JPH0230601A - メタノール改質装置 - 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】 〔発明の背景〕 産業上の利用分野 本発明は、メタノール改質用の反応装置に関するもので
ある。更に詳しくは、本発明はメタノールと水を原料と
し、水素と二酸化炭素を主成分とする改質ガスを製造す
る際に使用する高効率、高性能の反応装置に関するもの
である。

メタノールと水とは、触媒の存在下で比較的容易に水素
および二酸化炭素を主成分とするガスに改質されること
が知られている。この改質ガスは、そのまま、メタノー
ル改質型複合発電用等の燃料として使用されるほか、水
を分離して、燃料電池発電用燃料等のエネルギー源とし
て利用されている。また、水素のみを分離することによ
り、化学工業用原料として利用されている。

このメタノール改質反応は、以下の反応からなるものと
いわれている。

ＣＨ３０Ｈ４ＣＯ＋２Ｈ２ −２１，７Ｋｃａｌ／ｍｏｌ　　　（１）ＣＨＯＨ＋Ｈ
Ｏ→ＣＯ２＋３Ｈ２ １１、８ｋｃａｌ／ｍｏｌ　　　（２）使用される触媒
の種類あるいは原料である水とメタノールの比率や、反
応温度によって式（］）が主反応となったり、式（２）
が主反応となったりするが、いずれの反応も吸熱反応で
あり、そして両反応とも吸熱量が極めて多い反応である
。

従来の技術 従来から、メタノールおよび水などを原料とし、これら
から水素および二酸化炭素を主成分とする改質ガスを製
造する際には、改質触媒の存在下に原料を熱媒体等によ
り加熱することが行なわれている。このための反応装置
としては、例えば多管式反応装置が提案されている。

これは、改質触媒を充填した多数の反応管を収容した反
応装置であって、メタノール等の原料を反応管内に流通
させて改質触媒と接触させると共に、原料および改質触
媒を加熱するための熱の伝達を反応管壁を介して行なわ
せるようにしたものである。しかしながら、この様な多
管式反応装置には、熱媒体から改質触媒への熱の伝熱効
率が十分でないという問題があった。伝熱効率は、管径
の小さい反応管を使用して伝熱面櫃を大きくすればある
程度向上させることができる。しかし、管径の小さい反
応管を使用すると反応管への改質触媒の充填あるいは交
換作業が困難になるという問題が生じたり、また、反応
装置全体の容積が大きくなって、その結果、反応装置の
所要面積の増大や製作費が上昇するという、問題が生じ
る。

ところで、伝熱効率の十分でない反応装置を使用した場
合には、メタノールの改質反応は、伝熱律速で進行する
と言われている。

即ち、その様な反応装置を使用した場合には、熱媒体か
ら改質触媒への熱の供給が十分に行なわれないので、触
媒層の上流部分、特に原料入口部分、の触媒の温度が熱
媒体温度に比べ大巾に低くなり、従って、触媒層全体の
平均反応温度が低下して、反応効率が低下するからであ
る。この様な場合、触媒層管軸方向の温度分布が大きく
なる。

このため、伝熱面積を広くして伝熱効率を向上させる提
案がいくつかなされている。

たとえば、特開昭５８−７４５０１号公報等においては
自動車用のメタノールのオンボートリフォーミング用に
平板型の反応器を使用する試みかなされている。これは
自動車のエンジン排気ガス中の熱量を、メタノールの分
解反応熱として利用しようとするもので、小型化を目的
として、反応器を平板型としている。これは反応器に、
エンジン排気ガスを直接導入しているため、反応器の温
度分布が極めて大きく、部分的に高温度になり、反応器
におけるメタノールのコーキングや、反応器の寿命の面
で問題が生じると考えられる。

また、特開昭６１−２８６２０４号公報では、メタノー
ルの水蒸気改質反応に平板型の反応器を使用すると同時
に加熱側の伝熱効率を上げるために、平板型反応器の加
熱側に燃焼触媒と反応器とを一体化して使用する提案が
なされている。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、これらの平板型反応装置は、本発明者ら
の知る限りでは従来の多管式反応装置に比較して、伝熱
効率の面でかなり改良されたものの、メタノール改質触
媒が充填された反応通路側伝熱効率が十分ではないとい
う問題がある。平板型反応器においては、改質触媒の加
熱は反応通路を形成する平板を介して行なわれるのであ
るが、平板と平板との間隔、即ち反応室の高さ、は触媒
の充填作業あるいは交換作業に支障がないように十分と
らなければならないために、伝熱効率か低下してしまう
からである。

また、メタノールの水蒸気改質に使用される触媒のうち
、前述の反応（２）を効率的に進行させることのできる
銅亜鉛系触媒は、−船釣に耐熱性か十分でないために触
媒使用温度に上限がある。よって、エンジン排気ガスや
、燃焼ガス等の高温ガスを使用して加熱した場合には、
触媒層の平板に接した部分のみが、高温になりすぎて、
触媒活性が損なわれ、長時間の使用が困難になるという
問題もある。

〔発明の概要〕 要旨 本発明は、これらの問題点を解決すべく成されものであ
って、メタノール改質反応装置の、伝熱面積の不足によ
る反応効率の低下を解消することを目的とするものであ
る。

この目的のために本発明では、粒状触媒を充填するのに
十分な、間隔を有する平板状反応通路に、伝熱フィンの
役割をする伝熱スペーサーを設け、この伝熱スペーサー
の肉厚を固体の熱伝導が総括熱伝達係数に伝熱特性改良
効果を与えることが可能なように十分厚くすることによ
ってこの目的を達成しようとするものである。

即ち、本発明によるメタノール改質装置は、加熱用の熱
媒体が通過する平板状の熱媒体通路と、粒状の改質触媒
が充填されている平板状の反応通路とが交互に層状に積
み重ねられて構成されたプレート式熱交換器型のメタノ
ール改質装置において、前記反応通路に１市以上の厚さ
をもつ伝熱スペーサーを設けたことを特徴とするもので
ある。

効果 本発明による反応装置は、従来の多管式反応管に比較し
て、容積でコ／２〜１／３、伝熱面積で２〜３倍と著し
い伝熱特性を改良する効果が認められる。さらに、伝熱
スペーサーのない平板型反応器に比較して概ね２倍近い
伝熱面積の増大力ぐ期待できるなどその改良効果は極め
て大きいものである。

本発明による反応装置は、低温で高活性を有するものの
耐熱性に劣る銅亜鉛系触媒を使用するときにその特性を
十分に発揮することができる。銅亜鉛系触媒によって反
応を行う場合には、液状熱媒体による加熱が望ましいが
、液状熱媒体を使用すると、見かけの熱伝達係数が小さ
くなって、加熱側の壁面において伝熱律速になりがちで
あった。

しかし、本発明では加熱側に伝熱フィンを設けると共に
、反応通路に伝熱スペーサーを設けたことにより伝熱効
率を高くすることができたため、比較的小規模の動力に
よって熱媒体を循環させるだけで十分熱を伝えることが
可能である。

そして、多管式反応装置に比較して熱媒体の通過する通
路の容積が小さくなるため、熱媒体使用量を大巾に少な
くすることができるので、反応装置の熱容量が小さくな
り、その結果、装置起動時間を、大巾に短縮することが
可能となる。

〔発明の詳細な説明〕

本発明は、メタノールと水を原料として水素を主成分と
するガスを製造するための反応装置に関するものであっ
て、触媒寿命を長くするためできるだけ低い反応温度で
反応に必要な熱量を十分に供給することのできる反応装
置を提供するものである。このためできるだけ伝熱面積
を大きくするための工夫を行うと同時に、局部的な高温
部分が生じるのを防いでいる。

本発明における伝熱面積を大きくするための工夫は、改
質触媒を充填する平板状の反応通路と、熱媒体が流れる
伝熱フィンを有する平板状の熱媒体通路とを交互に積み
重ねると同時に、熱媒体通路の厚さ（平板と甲板との間
隔）を、伝熱フィンの効果が十分発揮できるように十分
薄くし、さらに粒状触媒を充填する反応通路に伝熱効率
向上のために伝熱フィンの役割をする伝熱スペーサーを
設けることにある。

伝熱フィンによる固体での熱伝導は、フィンの厚さによ
って熱伝導量が大きく左右され、ステンレス鋼のように
、熱伝導率の比較的小さい材料を使用した場合には伝熱
フィンによる効果が十分発揮できない。したがって、こ
のような場合本発明では、通常の甲板型熱交換器におい
て使用され伝熱フィンよりはるかに肉厚の大きいスペー
サーを使用することで、伝熱フィンとしての役割を達成
することができる。

以下、図面を参照して本発明の一具体例を説明する。

第１図は、本発明によるメタノール改質装置の基本構成
を示すものである。図に示される様に、本発明の改質装
置は、平板１および平板２によって形成された熱媒体通
路４と、平板２および平板３によって形成された反応通
路５とが交互に層状に積み重ねられて構成され、熱媒体
通路４を流動する熱媒体の熱が平板１．２および３を介
して反応通路５に充填されたメタノール改質触媒６に伝
熱できるようになっているものである。そして熱媒体通
路４には伝熱フィン７が設けられ、熱媒体の熱を効率よ
く平板１および２に伝熱できるようになっている。一方
、反応通路５には、伝熱スペーサー８が設けられ、改質
触媒６、特に内部の改質触媒６−ａｌを効率よく加熱で
きるようになっている。

この伝熱スペーサー８は、肉厚があまり薄いものである
と伝熱効果が十分に発揮されないので、肉厚が少なくと
も１ｍｍ以上あるものを用いる必要がある。

第１図には、断面が波状の伝熱スペーサーが示されてい
るが、伝熱スペーサーの形状、大きさ等は、平板２およ
び３と改質触媒６．６−ａとの間の熱伝導が実質的に損
なわれずかつ反応通路５への改質触媒の充填作業に支障
を与えないようなものであるならば、必要に応じて数々
の改変が可能である。−改変例としては、例えば第２図
に示される様な角パイプ状の伝熱スペーサー９を掲げる
ことができる。この様な伝熱スペーサーを用いたメタノ
ール改質装置も本発明の一具体例である。

これらの平板１．２および３、伝熱フィン７および伝熱
スペーサー８は、熱抵抗を最少にするため、溶接あるい
はろう付によって一体構造に接合させておくことが望ま
しい。

なお、伝熱フィン７および伝熱スペーサー８は、熱媒体
と原料メタノール等とが対向方向に流通するように（向
流型）に設けることもできるし、直角方向に流通するよ
うに（直交型）に設けることもできる。

本発明によるメタノール改質装置は、上記の平板１．２
および３、伝熱フィン７および伝熱スペーサー８を一基
本構成単位とした場合、能力に応じてこれを数単位〜数
百単位層状に櫃み重ねてなるものである。第３図は、こ
の様な本発明のメタノール改質装置の一例を示す外観図
である。この図に示されるメタノール改質装置１０は、
反応通路内に充填された改質触媒が二系統の熱媒体通路
を流通する熱媒体によって加熱されるように構成された
ものである。熱媒体は、第一の熱媒体通路１１には開口
１２から、第二の熱媒体通路１４には開口１５から流入
し、開口１３．１６からそれぞれ流出する。一方、原料
メタノール等は、開口１７から反応装置内の反応通路に
導入され、ここを通過する際に加熱された改質触媒と接
触して水素および二酸化炭素を主成分とするガスに改質
され、開口１８から排出される。

〔実施例〕

実施例１ 銅亜鉛系触媒を本発明による反応器と、管径２インチの
等温型管式反応器とにそれぞれ充填し、メタノールと水
のモル比２、反応圧力３ｋｇ／ｃＪＧの条件下で、メタ
ノールの水蒸気改質反応を行った。メタノール転化率を
比較した結果を表１に示す。

表１ （１）メタノール転化率（％） このときのＬＨＳＶ−２ｈｒ−’における触媒層温度分
布を測定した結果を、最高温度と最低温度との差として
表２に示す。

表２　触媒層の最高温度と最低温度との温度差表２に示
されるように、本発明による反応器は、熱伝熱能力が高
いため、触媒層へ十分な熱量を供給することができる。

従って、吸熱反応に伴う、触媒層温度の低下が少なくな
り、その結果、平均反応温度が高くなる。平均反応温度
の上昇は表１に示すように、メタノール転化率の大巾な
上昇という結果をもたらす。このように、本発明による
反応器によって大１１な伝熱特性の改良を行うことがで
きる。

実施例２ １０００ｋｗ級のメタノール改質型ガスタービン発電プ
ラント用の改質装置用として使用されるＬＨＳＶ　　２
．７ｈｒ’、熱媒加熱方式の反応器（触媒量３００リツ
トル）について、本発明による反応器と等温型多管式反
応器を比較した結果を表３に示す。

である。

１、　２．　３・・・平板・、４・・・熱媒体通路、５
・・・反応通路、６・・・メタノール改質触媒、７・・
・伝熱フィン、８．９・・・伝熱スペーサー、１０・・
・メタノール改質装置。

表３に示すよう（こ、本発明による反応器は、同−二の
触媒を充填した等温型多管式反応器に比較して、２倍近
く、伝熱面積が増加するにもかかわらず、熱媒体の使用
量が約１／２になり、そして反応器の高さも約１／２に
なるので反応器を小型化することができる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 加熱用の熱媒体が通過する平板状の熱媒体通路と、粒状
   の改質触媒が充填されている平板状の反応通路とが交互
   に層状に積み重ねられて構成されたプレート式熱交換器
   型のメタノール改質装置において、前記反応通路に１ｍ
   ｍ以上の厚さをもつ伝熱スペーサーを設けたことを特徴
   とする、メタノール改質装置。