JPH01315333A - 反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は反応管内において原料である例えば炭化水素
等の改質反応を行う反応装置に関するものである。

〔従来の技術〕。

従来装置として例えば特願昭６３−１００１３号に示さ
れたものがあり、その概略を第２図に示す。第２図にお
いて、（９）は原料ガス、ＯＩは改質ガス、（３１）は
内管、（３２）は内管（３１）の外周側で同心状に配設
された外管、（３３）は内管（３１）と外管（３２）と
の間に同心状に配設された中間管、（３４）は内管（３
１）と中間管（３３）との間に形成され原料ガス（９）
が導入される第１の環状部、（３５）は第１の環状部（
３４）に触媒（３６）が充填されて形成された触媒層、
（３７）は中間管（３３）と外管（３２）との間に形成
され原料ガス（９）が触媒層（３５）を流通することに
より改質反応が行われて生成された改質ガスα０が流通
する第２の環状部、（３８）は内管（３１）、外管（３
２）のそれぞれの他端に配設された環状エンドキャンプ
であり、第１の環状部（３４）と第２の環状部（３７）
とを連通し、触媒Ｊｉ　（３５）から流出する改質ガス
顛を反転させて第２の環状部（３７）に流入させ、第２
の環状部（３７）内を原料ガス（９）の流通方向と逆方
向に流通させる。

（３９）は触媒（３６）を保持する受は皿であり、複数
のガス流過孔（図示せず）が形成されており、これら（
３１）〜（３９）により環状の反応管（２００）が構成
されている。（４０）は環状エンドキャップ（３８）を
囲繞して配設された環状のエンドキャップ断熱剤、（４
１）は加熱源である高温の燃焼ガス、（４２）は燃焼ガ
ス（４１）の流通路であり、内管（３１）内に設けられ
ている。　（４３）は内管（３１）内に充填された例え
ばセラミック系材料や金属材料から成る充填粒子であり
、少なくとも燃焼ガス（４１）の出口側に充填されてい
る。（４４）はガス輻射部、（４５）は固体輻射部であ
る。

又、第３図は反応管（２００）が複数加熱炉内に組込ま
れた状態を示し、第３図において、（９）、ａ〔、（３
１）〜（３８）、（４０）〜（４２）は第２図の構成と
同様である。　（２０１）　は加熱炉であり、反応管（
２００）が複数配設されている。（２１１）　は加熱炉
（２０１）に設けられたバーナ、（２２１）　　は原料
ガス（９）の導入マニホールド、（２３１）　は改質ガ
スＯ１の排出マニホールド、（２４１）は燃焼ガス（４
１）の排出マニホールド、（２５１）は炉壁断熱剤、（
４６）は反応管（２００）の外周側、即ち、外管（３２
）　（７２外周側に配設された断熱材であり、図は一例
として外管（３２）と外管（３２）との°聞及び外管（
３２）と炉壁断熱材（２５１）　との間に配設されてい
る。従って燃焼ガス（４１）は内管（３１）内の流通炉
（４２）のみを流通することになる。尚、バーナ（２１
１）の燃料、燃焼用空気等のバーナ（２１１）に必要な
ガスの供給ラインは省略している。

次に動作について説明する。原料ガス（９）である炭化
水素とスチームは、例えば４５０℃程度に予熱された後
、導入マニホールド（２２１）から導入され、各反応管
（２００）の内管（３１）と中間管（３３）との間の第
１環状部（３４）内に導入され、その第１の環状部（３
４）に形成された触媒層（３５）内を流通し触媒（３６
）と接触する。ここで、原料ガス（９）は水蒸気改質反
応を生じ、Ｈ，、Ｃｏ、Ｃｏ□１等の混合ガス（改質ガ
ス）となる０反応の終了した高温（例えば約８００℃程
度）の改質ガスＯＩは受は皿（３９）のガス流通孔（図
示せず）を通過して環状エンドキャンプ（３８）内に流
出し、流れを反転して中間管（３３）と外管（３２）と
の間の第２の環状部（３７）内に流入し、その第２の環
状部（３７）内を原料ガス（９）の流通方向とは逆方向
に流通する。第２の環状部（３７）を流通する過程で、
改質ガスＯＩと中間管（３３）との熱伝達が促進され、
改質ガス顕熱が中間管（３３）の管壁を経て触媒層（３
５）に回収された後、改質ガスＯ１は排出マニホールド
（２３１）から系外に排出される。加熱源である燃焼ガ
ス（４１）は加熱炉（２０１）に設置されたバーナ（２
１１）より供給され、その燃焼ガス（４１）は反応管（
２００）の内部、即ち、内管（３１）’の内部の流通路
（４２）を内管（３１）の内壁部に沿って流れ、ガス輻
射部（４４）にて内管（３１）の管壁は加熱される。

ガス輻射部（４４）を経た燃焼ガス（４１）は充填粒子
（４３）が充填された固体輻射部（４５）を流通し充填
粒子（４３）を加熱する。充填粒子（４３）はある熱容
量を持っているので、例えば燃料流量が減少しても熱容
量と放出容量との相関で決まる温度レベルでの固体輻射
熱を放出し、ガス輻射部（４４）での内管（３１）の管
壁及び固体輻射部（４５）での内管（３１）の管壁を加
熱する。これら加熱熱量は触媒Ｎ（３５）を流通する原
料ガス（９）、改質ガスθωはそれぞれ加熱する。原料
ガル（９）の加熱は触媒反応の出発条件を決めるもので
あり、改質ガス０１の加熱は触媒反応の進行度合を決め
るものであり、これらにより燃料流量の変動特に低下時
にも反応条件の安定化が図れる。尚、エンドキャンプ断
熱材（４０）は燃焼ガス（４１）により加熱が不要な所
、即ち、触媒（３６）が充填されていない環状エンドキ
ャップ（３８）内の加熱を防止するものである。

以上のように燃焼ガス（４１）は内管（３１）の内部の
みを流通するので、その燃焼ガス（４１）のガス輻射及
び充填粒子（４３）の固体輻射によって内管（３１）の
管壁は均一に加熱され、内管（３１）の管壁を通して触
媒Ｊ！　（３５）内を均一に加熱することができ、均一
な改質反応が得られる。又、バーナ（２１１）より供給
された燃焼ガス（４１）は内管（３１）の内部を流通さ
せればよいので、燃焼ガス（４１）が充満する加熱炉（
２０１）内の空間（燃焼空間）はバーナ火炎製分で済む
。

ところで、反応管（２００）の管壁温度の最高点は、燃
焼ガス（４１）流れの最も上流側でかつエンドキャップ
断熱材（４０）の覆われていない内管（３１）の管壁部
である。この点は炉壁とは直接相対していないので、炉
壁よりの固体輻射加熱は無視でき、内管（３１）内に充
満した燃焼ガス（４１）からのガス輻射が支配的となり
その燃焼ガス（４１）により均一加熱が行える。又、各
反応管（２００）毎の内管（３１）の管壁温度の均一性
は燃焼ガス（４１）の各反応管（２００）への供給量を
均一化することにより均一加熱が行える。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら上述した従来装置では、内管（３１）に形
成された燃焼ガス（４１）のｆＬ連通路４２）内に充填
された充填粒子（４３）は加熱源である高温の燃焼ガス
（４１）により加熱され熱膨張による容積増加を起こす
。この容積増加による熱応力が内管（３１）に作用して
内管（３１）の内壁を変動させ、最悪の場合は内管（３
１）に作用して内管（３１）の内壁を変形させ、最悪の
場合は内管（３１）の破損を招いたり、充填粒子（４３
）が破壊するなどの課題があった。

この発明は上記のような課題に鑑みてなされたものであ
り、信頼性の高い反応装置を提供することを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る反応装置は、高温ガスが内部を流通する
内管とその内管の外周側で同心状に配設された外管との
間に同心状に中間管を配設し、内管と中間管との間に第
１の環状部、中間管と外管との間に第２の環状部をそれ
ぞれ形成し、第１の環状部に接触を充填して触媒層を形
成し、内管と外管のそれぞれの他端に第１の環状部と第
２の環状部とを連通し触媒層から流出するガスを第２の
環状部に流入される環状エンドキャップを配設し、内管
内につば部を有する円錐状筒体を配設し、内管内に円錐
状筒体を囲繞するように充填粒子を充填して充填粒子層
を設けたものである。

〔作用〕

この発明における反応装置は、内管を流通する加熱源で
ある高温ガスと、内管内に円錐状筒体を囲繞するように
充填した充填粒子により内管が加熱され、内管の管壁を
通して第１の環状部に形成された触媒層内が加熱され、
原料が触媒層を流通して生成されたガスは環状エンドキ
ャップ内に流出し第２の環状部を流通する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を第１図に基づいて説明する
。第１図におイテ、＋９１　、　Ｑ［１１、（３１）　
〜（４２）　。

（４４）　（２００）は上述した従来装置の構成と同様
である。（４５）は内管（３１）内に同心状に配設され
た底辺面部につば部（４５ａ）を有する円錐状筒体であ
り、図は一例として薄肉金属材料からなる場合を示して
おり、一部に空孔（４５ｂ）が形成されてし）る。

（４６）は内管（３１）内に円錐状筒体（４５）を囲繞
するように、即ち、サントイ・ノチの形で例えばセラミ
ックス系材料や金属材料からなる充填粒子（４７）を充
填して形成した充填粒子層、（４８）は円錐状筒体（４
５）の内部に設けられた空間部、（４９）は固体輻射部
である。　次に動作について説明する。原料ガス（９）
である炭化水素とスチームは、例えば４５０℃程度に予
熱された後、導入マニホールド（２２１）から導入され
、各反応管（２００）の内管（３１）と中間管（３３）
との間の第１環状部（３４）内に導入され、その第１の
環状部（３４）に形成された触媒層（３５）内を流通し
触媒（３６）と接触する。ここで、原料ガス（９）は水
蒸気改質反応を生じ、Ｈｚ　、　ＣＯ、ＣＯｔ　１等の
混合ガス（改質ガス）となる。反応の終了した高温（例
えば約８００℃程度）の改質ガスα１は受は皿（３９）
のガス流通孔（図示せず）を通過して環状エンドキャッ
プ（３８）内に流出し、流れを反転して中間管（３３）
と外管（３２）との間の第２の環状部（３７）内に流入
し、その第２の環状部（３７）内を原料ガス（９）の流
通方向とは逆方向に流通する。第２の環状部（３７）を
流通する過程で、改質ガスａｍと中間管（３３）との熱
伝達が促進され、改質ガス顕熱が中間管（３３）の管壁
を経て触媒層（３５）に回収された後、改質ガスａ１は
排出マニホールド（２３１）から系外に排出される。加
熱源である燃焼ガス（４１）は加熱炉（２０１）に設置
されたバーナ（２１１）より供給され、その燃焼ガス（
４１）は反応管（２００）の内部、即ち、内管（３１）
の内部の流通路（４２）を内管（３１）の内壁部に沿っ
て流れ、ガス輻射部（４４）にて内管（３１）の管壁は
加熱される。ガス輻射部（４４）を経た燃焼ガス（４１
）は内管（３１）内の充填粒子層（４６）に流入する。

充填粒子層（４６）に流入した燃焼（４１）は固体輻射
部（４９）　、円錐状筒体（４５）の空孔（４５ｂ）を
流通し充填粒子（４７）を加熱する。充填粒子（４７）
はある熱容量を持っているので、例えば燃料流量が減少
しても熱容量と放出容量との相関で決まる温度レベルで
の固体輻射熱を放出し、ガス輻射部（４４）での内管（
３１）の管壁及び固体輻射部（４９）での内管（３１）
の管壁を加熱する。これら加熱熱量は触媒層（３５）を
流通する原料ガス（９）、改質ガス（１１はそれぞれ加
熱する。

以上のように燃焼ガス（４１）は内管（３１）の流通路
（４２）、充填粒子層（４６）　、円錐状筒体（４５）
の空孔（４５ｂ）を流通するので、その燃焼ガス（４１
）のガス輻射及び充填粒子（４７）の固体輻射によって
内管（３１）の管壁は均一に加熱され、内管（３１）の
管壁を通して触媒層（３５）内を均一に加熱することが
でき、均一な改質反応が得られる。

ところで、充填粒子（４７）は燃焼ガス（４１）によっ
て加熱され熱膨張による容積増加を起こす。この充填粒
子層（４６）の容積増加は円錐状筒体（４５）により形
成される充填粒子ＪＷ　（４６）に対する傾斜面、即ち
、円錐状筒体（４５）の頂部方向へ円錐面内面及び外面
に沿って充填粒子（４７）の容積増力０分が無理なく押
し動かされ、円錐状筒体（４５）内面側の充填粒子（４
７）の容積増加分は空間部（４８）に吸収される。

又、円錐状筒体（４５）自身も充填粒子層（４６）の容
積増加による膨張応力を受け、筒内面方向に向って変形
することにより吸収される。その結果、内管（３１）の
管壁の変形成いは破を員を防止すると共に充填粒子（４
７）の破壊を防止する。又、円錐状筒体（４５）内面の
充填粒子（４７）により、円錐状筒体（４５）の変形や
充填粒子（４７）の割れ等による充填粒子層（４６）の
沈みを補償でき、充填粒子（４７）の熱容量効果を安定
且つ長時間維持できる。

尚、上記実施例では円錐状筒体（４５）が完全な円錐の
場合について述べたが、頂部の一部を省略した台形状の
円錐状筒体（４５）としてもよ（、これら類似形状とし
てもよい。又、円錐状筒体（４５）は−体成形でもよく
、複数に分割成形したものを積み重ねて使用してもよい
。

又、上記実施例では各反応管（２００）の外周側に断熱
材（４６）を設けて燃焼ガス（４１）が第２の環状部（
３７）を流通する改質ガス顛に輻射熱を与えないための
断熱効果を得るようにしたが、断熱材（４６）は必ずし
も設ける必要はなく上記実施例と同様の効果を奏する。

又、上記実施例では反応管を吊り上げの形にし燃焼ガス
の流れを上から下としたが、上下逆にしてもよい。

又、上記実施例では第２の環状部は改質ガス流路として
機能する場合について述べたが、第２の環状部に細線や
邪魔板等を入れて伝熱促進を図ってもよい。

ところで、上記説明では水１気改質反応装置の場合につ
いて述べたが、一般的な吸熱もしくは発熱反応装置にも
この発明を適用し得ることは勿論のことである。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明した通り、高温ガスが内部を流通す
る内管とその内管の外周側で同心状に配設された外管と
の間に同心状に中間管を配設し、内管と中間管との間に
第１の環状部、中間管と外管との間に第２の環状部をそ
れぞれ形成し、第１の環状部に触媒を充填して触媒層を
形成し、内管と外観のそれぞれの他端に第１の環状部と
第２の環状部とを連通し触媒層から流出するガスを第２
の環状部に流入される環状エンドキャップを配設し、内
管内に底辺面部につば部を有する円錐状筒体を配設して
内管内に円錐状筒体を囲繞するように充填粒子を充填し
て充填粒子層を形成することにより、内管内を流通する
燃焼ガス及び充填粒子によって内管が加熱されるので、
内管の管壁温度の均一化が図れると共に、充填粒子の熱
膨張による容積増加に伴う熱応力を円錐状筒体に吸収す
るようにしたので、内管の変形成いは破損を防止でき、
高信転性の反応装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１回はこの発明の一実施例による反応装置を示す断面
図、第２図は従来の反応装置を示す断面図、第３図は従
来の反応装置を加熱炉に組込んだ状態を示す断面図であ
る。 図において、（９）は原料ガス、０〔は改質ガス、（３
１）は内管、（３２）は外管、（３３）は中間管、（３
４）は第１の環状部、（３５）は触媒層、（３６）は触
媒、（３７）は第２の環状部、（３８）は環状エンドキ
ャップ、（４５）は円錐状筒体、（４６）は充填粒子層
、（４７）は充填粒子である。 なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。 代理人　　　大　　岩　　増　　雄 第１図 ４７　　だ填姓チ 第２図 ｙ：ｉ　ｎ　　　、ｙ、ｆ−触媒１ Ｊ４”１４１乃瑣瓶゛那 第３図 １、事件の表示　　特願昭６３−１４７７１０号３．補
正をする者 代表者　志　岐　守　哉 ５、　補正の対象 明細書の発明の詳細な説明１図面の簡単な説明の欄及び
図面。 ６、補正の内容 （１）明細書第３頁第１５行に「燃焼ガスθυの出口」
とあるのを「燃焼ガスθりの流通路（６）の出口」と訂
正する。 （２）同第３頁第２０行に「−〜（財）は」とあるのを
「−〜彎は」と訂正する。 （３）同第９頁第１４行〜第１７行に「に）は・・・空
孔（４ｓｂ）が」とあるのを「に）は内管Ｑυ内に同心
状に配設さｔｙｃＩｆ、透面部につば部（４７ｍ）　′
５ｃ有する円錐状筒体であり、図は一例として薄肉金属
材料からなる場合を示しており、一部に空孔（４７ｂ）
が」と訂正する。 （４）同第９頁第１８行に「御は・・・囲繞する」とあ
るのを「−は内管Ｇｉｌ＋内に円錐状筒体＠を囲繞する
」と訂正する。 （５）同第９頁第２０行〜同第１０頁第２行に「充填粒
子＠を・・・轡は」とあるのを「充填粒子−を充填して
形成した充填粒子層９輪は円錐状筒体（ロ）の内部に設
けられた空間部、闘は」と訂正する。 （６）同第１１頁第８行〜第１１行に「充填粒子ｍに）
に・・・ある熱容量」とあるのを「充填粒子層−に流入
する。内管（ロ）と円錐状筒体（ロ）との間には充填粒
子−を充填して充填粒子層に）を形成して固体輻射部β
υを構成している。充填粒子層θυに流入した燃焼ガス
（ロ）は固体輻射部わυ１円錐状筒体（ロ）の空孔（４
７ｂ）を流通し充填粒子＠を加熱する。充填粒子に）は
ある熱容量」と訂正する。 （７）同第１１頁第１５行に「固体輻射部■」とあるの
を「固体輻射部（１）ｌ　Ｊと訂正する。 （８）同第１１頁第２０行〜同第１２頁第２行に「充填
粒子層に）・・・充填婆子に）」とあるのを「充填粒子
層ＣＩ。 円錐状筒体的の空孔（４７ｂ）を流通するので、その燃
焼ガス（ロ）のガス輻射及び充填粒子に）」と訂正する
。 （９）同第１２頁第６行に「充填粒子（ロ）」とあるの
を「充填粒子■」と訂正する。 ０ｑ同第１２頁第８行に「充填粒子層・・・筒体■」と
あるのを「充填粒子層（至）の容積増加は円錐状筒体的
」と訂正する。 （ロ）同第１２頁第９行に「充填粒子層−」とあるのを
「充填粒子層−」と訂正する。 （６）同第１２頁第１０行に「円錐状筒体■」とあるの
を「円錐状筒体（ロ）」と訂正する。 （至）同第１２頁第１１行に「充填粒子（ロ）」とある
のを「充填粒子（６）」と訂正する。 α４同第１２頁第１２行〜第１３行に「円錐状筒体・・
・空間部■」とあるのを「円錐状同体（ロ）内周面側の
充填粒子−の容積増加分は空間部曽」と訂正する。 （ト）同第１２頁第１４行に「円錐状・・・容積」とあ
るのを「円錐状筒体（ロ）自身も充填粒子層（財）の容
積」と訂正する。 α・同第１２頁第１８行〜第２０行に「粒子（ロ）の・
・・割れ」とあるのを「粒子−の破壊を防止する。又、
円錐状Ｑｉ内面の充填粒子層により、円錐状筒体（ロ）
の変形や充填粒子−の割れ」と訂正する。 αη同第１３頁第１行に「充填粒子に）」とあるのを「
充填粒子■」と訂正する。 （至）同第１３頁第３行に「円錐状筒体に）」とあるの
を「円錐状筒体（ロ）」と訂正する。 ０呻同第１３頁第５行に「円錐状筒体（至）」とあるの
を「円錐状筒体θ乃」と訂正する。 ＱＯ同第１３頁第６行に「円錐状筒体に）」とあるのを
「円錐状筒体（ロ）」と訂正する。 Ｑｐ同第１４頁第１９行に「燃焼ガス」とあるのを「高
温ガス」と訂正する。 （社）同第１５頁Ｍ１４行〜第１５行に「に）は円錐状
・・・である。」とあるのを「（ロ）は円錐状筒体、（
財）は充填粒子層、＠は充填粒子である。」と訂正する
。 に）図面の第１図を別紙朱書の通り訂正する。 ７、　添付書類の目録 （１）朱書訂正した図面の第１図　　　　１通以１ 第１図 ４ｃ／ｊ−７：た填χｉＪ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）高温ガスが内部を流通する内管と、上記内管の外
   周側で同心状に配設された外管と、上記内管と上記外管
   との間に同心状に配設された中間管と、上記内管と上記
   中間管との間に形成され原料が導入される第１の環状部
   と、上記第１の環状部に触媒が充填されて形成された触
   媒層と、上記中間管と上記外管との間に形成され上記原
   料が上記触媒層を流通することにより生成されるガスが
   流通する第２の環状部と、上記内管と上記外管のそれぞ
   れの他端に配設され、上記第１の環状部と上記第２の環
   状部とを連通し、上記触媒層から流出する上記ガスを上
   記第２の環状部に流入させる環状のエンドキャップと、
   上記内管内に底辺面部につば部を有する円錐状筒体と、
   上記内管内に上記円錐状筒体を囲燒するよう充填粒子が
   充填されて形成された充填粒子層とを備えたことを特徴
   とする反応装置。