JPS5945903A - 内管加熱水蒸気改質法および装置 - 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】 この発明は触媒層中に伝熱管を設け、触媒層を管内から
加熱することによシ改質反応に必要な熱を与える、内管
加熱接触水蒸気改質法および装置に関する。

現在行、ｂれている水蒸気改質法は、反応に必要な熱の
与え方により外熱式と内熱式に大別される。

外熱式は触媒を充填した反応管中を炭化水素及び水蒸気
の混合物を流通させ、この反応管を燃焼ガスで外部から
加熱することにより反応熱を与える方式であり、現在最
も広く行われている０内熱式で現在行われている方式は
、圧力容器内に充填された触媒層中を同じく炭化水素及
び水蒸気の混合物全流し、これに酸素または空気を送り
込み一部の水素又は炭化水素を燃焼させることにより改
質反応に必要な熱量を与える方式である。

この方式は現在主としてアンモニアプラントやガス化グ
ランドに使用されている。しかしながら、触媒層中て伝
熱管を設置し外部で発生させた燃焼ガス全この伝熱管中
を流すことにより改質反応に必要な熱量を管の内部から
供給するという方式は全く行われていない。この理由ｉ
ｒｉ、　　この反応（（必要な大量の熱量をこのように
管内から供給することは通常の方法では不可能であるか
らである０この様な高温になると、例えば外熱式がそう
であるように伝熱は輻射が大部分金占めるようになる０
これに反し伝熱管内の伝熱では輻射は殆ど期待できない
し、又対流伝熱も通常の常圧高温ガスでは管中のレイノ
ルズ数金高めるの！、Ｃ限度がらり、それ程多くを期待
することはできない。

即ち、通常の方法では、必要な熱量を供給出来るだけの
伝熱を行わせることは不可能であり、供給する熱量が不
充分であれば、その反応も不完全にならざるを得ない、
というのが伝熱管内からの加熱が行われていない理由で
ある。

一方、この改質反応の温度、圧力は最近次第に高くなっ
てきており、それに伴ない外熱式では反応管の材質上の
問題が大きくなって来た。

即ち、この型式の反応管では温度が高くなると材料のク
リープ限界に近づくので、応力を下げるために肉厚を厚
くせざるを得なくなる。又圧力が高くなる方からも肉厚
は大きくなる。

しかし厚い肉厚は内外面の温度差を大きくし熱応力を増
大し外面温度はますますクリープ限界に近づくというジ
レンマ金主じる。現在は材質として遠心鋳造管（ＨＫ４
ｔθ）が通常使用されているが、更に温度圧力を上げる
ためにはよシ高級な耐熱金属を使わねばならず、これは
非常に大きい価格上昇を招く。

現在の水蒸気改質装置は以上のような限界の状態で設計
しであるので現在でもその価格はかなり高く、将来に対
しては更に大きい問題を抱えているのである。

この発明はこのような問題を一挙に解決する方法および
装置を提供するものである。

管を高温高圧の伝熱面として使う場合、外部４から加熱
するよりも、内部から加熱するのが、即ち管の内面が外
面より温度が高い状態とするのが応力の観点から見れば
好ましい状態であることは良く知られている。この発明
はこのような高温にさらされる材料を厳しい応力状態下
に置くことをなるべく避けるという思考から出発した。

この装置てついて材料全般も楽な状態で使用するために
は、（１）触媒は管外に置いて、管内より加熱する、（
ｌｉ）加熱ガスの圧力を触媒層の圧力と等しいか、僅か
に低くする、とすればよいということに想到した。

さてこの方法を具坏化する上で最も困１帷な問題は前述
の通り伝熱を如何にして充分に行わせるかという点にあ
った０ この為に発明者が採った方策は次の通りである。

（１）触媒層には大量の熱を均等に供給しなければなら
ない。このためには相当大きい伝熱面積を要する。

伝熱面積を大きくとるためには細い管を多く使えば良い
が、しかし全体の構造の簡潔さ、工作の簡単さ、将来の
機械的トラブルをなくする意味から細い管の使用は避け
る方がよい。

管の寸法として、外径７ｊないし／　Ｊ　５　ｍｍ位が
適当である。この程度の大きさの管を使った場合触媒層
断面積当り熱量を一定以上与えるためには全伝熱管の断
面積が装置の全断面積に対する比率Ｓｔ％Ｓｔ　＋　８
２）を成る限度以上、出来るだけ大きくとる必要がある
。即ち最低グθ係、望ましくは５０％以上必要であるこ
とがわかった０ミツクになると更に悪くなる。しかしこ
の発明の場合材料の強度に関する要求ｉｄそれ程厳しく
ないので、肉厚はかなり薄くできる。外熱式の反応管の
肉厚はかなり厚いものを使用しているが、これに比較す
れば相当薄い。このことは。

伝熱の面から見て相当有利である。っ なお総括伝熱係数を高め、かつ伝熱面積を増大する意味
で伝熱管にフィン付管またはひだ封管を使用することも
有効である。

（ＩＮ）この型式においては輻射伝熱は多くを期待でき
ないため、その・代り対流伝熱係数をできる限シ上げる
必要がある。

管内を流れる流体の対流伝熱係数の計算式として一般的
に次式が使われている。Ｒｅ＞／４θ００−ｈ：対流伝
熱係数 ｄ：管の内径 λ：流体の熱伝導率 Ｕ：流体の速度 ρ：原流体密度 μ：原流体粘度 Ｃｐ二原流体定圧比熱 なおレイノルズ数−二 μ 上式において対流伝熱係数りに最も大きく影響し、かつ
任意にとり得るのはレイノルズ数Ｒｅである。従って、
対流伝熱係数ｈｌ上げるためにはレイノルズ数Ｒｅをな
るべく太きくしなければならない。

又レイノルズ数Ｒｅｉ上げるためには任意にと９得る量
、即ち、流体の速度Ｕ及び流体の密度ρを太きくしなけ
ればならない０ そのためには次のようにすればよい０即ちａ）管内の流
速を増大させる０このため管内にスペーサーを挿入し高
温ガスの流路面積を小さくする。

ｂ）高温ガスを触媒層の圧力まで高める。燃焼ガスの場
合は加圧燃焼とする。

レイノルズ数（ｒｉ可及的に大きいことが望ましいが、
ある一定の値以上は必要でないし、又振動、圧力降下な
どの原因ごてもなるので望ましくない。

Ｇｖ）輻射伝熱係数を大きくする。

燃焼ガスには炭酸ガス、水蒸気などが含まれているので
高温では輻射伝熱がかなり大きくなる。

しかし管中ではガス層の厚みが薄いので輻射伝熱は殆ど
期待できない。

Ｌ　カＬ　１ｉｉ）−ａに述べたスペーサーは単に対流
伝熱を高めるだけでなく、輻射伝熱を高める役目もする
。即ち管内に挿入されたスペーサーは高温ガスの流れに
曝されて高温になシ、自ら輻射体となって伝熱管に熱を
伝える。このことは全体の伝熱全促進するのに太いに役
立っているのであ乙。

以上に述べた方策を綜合して、発明者は水蒸気改質反応
に要す゛る大量の熱を伝熱管の内側から供給することに
成功したのである。

この発明全添付図面によシ説明する。

第１図は本発明による装置の全体図であろう装置は本体
／の中にコンパクトに収容されている。本体／は断熱材
７でライニングされているので炭素鋼でよい。伝熱管ダ
はと部管板−と下部管板３に正三角形（（配列されて取
り付けられている。しかしこの管板及び伝熱管の配列は
高温ガスが均等に流れ、触媒層を等しく加熱する方法な
ら上述の構造に限らない。触媒は伝熱管群と本体との間
に充填されている。猶触媒層の上部と触媒受けＳの下部
はガスの通路としてあけである。原料ガスは入口とより
入り改質反応を受けて出口２より出る。

高温ガスは入口／θより入り、出口／／より出る。

第２図および第３図は伝熱管とスペーサーとの関係、伝
熱管の配列および伝熱管の断面を示す。

スペーサー／：２は伝熱管グに挿入されている。高温ガ
スは上部から入り伝熱管グとスペーサー／、２が形成す
る断面が円環状の通路を高速で流れる。

スペーサーの上部は伝熱管の端部を過熱から防ぐ保護さ
や（フェルール）の役目をしている。

スペーサーの材質はセラミックが好適である。

なお管板２の上部は過熱防止のため断熱板で蔽われてい
る。

スペーサー／コは先に述べたようにガス流速を早めて対
流伝熱係数を高め、且自らは輻射体として輻射伝熱係数
を高める役目を果している０伝熱管グは第３図の如く正
三角配列になっていて管の外部に触媒が充填されている
。又伝熱管グにはフィン付管あるいはひだ封管が好適で
あるが、普通の管でも充分な伝熱が行われるように設計
可能である。

伝熱管の材質は通常の場合（現今実施されている位の温
度、圧力の場合）遠心鋳造管ＨＫ＆θで充分であるが、
将来もつと温度を上げる必要がある場合はよシ高級な耐
熱材料を使わざるを得ないであろう。しかしこの場合で
も応力は殆どθの状態で使用するので肉厚は薄くて済み
、価格上昇は少なくて済む。更に温度が上って金属材料
では無理な場合はセラミックが都合よく適用できる。セ
ラミックは引張に弱いが圧縮に非常に強い。この発明の
装置では応力は殆どθか僅かな圧縮状態で使用できるの
で、セラミックの特性を利用して特別に高温用の水蒸気
改質器ができる。

伝熱管としては熱伝導率の高いことが望ましいので炭化
硅素が適当であろう。７６５９℃（３θθθ’Ｆ）まで
強度の落ちない炭化珪素も開発されているのでこれを用
いれば７５０９℃での改質も可能である。

第９図はこの発明をアンモニアプラントに適用した７例
である。このプロセスは馬野氏他による特許［ガス化方
法−１（特許番号７１．６．２６３）と密接に関連する
。この特許はガス化反応の圧力と略等しい圧力で発生し
た高温ガスで、まづガス化装置を加熱し、その後ガスタ
ービンシζ使うというものであるが、この発明はこの特
許を具体化したものとも云えよう。

燃焼器４ｔ／で発生した高温ガスは廃熱ボイラーｔｉｔ
ｉｔで温度を下げられ、−次水蒸気改質器グコに入る。

こ＼で入って来た原料ガスを加熱してからガスターピン
グ乙に導かれる。

一方このガスタービンで駆動された天然ガス圧縮機シに
で昇圧された天然ガスは一部（ｄ燃焼器に入り、一部は
水蒸気を添加され、予熱器９ｔＳで加熱されてから、第
１次改質器４ｔ２に入る。）又同じくガスタービンで駆
動された空気圧縮機グアで昇圧された空気は一部は燃焼
器へ一部は二次水蒸気改質器グ３に入る。

最近ガスタービンの進歩に伴いアンモニアプラントの主
要圧縮機の駆動機として蒸気タービンに代ってガスター
ビンが採用されることが多くなったが、このプロセスは
このような場合に最適のプロセスである。その特長は原
料、エネルギーの原単位のよいこと、プラントコストが
低いことなどである７、特にガスタービンに入る燃焼ガ
スの温度が適当に低められる結果、ガスタービンの信頼
性が格段に上かや、価格は逆に下るという効果が期待で
きる。

第Ｓ図は、この発明を高温ガス炉の熱を利用した水蒸気
改質装置に適用した例である。この炉では冷却媒体とし
てヘリウムを使用しているが伝熱をよくするため、その
圧力を上げて使用している。

ヘリウムは温度／θθθ℃、圧カブθ〜Ｓ　Ｏｋｇ／ｃ
ｍ２Ｇ　で炉を出るが、これ位の高温ガスはこの発明に
よる水蒸気改質装置の熱源として最も適当なものである
。高温ガス炉Ｓ／からの高温ヘリウムは水蒸気改質装置
Ｓ：ＺＫ供給され、その中の加熱管を通って、触媒層中
で起こる水蒸気改質反応知必要な反応熱を与える。改質
装置ｊ２を出たヘリウムはボイラーＳ３において水との
熱交換によって冷却され、ヘリウム循環機Ｓグにより高
温ガス炉に循環される。

この水蒸気改質法においては高温材料は無理な応力から
解放されるので、相当の高温高圧まで困難なく遂行され
得るようになる０ 従って、例えばメタノールプラント用とか重質炭化水素
の改質とか温度の高いプロセスに特に好適であるのみな
らず、現在および将来の高温高圧への要求に確実に応え
られるものである。

特にセラミックを使うことが可能になるので例えばアン
モニアプラントにおいては一次改質器だけで二次改質器
は不要になる可能性も生じる。

また、圧力も高圧まで容易に可能となるのでアンモニア
プラントやメタノールプラントにおいては合成ガス圧縮
機は不要になる可能性がある。

前に述べた様て、特許第７６６．２６３号と併わせて、
実、施されるならば極めて省エネルギーの節約型のプラ
ントの提供が可能となる。

さらに、構造も簡単なので大型の装置が容易に製作でき
るようになシ例えばアンモニアプラントにおいては日量
Ｓθ０θ〜６θθθトンも／基で可能になる。

この発明によれば価格の安い水蒸気改質装置が可能とな
る、なんとなれば耐圧筒は炭素鋼に断熱ライニングした
ものでよく、内部品の高級耐熱材料も温度だけで、殆ど
応力のか＼らない状態で使用され、構造も簡単であシ、
またセラミックも特殊なものは心安としないからである
０ 据付に必要な面積は通常のものに比較して３０分の／以
下でよい。

以上説明した通シこの発明はアンモニア、メタノールそ
の他ガス化プラントなどに優れた水蒸気改質装置を低コ
ストで提供することを可能にするものである。

次にこの発明を具体化する設計例の主要諸元を紹介する
。

プラント　アンモニアプラント−次改質器原料ガス　　
　　天然ガス 改質温度　　　　に９０℃ ｌ上方　　　　３θｋｇ／ｃｍ２Ｇ 燃焼ガス温度　人口　／８θ℃ 出口　　と５６℃ 圧力　　　　　３θｋｇ／ｃｍ２Ｇ 伝熱管中の燃焼ガスのレイノルズ数約／３０．θθθ伝
熱管断面積の割合　Ｓｔ／（Ｓ＋　＋ｓ２）　３９％伝
熱管の厚みと外径比　ｔ／ｂ　　　　　３％

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による装置の全体を示す縦断面図、第
２図は、伝熱管およびスペーサーの縦断第９図はこの発
明をアンモニアプラントに適用した例を示すフローシー
ト、第Ｓ図はこの発明を高温ガス炉の熱を利用した水蒸
気改質に適用した例を示すフローシートである。 ／・・・本体 ２・・上部管板 ３・・下部管板 グ・・・伝熱管 ｊ・・触媒受け ６・・触媒 ７・・断熱材 と・・・原料ガス入口 ？・・・改質ガス出口 ／θ・・高温ガス入口 ／／・・高温ガス出口 ／２・・スペーサー ／３・・・断熱板 ｌｌｔ／・・燃焼器 ダ２・・・−次水蒸気改質器 グ３・・二次水蒸気改質器 ググ・・・廃熱ボイラー ダｊ　原料ガス予熱器 グ乙　・ガスタービン グア　空気圧縮機 ｌ１ｇ−・・天然ガス圧縮機 ｊ／・高温ガス炉 ｊ２　　水蒸気改質装置 ｊ３・・・ボイラー 、５り・・・ヘリウム循環機 特許出願人　　東洋エンジニアリング株式会社手　続　
補　正　書　（自発） 昭和５７年１０月７５日 特許庁長官　殿 １、事件の表示　昭和５７年　特許願　　第１ｊ２乙！
乙号２、発明の名称 内子加熱水蒸気改質法および装置 ３、補正をする者 事件との関係　　　出願人 東洋エンジニアリング株式会社 ４、代理人 住所　　東京都港区赤坂１丁目９番２０号左補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」の欄。 ２補正の内容 明細書第１ｊ頁、第１０行と第１／行との間に次の記載
を加入する。 「　この発明に用いられる高温ガスは、前述の燃護ガス
、ヘリウム以外に、圧力が改質反応の圧力と略等しい高
温ガスであれば良く、例えば自らの改質ガスあるいは二
次改質（普通の改質の次に空気または酸素を用いる内熱
式改質）ガスでも良いのである。但しこの場合は一次改
質反応に必要な熱量の全量を補うことは困難であるので
、一部分はこのガスで加熱し、残りは他の高温ガスを使
用することになる。」

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／圧力容器内に充填された触媒層内に、その触媒層の上
   端から下端まで貫通して、均等に伝熱管群が配設された
   装置が使用されて、触媒層（・では炭化水素と水蒸気の
   混合物が、伝熱管群の管内には触媒層の圧力と略等しい
   がないしはいくらか低い圧力の高温ガスが夫々流通させ
   られることにより、水蒸気改質反応に必要な熱が該高温
   ガスから該混合物に与えられることを特徴とする内管加
   熱水蒸気改質法。 ２、該高温ガスとして燃焼ガスを使用する特許請求の範
   囲第１項記載の方法。 ３該高温ガスとしてヘリウムを使用する特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 り全伝熱管が占める横断面積（外径基準）を８１、触媒
   が占める断面積を８２としたとき、５ＸＳ１＋Ｓ２）が
   ダ０チ以上となる様に伝熱管が配設された、特許請求の
   範囲第１項ないし第３項のいずれか７項に記載の方法。 Ｓ該伝熱管中にスペーサーが挿入設置された、特許請求
   の範囲第７項※ないし第７項のいずれか７項に記載の方
   法。 乙、該伝熱管中を流通する高温ガスのレイノルズ数が、
   ！４０θθないし２．θθ４θθＯである特許請求の範
   囲第１項ないし第５項のいずれか７項に記載の方法。 ７該触媒層は圧力、Ｓ　ｋｖ’ａｍ２Ｇないし２θＯｋ
   ｇ／ｃｍ２Ｇ温度６０θ℃ないし７５００℃の範囲であ
   り、高温ガスの圧力は触媒層の圧力の／θ０ないし５０
   ％である特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれか
   ７項に記載の方法。 と圧力容器内に充填された触媒層の上端から僅かに上っ
   た位置と下端から僅かに下った位置に管板を設けこの管
   板の間に該触媒層を貫通して伝熱管群が均等に配設され
   、該触媒層には炭化水素と水蒸気との混合物が、伝熱管
   群には高温ガスがそれぞれ流通させられる出入口が設備
   されていることを特徴とする内管加熱水蒸気改質装置０ ２少なくとも管板と伝熱管にはセラミックが使用の範囲
   第に項または第２項記載の装置０／／内面および／また
   は外面に、軸方向にフィンまたはひだをつけた伝熱管を
   使用した特許請求の範囲第に項ないし第１θ項のいずれ
   か７項に記載の装置。 ７．２伝熱管の厚み（１）と外径（Ｄ）との比（ｔ／Ｄ
   ）が／θ饅／３全伝熱管が占める外径基準の横断面積ｋ
   ｓ１、触媒層が占やる断面積をＳ・とじたとき（８、十
   。。）力“グθ係以上となるように伝熱管が配設された
   特許請求の範囲第ど項ないし第７２項のいずれか７項に
   記載の装置。