JPH11217573A - 水蒸気改質器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加熱ガスの循環動力を必要以上に大きくする
ことなく、プロセスガスの改質結果の予測が容易な水蒸
気改質器を提供する。 【解決手段】 水蒸気改質器は、縦型の圧力容器１を備
える。この圧力容器１の内部上方には、管板２が水平に
設けられ、該管板２の上方には、仕切板５が設けられ
る。また、該管板２の下方には、スリーブ取付板１２が
設けられる。複数本の触媒管３は、閉じた下端を有する
と共に、開放した上端を有し、該上端は管板２の上方に
開口する。触媒管３に挿入された内部戻り管４は、その
両端が開放しており、上端が管板２を貫いて仕切板５の
上方で開口し、下端が触媒管３の上記下端近くで開口し
ている。触媒管３と内部戻り管４との間の空間には触媒
層６がある。更に、触媒管３の周りには、上端がスリー
ブ取付板１２の上方で開口し下端が触媒管の下端近くで
開口するスリーブ１１が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学プラントや、
例えば高温ガス炉を含むプラントで用いるのに好適な炭
化水素の水蒸気改質器に関し、特に、同水蒸気改質器に
おける触媒管の加熱構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】かかる水蒸気改質器は、種々の形式のも
のが従来から提案されているが、高温ガス炉の２次ヘリ
ウムガスを利用して炭化水素の水蒸気改質を行うものと
して知られている強制対流加熱式水蒸気改質器を示すと
図６及び図７の通りであり、これらの水蒸気改質器の基
本的な構造は、一般のシェルアンドチューブ式熱交換器
と同様である。

【０００３】図６の従来例において、符号１で示される
ものは円筒形の圧力容器であり、垂設された圧力容器１
の内部上方には管板２が設けられ、管板２には、下端を
閉塞された複数本の触媒管３がその上端で取り付けられ
ている。該触媒管３には、それぞれ、下端を開放された
内部戻り管４が空間を設けて同芯状に挿入され、各内部
戻り管４の上端は、前記管板２の上方に設けられた仕切
板５に取り付けられている。触媒管３と内部戻り管４の
間の空間には触媒が充填されて触媒層６が形成されてい
る。

【０００４】また、圧力容器１には、頂部に、管板２及
び仕切板５の間の空間部に連通してプロセスガスが流入
する第１管台１ａが設けられ、仕切板５の上方側部に、
プロセスガスが流出する第２管台１ｂが設けられ、底部
に、加熱ガスが流入する第３管台１ｃが設けられ、管板
２の下方側部に、加熱ガスが流出する第４管台１ｄが設
けられている。圧力容器１内の各触媒管３の周囲には、
管軸方向に複数段のオリフィスバッフル板７が設けられ
ている。

【０００５】このように構成された強制対流加熱式水蒸
気改質器において、プロセスガスは第１管台１ａから仕
切板５と管板２の間の空間部へ流入し、触媒管３内の触
媒層６を下方へ流動し、触媒管３の下端で反転して内部
戻り管４へ流入し、上方へ流れて第２管台１ｂから流出
する。一方、２次ヘリウムガスでよい加熱ガスは、第３
管台１ｃから圧力容器１に流入し、各触媒管３とオリフ
ィスバッフル板７の間の隙間を触媒管３の外周に沿って
上方へ流動し、第４管台１ｄから流出する。従って、プ
ロセスガスは、触媒管３の触媒層６を下方へ流動する間
に、加熱ガスにより触媒管３を通して加熱され、改質さ
れる。加熱ガス流は、触媒管３の外周に沿って流動する
流路断面積をオリフィスバッフル板７により急激に縮小
・拡大され、対流による伝熱を促進されている。

【０００６】次に、図７に示される別の従来例に係る水
蒸気改質器では、図６の従来例における前記管板２及び
仕切板５に代えて、各触媒管３を入口ヘッダ８に、各内
部戻り管４を出口ヘッダ９にそれぞれ連結すると共に、
該入口ヘッダ８を前記第１管台１ａに、該出口ヘッダ９
を前記第２管台１ｂにそれぞれ連結している。また、前
記オリフィスバッフル板７に代えて、複数段の切欠きバ
ッフル板１０が、加熱ガスの流路がジグザグ状になるよ
うに、触媒管３に直交すると共に切欠き部を管軸方向に
交互に配置して設けられている。

【０００７】このように構成された強制対流加熱式水蒸
気改質器において、プロセスガスは第１管台１ａから入
口ヘッダ８を経て触媒管３へ流入し、内部戻り管４から
出口ヘッダ９を経て第２管台１ｂへ流出する。また、第
３管台１ｃから流入する加熱ガスは、切欠きバッフル板
１０に沿い、触媒管３を何度も横切るようにジグザグ流
路に沿い蛇行しながら上方へ流動して第４管台１ｄから
流出し、伝熱効率を改善されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の強制対流加熱式
水蒸気改質器は、以上のように構成されているため、次
のような課題が存在している。即ち、図６の従来例のよ
うに圧力容器１内にオリフィスバッフル板７を設けた場
合、伝熱の促進効果を高めるためには、加熱ガスの流速
を大きくすることが必要であるが、圧力損失が大きくな
り、加熱ガスを循環させるために必要な動力が大きくな
る。また、図７の従来例のように圧力容器１内に切欠き
バッフル板１０を設けた場合、加熱ガスが全ての触媒管
３に対し均一に接触せず、管軸方向の加熱ガスの温度条
件が触媒管３毎に異なる。その結果、触媒管３毎に、改
質されたプロセスガスの組成が異なり、改質結果の予測
が困難になる。

【０００９】従って、本発明は、以上のような課題を解
決するためになされたものであり、加熱ガスの循環動力
を必要以上に大きくすることなく、プロセスガスの改質
結果の予測を容易にする水蒸気改質器を提供することを
目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明は、縦型の圧力容器と、該圧力容器の内部
上方に設けられた管板と、開放した上端が該管板の開口
に取り付けられ、下端が閉塞されている複数本の触媒管
と、前記圧力容器内で前記管板の上方に設けられた仕切
板と、該仕切板の開口に開放した上端が取り付けられ、
下端が開放し、前記触媒管内に挿入された内部戻り管
と、前記触媒管及び前記内部戻り管の間の環状空間に形
成された触媒層とを備える水蒸気改質器において、前記
圧力容器を横断して前記管板の下方に配置されるスリー
ブ取付板と、該スリーブ取付板の開口に開放上端部が取
り付けられ、下端が開放して、前記触媒管のほぼ全長を
同触媒管の外周から離間して覆うスリーブとを更に備え
ると共に、前記圧力容器には、第１側方部に、前記管板
及び前記仕切板の間の空間部に連通する改質ガス入口部
が設けられ、頂部に、前記仕切板の上方の空間部に連通
する改質ガス出口部が設けられ、底部に、加熱ガス入口
部が設けられ、前記第１側方部よりも下方の第２側方部
に、前記管板及び前記スリーブ取付板の間の空間部に連
通する加熱ガス出口部が設けられていることを特徴とす
るものである。

【００１１】このような構成を有する水蒸気改質器にお
いて、プロセスガスである改質ガスは、改質ガス入口部
から管板及び仕切板の間の空間部に入り、触媒層を下方
へ流れて、触媒管の閉じた下端で反転し、内部戻り管を
上方に流れて、仕切板の上方の空間部に流入し、そこに
連通した改質ガス出口部から流出する。一方、加熱ガス
入口部から流入した加熱ガスは、大部分がスリーブの開
放した下端から触媒管の周りに入って上方に流れ、残部
がスリーブ取付板の下方の領域を充満する。そして、ス
リーブと触媒管の間を上動する加熱ガスは、スリーブ取
付板の上方にある加熱ガス出口部から圧力容器の外部に
出る。

【００１２】触媒管とスリーブの間の空間に、多孔質体
を挿入するか、スパイラルフィンを設けるか、切欠きバ
ッフル板を設けるか、或いは、触媒管の外周（スリーブ
の内周でもよい）に環状突起を設けた場合には、圧力容
器内へ流入した加熱ガスのほぼ全量が各スリーブ内へ流
入すると共に、圧力損失を小さく押えて循環動力を必要
以上に大きくすることなく加熱ガスの流速を大きくし、
熱伝達性能を高める。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明に
よる水蒸気改質器を高温ガス炉用に好適な強制対流加熱
式のものに実施した形態について詳細に説明するが、図
中、従来技術の説明における構成部材と同一又は同等の
部材は同一符号を使用して説明する。図１は、本発明に
よる実施形態に係る強制対流加熱式水蒸気改質器を概略
的に示す縦断面図であり、図２〜図５は、図１において
鎖線で囲んだ領域Ａを拡大した部分に相当する、種々の
異なる実施形態についての説明図である。

【００１４】図１において、符号１で示されるものは円
筒形の縦型圧力容器であり、垂設された圧力容器１の内
部上方には管板２が実質的に水平に設けられ、同管板２
に形成された複数の開口には、下端を閉じられた複数本
の触媒管３が、図示のように開放したその上端で取り付
けられている。各触媒管３には、上端及び下端を開放さ
れた内部戻り管４が、触媒管３との間に環状の空間３ａ
を画成するように同芯状に挿入されている。この内部戻
り管４は、開放したその上端が、前記管板２の上方に設
けられた仕切板５に図示のように形成された開口に嵌合
して溶接等の適宜な手段で取り付けられると共に、同様
に開放したその下端が、触媒管３の下端から上方に若干
離間して、環状の空間３ａと内部戻り管４の内部空間と
の間に流体の連通を許容している。

【００１５】また、前述した触媒管３と内部戻り管４の
間の環状空間３ａには、２次ヘリウムガスを加熱ガスと
して用いる場合に好適な周知の触媒が充填されて触媒層
６を形成している。各触媒管３の外周には、空間を介し
て同触媒管３のほぼ全長を同芯状に覆うと共に、上端及
び下端の双方を開放した円筒形のスリーブ１１がスリー
ブ取付板１２に取着して配置されている。該スリーブ１
１の上端は、管板２の下方にほぼ平行に設けられた前述
のスリーブ取付板１２に形成された開口を貫いて上方に
延び、管板２及び同スリーブ取付板１２間の途中で終端
しており、該スリーブ１１の下端は、加熱ガスの受け入
れを効果的にするため下向きに拡開している。

【００１６】更に、圧力容器１には、プロセスガス即ち
改質ガスを流入させるために管板２及び仕切板５の間の
空間部に連通するように圧力容器の側部上方に形成され
た第１管台（改質ガス入口部）１ａと、プロセスガスを
流出させるため仕切板５の上方の空間部に連通するよう
に圧力容器頂部に形成された第２管台（改質ガス出口
部）１ｂと、加熱ガスを受けるため圧力容器１の底部空
間に連通するように形成された第３管台（加熱ガス入口
部）１ｃと、使用済みの加熱ガスを流出させるため管板
２及びスリーブ取付板１２の間の空間部に連通するよう
に圧力容器側部に形成された第４管台（加熱ガス出口
部）１ｄとがそれぞれ設けられている。

【００１７】以上の水蒸気改質器において、図２の改変
実施形態では、触媒管３とスリーブ１１の間の環状空間
に、使用されるヘリウムガスのような加熱ガスに対して
化学的に安定性及び耐久性のある周知の材料から選択さ
れた適宜の多孔質体１３が挿入され、熱伝導及び熱輻射
の効果をもたらしている。図３の別の改変実施形態で
は、触媒管３とスリーブ１１の間の環状空間内に、管軸
方向に延びるスパイラルフィン１４が設けられている。
図４の更に別の改変実施形態では、触媒管３とスリーブ
１１の間の環状空間内に、管軸方向に離間した複数段の
切欠きバッフル板１５が、触媒管３に直交すると共に切
欠き１５ａを直径方向に交互にする位置に配置して設け
られている。また、図５の実施形態では、触媒管３の外
周を取り巻くように、矩形もしくはその他の断面形状の
輪状突起１６が管軸方向に離間して複数段設けられてい
る。

【００１８】このように構成された強制対流加熱式水蒸
気改質器において、プロセスガスは、第１管台１ａから
管板２と仕切板５の間の空間部へ矢印ａで示すように流
入し、触媒管３により囲まれた環状空間３ａ内の触媒層
６を矢印ｅで示すように下動し、触媒管３の閉じた下端
で反転して内部戻り管４へ流入し、その内部を矢印ｆで
示すように上動して、仕切板５の上方にある空間部に達
し、そこから第２管台１ｂを矢印ｂの方向に経由して流
出する。一方、上述のプロセスガスのための加熱ガス
は、圧力容器底部にある第３管台１ｃから圧力容器１の
底部空間もしくはプレナム矢印ｃの方向へ流入し、各触
媒管３とスリーブ１１の間の環状空間を矢印ｇの方向へ
上動し、管板２とスリーブ取付板１２の間の空間部から
第４管台１ｄへ即ち矢印ｄの方向へ流出する。従って、
プロセスガスは、触媒管３の触媒層６を下方へ流動する
間に、触媒管３を通して加熱ガスにより加熱され、周知
の態様で改質される。

【００１９】尚、スリーブ１１の外側の領域は、スリー
ブ取付板１２により管台１ｃ側と１ｄ側とに仕切られて
いるため、第３管台１ｃから流入した加熱ガスは、スリ
ーブ１１の外部を流動して第４管台１ｄへ直接に流動す
ることができず、全量がスリーブ１１内を流動する。ま
た、各触媒管３について、触媒管３とスリーブ１１の間
の空間の断面形状をほぼ同一に形成すると共に、スリー
ブ１１の長さをほぼ同一に構成することにより、スリー
ブ１１内を流動する加熱ガスの流動抵抗が実質的に同一
となり、第３管台１ｃから流入した加熱ガスは、各スリ
ーブ１１内の触媒管３の外周をほぼ同一流速及び同一流
量で流動する。

【００２０】図２に示すように、触媒管３とスリーブ１
１との間の空間に多孔質体１３を挿入した場合には、加
熱ガスの対流伝熱が促進されると共に、多孔質体１３か
ら触媒管３への熱伝導及び輻射伝熱により熱伝達性能を
高めることが可能となる。図３に示すように、触媒管３
とスリーブ１１の間の環状空間の管軸方向にスパイラル
フィン１４を設けてスパイラル状の加熱ガス流路を形成
した場合にも、加熱ガスの圧力損失を小さく押えながら
その流速を大きくし、熱伝達性能を高めることが可能と
なる。

【００２１】また、図４に示すように、触媒管３とスリ
ーブ１１の間の環状空間の管軸方向に複数段の切欠きバ
ッフル板１５を設けて箇々の触媒管３の周囲で加熱ガス
を蛇行しながら上動させることにより、加熱ガスの圧力
損失を小さく押えながらその流速を大きくし、熱伝達性
能を高めることが可能となる。図５に示すように、触媒
管３の外周を輪状に取り巻く矩形断面の環状突起１６を
管軸方向に複数段設けた場合には、加熱ガスの圧力損失
を小さく押えながらその流速を大きくすると共に、触媒
管３の外周に形成される層流境界層を乱し、熱伝達性能
を高めることが可能となる。

【００２２】以上、本発明をその好適な実施形態につい
て説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるもの
ではなく、更に種々の改変が可能である。例えば、内部
戻り管の開放した上端及び下端、触媒管の開放した上
端、並びにスリーブの開放した上端及び下端は、完全に
開放されていることが望ましいが、閉じた端部に複数の
穴を穿設して開放した上端及び下端としたり、閉じた端
部の周縁から延びる側壁に同様に穴を穿設して開放した
上端及び下端としてもよい。また、図５に示された環状
突起は、触媒管の外周に輪状に巻くのではなく、スリー
ブの内周に輪状に設けてもよい。

【００２３】

【発明の効果】本発明による水蒸気改質器では、各触媒
管の外周に、空間を介してほぼ全長を同芯状に覆うと共
に両端を開口したスリーブを設けているため、加熱ガス
が各スリーブ内の触媒管の外周をほぼ同一流速及び同一
流量で流動し、全ての触媒管において加熱条件がほぼ同
一となって、改質されたプロセスガスの組成がほぼ同一
となり、改質結果の予測を容易にすることができる。

【００２４】また、スリーブが管板の下方に設けられた
スリーブ取付板に上端部を取り付けて設けられ、触媒管
とスリーブの間の空間に、多孔質体を挿入するか、スパ
イラルフィンを設けるか、切欠きバッフル板を設ける
か、或いは、触媒管の外周（スリーブの内周でもよい）
に環状突起を設けることにより、圧力容器内へ流入した
加熱ガスのほぼ全量が各スリーブ内へ流入すると共に、
圧力損失を小さく押えて循環動力を必要以上に大きくす
ることなく加熱ガスの流速を大きくし、熱伝達性能を高
めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による水蒸気改質器の一実施形態を概
略的に示す縦断面図である。

【図２】 図１において鎖線で囲まれた領域に相当する
変形実施形態に係る水蒸気改質器の部分の拡大断面図で
ある。

【図３】 （ａ）は、別の変形実施形態に係る図２に相
当する断面図、（ｂ）は、スリーブを除いて示す斜視図
である。

【図４】 （ａ）は、更に別の実施形態に係る図２に相
当する断面図、（ｂ）は、スリーブを除いて示す斜視図
である。

【図５】 更に異なる変形実施形態に係る水蒸気改質器
の一部を部分的に破断して示す斜視図である。

【図６】 従来の強制対流加熱式水蒸気改質器の第１例
を示す縦断面図である。

【図７】 従来の強制対流加熱式水蒸気改質器の第２例
を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１…圧力容器、１ａ…第１管台（改質ガス入口部）、１
ｂ…第２管台（改質ガス出口部）、１ｃ…第３管台（加
熱ガス入口部）、１ｄ…第４管台（加熱ガス出口部）、
２…管板、３…触媒管、３ａ…触媒管及び内部戻り管の
間の環状空間、４…内部戻り管、５…仕切板、６…触媒
層、１１…スリーブ、１２…スリーブ取付板、１３…多
孔質体、１４…スパイラルフィン、１５…切欠きバッフ
ル板、１６…環状突起。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 羽田 一彦 茨城県那珂郡東海村白方字白根２番地の４ 日本原子力研究所 東海研究所内 (72)発明者 溝上 頼賢 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 (72)発明者 山田 誠也 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 (72)発明者 緒方 寛 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 縦型の圧力容器と、該圧力容器の内部上
   方に設けられた管板と、開放した上端が該管板の開口に
   取り付けられ、下端が閉塞されている複数本の触媒管
   と、前記圧力容器内で前記管板の上方に設けられた仕切
   板と、該仕切板の開口に開放した上端が取り付けられ、
   下端が開放し、前記触媒管内に挿入された内部戻り管
   と、前記触媒管及び前記内部戻り管の間の環状空間に形
   成された触媒層とを備える水蒸気改質器において、前記
   圧力容器を横断して前記管板の下方に配置されるスリー
   ブ取付板と、該スリーブ取付板の開口に開放上端部が取
   り付けられ、下端が開放して、前記触媒管のほぼ全長を
   同触媒管の外周から離間して覆うスリーブとを更に備え
   ると共に、前記圧力容器には、第１側方部に、前記管板
   及び前記仕切板の間の空間部に連通する改質ガス入口部
   が設けられ、頂部に、前記仕切板の上方の空間部に連通
   する改質ガス出口部が設けられ、底部に、加熱ガス入口
   部が設けられ、前記第１側方部よりも下方の第２側方部
   に、前記管板及び前記スリーブ取付板の間の空間部に連
   通する加熱ガス出口部が設けられていることを特徴とす
   る水蒸気改質器。
2. 【請求項２】 前記触媒管と前記スリーブの間に画成さ
   れる環状空間に多孔質体が挿入されていることを特徴と
   する請求項１記載の水蒸気改質器。
3. 【請求項３】 前記触媒管と前記スリーブの間に画成さ
   れる環状空間に管軸方向に延びるスパイラルフィンが設
   けられていることを特徴とする請求項１記載の水蒸気改
   質器。
4. 【請求項４】 前記触媒管と前記スリーブの間に画成さ
   れる環状空間に管軸方向に離間した複数段の切欠きバッ
   フル板が、前記触媒管に直交すると共に切欠き部を交互
   に配置して設けられていることを特徴とする請求項１記
   載の水蒸気改質器。
5. 【請求項５】 前記触媒管と前記スリーブの間に画成さ
   れる環状空間に複数の環状突起が管軸方向に離間して設
   けられていることを特徴とする請求項１記載の水蒸気改
   質器。