熱交換することとなる。ここで、反応流路２１０において吸熱反応が遂行される場合、熱媒体流路２２０および熱媒体は、反応流路２１０を流通する反応流体に熱を供給（加熱）し、反応流路２１０において発熱反応が遂行される場合、熱媒体流路２２０および熱媒体は、反応流路２１０を流通する反応流体を除熱（冷却）する温度調整部として機能する。

なお、本実施形態において、熱媒体流路２２０には、熱媒体として気体が流通する。かかる構成により、熱媒体を液体で構成する場合と比較して、取り扱いが容易である。

例えば、下記化学式（１）に示すメタンの水蒸気改質反応や、化学式（２）に示すメタンのドライリフォーミング反応は、吸熱反応である。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ → ３Ｈ_２＋ＣＯ…化学式（１）
上記化学式（１）に示す、メタンの水蒸気改質反応は、エンタルピー変化（Δ^０ _２９８Ｈ）が−２０６ｋＪ／ｍｏｌ程度の吸熱反応である。
ＣＨ_４＋ＣＯ_２ → ２Ｈ_２＋２ＣＯ…化学式（２）
上記化学式（２）に示す、メタンのドライリフォーミング反応は、エンタルピー変化（Δ^０ _２９８Ｈ）が−２４７ｋＪ／ｍｏｌ程度の吸熱反応である。

リアクタ１００において上記のような吸熱反応を遂行させる場合、高温の熱媒体を熱媒体流路２２０に導入する。熱媒体は、伝熱隔壁１１０を介して反応流路２１０を流通する反応流体と熱交換するが、このとき、反応流路隔壁２４０と、反応流路隔壁２４０に載置された触媒板１４０も伝熱経路となるため、反応流路隔壁２４０と触媒板１４０は高温となる。

図３は、反応流路隔壁２４０と触媒板１４０とが接触する接触部１０を説明するための比較図であり、反応流路隔壁２４０と触媒板１４０の断面を示す。図３の比較図に示すように、仮に、反応流路隔壁２４０のうち触媒板１４０と接触する接触部１０を有する接触面２０ａや、触媒板１４０のうち反応流路隔壁２４０と接触する接触部１０を有する接触面２０ｂに何ら加工することなく、反応流路隔壁２４０に触媒板１４０を載置すると、反応流路隔壁２４０は、触媒板１４０と対向する面である接触面２０ａが、当該触媒板１４０と接触して、反応流路隔壁２４０と触媒板１４０の接触面２０ｂとが密着する。具体的には、触媒板１４０の接触面２０ｂは伝熱隔壁１１０ａ、１１０ｂおよびリブ１１２の接触面２０ａが接触部１０で密着する。そのため、上記の吸熱反応を進行させる場合、反応流路隔壁２４０と触媒板１４０とは、接触部１０で密着した状態で長時間高温に曝されることとなる。その結果、反応流路隔壁２４０を構成する金属と触媒板１４０を構成する金属板とが接触部１０で固着してしまうおそれがあった。

そこで本実施形態では、反応流路隔壁２４０における接触面２４０ａの構造を工夫することで、反応流路隔壁２４０と触媒板１４０との接触面積を低減して固着または抑制を回避または抑制する。

図４は、本実施形態における反応流路隔壁２４０および触媒板１４０の断面図である。図４に示すように、反応流路隔壁２４０のうち、触媒板１４０と対向する面を接触面２４０ａとし、触媒板１４０のうち、反応流路隔壁２４０と対向する面を接触面１４０ａとする。本実施形態では、反応流路隔壁２４０の接触面２４０ａ、より詳細には、伝熱隔壁１１０ａ、１１０ｂおよびリブ１１２が触媒板１４０と接触する面である接触面２４０ａに、サンドブラスト、エッチング処理等を施している。これにより、接触面２４０ａは、その表面に微細な高低差（凹凸）が設けられることとなる。一方、触媒板１４０の接触面１４０ａは、平滑面で構成されている。

ここで、反応流路隔壁２４０の接触面２４０ａと、触媒板１４０の接触面１４０ａとにおいて、両者が接触する部分を接触部Ｘとする。つまり、接触部Ｘは、接触面１４０ａ、２４０ａの双方に存在することとなるが、接触面２４０ａのうち、触媒板１４０と接触する接触部Ｘ以外の部分には、接触面１４０ａとの間に空隙が維持されることとなる。ここで、接触面２４０ａのうち、接触部Ｘ以外の部分、すなわち、接触面１４０ａとの間の空隙を形成する部分を接触面積低減部２５０とすると、この接触面積低減部２５０によって、接触面２４０ａと接触面１４０ａとの接触面積が低減され、反応流路隔壁２４０と触媒板１４０との部分的な接触が実現されている。

以上のように、反応流路隔壁２４０のうち、触媒板１４０と接触する接触部Ｘを有する接触面２４０ａに、触媒板１４０の接触面１４０ａとの間に空隙を形成するための接触面積低減部２５０を設けることで、両者の接触面積を低減することができるので、仮に、接触部Ｘが固着したとしても、固着面積が小さく、触媒板１４０を容易に抜き取り、交換することが可能となる。

なお、ここでは、反応流路隔壁２４０の接触面２４０ａに接触面積低減部２５０を設けることとしたが、接触面積低減部２５０は、反応流路隔壁２４０の接触面２４０ａ、および、触媒板１４０の接触面１４０ａの双方に設けてもよいし、触媒板１４０の接触面１４０ａにのみ設けてもよい。ただし、反応流路隔壁２４０側に接触面積低減部２５０を設けた場合、一度、接触面積低減部２５０を形成しさえすれば、以後、接触面積低減部２５０の再形成が不要なので、接触面積低減部２５０は反応流路隔壁２４０側に設けられることが好ましい。

（第１変形例）
図５は、第１変形例にかかる接触面積低減部５２０を説明するための図である。図５（ａ）は、反応流路隔壁５００の一部の斜視図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の部分拡大図である。また、図５中、理解を容易にするために触媒板１４０の記載を省略する。図５に示すように、反応流路隔壁５００における、触媒板１４０との対向面となる接触面５１０、つまり、伝熱隔壁１１０ａ、１１０ｂとリブ１１２側の面に、接触面積低減部５２０として溝部５３０が設けられている。

この溝部５３０は、図５中Ｘ軸方向、すなわち、反応流体の流通方向に、一定の間隔で形成されている。したがって、上記実施形態と同様に、平滑面で構成される接触面１４０ａを有する触媒板１４０を、反応流路隔壁５００内に載置すると、接触面５１０のうち、溝部５３０以外の部分が、触媒板１４０と接触する接触部Ｘとなる。このことからも明らかなように、接触面５１０には、反応流体の流通方向に、溝部５３０（接触面積低減部５２０）と接触部Ｘとが交互に配されることとなる。この第１変形例の構成によっても、上記実施形態と同様の作用効果を実現可能である。

なお、この第１変形例によれば、溝部５３０（接触面積低減部５２０）を反応流路隔壁５００の接触面５１０に形成する場合について説明したが、上記と同様に、触媒板１４０の接触面１４０ａにのみ形成してもよいし、接触面１４０ａ、５１０の双方に形成してもよい。

（第２変形例）
図６は、第２変形例にかかるリアクタ６００を説明するための図である。なお、この第２変形例のリアクタ６００は、反応流路隔壁６１０の接触面６１０ａが平滑面で構成されており、接触面６１０ａと触媒板１４０の接触面１４０ａとの間にメッシュ状の金属部材６２０が設けられている点が上記実施形態と異なり、その他の構成は上記実施形態と同様である。したがって、ここでは、上記実施形態と異なる構成について説明し、上記実施形態と同様の構成については、上記と同様の符号を付するとともに、その詳細な説明は省略する。

図６に示すように、第２変形例のリアクタ６００においても、反応流路隔壁６１０内に触媒板１４０が載置されるが、このとき、反応流路隔壁６１０と触媒板１４０との間には、メッシュ状の金属部材６２０が設けられている。この金属部材６２０は、伝熱隔壁１１０ａ、１１０ｂまたはリブ１１２に、例えば溶接によって固着される。また、金属部材６２０の材質としては、熱伝導性が高く、容易に入手できるステンレス鋼等の耐熱金属が好ましい。

金属部材６２０がメッシュ状であることから、触媒板１４０と金属部材６２０とが接触する部分の接触面積は、反応流路隔壁６１０内に、触媒板１４０を直接載置した場合よりも低減されるため、上記実施形態と同様の作用効果を実現することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態および変形例において、反応流体と熱媒体とを対向流として熱交換させるリアクタ１００、６００を例に挙げて説明したが、反応流体と熱媒体とを平行流として熱交換させるリアクタであってもよい。

また、上述した実施形態および変形例では、リアクタ１００、６００が吸熱反応を遂行する場合を例に挙げて説明したが、発熱反応を遂行してもよい。

また、上述した実施形態および変形例では、熱媒体によって反応流体を加熱または冷却する温度調整部が、伝熱隔壁１１０を介して反応流路２１０と並行して設けられ、反応流路２１０を流通する反応流体と熱交換を行う流体である熱媒体が流通する熱媒体流路２２０を含んで構成される場合について説明した。しかしながら、温度調整部は、熱媒体によって反応流体を加熱または冷却することができれば、例えば、バーナー等で構成してもよく、その具体的な構成は特に限定されるものではない。

本発明は、リアクタに利用することができる。

１００、６００ …リアクタ
１１０、１１０ａ、１１０ｂ …伝熱隔壁
１４０ …触媒板
２１０ …反応流路
２２０ …熱媒体流路（温度調整部）
２４０、５００、６１０ …反応流路隔壁
２０ａ、２０ｂ、１４０ａ、２４０ａ、５１０、６１０ａ …接触面
２５０、５２０ …接触面積低減部
１０、Ｘ …接触部
６２０ …金属部材

Claims

反応流路隔壁によって形成され、反応対象となる流体である反応流体が流通する反応流路と、
前記反応流路隔壁の少なくとも一部を構成する伝熱隔壁を介して前記反応流路と並行して設けられ、該反応流路を流通する前記反応流体と熱交換を行う流体である熱媒体が流通する熱媒体流路を含み、該反応流路隔壁外から該反応流体を加熱または冷却する温度調整部と、
前記反応流路隔壁内に載置され、前記反応流体の反応を促進する触媒が表面に担持された金属板である触媒板と、
を備え、
前記反応流路隔壁のうち前記触媒板と接触する接触部を有する接触面には、該触媒板のうち該反応流路隔壁と接触する接触部を有する接触面との間に空隙を形成するための接触面積低減部が、前記反応流体の流通方向に複数設けられていることを特徴とするリアクタ。
前記触媒板の接触面は平滑面で構成され、
前記反応流路隔壁の接触面には、前記反応流体の流通方向に、前記接触面積低減部と前記接触部とが交互に配されていることを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
前記反応流路と、前記熱媒体流路とが、前記伝熱隔壁を介して交互に複数積層されてなることを特徴とする請求項１または２に記載のリアクタ。