JPH0328362B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （目的） この発明はコンパクトで熱効率が良く、触媒交
換が簡単で操業保守の容易な炭化水素の水蒸気改
質反応器に関するものである。

天然ガス・ナフサその他の炭化水素を原料と
し、触媒の存在下水蒸気改質反応を行つて水素及
び一酸化炭素を生成させ、さらに変成反応により
一酸化炭素も水素に変換する方法は、高濃度の水
素を安価に得る方法として広く用いられており、
その為の装置も種々考案されている。

しかし従来使用されている水蒸気改質反応器は
石油精製工場又は大化学工場で大量の水素を発生
する為に設計されたものが大部分で、局地的に小
規模で水素を必要とする場合には、熱効率、操業
保守の簡便性、占有敷地面積の大きさ等の点で必
ずしも好都合なものではなく、単純にスケール・
ダウンすれば良いというものではない。

一方水素はクリーンなエネルギー源として近年
益々注目を集めつつあるが、需要地へ高圧ポンベ
で輸送するのは輸送コストがかさみ、また輸送途
中での安全性の問題もあるので、オン・サイトで
簡便に水素を発生することのできる水蒸気改質反
応器に対する要望が高まつて来た。

オン・サイトで水素を発生する場合には、コン
パクトで占有敷地面積が小さいものが望ましいの
は当然であるが、石油精製工場や大化学工場とは
異なり専門的に訓練された要員が多数いるわけで
はないので、信頼性が高く、操業や点検、触媒交
換などの保守作業が簡便に行えることが必要であ
る。本発明はかかる要望に応えるものである。

（構成） 本発明の構成を添付図面により説明する。

第１図は本発明の基本構成を示す縦断面図であ
る。

竪型筒状の水蒸気改質反応器１の主要部分は反
応管２と加熱部３とである。反応管２は上端が開
放され下端が閉鎖された外管２１中に、外管の内
径よりも細く且つ下端に開放部を有する内管２２
を上部から挿した二重管構造を有する。内管の下
端は図では管の切口をそのままにして開放した形
状を示しているが、底蓋をつけ下部側面に小孔を
多数設けて開放した形状にしても良い。内管は空
管でもよいし、伝熱促進のため充填物を充填して
も良い。この二重管構造における内管・外管間の
筒状空間に触媒を充填する。４がその触媒層であ
る。触媒としては一般の炭化水素水蒸気改質用粒
状触媒を使用する事ができる。

反応器本体は中間に管板５を設けて上部室６及
び下部室（加熱部）３の２室に分離されている。
前記反応管２を管板５を貫いて設置することによ
り、反応管の上端は反応器上部室６に直接開放さ
れた状態、反応管の下端は反応器下部室３に懸垂
した状態で位置する事になる。

その懸垂している反応管の下端より低い部分の
反応器下部室に篭体１３を設置し、その篭体１３
に耐火性物質の粗粒の充填層１４を設ける。８は
加熱用気化燃料の送入口、１５は燃焼用の酸素含
有ガスの送入口である。篭体１３の側面には多数
の小孔が存在するので１５から送入された酸素含
有ガスは篭体の側面から進入し、篭体底部からの
燃料と合体して粗粒充填層１４内で燃料が行われ
る。燃料送入口及び酸素含有ガスの送入口は必ず
しも図示の位置に限られるものではなく、粗粒充
填層内で燃焼が行われる位置ならばどこでも任意
であつて、両者を共に８から送入しても良い。

下部室３の上部には燃焼廃ガスの排出口９、上
部室６には改質用原料ガスの送入口又は改質ガス
の排出口７を設ける。反応管内管２２の上端は上
部室６に開放することなくヘツダー１０を経由し
て直接反応器外へ通じる導管１１に接続されてい
る。１２はマンホールである。

（効果） 図を簡単でわかり易くする為第１図では反応管
を２本だけ設置した場合を示したが、実際の設計
製作に当つては空間的配置が可能な限り多数の反
応管を設置する事ができるので非常にコンパクト
なものができる。

反応管２は上端に近い部分で管板に固定されて
いるだけで、それより下方は反応器下部室（加熱
部）３に懸垂した状態で設置され自由端となつて
いるので、加熱して操業する際に反応管が熱膨張
し長さが伸びても熱応力歪が生ずるおそれがない
事も本発明の特色の一つである。

以上の説明及び第１図から明らかなように、反
応管２の触媒層４の上縁は反応器上部室６に露出
しているので、マンホール１２を開くだけ多数の
反応管全部の触媒を点検する事ができ、また触媒
層の底部まで障害物がないので、ヴアキユームで
吸い上げる等の操作により失活した触媒の取出を
容易に行う事ができる結果、触媒交換が容易で所
要時間も大幅に短縮される。

本発明の如く多数の反応管が密集した構造を有
する場合、各反応管を均等に加熱する事が重要で
ある。特定の反応管だけが強く炎であぶられる事
は、その反応管や充填された触媒の寿命の点から
も水蒸気改質反応の効率の点からも避けなければ
ならない。

本発明において篭体１３を設置し耐火性物質の
粗粒の充填層１４を設けたのはその為で、燃料及
び酸素含有ガスをこの層を通して供給する事によ
り均一な燃焼ガスの流れが得られる。粗流はアル
ミナ等の耐火性物質で製造したものを用いるが、
さらにそれに白金、パラジウム、マンガン等の酸
化活性物質を含浸させる等の方法で酸化活性を有
するようにした粗粒またはそれ自身酸化活性を有
する物質の粗粒を用いれば燃料組成が水素リツチ
からメタンリツチになる等の変化があつても炎が
長く伸びず安定燃焼が可能であり、さらに酸素含
有ガスとして空気以外に酸素濃度の低いリーンガ
スをも使用できる。また火炎到達温度を下げるの
でNO_xの発生を抑える事にもなる。耐火性物質
の粗粒は操業条件で流動しない程度の大きさが必
要であるが、粗粒層の上部にさらに耐火性物質の
微粉層を設けて流動伝熱を行わせるようにしても
良い。

（公知技術との対比） 二重管タイプの反応管は公知であるが、例えば
特開昭53−78983号、特開昭57−127443号の如く
上部が閉鎖されているか、又は特公昭57−1482号
の如く１本毎に蓋をして配管を接続しているタイ
プなので、本発明の如き触媒交換の簡便さを望む
事はできない。また加熱用燃料入口付近に篭体を
設置して耐火性物質粗粒の充填層を設ける記載は
ない。

（操作） 本発明の反応器の操作を簡単に述べれば、第１
図において送入口８から燃料、送入口１５から酸
素含有ガスを送入し、主として耐火性物質粗粒の
充填層１４内で燃焼させて充填層１４からの幅射
熱及び熱ガスからの対流伝熱で反応管２を加熱す
る。燃焼廃ガスは排出口９から器外へ排出され
る。酸素含有ガスとしては空気の他、酸素含有率
の低いリーンガス又は逆に酸素富化ガスのいずれ
でも使用できる。

天然ガスのような炭化水素及び所定比率の水蒸
気を均一に混合し予熱した原料ガスを送入口７か
ら反応器上部室６内に送入すると、原料は各反応
管毎に分れてまず触媒層４を下降しながら水蒸気
改質反応を受けた後内管２２を上昇してヘツダー
１０に集められ導管１１を経て反応器外に取出さ
れる。そのあと高温シフト・低温シフト等の変成
反応により残存COを水素に変換する。必要に応
じて精製を適当な場所で行う。

この原料ガス−改質ガスの流れは逆方向に行う
事も可能である。即ち原料ガスを導管１１から送
入し、改質ガスを７から取出す。この場合７は改
質ガスの排出口という事になる。

（第２の発明） 水蒸気改質反応は著しい吸熱反応であるから、
総合効率を高める為には燃料の利用効率を高める
事が重要である。また触媒層の温度を適正に維持
する事も重要である。

燃焼加熱式の反応器について一般に言える事で
はあるが、本発明の反応器においては特に反応管
が密集している為燃料ガス入口の着火源に近い程
温度が高く、燃焼廃ガスの出口に近い程温度が低
くなり易い。

第２の発明はこの点を改善したもので、第１の
発明における反応管の外周に多数のフインを取り
付け、そのフインに触れる燃焼ガス通路を残して
粗粒充填層付近以外の反応器下部室の大半を耐火
性ブロツク材で充填した構造を有するものであ
る。第２図はその概要を示す縦断面図で、１６は
反応管２の外周に取り付けた多数のフインで図に
は左右の２枚だけが示されている、１７が耐火性
ブロツク材でフイン付反応管が通るだけのたて穴
があいている。ブロツク材は全部１体化されたも
のでも良いし、適当な形状のものを積み上げて構
成しても良い。１８はブロツク材の支持具であ
る。

粗粒充填層１４に近い部分は輻射伝熱が良好な
のでフインは必ずしも必要でない。またブロツク
材はむしろない方が良い。しかしそこから隔つた
反応器下部室上方では対流伝熱で主体になるの
で、この第２の発明のように反応管にフインをつ
け、且つブロツク材により熱ガスの流路を制限し
て熱ガスがすべて反応管外周及びフイン上を流れ
るようにすることにより熱利用効率を向上させる
と共に反応管ごとの温度むらをなくする事ができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成を示す縦断面図、第
２図は第２の発明の概要を示す縦断面図である。 １……水蒸気改質反応器、２……反応管、２１
……反応管外管、２２……反応管内管、３……反
応器下部室（加熱部）、４……触媒層、５……管
板、６……反応器上部室、７……原料ガス送入口
（又は改質ガス排出口）、８……燃料ガス送入口、
９……燃料廃ガス排出口、１０……ヘツダー、１
１……導管、１２……マンホール、１３……篭
体、１４……耐火性物質粗粒充填層、１５……酸
素含有ガス送入口、１６……フイン、１７……耐
火性ブロツク材、１８……支持具。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 上端が解放され下端が閉鎖された反応管外管
   中に、外管の内径よりも細く且つ下端に開放部を
   有する反応管内管を上部から挿入した二重管構造
   で、内管・外管間の筒状空間に触媒を充填した反
   応管を、中間に管板を設けて上部及び下部の２室
   に分離した竪形筒状反応器中にその管板を貫いて
   設置することにより、反応管の上端は反応器上部
   室に直接開放された状態、反応管の下部は反応器
   下部室に懸垂した状態で位置させると共に、懸垂
   している反応管の下端より低い部分の反応器下部
   室に籠体を設置し、その籠体に耐火性物質の粗粒
   を充填し、加熱用気化然料及び酸素含有ガスの送
   入口を籠体の下部又わ／及び側面に設け、反応器
   下部室の上部には燃焼ガスの排出口、反応器上部
   室には改質用原料ガスの送入口又は改質ガスの排
   出口を設け且つ反応管内管の上端は反応器上部室
   に開放することなく直接反応器外へ通じる導管に
   接続した構造を有する炭化水素の水蒸気改質反応
   器。 ２ 籠体に充填された粗粒層の上部に耐火性物質
   の微粉層を設けた特許請求の範囲第１項の水蒸気
   改質反応器。 ３ 上端が開放され下端が閉鎖された反応管外管
   中に、外管の内径よりも細く且つ下端に開放部を
   有する反応管内管を上部から挿入した二重管構造
   で、内管・外管間の筒状空間に触媒を充填した反
   応管を、中間に管板を設けて上部及び下部の２室
   に分離した竪形筒状反応器中にその管板を貫いて
   設置することにより、反応管の上端は反応器上部
   室に直接開放された状態、反応管の下部は反応器
   下部室に懸垂した状態で位置させると共に、懸垂
   している反応管の下端より低い部分の反応器下部
   室に籠体を設置し、その籠体に耐火性物質の粗粒
   を充填し、加熱用気化燃料及び酸素含有ガスの送
   入口を籠体の下部又は／及び側面に設け、反応器
   下部室の上部には燃焼ガスの排出口、反応器上部
   室には改良用原料ガスの送入口又は改質ガスの排
   出口を設け且つ反応管内管の上端は反応器上部室
   に開放することなく直接反応器外へ通じる導管に
   接続すると共に、反応管の外周には多数のフイン
   を取付け、そのフインに触れる燃焼ガス通路を残
   して粗粒充填付近以外の反応器下部室の大半を大
   半を耐火性ブロツク材で充填した構造を有する炭
   化水素の水蒸気改質反応器。 ４ 耐火性物質の粗粒が酸化活性を有する物であ
   る特許請求の範囲第１項又は第２項の炭化水素の
   水蒸気改質反応器。 ５ 耐火性物質の粗粒が酸化活性を有する物であ
   る特許請求の範囲第第３項の炭化水素の水蒸気改
   質反応器。