JP7021387B1 - 二重管型触媒反応管及び水素製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張に起因する触媒の摩損を抑制できる二重管型触媒反応管及び水素製造装置を提供する。【解決手段】本発明の二重管型触媒反応管は、外管１０と、外管１０に対して同芯に配置された内管２０と、外管１０と内管２０との間に充填された触媒３０と、を備え、原料ガスＧ１を触媒３０に接触させて化学反応させる二重管型触媒反応管１００Ａであって、内管２０は、第１スリーブ５０に覆われるものである。本発明によれば、熱膨張に起因する触媒の摩損を抑制できる。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、二重管型触媒反応管及び水素製造装置に関する。

従来、水素製造装置は、原料ガスとして天然ガスなど炭化水素類ガスを、水蒸気とともに改質器に供給し、改質触媒で反応させて水素含有ガスを生成するものとして知られている（例えば、特許文献１～３参照）。この改質器には、二重管型触媒反応管が収容されている。改質触媒は二重管の外管と内管の間に充填され、外管の外側より加熱される。改質触媒を出た水素含有ガス（改質ガス）は、内管を通り、改質管の出口ノズルより取り出される。内管を流れる改質ガスによって、改質触媒が加熱される。内管の内部にアルミナボール等の充填物を充填すれば、内管を通る改質ガスから改質触媒への伝熱が促進される。二重管型触媒反応管の触媒層は６５０℃から９００℃程度の高温に加熱される。そのため水素製造装置は、起動に時間がかかること、温度の頻繁な上下動は装置に熱負荷をかけること、連続運転の方が効率は高いことなどの理由により、一般的に昼夜連続運転されることが多い。

一方、近年、燃料電池自動車に水素を充填する水素ステーションにおいては、小規模の水素製造装置（又は改質器）が用いられ、必要な分だけ水素を製造するように運転し、不要な時は停止する方が経済的である。

ところで、改質器の運転中は、外管や内管が熱膨張し、また、運転停止時は、冷えることで外管や内管が熱収縮する。この熱膨張及び熱収縮により、外管と内管との膨張差が起こり、触媒と外管又は内管との接触、あるいは触媒同士の接触により、触媒が摩損することがある。そのため、特許文献２では、充填した触媒の下方に設けられる皿部を、外管が熱膨張する場合は、内管で支持し、外管が熱収縮する場合は、外管で支持するものが記載されている。また、特許文献３では、外管と内管との間の空間を多孔板で複数段に仕切り、触媒を充填したものが記載されている。

特開昭４７－０２６４０１号公報 特開昭６１－１１４７３０号公報 特開２００４－０５７９５５号公報

しかしながら、特許文献２又は特許文献３にみられるような手段では、触媒同士の接触を抑制することができるが、起動時又は停止時に、外管又は内管が熱伸縮することによって、触媒が摩耗する、という問題がある。また、特許文献３にみられるような手段では、触媒の交換作業性やホットスポットが発生するなど新たな問題が懸念される。

そこで、本発明は以上の課題に鑑みてなされたものであり、熱膨張に起因する触媒の摩損を抑制できる二重管型触媒反応管及び水素製造装置を提供することを目的とする。

本発明に係る１つの態様の二重管型触媒反応管は、外管と、前記外管に対して同芯に配置され、熱膨張で鉛直方向に伸縮できる内管と、前記外管と前記内管との間に充填された触媒と、を備え、原料ガスを前記触媒に接触させて化学反応させる二重管型触媒反応管であって、前記内管は、第１スリーブに覆われると共に、前記第１スリーブは、前記外管に固定され、又は前記外管に固定された補助筒に固定され、且つ、前記外管の熱膨張による鉛直方向の移動量と、前記第１スリーブの熱膨張による鉛直方向の移動量とが等しいことを特徴とする。
また、本発明に係る別の１つの態様の二重管型触媒反応管は、前記外管と前記触媒の間に、第２スリーブを挟む、ことを特徴とする。
さらに、本発明に係る別の１つの態様の二重管型触媒反応管は、前記第１スリーブ又は第２スリーブは、メッシュ状に形成されている、ことを特徴とする。

本発明に係る別の１つの態様の水素製造装置は、触媒反応装置を備える水素製造装置であって、前記触媒反応装置は、反応炉の内部に第１の態様に記載の二重管型触媒反応管を有する、ことを特徴とする。

本発明によれば、熱膨張に起因する触媒の摩損を抑制できる二重管型触媒反応管及び水素製造装置を提供することができる。

図１は、水素製造装置の概略を示す説明図である。 図２Ａは、本発明に係る第１の実施形態の二重管型触媒反応管を示す断面図である。 図２Ｂは、本発明に係る第１の実施形態の他の二重管型触媒反応管を示す断面図である。 図２Ｃは、本発明に係る第１の実施形態の他の二重管型触媒反応管を示す断面図である。 図３は、図２Ａの二重管型触媒反応管の内部における（ａ）平衡状態、（ｂ）熱膨張状態を示す説明図である。 図４は、二重管型触媒反応管の運転回数と圧力損失との関係を示すグラフである。 図５は、本発明に係る第２の実施形態の二重管型触媒反応管を示す断面図である。 図６は、本発明に係る第２の実施形態の伝熱促進部材を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本明細書の実施形態においては、全体を通じて、同一の部材には同一の符号を付している。

［第１の実施形態］
まず、本発明に係る第１の実施形態の二重管型触媒反応管についての説明をする前に、一般的な水素製造装置２００の一例について説明する。図１は、水素製造装置２００の概略を示す説明図である。図２Ａから図２Ｃは、本発明に係る第１の実施形態の二重管型触媒反応管を示す断面図である。

図１に示すように、水素製造装置２００は、脱硫器２１０と、改質器２２０と、変成器２３０と、気液分離器２４０と、水素精製装置２５０と、オフガスホルダ２６０とを備えている。図１中、符号Ｇ_１は原料ガス、Ｇ_２は改質ガス、Ｇ_３は排出ガス、Ｇ_４は変成ガス、Ｇ_５は精製ガス、ＯＧはオフガスを各々図示する。

脱硫器２１０は、例えば都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素系燃料などの原料ガスＧ_１に付臭剤として含有している硫黄成分を除去する。硫黄成分は後工程で使用される改質器２２０の水蒸気改質触媒（以下「触媒」という）の触媒毒になるために、あらかじめ原料ガスＧ_１に含有される硫黄成分をこの脱硫器２１０で除去する。

具体的には、脱硫器２１０は、例えばＣｏ－Ｍｏ系又はＮｉ－Ｍｏ系等の水素化触媒と、硫化水素を吸着するＺｎＯ系脱硫触媒とから構成される水添脱硫触媒が充填された流路で構成されている。原料ガスＧ_１と、水素Ｈ_２とを供給することで、水素添加（以下「水添」という）反応させ、硫黄成分を硫化水素に変換し、硫化水素を酸化亜鉛に取り込んで、硫化亜鉛とし、硫黄成分を除去する。この水添脱硫の反応は、下記反応式（１）、（２）のとおりである。
ＣｍＨｎＳ＋Ｈ_２ → ＣｍＨｎ＋Ｈ_２Ｓ・・・（１）
Ｈ_２Ｓ＋ＺｎＯ → Ｈ_２Ｏ＋ＺｎＳ・・・（２）

なお、脱硫器２１０は、水添反応による脱硫でなく、硫黄化合物用吸着剤を用いた吸着脱硫であってもよい。また、硫黄成分を含まない原料ガスＧ_１の場合には、脱硫器２１０を備える必要がない。

改質器２２０は、原料ガスＧ₁に水蒸気（又は純水）を加え、高温下（例えば６５０℃から９００℃）で後述する水蒸気改質触媒（以下「触媒」という）３０に接触させることで、脱硫後の原料ガスＧ_１を化学反応させて、水素や一酸化炭素などの改質ガスＧ_２を生成するものである。この水蒸気改質の反応は、下記反応式（３）、（４）のとおりである。
ＣｍＨｎ＋ｍＨ_２Ｏ → ｍＣＯ＋（ｍ＋ｎ／２）Ｈ_２・・・（３）
ＣＯ＋３Ｈ_２ ←→ ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ・・・（４）

式（４）の反応は高温度であるほど、水素が発生する反応が進行する。これら水蒸気改質反応は、吸熱反応となる。なお、触媒の表面上に炭素を析出させないよう、混合する水蒸気／炭素比は一般に約３倍以上で運転される。

この改質器２２０は、図２に示すように、外管１０と内管２０との二重管型の触媒反応管（以下、「二重管型触媒反応管」という。）１００Ａを有するものであり、外管１０と内管２０との間は環状空間１００ａが形成されている。この環状空間１００ａには、図２に示すように、触媒３０が充填されている。この二重管型触媒反応管１００Ａは、反応炉に複数本配列されて収納されている。なお、二重管型触媒反応管１００Ａの詳細については、後で説明する。

変成器２３０は、改質器２２０から送出された改質ガスＧ_２中の一酸化炭素（ＣＯ）を水蒸気と反応させ、更に多くの水素Ｈ_２含む変成ガスＧ_４を生成するものである。このＣＯ変成の反応式は、下記反応式（５）のとおりである。
（５）ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ←→ ＣＯ_２＋Ｈ_２・・・（５）

この変成器２３０では、例えば２００℃から５００℃の反応温度に応じて、例えばＦｅ－Ｃｒ系、Ｃｕ－Ｚｎ系又はＰｔ系などの変成触媒が用いられるが、これらに限定されるものではない。

気液分離器２４０は、変成ガスＧ_４から水分を凝縮水として分離除去するものである。気液分離器２４０からの凝縮水は別途排水として処理される。

水素精製装置２５０は、例えば吸着剤を用いて、水素以外の例えば二酸化炭素、メタン、一酸化炭素、水蒸気などのガスを吸着するもので、水分除去後の変成ガスＧ_４から水素Ｈ_２のみを分離し、最終的に水素濃度を例えば９９．９９９％程度までの精製ガスＧ_５として精製することが可能なものである。この水素精製装置２５０で発生するオフガスＯＧは、オフガスホルダ２６０を介して、改質器２２０の加熱用の燃焼バーナー２２０ａの燃料として用いられることがある。

なお、水素製造装置２００においては、水素精製装置２５０に代えて、公知の水素精製手段、例えば水素透過膜などを用いて、水分除去された変成ガスＧ_４から水素を分離するような膜分離装置などを備えてもよい。

このような構成により、水素製造装置２００は、原料供給源２７０からの原料ガスＧ_１を脱硫器２１０に送り、硫黄成分を除去し、その後、脱硫後の原料ガスＧ_１を水蒸気とともに改質器２２０に供給し、水素を含む改質ガスＧ_２を生成する。その後、改質ガスＧ_２を変成器２３０で変成ガスＧ_４とし、さらに、水素を生成し、変成ガスＧ_４から気液分離器２４０で凝縮水を分離し、水素精製装置２５０で水素以外の成分を吸着して、精製ガスＧ_５として多量の水素（Ｈ_２）を製造する。

つぎに、改質器２２０の二重管型触媒反応管について説明する。図２Ａは、本発明に係る実施形態の二重管型触媒反応管１００Ａを示す断面図である。

図２Ａに示すように、本実施形態に係る二重管型触媒反応管１００Ａは、外管１０と、外管１０に対して同芯に配置された内管２０と、で構成されている。外管１０の内周面１１と、内管２０の外周面２２との間には、環状空間１００ａが形成されており、この環状空間１００ａに後述する水蒸気改質触媒３０が充填されている。

まず、外管１０は、内径に対する長さが十分大きい略円筒状のものであり、一端側が鏡板１０ａで閉じられており、他端側が例えばフランジ１０ｄなどを介して、蓋体１０ｆで閉鎖されている。なお、外管１０や内管２０などの各寸法や材料は、水素製造装置２００の水素製造量などに応じて、適宜設計変更されてよい。

外管１０は、一端側（下方側）端部、例えば、底側の鏡板１０ａに補助筒４０が溶接されている。そして、この補助筒４０は、内管２０が熱膨張した場合でも、内管２０の下端側が自由端として伸縮可能となるように挿入されており、半径方向の位置が規制されるようになっている。つまり、補助筒４０の内周面４１の内径は、内管２０の外周面２２の外径よりも直径が若干大きくなっている。

また、補助筒４０は、環状空間１００ａ内で改質された改質ガスＧ_２が外管１０から内管２０に移動できるように、複数の切欠４３を下方に有している。なお、補助筒４０は、切欠４３を設ける以外として、例えば複数の穴を有してもよく、あるいは、補助筒４０自体がパンチングプレートなどで形成されてもよい。

内管２０の円筒部２０ａは、改質ガスＧ_２の熱を内管２０に伝達（伝熱）させる複数の伝熱促進体５６（詳細は後述する。）を充填するための内部空間２０ｃを有している。この内部空間２０ｃは、内管２０の円筒部２０ａの内周面２１と、円筒部２０ａの下方に設けられた受け板２４とから形成される空間により形成されている。なお、受け板２４には、伝熱促進体５６の外径よりも短辺が少なくとも小さい長穴、又は、伝熱促進体５６の外径よりも小さい円形の穴がそれぞれ複数個形成されている。

内管２０に一体となった鉛直軸方向の上方側に備えられた排出管２３は、外管１０の上部開口１０ｅで溶接されている。つまり、内管２０は、上方の一方側が外管１０に固定され、下方の他方側は自由端になっており、内管２０が熱膨張しても、外管１０に拘束されることなく補助筒４０内において鉛直軸方向に自由に伸縮できるようになっている。

ここで、外管１０と内管２０との間に形成される環状空間１００ａに充填される触媒３０について説明する。

触媒３０は、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やジルコニア（ＺｒＯ_２）や酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）などの担体に、例えばニッケル（Ｎｉ）を含浸させたニッケル系触媒が用いられる。これ以外としては、例えばルテニウム（Ｒｕ）やロジウム（Ｒｈ）などを含侵させた他の公知の水蒸気改質用の触媒を用いるようにしてもよい。触媒３０は二重管型触媒反応管１００Ａのサイズによって選定されるが、小型の水素製造装置では、一般に直径が例えば２ｍｍから６ｍｍ程度の球状体（ボール）であるが、円柱状のものであってもよい。

つづいて、内管２０の内部空間２０ｃに充填される伝熱促進体５６について説明する。この伝熱促進体５６は、改質ガスＧ_２の熱を、内管２０を介して水蒸気改質触媒３０に伝えるために充填されている。熱伝達率（熱効率）向上のため、伝熱促進体５６を充填する方が好ましいが、必ずしも必須の構成ではない。

伝熱促進体５６は、例えばアルミナやジルコニアの球状体（ボール）のセラミック材料からなるものを用いるが、金属材料であってもよく、形状も球状体に限定されるものではなく、例えば円柱状や多角形状などであってもよい。

ところで、内管２０は、図２Ａに示されるように、第１スリーブ５０に覆われている。つまり、第１スリーブ５０は、内管２０の外周面２２よりも、若干大きく形成されている。この第１スリーブ５０は、外管１０に固定された補助筒４０の上端において溶接されている。なお、外管１０に補助筒４０を設けることなく、第１スリーブ５０を外管１０の底側に直接溶接して、固定してもよいし、あるいは、第１スリーブ５０を外管１０に固定することなく、例えば、補助筒４０の端部に載置し、移動可能な状態で内管２０を覆うようにしてもよい。

第１スリーブ５０は、例えばニッケル系合金、ステンレス鋼などのワイヤメッシュを用いてメッシュ状に形成されている。なお、ワイヤメッシュの代わりとして、例えばエキスパンドメタルのような網目状部材を用いて形成してもよい。また、第１スリーブ５０にワイヤメッシュなどの網目状部材を用いる場合は、触媒３０が内管２０に接触しない開口とするのが好ましい。また、第１スリーブ５０は、強度の向上や自己保形性のために、補強部材を適宜設けるようにしてもよい。

このような構成により、二重管型触媒反応管１００Ａでは、供給管１３から外管１０に供給された原料ガスＧ_１は、供給管１３から導入され、外管１０と内管２０との間の環状空間１００ａ内を鉛直軸下方側に進み、環状空間１００ａ内に充填された水蒸気改質用の触媒３０に接触し、改質ガスＧ_２を生成しながら下方の底側に進む。そして改質ガスＧ_２は補助筒４０の下端に形成された切欠４３を通過して、鉛直軸上方側に反転して内管２０の内部空間２０ｃに進み、伝熱促進体５６同士の隙間を通過して、排出管２３から管外部に排出される。

つぎに、二重管型触媒反応管１００Ａの熱膨張及び熱収縮について説明する。図３においては、二重管型触媒反応管１００Ａの内部における平衡状態を（ａ）に、熱膨張状態を（ｂ）に示す図である。

二重管型触媒反応管１００Ａは、図１に示す水素製造装置２００の運転時に外部から加熱されるため、外管１０が始めに熱膨張し、次に内管２０が熱膨張する。一方、運転停止時は、外管１０が先に温度低下し（冷却され）、次に内管２０が温度低下する（冷却される）。そのため、運転と停止を繰り返し行うと、外管１０と内管２０との間に熱膨張差が生じるため、上述したように、内管２０は一方側の端部が固定されておらず、補助筒４０内で自由に伸縮できる構造になっている。

装置停止中又は運転中の温度平衡状態において、二重管型触媒反応管１００Ａの内部は、図３（ａ）の状態になっている。改質器２２０が昇温され、熱膨張し始めると、図３（ｂ）の状態のように、外管１０は下方に向かって伸び、内管２０も下方に向かって伸び、さらに、第１スリーブ５０も下方に向かって伸びることになる。

このとき、外管１０、内管２０及び第１スリーブ５０に着目すると、平衡状態での外管１０のある「点Ａ」及び第１スリーブ５０のある「点Ｂ」は、図３（ｂ）において、それぞれ「点Ａ’」及び「点Ｂ’」に移動する（伸びる）ことになる。この「点Ａ」及び「点Ｂ」の移動量は、実質的に等しいものとみなすことができる。また、内管２０の「点Ｃ」は、図３（ｂ）において、「点Ｃ’」に移動することになる。この「点Ｃ」の移動量は、「点Ａ」及び「点Ｂ」の移動量よりも小さくなる。

一方、環状空間１００ａに充填されている触媒３０側に着目すると、二重管型触媒反応管１００Ａの内部が熱膨張状態になっても、外管１０の内周面１１の「点Ａ」に接触している触媒Ｄは、「点Ａ」が移動した「点Ａ’」に接触し続けることになる。また、第１スリーブ５０の外周面５２の「点Ｂ」に接触している触媒Ｅは、「点Ｂ」が移動した「点Ｂ’」に接触し続けることになるから、触媒３０は、全体として外管１０と一緒に移動することになる。そのため、従来技術のように、触媒３０が外管１０や内管２０で擦られるようなことが起こらず、触媒３０同士の擦れも起こり難い。

また、伝熱促進体５６に着目すると、二重管型触媒反応管１００Ａの内部が熱膨張状態になっても、内管２０の内周面２１の「点Ｃ」に接触している伝熱促進体Ｆは、「点Ｃ」が移動した「点Ｃ’」に接触し続けることになる。

逆に、改質器２２０の運転が停止されると、外管１０は上方に向かって縮み、また、第１スリーブ５０も上方に向かって縮むことになり、遅れて内管２０も上方に向かって縮むことになる。この場合も、「点Ａ」と触媒Ｄとの関係及び「点Ｂ」と触媒Ｅとの関係は、昇温の場合と方向が異なるだけであり、位置関係は維持される。なお、「点Ｃ」と伝熱促進体Ｆとの関係も同様である。

この結果、本実施形態に係る二重管型触媒反応管１００Ａによれば、外管１０、内管２０の熱膨張に起因する触媒の摩損を抑制することができる、という顕著な効果を奏することとなる。

最後に、本実施形態の二重管型触媒反応管１００Ａを繰り返し使用した場合の圧力損失の変化について説明する。図４は、二重管型触媒反応管の運転回数と反応管に窒素ガスを所定量流通された時の圧力損失との関係を示すグラフである。

本実施形態の二重管型触媒反応管１００Ａの実施例品と、従来品とを、改質器２２０の運転条件と同等の加熱条件に設置し、運転及び停止（例えば、高温８５０℃及び低温１００℃未満）を繰り返し、運転回数と圧力損失との関係を実験により求めた。触媒３０の摩損が進行すると、二重管型触媒反応管１００Ａの下方側に粉状になった触媒３０が溜まるため、圧力損失が大きくなるから、圧力損失を確認することで触媒３０の摩損状態をある程度確認することができる。

図４に示すように、従来品では、運転回数が１００回を超えたあたりから、圧力損失が大きく上昇し始め、２００回程度で、１００ｍｍＨｇを超過した。

一方、実施例では、運転回数が１，０００回を超えても、圧力損失が初期設計値の５０ｍｍＨｇから大きく上昇することがなかった。運転回数が１，３００回でも１００ｍｍＨｇ程度であった。

また、改質器２２０は、複数本の二重管型触媒反応管１００Ａを並列に有しているため、二重管型触媒反応管１００Ａごとに触媒３０の摩損状態が異なっていると、圧力損失も異なるため、脱硫後の原料ガスＧ_１が圧力損失の小さい二重管型触媒反応管１００Ａに多く流れる偏流を起こすことがある。上述したように、水蒸気改質反応は吸熱反応であるから、触媒３０の摩損量が多く、脱硫後の原料ガスＧ_１の供給量が少ない二重管型触媒反応管１００Ａは、熱が奪われることなく、温度が上昇することになり、二重管型触媒反応管１００Ａの設計温度に到達してしまうことがある。逆に、触媒３０の摩損量が少なく、原料ガスＧ_１の供給量が多い二重管型触媒反応管１００Ａは、水蒸気改質反応により温度が低下し、生成する水素量が低下することになる。よって性能維持と改質管の耐久性向上のためにも、改質触媒３０の摩耗を極力抑えることが効果的である。

以上説明したとおり、本発明に係る実施形態の二重管型触媒反応管１００Ａは、外管１０と、外管１０に対して同芯に固定された内管２０と、外管１０と内管２０との間に充填された触媒３０と、を備え、原料ガスＧを触媒３０に接触させて化学反応させる二重管型触媒反応管１００であって、内管２０は、第１スリーブ５０に覆われるものである。これにより、環状空間１００ａにおいて、触媒３０を内管２０の外周面２２に非接触状態で充填することができるから、外管１０と内管２０との間に熱膨張差又は収縮差があったとしても、触媒３０は、内管２０に対して相対的に変位することがあっても、外管１０及び第１スリーブ５０に対して相対的に変位することがない。

そのため、本実施形態の二重管型触媒反応管１００Ａによれば、触媒３０は、内管２０の外周面２２で擦れることがなく、触媒３０の摩損を抑制することができる。また、触媒３０の摩損が抑制されているため、触媒３０の交換間隔（耐久性）を長くすることができ、そして、運転と停止を繰り返しても問題が起こらないため、水素製造装置２００を昼夜連続運転したり、運転停止中の暖気運転を行ったりする必要がなく、燃料費や電気代などの経済性に優れたものとなる。

本実施形態では、外管１０は、一端側に内管２０が固定され、他端側に第１スリーブ５０が固定されている。これにより、外管１０が重力方向下方側である他端側に向かって熱膨張しても、第１スリーブ５０は外管１０の他端側に追従して絶対位置が変位する。なお、外管１０に第１スリーブ５０が固定されていなくても、第１スリーブ５０にかかる摩擦は、内管２０側よりも触媒３０側の方が大きいため、第１スリーブ５０は外管１０の熱膨張にほぼ追従して絶対位置が変位することになる。例えば、図３（ｂ）において、熱膨張後の「点Ｂ’」の位置は、「点Ｃ’」の位置よりも、「点Ａ’」の位置の高さに近くなる。

本実施形態では、第１スリーブ５０は、外管１０の他端側に設けられた補助筒４０に固定されている。これにより、内管２０の他端側は、補助筒４０内で半径方向に位置が規制されるため、内管２０と第１スリーブ５０とを同芯に維持することができる。

上記実施形態では、第１スリーブ５０は、メッシュ状に形成されていたが、複数の開口を有する板、例えば、パンチングメタルなどの多孔プレートやエキスパンドメタルで形成されてもよい。あるいは、第１スリーブ５０は、金属粉末を焼き固めた焼結金属で形成されていてもよい。焼結金属は、粉末同士の間に微小な空隙を有する多孔質体であり、内周面５１から外周面５２へ、又は外周面５２から内周面５１へ、原料ガスＧ_１が透過可能である。ただし、原料ガスＧ_１が第１スリーブ５０と内管２０との間の隙間を通過（ショートカット）し易く、反応効率や熱伝達効率の向上が期待できないが、第１スリーブ５０は、開口を有さないパイプ状であってもよい。

また、外管１０に補助筒４０を設けることなく、第１スリーブ５０を外管１０の底側に直接溶接して、固定してもよい。

また、第１の実施形態の二重管型触媒反応管１００Ａでは、図２Ａに示すように、内管２０は第１スリーブ５０に覆われるものであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、図２Ｂに示す別の態様のような二重管型触媒反応管１００Ｂとしてもよい。図２Ｂに示す二重管型触媒反応管１００Ｂでは、図２Ａに示す第１スリーブ５０の代わりに、第２スリーブ５５を、外管１０と触媒３０の間に挟むような構成としている。第２スリーブ５５を挟むことで、外管１０と触媒３０が直接接触しない状態になるため、触媒層が外管１０と擦れたり、圧迫されたりすることにより、摩耗や変形することを防止することができる。

第２スリーブ５５は、第１スリーブ５０と同様に、例えばニッケル系合金、ステンレス鋼などのワイヤメッシュを用いてメッシュ状に形成されているもの、複数の開口を有する板、例えば、パンチングメタルなどの多孔プレートやエキスパンドメタル、あるいは、金属粉末を焼き固めた焼結金属で形成されていてもよい。なお、第２スリーブ５５にワイヤメッシュ等を用いる場合は、触媒３０が外管１０に接触しない開口とする。また、第２スリーブ５５は、強度の向上や自己保形性のために、補強部材を適宜設けてもよい。

さらに、図２Ｃに示す別の態様のような二重管型触媒反応管１００Ｃとしてもよい。図２Ｃに示す二重管型触媒反応管１００Ｃでは、図２Ａに示す第１スリーブ５０と図２Ｂに示す第２スリーブ５５との両方を設置しており、図２Ｃに示すように、内管２０は第１スリーブ５０に覆われると共に、第１スリーブ５０とは別の第２スリーブ５５を、外管１０と触媒３０の間に挟み、第１スリーブ５０と第２スリーブ５５とを両方備える構成としている。これにより、第１スリーブ５１の設置と、第２スリーブ５５の設置の効果との相乗作用が発揮され、触媒３０が内管２０の外周面２２で擦れることがなく、触媒３０の摩損を抑制することができるとともに、外管１０と触媒３０が直接接触しない状態になるため、触媒層が外管１０と擦れたり、圧迫されたりすることにより、摩耗や変形することを防止することができる。

［第２の実施形態］
図５は、本発明に係る第２の実施形態の二重管型触媒反応管を示す断面図である。図６は、本発明に係る第２の実施形態の伝熱促進部材を示す平面図である。なお、第１の実施形態の構成部材と同一部材については、同一符号を付してその説明は省略する。

実施形態の二重管型触媒反応管１００Ｄは、外管１０と、外管１０に対して同芯に固定された内管２０と、外管１０と内管２０との間に充填された触媒３０と、を備え、原料ガスＧ_１を触媒３０に接触させて改質ガスＧ_２に改質する二重管型触媒反応管１００Ｄであって、内管２０は内部に伝熱促進部材６０が内周面２１に非接触で挿入されているものである。これにより、内管２０と伝熱促進部材６０との間に熱膨張差又は収縮差があったとしても、内管２０の内周面２１が伝熱促進部材６０に接触する場合がない。そのため、内管２０は、伝熱促進部材６０による内周面２１側からの押圧力を受けることがなく、変形又は破損を抑制することができる

また、水蒸気改質反応の吸熱により触媒３０を充填した環状空間１００ａに隣接する内管２０の温度が低下するとしても、改質ガスＧ_２は内管２０の内周面２１と伝熱促進部材６０との間の狭い隙間６０ｅを速い流速で通過するため、熱伝達率を向上させることができる。

伝熱促進部材６０は、図６に示すとおり、略円筒状のものであり、胴体部６０ａに内管２０の内周面２１に一定の間隔を空けて対面する外周面６２を有している。胴体部６０ａは、上流側である鉛直方向の下方の端部が底蓋６０ｂで支えられており、また、下流側である鉛直方向の上方の端部が上蓋６０ｃで閉塞されている。これらは、熱膨張を考慮し、内管２０と同じ材質のものが好ましい。ただし、伝熱促進部材６０は、中実の円柱状であってもよい。なお、外周面６２が内管２０の内周面２１に対面する場合、伝熱促進部材６０を半径方向に切断した断面の重心（中心）が、内管２０の半径方向に切断した断面の中心にほぼ一致することになる。なお、胴体部６０ａの端部に設けられた底蓋６０ｂは、一部に例えばガス穴（図示せず）が形成されており、胴体部６０ａの内圧が高くなった際、内部のガスを放出自在としている。

改質ガスＧ_２流れの下流側端部である上蓋６０ｃは、内管２０のテーパ部２０ｂの形状に沿った円錐状又は円錐台状に形成されている。この上蓋６０ｃにより、改質ガスＧ_２が流れるテーパ部２０ｂ付近の断面積を徐々に小さくし改質ガスＧ_２の流速を低下させないようになっている。

この伝熱促進部材６０の外周面６２には、例えば、直径１ｍｍから５ｍｍ程度の細丸棒が、螺旋ピッチ２０ｍｍから１００ｍｍ程度の等ピッチで螺旋状に溶接されて突起６３が形成されている。なお、外周面６２と突起６３との熱膨張差を考慮すると、突起６３は、連続的でなく、螺旋の進行方向に一定又は不定の間隔を有する断続的（間欠的）に設けるようにしてもよい。また、螺旋ピッチは等ピッチでなくてもよく、例えば、上蓋６０ｃに向かって徐々に長くなるように異ならせてもよい。

内管２０の内周面２１と、伝熱促進部材６０の突起６３の最外周との間には隙間が形成されており、常温時では、突起６３は内管２０の内周面２１と接触していない（非接触である）。なお、その隙間は、例えば１ｍｍから５ｍｍ程度であるとよい。

このように、内管２０の内周面２１と伝熱促進部材６０の螺旋状の突起６３との間には、改質ガスＧ_２が旋回しながら通過する螺旋状流路６０ｄが形成されている。螺旋状流路６０ｄは、見掛け上の断面積が内管２０の内側断面積の５容量％以上２０容量％以下であることが好ましいが、これに限定されるものではない。このように、本実施形態の内管２０に設置される伝熱促進部材６０は、内管２０の内部に伝熱促進部材６０を設置することで、伝熱促進部材６０を設置しない場合よりも、改質ガスＧ_２の流速を５倍から２０倍に速くすることができる。また、改質ガスＧ_２の流速を速くすることで、改質ガスＧ_２から内管２０に熱を伝える熱伝達率（熱伝達係数）を高くすることができる。

ただし、細丸棒の突起６３に代えて、板状の羽根を外周面６２に形成してもよく、この場合、外周面６２の直径を例えば１０ｍｍから２０ｍｍ程度まで小さくし、羽根の幅を大きくするとよい。さらに、隣接する羽根を、内管２０の軸方向に平行に離れ、かつ、内管２０の軸周りに等角度（例えば、４５度から９０度、あるいは１８０度）で螺旋階段の踏み板のように配置し、改質ガスＧ_２が直進できないようにすることで、略螺旋状流路６０ｄを形成してもよい。

ここで、環状空間１００ａにおいて、原料ガスＧ_１が触媒３０に接触すると、前述した式（３）、（４）の吸熱反応が起こる。よって、伝熱促進部材６０を設置する位置としては、吸熱反応が大きく、外管１０と内管２０の温度差も大きい、上部領域に隣接する位置にのみに設定するようにしてもよい。

実施形態の内管２０は、鉛直方向の上方の下流側に向かって絞られたテーパ部２０ｂを有する。これにより、伝熱促進部材６０の端部６０ｃ付近の空間が小さくなり、内管２０の内周面２１と伝熱促進部材６０との間の狭い隙間を通過した後の改質ガスＧ_２が通過する場合においても、改質ガスＧ_２の流速がほぼ維持される。そのため、改質ガスＧ_２中に触媒粉やカーボン粉が存在するとしても、伝熱促進部材６０に堆積することがない。

実施形態の伝熱促進部材６０は、鉛直方向の上方の下流側に円錐状又は円錐台状の端部６０ｃを有する。これにより、伝熱促進部材６０の端部６０ｃ付近の空間が小さくなり、内管２０の内周面２１と伝熱促進部材６０との間の狭い隙間を通過した後の改質ガスＧ_２の流速がほぼ維持される。そのため、改質ガスＧ_２中に触媒粉やカーボン粉が存在するとしても、伝熱促進部材６０の端部６０ｃに堆積することがない。

実施形態の内管２０は、鉛直方向の上方の下流側に向かって絞られたテーパ部２０ｂを有し、伝熱促進部材６０は、鉛直方向の上方の下流側に円錐状又は円錐台状の端部６０ｃを有し、端部６０ｃは、テーパ部２０ｂよりも下方に位置する。これにより、伝熱促進部材６０の端部６０ｃ付近の空間をさらに小さくすることができる。そのため、改質ガスＧ_２中に触媒粉やカーボン粉が存在するとしても、伝熱促進部材６０に堆積することがなく、改質ガスＧ_２が流れる流路の閉塞を防止することができる。

実施形態では、内管２０の内周面２１と伝熱促進部材６０の外周面６２との間に、螺旋状流路６０ｄが形成されている。これにより、改質ガスＧ_２が円筒状の隙間を直線的に通過する場合に比べて、乱流となるから、熱伝達率を向上させることができる。

実施形態の内管２０と外管１０とは、図５に示すように、第１スリーブ５０と、第２スリーブ５５とに覆われている。なお、第１スリーブ５０、第２スリーブ５５とは、第１実施形態の態様において説明したので、その説明は省略する（図２Ｃ参照）。これにより、環状空間１００ａにおいて、触媒３０を内管２０の外周面２２に非接触状態で充填することができるから、外管１０と内管２０との間に熱膨張差又は収縮差があったとしても、また、触媒３０が内管２０に対して相対的に変位することがあっても、内管２０の外周面２２が触媒３０に接触することがなく、擦れることもない。そのため、内管２０は、伝熱促進部材６０による内周面２１側からの押圧力だけでなく、触媒３０による外周面２２側からの押圧力も受けることがなく、つまり、内管２０の両側から挟持圧縮されることがないから、変形することが更に抑制される。なお、図２Ａに示す第１スリーブ５０、図２Ｂで示す第２スリーブ５５とする場合も同様に適用することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

図５及び図６に示す実施形態では、伝熱促進部材６０は、外周面６２を有する形状として、円筒状又は円柱状を挙げたが、多角形の筒状又は柱状に形成されてもよい。あるいは、一端側の上蓋６０ｃに向かって細くなるテーパ筒状、段付き筒状などであってもよい。

図５及び図６に示す実施形態では、螺旋状流路６０ｄを形成する突起６３又は羽根は、伝熱促進部材６０の外周面６２に形成されていたが、内管２０の内周面２１に形成されていてもよく、両者に形成されていてもよい。あるいは、突起６３又は羽根をリング状に形成し、胴体部６０ａの軸方向に沿って平行に複数個設け、改質ガスＧ_２が突起６３又は羽根を通過する前後で乱流を発生させるようにしてもよい。

図５及び図６に示す実施形態では、螺旋状流路６０ｄを形成するように突起６３又は羽根が設けられていたが、改質ガスＧ_２が直線的に通過する場合に比べて、乱流となり、熱伝達率を向上させるような流路、例えばジグザクに蛇行するような流路を形成するように設けてもよい。

図５及び図６に示す実施形態では、伝熱促進部材６０の外周面６２に突起６３又は羽根を突出するように設けたが、伝熱促進部材６０の外周面６２に溝を設けて、内管２０の内周面２１との間に螺旋状流路６０ｄなどを形成してもよい。

以上の説明のとおり、本発明に係る実施形態では、二重管型触媒反応管１００Ａから１００Ｄは、水素製造装置２００の改質器２２０に用いられるものであったが、外管１０と内管２０との間の環状空間１００ａに、各種の触媒３０が充填され、外管１０と内管２０とに熱膨張差が発生するような触媒反応装置に適用してもよい。
なお、本実施形態で説明した二重管型触媒反応管１００Ａ～１００Ｄの縦型構造のものを逆転させた構成としてもよい。すなわち、図示はしないが、外管１０に設ける供給管１３と内管２０に設ける排出管２３とを底部側とし、供給管１３から導入したＧ_１を触媒３０により改質させ、その後頂部側に設ける切欠４３から内管２０内に導入して、排出管２３を介して改質ガスＧ_２を外部へ排出させるようにしてもよいが、この構成に限定されるものではない。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１０ 外管
１１ 内周面
１３ 供給管
２０ 内管
２１ 内周面
２２ 外周面
２３ 排出管
２４ 受け板
３０ 触媒
４０ 補助筒
４１ 内周面
４３ 切欠
５０ 第１スリーブ
５１ 内周面
５２ 外周面
５５ 第２スリーブ
５６ 伝熱促進体
６０ 伝熱促進部材
６２ 外周面
６３ 突起
１００Ａ～１００Ｄ 二重管型触媒反応管
１００ａ 環状空間
２００ 水素製造装置
２０５ 圧縮器
２１０ 脱硫器
２２０ 改質器
２３０ 変成器
２４０ 気液分離器
２５０ 水素精製装置
２６０ オフガスホルダ
２７０ 原料供給源
２８０ 純水又は水蒸気供給源
Ｇ_１ 原料ガス
Ｇ_２ 改質ガス
Ｇ_３ 排出ガス
Ｇ_４ 変成ガス
Ｇ_５ 精製ガス
ＯＧ オフガス
ＰＷ 純水

Claims (7)

1. 外管と、
   前記外管に対して同芯に配置され、熱膨張で鉛直方向に伸縮できる内管と、
   前記外管と前記内管との間に充填された触媒と、を備え、
   原料ガスを前記触媒に接触させて化学反応させる二重管型触媒反応管であって、
   前記内管は、第１スリーブに覆われると共に、
   前記第１スリーブは、前記外管に固定され、又は前記外管に固定された補助筒に固定され、且つ、
   前記外管の熱膨張による鉛直方向の移動量と、前記第１スリーブの熱膨張による鉛直方向の移動量とが等しい
   ことを特徴とする二重管型触媒反応管。
2. 前記外管と前記触媒の間に、第２スリーブを挟む、ことを特徴とする請求項１に記載の二重管型触媒反応管。
3. 前記第１スリーブ又は第２スリーブは、メッシュ状に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の二重管型触媒反応管。
4. 前記第１スリーブ又は第２スリーブは、複数の開口を有する多孔プレートで形成されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の二重管型触媒反応管。
5. 前記内管の内部には伝熱促進体を配置することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の二重管型触媒反応管。
6. 前記内管の内部には伝熱促進部材が内表面に非接触で挿入されており、
   前記内管は、鉛直方向の上方に下流側に向かって絞られたテーパ部を有し、
   前記伝熱促進部材は、鉛直方向の上方の下流側に円錐状又は円錐台状の端部を有し、
   前記端部は、前記テーパ部よりも下方に位置し、
   前記二重管型触媒反応管は、前記内管と前記伝熱促進部材との間に、螺旋状流路が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の二重管型触媒反応管。
7. 触媒反応装置を備える水素製造装置であって、
   前記触媒反応装置は、反応炉の内部に請求項１から６のいずれか１項に記載の二重管型触媒反応管を有する、
   ことを特徴とする水素製造装置。

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