JPH04193340A - 触媒反応装置 - 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〕 本発明は触媒反応装置に関するものである。

さらに詳しくは、炭化水素の水蒸気改質反応等の如き吸
熱反応に使用するために適する熱回収効率の高いないし
消費エネルギーの低い装置に関する。

〔従来の技術〕

水素発生装置の水蒸気改質等の為の装置にあって、内部
に触媒を有し、外部から熱の供給を受けつつ高温で反応
を行わせしめる反応装置においては、熱交換を効率よく
行い、かつ設備の小型化を実現するために同心状の二重
管を反応管として採用し、内外の管壁で区画される環状
空間に触媒が充填され、内側管の内部に高温の反応済み
ガスを通過せしめる方式が捉案されている。これは、二
重管を採用することにより、高温度域にある触媒層を通
過した反応済みガスが内側管内を通過しつつ反応済みガ
スの顕熱を、内側管壁を通して触媒層に与えることにな
り、また水蒸気改質装置出口の反応済みガス温度が低下
していることによりこの下流に設置される熱交換器群な
どで構成される熱回収設備容量の縮小化が可能となると
ともに、出口ガス温度が低いので熱放散量が小さくなる
ことによる。

このような二重管状の反応装置の熱利用効率を更に向上
させた反応装置として、例えば特願昭６３−３１４５２
６号では輻射空間上部で、通気性多孔質体を設置して、
輻射熱を有効に利用し、且つ反応済みガス及び燃焼ガス
の持つ顕熱を原料ガスの予熱に充分供するために、伝熱
面積を増大するのに有効な波状プレートフィン熱交換器
などの伝熱手段を二重管の内管及び／又は外管の必要部
に設けている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記したようなプレートフィン熱交換器を利用する装置
にあっては、装置容量が大きくなる場合には必ずしも充
分にコンパクトネスが期待できない場合がある。

〔課題を解決するための手段］ 本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結
果、加熱槽内に設けられた上部処理器又は加熱器、即ち
上部処理器と下部反応管とを有する二重構造の触媒反応
装置にあって、熱回収手段、特に伝熱面積を増大するの
に有効な波状プレートフィン熱交換器等の伝熱手段を該
触媒反応装置の上部処理器の内胴及び外胴の必要部に設
け、その下方には小口径の複数の管から構成される改質
管である下部反応管を直線状に配置させることにより、
反応済みガス及び燃焼ガスの持つ顕熱を原料ガスの予熱
に充分供することができ、下部反応管群では伝熱面積が
太き（なおかつ均一に加熱されることになるので、熱回
収効率が改善され、ひいては加熱炉全体の熱交換効率が
向上し、反応装置を小型化することができることを見出
し、本発明を完成するに至った。

即ち本発明は、内胴と外胴の間に環状の上部処理空間を
有し直立する上部処理器と、内管と外管とからなる直立
した二重管からなる下部反応管とが連結された構造を有
する触媒反応装置であって、 前記上部処理器にあって、外胴の上部は閉じられていて
上部処理空間に連通ずる原料ガス送入口をもち、外胴の
下端は閉じられており、内胴の上端は閉じられているが
、内胴内空間に連通し外胴外に開口する製品ガス回収口
をもち、内胴の下端は閉じられていて外胴の内部にあり
、内胴内空間と製品ガス回収口の間の経路は上部処理空
間に連通ずる外胴内下部空間に対して閉じており、上部
処理空間の部位に実質的に対応して、夫々外胴の外周及
び内胴の内周に、夫々外胴及び内胴に冶金学的に一体的
に接合された夫々外胴及び内胴を円筒状プレートとする
夫々外周及び内周フィンをもち、フィンは何れも胴の軸
方向の流体の流通を許す方向に与えられ、外周及び内周
フィンには夫々外接筒及び内接筒があって夫々外胴及び
内胴との間に夫々外周及び内周フィン空間を区画し、内
接筒内空間は遮断手段により上下間の連通が阻止され、
上部処理空間は通気性の伝熱手段で占められ、その下側
の外胴下部内内胴下端部外空間、即ち、外胴内下部空間
があり、 一方、前記下部反応管にあっては、内外両管の間の環状
空間即ち下部反応空間に吸熱反応用触媒が充填され、外
管の下端は閉じており、内管の下端は外管内で開いてお
り、外管向上端部には、下部反応空間から内管内空間へ
の下部反応空間内の触媒が侵入するのを阻止する通気性
部材があり、下部反応管上端部と上部処理器の下端の間
に下部反応空間と外胴内下部空間とを連通させる接続管
をもち、内管上端と内胴内下部空間とを連通させる、外
管と上部処理器の外胴下部及び外胴内下部空間を貫く製
品回収中間管をもつ、反応管の複数本からなり、 更に上部処理器の下方で下部反応管は、少なくとも１列
水平方向に一直線上に配され、反応管の各列の両側に加
熱用高温ガスを供給する高温ガス供給手段と、上部処理
器の外周フィンの下側の少なくとも一部と下部反応管と
高温ガス供給手段とを収容する加熱空間を区画する加熱
槽を有する触媒反応装置に関する。

〔図面による説明〕

以下、図面を用いて、この発明の実例を詳細に説明する
。尚、特記なければ、図中同符号は同じものを示す。

第１図（ａ）はこの発明の反応装置を加熱炉内に設置し
た状態を示す縦断面図、第１図ら）は該装置を横方向か
ら見た縦断面図である。

触媒反応装置１は炉の土壁（天井）３に固定されている
。この例では、適当な触媒の存在のもとに、水蒸気改質
反応が可能な炭化水素類と莫気が原料とされて混合され
た状態で供給され、加熱炉から熱の供給を受けつつ触媒
層を通過することにより主として水素と二酸化炭素へ転
化される。

原料ガス混合物は入口５から外胴内下部空間７を経て、
上部処理器１０の外側円筒胴９と内側円筒胴１１とによ
り区画される環状の処理空間１３に供給される。この環
状空間には改質触媒の一部１５が充填されており（図上
では上下部以外の中間部略記）、この触媒層部分は原料
ガスの予熱用として主に機能し、下部反応管（改質管）
部分１７では主に反応用として機能している。

原料ガスはこの触媒層１５を通過して外胴内下部空間１
６を経た後、接続管４０経由反応管１７の上部に至り、
次いで内外両管１８．１９の間を流下しつつ輻射熱を受
けて反応を進行させ反応済みガスとして下部にて反転さ
れて内側円管１８内部を上方に向かって流通する。１５
５は改質管１７内の改質触媒である。この反応管は、小
口径の二重管にて構成される。フィンは内外ともに設け
ず裸管とする。上部処理器にあって内側円筒胴１１の内
側表面及び外側円筒胴９の外側表面に管壁に冶金的に一
体的に接合された流路に平行な波板状のフィン２０が設
置される。熱伝導度の良い金属製の板状フィンを冶金的
に一体的に接合されるためには、溶接やろうづけが適し
ている。

冶金的一体的接合は勿論単なる接触による接合に比し伝
熱が優れるから採用される。圧力損失を極力小としてフ
ィンの伝熱面積を拡大する為には、例えばステンレス銅
製の薄い板を波状に折り曲げ内胴内面／外胴外面にろう
づけや溶接で一体的に接合させると共にフィンと同質で
あってもよい補助円筒（ｄｕｍｍｙ　５ｈｅｌｌ）２１
　（内胴側）、２１０（外胴側）をろうづけで与えたプ
レートフィンによる方法が採用できる。この場合には、
板が薄いので、真空ろうづけの方法が適する。

圧力損失少なく熱交換の効率を向上させる目的をもつ本
発明には、薄い波状のフィンを有するかかるプレートフ
ィンによる方法が適する。

内胴側補助円筒、即ち内接胴２１のいずれか一端、好ま
しくは上端は遮断部材９０で閉じられて反応済みガスを
プレートフィン中だけに流通させる。

反応済みガスは上部処理器にて、前述のプレートフィン
を介し内胴壁を通して、その外側の処理空間１３中を下
向きに流入してくる原料ガスにその顕熱を供給し、自ら
の温度は低下して、反応装置の製品ガス回収口２３より
排出される。

排出された反応済みガスは、例えば、燃料電池の水素極
などの所望の用途に使用される為に、次工程に送られ、
使用目的に応じて通常−酸化炭素変成器や圧力スイング
吸着装置などにより水素の純度を高められる。なお、２
５は触媒１５等を上部処理器内部に充填するための開口
用フランジである。更に、２７は下部反応管１７！こ触
媒を供給するための連絡管２９の開口であり、供給時に
は、連絡管２９を経由して充填した後、溶接などの気密
性のあるシール方法により閉しられる。

２６はこの作業のための開口用フランジである。

尚、３０は熱変形を吸収するためのへロースである。

第１図の例では燃焼ガスの輻射熱をを動的に利用するた
めに、内管１８に外径６０〜１５０ｍｍ程度以上の小口
径の管を用い、伝熱面積を大きくしている。

外管１９にはフィンを設けずに裸管としている。

下部反応管１７は通常４〜６本程度の複数本が直線状に
少なくとも１列並んで位置する。尚、このように下部反
応管を設ける場合、接続管４０を取付ける外筒下部鏡板
の構造／強度を考慮し、開口による強度低下がないよう
に設定する。

加熱空間１００の下部で下部反応管に対応する輻射伝熱
空間にあっては、下部反応管への伝熱は主として燃焼ガ
ス由来の輻射熱により行われるので、この部分にあって
はプレートフィンを配置するのは得策ではない。

輻射伝熱空間を通過した燃焼ガスは輻射による伝熱を行
わせるには不十分な程度に温度が低下しているが、未だ
十分な顕熱を有しているので、このガスの熱を原料ガス
の予熱に有効利用する為に上部処理器に導入される。

加熱源ガスは、加熱槽の輻射伝熱空間を燃焼炉とする一
般的な場合のほか、加熱槽外で燃焼の利用によってもよ
い熱源で加熱されたガスを輻射伝熱空間に導入させるこ
ともできる。

３３は燃焼排ガス出口である。なお、３５は断熱材、３
７は支持用の型鋼、３９は二重管１７内の通気性仕切筒
、４１は炉の下壁（床）である。

４０は上部処理器を通過後の原料ガスを下部反応管へ連
絡するための管群、４２は下部反応管で反応済みとなっ
たガスを上部処理器へ導びくための管群である。いずれ
も熱膨張を十分に吸収するように寸法及び形状が決めら
れる。

４４は外胴内下部空間１６を下部反応管の数（図の例で
は４本）に分割するための仕切板である。

４４は内胴１１の下部鏡板４６に取付けられているが、
仕切りに気密性を持たせる必要はなく、内胴を支承する
ように設計される。

５０は上部処理器の下部鏡板を高温ガスより保護するた
めの断熱材である。

仕切筒３９は、環状空間内に充填された触媒を内管内に
入らせない為のもので、この例では外管１９底部に固定
され内管１８と同心に、その内面又は外面と軸方向の相
互移動可能に接する。仕切筒には内管下端と外管底の間
に多数の孔が与えられ、反応済みガスを環状の下部反応
空間から内管内に通過させる。仕切筒を外管１９に固定
したので内／外管の熱膨張差等による相互変位を容易に
吸収できる。

高温ガス供給手段から供給された高温ガスは各反応管列
の両側を上昇し、この間に各反応管に１次給熱し、次い
で接続管４０と中間管４２との間を上昇し、次いで外周
フィン空間を上昇し、この間に上部処理器に２次給熱し
、装置の外部に放出され、一方、原料ガスは、原料ガス
送入口５から供給され、上部処理空間１３を通過し、こ
の間に外周フィン空間から外周フィン及び外胴壁を経る
前記２次給熱と、内周フィン空間から内周フィン及び内
胴壁を経る回収熱とで加熱されてから、外胴下部空間１
６と接続管４０とを経てこの間に高温ガスにより若干加
温され、更に下部反応空間を通過し、この間に前記１次
給熱を受けて大部分の吸熱反応をさせられ、次いで内管
内を上昇し、この間に内管壁経由残余の熱を内外管１８
．１９間の下部反応空間に与え、次に中間管４２を経て
、この間に高温ガスにより若干加温されてから、内胴内
空間下部経由内周フィン空間を通過し、この間に上部処
理空間に前記回収熱を内周フィン及び内胴壁経由与え、
その後製品ガス回収口２３から回収される。

第２図（ａ）は、上部処理器１０と下部反応管１７の配
置を表す平面図であり、下部反応管は平面図上で直線状
に配置される。

第２図（ｂ）は、空間１６における分割空間を得るため
の仕切板４４の配置の一例を表す平面図（４００は接続
管４０の開口）、第２図（Ｃ）は、上部処理器部でのフ
ィン２０の取付は状態を表す図である。

内胴の内面／外胴の外面に波状のフィンをろう付けの方
法などにて一体的に接合する。

第３図は、前記改質装置（上部処理器１０と下部反応管
１７とで構成される）を複数配置した例を表す。下部反
応管を直線状に配列し、その左右に直線状火炎を形成せ
しめる構造のバーナー６０を配置した例である。バーナ
ーは平面図上で下部反応管１７の列をはさむよう管１７
の下端部付近に配置され、いわば垂直面状火炎を発生す
る。

このようなバーナーと下部反応管との配置により、下部
反応空間へめ均一な熱の供給を実現する。

第４図（ａ）は、第３図の直線状バーナーに加えて、火
炎等の高温ガスが反応管のごく近傍にあって局部過熱と
なることを避ける等のためにバーナー６０による高温ガ
スの輻射熱をセラミックなどによる略直立板状の均熱体
２００に一旦殆ど付与し、その後にこれらからの輻射熱
を反応管に与える例を示す。火炎又は高温ガスは直接下
部反応管にではなく均熱体に向かって吹きつけられる。

第４図（ｂ）は、第４図（ａ）に示したような直線状バ
ーナーに代えて、複数のいわば点状であり、直列配置の
バーナー６１による例を示す。この場合、特に均熱板２
００による与熱の偏り防止が効果的である。

第５図（ａ）は上部処理器の構造を示す図であり、第５
図（ａ）では上部処理空間は、特に上側の部分が触媒を
充填する代わりにフィン等の伝熱部材や非触媒性充填材
で一部又は全部置換されてもよい。全部の場合、上部処
理空間では予熱だけがなされる。

この際、第５図ら）のように外胴内下部空間１６に連通
し、遮断手段９０を貫いて内周フィン上端付近に開口２
７をもつ連絡管即ち触媒導入管２９を、第１図と同様に
もっていてもよい。この管と外胴内下部空間、接続管４
０経由下部反応空間に触媒を充填できる。更に触媒導入
管２９を接続管４゜の内側に挿し込むように配置すれば
、より容易に触媒の充填が可能となる。充填後は、触媒
導入管の上記開口は閉じられる。閉じる方法としては、
ねじ込み、フランジ、溶接などの方法がある。開口２７
は第５図（Ｃ）のように内胴１１の上部鏡板外に突出し
た管２９に与えられてもよい。なお、この触媒の排出は
、各外管下端の鏡板部を取り外す方法や真空吸引機など
によって吸い上げる方法などによって行い得る。

外胴下端部は外面に断熱材５０を与えられて下方から上
昇してくる高温ガスから保護されてもよい。

内胴下端と外胴下端との間に、内胴を支える仕切部材４
４が挿入されてもよい。この部材は各反応管に向かう接
続管へ上部処理空間から流入するガスを各反応管向けに
分流させる分流手段を兼ねてもよい。

外周フィン空間の上端にはこの空間から上方に排出され
るガスを取り集めて外部に放出する放出手段をもっても
よい。

内胴１１の上端は、外胴９の上部鏡板端から突出してい
てもよい（第５図）。このようにすれば下部反応管への
触媒の充填がたやすい。

放出手段は第１図のように通常外周フィン上端を外界に
対してシールする環状壁３３０とされ少なくとも１つの
放出口３３を与えられる。

〔発明の効果］ 以上に詳述した本発明によれば、加熱槽内に設けられた
触媒反応装置にあって、熱回収手段、特に伝熱面積を増
大するのに有効な波状プレートフィン熱交換器等の伝熱
手段を、該触媒反応装置の上部処理器の内胴及び外胴の
必要部に設け、下部には小口径の複数の管から構成され
る反応管でこれらが直線状に配置されこれに対応してバ
ーナー等が配置されているので、反応済みガス及び燃焼
ガスの持つ顕熱を原料ガスの上部処理器での加熱に充分
供することができ、下部反応管群では伝熱面積が大きく
なおかつ均一に加熱されることになるので、熱回収効率
が改善され、ひいては加熱炉全体の熱交換効率が向上し
、反応装置を小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の反応装置を加熱炉内に設置した
状態を示す縦断面図であり、第１図（ｂ）は該装置を横
方向から見た縦断面図である。 第２図（ａ）は上部処理器と下部反応管の配置を表す平
面図、第２図（ｂ）は空間１６における分割空間を得る
ための仕切板４４の配置の一例を表す平面図、第２図（
Ｃ）は上部処理器部でのフィンの取付は状態を表す図で
ある。 第３図は改質装置（上部処理器と下部反応管とで構成さ
れる）を複数配置した例を表す図である。 第４図（ａ）は反応管とバーナーの位置関係を示す図、
第４図（ｂ）は別の例を示す図である。 第５図（ａ）は上部処理器の構造を示す図であり、第５
図（′ｂ）、第５図（Ｃ）は夫々側の例を示す図である
。 ５　原料ガス送入口 ア　内部空間 ９　外胴 １０　　上部処理器 １１　　内胴 １３　　上部処理空間 １５　　触媒 １６　　外胴下部空間 １７　　下部反応管 １８　　内管 １９　　外管 ２３　　製品ガス回収口 ４０　　接続管 ４２　　製品回収中間管 ６０　　バーナー 出願人代理人　古　　谷　　　馨 （外３名） 第１図 （ａ）　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）第２図 第３図 第４図 第５図（Ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　内胴と外胴の間に環状の上部処理空間を有し直立す
   る上部処理器と、内管と外管とからなる直立した二重管
   からなる下部反応管とが連結された構造を有する触媒反
   応装置であって、 前記上部処理器にあって、外胴の上部は閉じられていて
   上部処理空間に連通する原料ガス送入口をもち、外胴の
   下端は閉じられており、内胴の上端は閉じられているが
   、内胴内空間に連通し外胴外に開口する製品ガス回収口
   をもち、内胴の下端は閉じられていて外胴の内部にあり
   、内胴内空間と製品ガス回収口の間の経路は上部処理空
   間に連通する外胴内上部空間に対して閉じており、上部
   処理空間の部位に実質的に対応して、夫々外胴の外周及
   び内胴の内周に、夫々外胴及び内胴に冶金学的に一体的
   に接合された夫々外胴及び内胴を円筒状プレートとする
   夫々外周及び内周フィンをもち、フィンは何れも胴の軸
   方向の流体の流通を許す方向に与えられ、外周及び内周
   フィンには夫々外接筒及び内接筒があって夫々外胴及び
   内胴との間に夫々外周及び内周フィン空間を区画し、内
   接筒内空間は遮断手段により上下間の連通が阻止され、
   上部処理空間は通気性の伝熱手段で占められ、その下側
   の外胴下部内内胴下端部外空間、即ち、外胴内下部空間
   があり、 一方、前記下部反応管にあっては、内外両管の間の環状
   空間即ち下部反応空間に吸熱反応用触媒が充填され、外
   管の下端は閉じており、内管の下端は外管内で開いてお
   り、外管内下端部には、下部反応空間から内管内空間へ
   の下部反応空間内の触媒が侵入するのを阻止する通気性
   部材があり、下部反応管上端部と上部処理器の下端の間
   に下部反応空間と外胴内下部空間とを連通させる接続管
   をもち、内管上端と内胴内下部空間とを連通させる、外
   管と上部処理器の外胴下部及び外胴内下部空間を貫く製
   品回収中間管をもつ、反応管の複数本からなり、 更に上部処理器の下方で下部反応管は、少なくとも１列
   水平方向に一直線上に配され、反応管の各列の両側に加
   熱用高温ガスを供給する高温ガス供給手段と、上部処理
   器の外周フィンの下側の少なくとも一部と下部反応管と
   高温ガス供給手段とを収容する加熱空間を区画する加熱
   槽を有する触媒反応装置。