JPH10182101A - リフォーミング装置 - Google Patents

リフォーミング装置

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JPH10182101A
JPH10182101A JP9310520A JP31052097A JPH10182101A JP H10182101 A JPH10182101 A JP H10182101A JP 9310520 A JP9310520 A JP 9310520A JP 31052097 A JP31052097 A JP 31052097A JP H10182101 A JPH10182101 A JP H10182101A
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heat exchange
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reforming
zone
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Ermanno Filippi
フィリッピ エルマンノ
Enrico Rizzi
リッジ エンリコ
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Ammonia Casale SA
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 実施が容易で信頼できるものであって、か
つ、低い設備費と運転維持費、並びに低いエネルギー消
費で、できる限り完全なメタン改質反応が得られるリフ
ォーミング装置を提供する。 【解決手段】 メタンおよび水蒸気を含むガス流をＣ
Ｏ、ＣＯ2およびＨ2に改質反応させるための間接熱交換
ゾーン（５）を有する型式のリフォーミング装置は、リ
フォーミング触媒を含む複数の遊動頭管（６）と、遊動
頭管（６）の下側に配置された反応生成物を回収するた
めのチャンバー（９）と、前記装置から前記反応生成物
を排出するための前記チャンバー（９）に開設されたダ
クト（１５）を包含することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、メタンおよび水蒸
気を含有するガス流をＣＯ、ＣＯ2 およびＨ2 に改質す
る反応のための間接熱交換ゾーンを有するタイプのリフ
ォーミング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】以下に示す説明と上述の請求項で、「メ
タン」とは、一般に、例えばメタンそれ自身または天然
ガスおよびナフサのような液体および／または気体の炭
化水素の混合物等の水素および炭素源である原材料を意
味するものと定義する。
【０００３】アンモニアおよび／またはメタノール等の
生成物の合成に不可欠な水素および炭素を得るためのメ
タン改質の分野で知られるとおり、可能な限り完全なメ
タンの改質反応を得ることと、エネルギー消費、および
設備費、維持修繕費を抑制し、しかも容易に運転できる
装置の実現を望む要求がさらにいっそう強くなってきて
いる。
【０００４】上述の要求を満たすために、メタン改質反
応のための熱交換ゾーンを有する交換器型のリフォーミ
ング装置が当業界で提案されてきた。この装置におい
て、吸熱改質反応に必要な多量の熱は、この装置に供給
される加熱ガスの流れを伴った間接熱交換によって供給
される。
【０００５】特に、一次および一次リフォーミングより
高い温度で行う二次リフォーミングと呼ばれる２つの別
個のセクションでメタン改質反応が行われるアンモニア
・プラントで、二次リフォーミングセクションから生じ
る熱い反応ガスを一次リフォーミングセクションの熱源
として利用することが可能である。一般に、交換器型リ
フォーミング装置は、たとえばＥＰ−Ａ０２９８５２５
に記載されているように、従来の１次リフォーマーに替
わって、アンモニア、メタンまたは水素合成プロセスに
関する従来の技術の状態において使用される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述の装置は多くの点
で優れているが、高い設備費を必要とする非常に複雑な
構造となるなどの欠点を有する。つまり、この装置は、
加熱ガス流とガス剤（メタンおよび水蒸気）との間に間
接熱交換のためのブラインドエンドを有する外側管状エ
レメントからなる複数のバヨネット型の伝熱管、および
反応生成物排出用の内側管からなる。
【０００７】容易に想像されるように、このタイプの構
造は複雑で建設コストが高く、保守整備が困難であり、
大口径のリフォーミング装置が必要である。さらに、改
質反応は触媒型のものであるので、外側管状エレメント
と内側の伝熱管で規定される環状空隙が触媒で均一に充
填されており、その触媒を周期的に交換する必要があ
る。内側の伝熱管が存在することによって、これらの操
作は明らかに妨げられるか、もしくは少なくとも困難に
なる。
【０００８】また、バヨネット型の伝熱管の使用は、エ
ネルギーの点からも下記の欠点を有する。反応済ガス流
と反応ガス流との間で著しく望ましくない熱交換が発生
し、このような場合に、反応ガス流が極度に冷却される
と、反応済ガスによって内側の伝熱管がメタルダスチン
グ腐食を起こす可能性がある。ＪＰ−Ａ−４１５４６０
１には、触媒を充填した複数の独立した伝熱管と、加熱
ガスを通す外側からなる交換器型のリフォーミング装置
が開示されている。
【０００９】上記伝熱管は、その端部が各管板に固定さ
れており、リフォーミング装置に適切に固定されてい
る。バヨネット伝熱管と比較して、ＪＰ−Ａ−４１５４
６０１の熱交換管は、組み立ておよび操作は簡単である
が、改質反応の場合と同様に、高温で使用すると膨張で
きないという重大な欠点を有するので、熱交換管が亀
裂、さらには破損し、反応ガスと加熱ガスが混ざって、
装置に損傷を与える可能性がある。
【００１０】したがって、このタイプの装置は、欠陥の
ある管を交換するために高い維持費が必要であるばかり
でなく、最適で信頼できる長期運転を保証することもで
きない。こられの欠点のため、先行技術による交換型リ
フォーミング装置は、当業界での必要性がこれまで以上
に早急に感じられるにもかかわらず、これまでほとんど
実施されていない。
【００１１】上記問題点を解決するために、本発明は、
実施が容易で信頼できるものであって、かつ、低い設備
費と運転維持費、並びに低いエネルギー消費で、できる
限り完全なメタン改質反応が得られるリフォーミング装
置を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び作用】上述の問題点
は、本発明に係る、メタンおよび水蒸気をＣＯ、ＣＯ2
およびＨ 2 に変換するためのリフォーミング装置であっ
て、間接熱交換ゾーンと前記間接熱交換ゾーンにメタン
および水蒸気を含有するガス流を供給するためのゾーン
を有する円筒形状の外側シェルと、前記間接熱交換ゾー
ンに加熱ガス流を前記変換の熱源として供給するために
前記シェルに形成された開口部とを備え、リフォーミン
グ触媒を含有し、かつ前記間接熱交換ゾーンの上下方向
に配設され、前記供給ゾーンに連通する複数の遊動頭管
と、前記遊動頭管の下流側に配置された、前記変換から
得られるＣＯ、ＣＯ2 、およびＨ2 を含有するガス流を
回収するチャンバーと、ＣＯ、ＣＯ2 、およびＨ2 を含
有する前記ガス流を前記シェルから排出するために前記
回収チャンバーに開口するダクトとを有することを特徴
とするリフォーミング装置、によって解決される。
【００１３】以下の説明および上記請求項において、
「遊動頭部管」とは、構造的に移動（遊動）が可能で、
熱膨張を許容する少なくとも１つの端部（頭部）を有す
る伝熱管を意味するものと定義する。本発明のリフォー
ミング装置は、間接熱交換のための触媒を含有する複数
の伝熱管と連通する反応済ガスを回収するチャンバー
と、前記ガスをシェルから排出させるためのダクトとを
備える。
【００１４】これによって、全てのガスは改質反応後、
同一チャンバー内で回収され、一つのダクトによって排
出される。上記特徴をもつ構造によって、従来の装置の
ような欠点のない、信頼でき、組み立てが極めて簡単
で、かつ、低コストで実施できるとともに、メタン改質
反応に有効な交換型のリフォーミング装置を得ることが
できる。
【００１５】特に、メンテナンス作業および伝熱管への
触媒の充填または交換が、互いに独立した複数の遊動頭
管の存在によって容易になる。さらに、反応済ガスは全
て、一つのチャンバーに回収され、熱交換管と熱的に独
立したダクトによってシェルから排出されるので、反応
済ガスと反応ガスの間の望ましくない熱交換は効果的に
抑制される。その結果、排出用ダクトのメタルダスチン
グ腐食を防止でき、 かつ、先行技術の装置よりも運転コ
ストを下げることができる。
【００１６】本発明に係る装置の好ましい実施例によれ
ば、排出用ダクトは、上記シェルと同軸上に配設され、
間接熱交換ゾーンおよび供給ゾーンを通り、回収チャン
バーからシェルに設けられたガス流出開口部まで前記伝
熱管と平行に配置されている。これにより、上記各部品
が受ける種々の熱応力、および異なる材料の使用により
生じる装置の各部品の膨張を有効に補整する、非常に簡
単でコンパクトな構造が得られる。
【００１７】特に、構造上、極めて簡便な装置を追求し
ながら、熱交換管と反応済ガスの排出用ダクトに対する
種々の膨張率を適切に、かつ確実に補整することが可能
である。つまり、排出用ダクトを特殊な配置で設けるこ
とによって、供給ゾーンに対して互いに反対方向に膨張
する熱交換管および排出用ダクトを具備する遊動型の回
収チャンバーが得られる。
【００１８】これにより、材料によって異なる膨張率が
原因で装置の機械的問題が生じず、一定の方法で相互に
補整される。この実施例において、上記ダクトと上記シ
ェルの間と同様、上記供給ゾーンと上記熱交換ゾーンの
間に配置される上記ダクトと管板の間に、反応ガスまた
は反応済ガスの望ましくないバイパスを避けるととも
に、上記装置に生じる種々の熱膨張率を許容するため
に、適切なガスシール手段が設けられる。
【００１９】本発明において、上記装置の正常運転を確
実に行うためのガスシール手段は、最小限に抑えられて
おり、上記排出用ダクト、上記管板および上記外部シェ
ル間に集中して設けられる。上記ガスシール手段は、容
易に接近できるようにし、そのメンテナンスを簡易化
し、かつ容易にするために、上記流出開口部の近傍に配
列することが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】本発明の特徴および利点を、添付
の図面を参照して、限定的に解釈されない具体例を用い
て以下の実施例において述べる。
【００２１】図１〜図３において、参照番号１は、メタ
ンおよび水蒸気を含有するガス流の改質反応に使用され
る本発明によるリフォーミング装置を全体的に示す。装
置１は、円筒形状の外側シェル２と、前記シェルの断面
全体に配設された間接熱交換ゾーン５内でシェル２を分
割する管板３と、前記ゾーン５にメタンおよび水蒸気を
含有するガス流を供給するためのゾーン４とからなる。
参照番号６で示される複数の遊動頭管は、管板３から上
下方向に、間接熱交換ゾーン５に配置される。
【００２２】遊動頭管６は、公知タイプのリフォーミン
グ触媒を収容するためのゾーン（図示せず）をその範囲
内に有する。さらに遊動頭管６は、ゾーン４と連通する
第１の端部７と、改質反応から得られたＣＯ、ＣＯ2 お
よびＨ2 を含有するガス流を回収するためのチャンバー
９と連通する第２の端部８とを有する。参照番号１０
は、第２の端部８で遊動頭管６とチャンバー９との間に
配置された管板を示す。
【００２３】シェル２には、改質反応の熱源である加熱
ガスのそれぞれ流入口および流出口となる開口部１１お
よび１２が間接熱交換ゾーン５に具備される。開口部１
３および１４は、メタンおよび水蒸気を含有する反応ガ
スの流入口として、ＣＯ、ＣＯ2 およびＨ2 を含有する
反応済ガスの流出口として、それぞれ、シェル２のゾー
ン４に設けられる。
【００２４】ダクト１５は、装置１から反応済ガスを排
出するためにシェル２に設けられるのが好ましい。ダク
ト１５は、チャンバー９およびガス流出開口部１４に連
通している。チャンバー９と反応済ガス排出用ダクト１
５とを複数の独立した遊動頭管６と組み合わせた特殊な
構造によって、非常に簡易な機構で、組み立てを容易に
実施でき、かつ、極めて信頼できる、エネルギーおよび
改質反応の変換収率の点で有利な装置が確実に得られ
る。
【００２５】図１の実施例で、排出用ダクト１５は、シ
ェル２と同軸上に配置され、かつ、間接熱交換ゾーン５
および供給ゾーン４を通って遊動頭管６と平行に配置さ
れる。本発明の別の実施例（図示せず）において、ダク
ト１５は、チャンバー９から装置１の下側端部に至り、
流出口１４は、シェル２の同軸上でその下側端部に配設
される。
【００２６】図１の実施例に関して、上記構成による
と、熱交換面積を増加させることによって遊動頭管６の
配置に有効なスペースをゾーン５に広くとることができ
る。参照番号１６は、一般に、反応ガスまたは反応済ガ
スの望ましくないバイパスを避けるためのガスシール手
段を示す。装置１の最適で信頼できる運転を確保するた
めに、この手段１６も、特に遊動頭管６およびダクト１
５の種々の熱膨張を許容する。
【００２７】ガスシール手段１６は、図１に示すよう
に、ダクト１５と管板３との間、およびダクト１５とシ
ェル２との間に配置される。一方、図２の実施例では、
ダクト１５と管板３との間、および管板３とシェル２と
の間に配置される。図１の実施例において、ガスシール
手段１６は全て、その配置を簡易にするため、できる限
り装置の内側に、装置１の一つの部材、すなわち、排出
用ダクト１５に関係づけて配置される。
【００２８】ガスシール手段１６の保守作業を容易にす
るために、図２に示すように、反応済ガス流出開口部１
４の近傍に配置してもよい。本発明の実施例によれば、
ガスシール手段１６は、管板３から開口部１４に配設さ
れる管板３の管状付属物１７に関係づけて配置される。
なお、ガスシール手段１６は、ラビリンス型、または圧
縮リング型のものであり、好ましくは、圧縮リング型の
ものである。
【００２９】以下の説明において、「ラビリンスシール
手段」とは、通常管状の二つの部材、すなわちオス部お
よびメス部の接合によって得られるシールと定義する。
オス部は凹凸状の外側面を有するので、接合すると、部
材間に堅い隆起部分と空隙（ラビリンス）とを作り、ガ
スの通過を防止する。以下の説明において、「圧縮リン
グシール手段」とは、接合されたオス部とメス部の間に
配置された圧縮リングによって形成されてガスの通過を
防止するシールと定義する。
【００３０】このタイプのシール手段１６によって、リ
フォーミング装置の場合と同様に、膨張率が継続的で大
きくてもガスシールを確保して、確実に長続きする膨張
補整が得られる。図３は、図２のリフォーミング装置１
の要部拡大図であって、排出用ダクト１５と管板３の管
状付属物１７との間の圧縮リング型のガスシール手段１
６を示す。
【００３１】シール手段１６は、好ましくは着脱可能な
手段、例えばボルト（図示せず）等によって、排出用ダ
クト１５の端部２１に固定された円筒状部材２０の各溝
１９に収納された複数の圧縮リング１８（好ましくは少
なくとも２つ）からなる。ダクト１５（オス）と付属物
１７（メス）の間に存在する圧縮リング１８は、反応済
ガスが熱交換ゾーン５を通過することを防ぐとともに、
付属物１７に沿って熱膨張するダクト１５を補整する。
【００３２】図１および図２の実施例中のリフォーミン
グ装置１のガスシール手段１６は、図３に示すタイプの
ものが好ましい。ラビリンスシールに関して、圧縮リン
グを使用すると、より有効なガスシール（ガスの漏洩が
より少ない）、より大きな構造的柔軟性（オスとメスの
間の間隙は、ラビリンスシールのものより１０倍ちかく
大きくなる）、シール手段のより優れたコンパクト性
（同等のシールより短い）等の優れた利点が得られる。
【００３３】このことは、リフォーミング装置１の組み
立ておよび調整作業がより柔軟であり、異物の混入に寛
容で、リスクを負うことが少なく、オスおよびメス部の
損傷および／または狂いが生じた場合でさえ、ピストン
リングシール手段が優れたガスシールを確保できること
を意味する。ピストンリングシール手段の使用は、一般
に、吸熱または発熱化学反応を行うための装置、例えば
アンモニアまたはメタノール合成反応器等にさえ、様々
な熱膨張率を有する構造的に異なる部品の間におけるガ
スシールを確保する手段として普及している。
【００３４】図１および図２において、矢印Ｆ１および
Ｆ２は、それぞれメタンおよび水蒸気（反応ガス）を含
有するガス流であって、間接熱交換用の高温ガス流のリ
フォーミング装置１における種々の経路を示す。本発明
によるリフォーミング装置の操作を以下に示す。以下の
説明で、温度の操作条件は、１次リフォーミング装置に
ついてのものである。
【００３５】図１に関して、３００℃〜５００℃の温度
に予め加熱されたメタンおよび水蒸気（反応ガス）を含
有するガス流Ｆ１は、ガス流入開口部１３を通って装置
１の供給ゾーン４に供給され、５００℃〜１０００℃の
温度で改質反応のための遊動頭管６（管側）を通過す
る。このために、遊動頭管６には適切に触媒が充填され
ている。
【００３６】改質反応は、ガス流入開口部１１を通って
熱交換ゾーン５に供給された９００℃〜１１００℃の温
度を有する高温ガス流Ｆ２から伝えられた熱によって可
能になる。高温ガス流Ｆ２は、遊動頭管６の外側（シェ
ル側）を流れ、３００℃〜６００℃の温度でガス流出開
口部１２を通ってシェル２から排出される。特に、高温
ガス流Ｆ２は、低温の反応ガス流Ｆ１に間接的に熱交換
することによって反応熱を伝える。
【００３７】改質反応から得られたＣＯ、ＣＯ2 および
Ｈ2 を含有するガス流Ｆ１は、端部８を通って遊動頭管
６から排出され、チャンバー９に回収され、５００℃〜
１０００℃の温度でダクト１５およびガス流出開口部１
４を通って装置１から排出される。
【００３８】
【発明の効果】上述したように、ガス流Ｆ１は、回収さ
れた後に、ダクト１５に流入すると、遊動頭管６を通過
する反応ガスとは熱的に関係せず、したがって、反応済
ガスと反応ガスとの間の望ましくない熱交換が避けられ
る。さらに、装置１の各部品における材質に起因する膨
張率（特に遊動頭管６およびダクト１５における）、お
よび材料にかかる熱応力は、チャンバー９およびダクト
１５の特有の構造およびシール手段１６の配置により効
果的に補整されるので、各部品の動きを許容するととと
もに望ましくないガス漏れを防ぐ。
【００３９】このシール手段を使用しても、本発明によ
る装置の構造の簡易性に悪影響を及ぼすことはない。図
１および図２の実施例において、熱交換ゾーン５の占有
率を最適にするために、遊動頭管６は管束で配置される
のが望ましい。さらに、有効な表面積を増やして、熱交
換を改善するために、管束が適切な薄板２２を具備して
いること、および遊動頭管６がフィンを有している（図
示せず）ことが好ましい。
【００４０】アンモニア合成法では、高温ガス流Ｆ２
は、２次リフォーミングセクションにおいて生起するガ
ス流よりなることが好ましい。上述したように、本発明
によればさまざまな利点が得られ、特に、構造的に簡略
で組み立てが容易で、改質メタンを低いエネルギー消
費、低い運転維持費で具現する信頼できるリフォーミン
グ装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるリフォーミング装置の縦断面図で
ある。
【図２】本発明の好ましい実施の形態のよる図１の装置
の変形例を示す部分縦断面図である。
【図３】図２の装置の要部を拡大した縦断面図である。
【符号の説明】
１ リフォーミング装置 ２ 外側シェル ３ 管板 ４ 供給ゾーン ５ 間接熱交換ゾーン ６ 遊動頭管 ７ 第１の端部 ９ チャンバー １３ ガス流入開口部 １４ 反応済ガス流入開口部 １５ 排出用ダクト １６ ガスシール手段

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 メタンおよび水蒸気をＣＯ、ＣＯ2 およ
    びＨ2 に変換するためのリフォーミング装置であって、 間接熱交換ゾーン（５）と前記間接熱交換ゾーン（５）
    にメタンおよび水蒸気を含有するガス流を供給するため
    のゾーン（４）とを有する略円筒形状の外側シェル
    （２）と、 前記間接熱交換ゾーン（５）に加熱ガス流を前記変換の
    熱源として供給するために前記シェル（２）に形成され
    た開口部（１１）とを備え、 リフォーミング触媒を含有し、かつ前記間接熱交換ゾー
    ン（５）の上下方向に配設され、前記供給ゾーン（４）
    に連通する複数の遊動頭管（６）と、 前記遊動頭管（６）の下流側に配置された、前記変換か
    ら得られるＣＯ、ＣＯ 2 、およびＨ2 を含有するガス流
    を回収するチャンバー（９）と、 ＣＯ、ＣＯ2 、およびＨ2 を含有する前記ガス流を前記
    シェル（２）から排出するために前記回収チャンバー
    （９）に開口するダクト（１５）とを有することを特徴
    とするリフォーミング装置。
  2. 【請求項２】 前記排出用ダクト（１５）は、シェル
    （２）と同軸上に配設され、間接熱交換ゾーン（５）お
    よび前記供給ゾーン（４）を通り、回収チャンバー
    （９）から前記シェル（２）に設けたガス流出開口部
    （１４）まで遊動頭管（６）と平行に配設されているこ
    とを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 ダクト（１５）と、供給ゾーン（４）と
    間接熱交換ゾーン（５）の間に配置された管板（３）と
    の間に、適切なガスシール手段（１６）が設けられてい
    ることを特徴とする請求項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 ダクト（１５）とシェル（２）との間に
    適切なガスシール手段（１６）が設けられていることを
    特徴とする請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 管板（３）とシェル（２）との間に適切
    なガスシール手段（１６）が設けられていることを特徴
    とする請求項３に記載の装置。
  6. 【請求項６】 ガスシール手段（１６）が流出開口部
    （１４）の近傍に配置されていることを特徴とする請求
    項３または５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 ガスシール手段（１６）が圧縮リング型
    のものであることを特徴とする請求項３から５に記載の
    装置。
  8. 【請求項８】 吸熱または発熱化学反応、特に改質反応
    を行うための装置において、異なる熱膨張率を有し構造
    的に異なる部品間のガスシールを確実にするための圧縮
    リング型のシールの使用。
JP9310520A 1996-11-12 1997-11-12 リフォーミング装置 Pending JPH10182101A (ja)

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