JP6848456B2 - 反応装置 - Google Patents
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Description
反応器本体1は、原料ガスを触媒の存在下で化学反応(メタネーション反応)させることによりメタン含有ガス(目的ガス)を生成する反応器である。後述するように、反応器本体1は、触媒(メタネーション触媒)が充填された反応場を有する反応流路4を備えており、原料ガスを反応流路4に供給する。反応器本体1においては、冷媒供給装置2から温度調節媒体として供給される冷媒によって反応流路4が冷却される。
CO+3H2=CH4+H2O+206(kJ/mol)
例えば、粒子等が流路に充填された充填層における圧力損失に関する計算式として、コゼニー・カルマン式が知られている。この式に基づくと、流路における圧力損失ΔPは、流路の長さL、気体の空塔速度(充填層がない状態を仮定したときの気体の速度)v、及び(1−ε)/ε3(ここで、εは空間率)に比例する。このことから、反応流路4の内径を小さくするに従って、圧力損失が大きくなり、反応流路4において原料ガスが流動し難くなる。
本実施形態において、反応流路4から冷媒への効率的な熱伝達を考慮すると、反応流路4において許容できる圧力損失は、実用上、現実的には、100kPa程度である。
図2(a)は、本発明の一実施形態に係る反応装置Aが備える反応器本体1A(1)の要部を示す断面図である。
反応器本体1Aは、反応流路4と、媒体流路3とを備える。
反応流路4は、2本の第1流路4a、4b(複数の第1流路)と、第1流路4a、4bが合流する合流流路4dと、合流流路4dに接続された第2流路4cとを有する。第1流路4a、4b及び第2流路4cの各々は、例えば、円筒状(直管状)に形成されている。図1に示す反応器本体1Aに供給された原料ガスは、第1流路4a、4bに供給され、第1流路4a、4bを流通した原料ガスは、合流流路4dにおいて合流し、第2流路4cを流通する。即ち、原料ガスは、第1流路4a、4bから第2流路4cに向けた方向に流通する。第1流路4a、4b及び第2流路4cの内部には、触媒5が設けられており、触媒5は、反応流路4を流通する原料ガスから目的ガスを生成することを促進する。
第1流路4a、4bの各々に設けられる触媒5の体積Vは、1.26×10−5(m3)となり、伝熱面積Aは、0.01257(m2)となる。このため、伝熱効率、即ち、伝熱面積Aを触媒体積Vで除した値(A/V)は、約1000(1/m)となる。
コゼニー・カルマン式を用いて第1流路4a、4bにおける圧力損失を計算した場合、その圧力損失ΔPは、約50.7kPaである。ここで、計算条件は、触媒粒子径Dpが1.0(mm)、ガス流量が3.5×10−5(m3/sec)、定数kが180、ガス粘度μPasが30(H2が75%、COが25%の場合)、Φsが1.0、充填率εが0.6である。
第2流路4cに設けられる触媒5の体積Vは、5.03×10−5(m3)となり、伝熱面積Aは、0.02513(m2)となる。このため、伝熱効率、即ち、伝熱面積Aを触媒体積Vで除した値(A/V)は、約500(1/m)となる。
コゼニー・カルマン式を用いて第2流路4cにおける圧力損失を計算した場合、その圧力損失ΔPは、約12.7kPaである。なお、ここで、計算条件は、第1流路4a、4bの場合と同じである。
特に、現実的に許容できる圧力損失である100kPaよりも、反応流路4における全体の圧力損失を小さくすることができるとともに、高い伝熱効率による等温環境を維持することができる。
図2(b)は、本発明の一実施形態の変形例1に係る反応器本体1B(1)の要部を示す断面図である。
反応器本体1Bは、媒体流路3の形状の点で、上述した反応器本体1Aとは異なっている。反応器本体1Bの媒体流路3は、媒体流路3に冷媒が流入する第1流入口3a1及び第2流入口3a2と、媒体流路3から冷媒が流出する流出口3bとを有する。第1流入口3a1から媒体流路3の内部に向けて(流動方向D2)、流量F1(m3/sec)の冷媒が供給されている。第2流入口3a2から媒体流路3の内部に向けて(流動方向D3)、流量F2(m3/sec)の冷媒が供給されている。
この場合、第1断面積S1における冷媒の流速U1(m/sec)は、U1=(F1+F2)/S1である。また、第2断面積S2における冷媒の流速U2(m/sec)は、U2=F1/S2である。
具体的に、この場合、第1断面積S1における冷媒の流速U1を、第2断面積S2における冷媒の流速U2と同じか、より高くする必要があるので、U1≧U2の条件が必要であり、S2/S1≧F1/(F1+F2)となるように、媒体流路3を設計し、流量F1、F2を調整すればよい。
図3(a)は、本発明の一実施形態の変形例2に係る反応器本体1C(1)の要部を示す断面図である。
反応器本体1Cは、冷媒の流動方向の点で、上述した反応器本体1Aとは異なっている。具体的に、反応流路4における原料ガスの流動方向D1と、流入口3aから流出口3bに向けて流動する冷媒の流動方向D4とは、同じである(並行流)。
図3(b)は、本発明の一実施形態の変形例3に係る反応器本体1D(1)の要部を示す断面図である。
反応器本体1Dは、冷媒の流動方向の点で、上述した反応器本体1Bとは異なっている。反応器本体1Dの媒体流路3は、媒体流路3に冷媒が流入する流入口3aと、媒体流路3から冷媒が流出する第1流出口3b1及び第2流出口3b2とを有する。
2 冷媒供給装置
3 媒体流路
3a 流入口
3a1 第1流入口
3a2 第2流入口
3b 流出口
3b1 第1流出口
3b2 第2流出口
4 反応流路
4a、4b 第1流路
4c 第2流路
4d 合流流路
5 触媒
A 反応装置
D1、D2、D3、D4、D5 流動方向
Claims (5)
- 発熱反応又は吸熱反応を行う反応装置であって、
複数の第1流路と、前記複数の第1流路が合流する合流流路と、前記合流流路に接続された第2流路とを有し、前記複数の第1流路から前記第2流路に向けた方向に原料ガスが流通する反応流路と、
前記反応流路の内部の温度を調整する温度調節媒体が流通する媒体流路と、を備え、
前記媒体流路の内部に前記反応流路が設けられ、
前記複数の第1流路の各々の断面積は、前記第2流路の断面積よりも小さく、
前記媒体流路は、前記媒体流路に前記温度調節媒体が流入する第1流入口及び第2流入口と、前記媒体流路から前記温度調節媒体が流出する流出口とを有し、
前記第1流入口は、前記第2流路において前記原料ガスの流出口側に設けられ、
前記第2流入口は、前記合流流路に対向する位置に設けられ、
前記流出口は、前記第2流路において前記原料ガスの流入口側に設けられることを特徴とする反応装置。 - 発熱反応又は吸熱反応を行う反応装置であって、
複数の第1流路と、前記複数の第1流路が合流する合流流路と、前記合流流路に接続された第2流路とを有し、前記複数の第1流路から前記第2流路に向けた方向に原料ガスが流通する反応流路と、
前記反応流路の内部の温度を調整する温度調節媒体が流通する媒体流路と、を備え、
前記媒体流路の内部に前記反応流路が設けられ、
前記複数の第1流路の各々の断面積は、前記第2流路の断面積よりも小さく、
前記媒体流路は、前記媒体流路に前記温度調節媒体が流入する流入口と、前記媒体流路から前記温度調節媒体が流出する第1流出口及び第2流出口とを有し、
前記流入口は、前記第2流路において前記原料ガスの流入口側に設けられ、
前記第1流出口は、前記第2流路において前記原料ガスの流出口側に設けられ、
前記第2流出口は、前記合流流路に対向する位置に設けられることを特徴とする反応装置。 - 前記複数の第1流路に対応する位置において前記温度調節媒体が流通する前記媒体流路の第1断面積は、前記第2流路に対応する位置において前記温度調節媒体が流通する前記媒体流路の第2断面積よりも大きいことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の反応装置。
- 前記媒体流路は、前記媒体流路に前記温度調節媒体が流入する流入口と、前記媒体流路から前記温度調節媒体が流出する流出口と、を有し、
前記反応流路における前記原料ガスの流動方向と、前記流入口から前記流出口に向けて流動する前記温度調節媒体の流動方向とは、同じであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の反応装置。 - 前記媒体流路は、前記媒体流路に前記温度調節媒体が流入する流入口と、前記媒体流路から前記温度調節媒体が流出する流出口と、を有し、
前記反応流路における前記原料ガスの流動方向と、前記流入口から前記流出口に向けて流動する前記温度調節媒体の流動方向とは、逆であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の反応装置。
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JP2017005109A JP6848456B2 (ja) | 2017-01-16 | 2017-01-16 | 反応装置 |
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- 2017-01-16 JP JP2017005109A patent/JP6848456B2/ja active Active
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