JPS62216633A - 粉粒体充填反応器 - 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、生石灰などの反応性粉粒体を充填し該粉粒化
により熱の出入を伴う反応を行わせるための反応器に関
するものである。

〔従来の技術〕

従来、水素吸蔵合金による水素吸蔵反応や、次式の反応 ＣａＯ＋　Ｈ，Ｏ＃Ｃａ（Ｏｌｌ）ｔ　＋１０４　ｋＪ
／ｍｏｌをはじめとする気体一固体間の熱の出入を伴う
反応を行わせることが、水素利用や蓄熱等の技術分野で
試みられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような反応は前記固体を予め↑５）粒体にする必要
があったり、場合によっては該固体が反応の進行に伴っ
て粉粒化するため、この粉粒化を反応器内に如何に収納
し、また如何にして能率的に粉粒体との熱の授受を行わ
せるかが技術上の難点であった。

従来、セラミックス多孔体の容器に封入することで一応
の成果が得られることがわかてっおり、セラミックスで
あっても例えばアルミナは多孔体をつくることができる
が、アルミナは熱伝導率が第１０図に示す様に小さく、
このため粉粒体との熱の授受の際に抵抗となり、迅速に
反応を行わせたり、熱の授受を行わせるには不適当なも
のであった。また、急激な反応が粉粒体で起きてしまう
と、容器が熱衝撃のため破損する危険も伴うものであっ
た。このようにセラミックス多孔体であれば何でもよい
、というものではなかった。

本発明は、従来のものの上記問題点を排除した実用土掻
めで優れた性能を有する粉粒化充填反応器を提供するこ
とを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、流体と反応して熱の出入を伴いながら化学反
応及び／又は吸着反応を行う可逆反応性粉粒体を充填し
た反応器において、炭化ケイ素粉末もしくは炭化ケイ素
を主成分とする粉末、またはホウ化ジルコニウム（Ｚｒ
［ｌｉ）粉末もしくはホウ化ジルコニウムを主成分とす
る粉末の焼結体からなるセラミックス製多孔体により形
成した中空体を、外部に連通ずる開口部を有する適宜の
容器内に配設し、該中空体内または該中空対外の空間に
前記セラミックス製多孔体の気孔径より大きい粒径の前
記反応性粉粒体を充填すると共に、該粉粒体を充填しな
い方の空間を前記開口部と連通せしめたことを特徴とす
る粉粒充填反応器である。

（実施例） 以下本発明の各実施例を図面に基づいて説明する。

第１図に示す反応器３は一端部に流体の供給口１１、他
端部に流体の導出口１２を開口した円筒型の容器１内に
反応粉体カプセル２を複数本、その中心軸を容器１の中
心軸と回一方向に沿わせて整然と充填し、カプセル充填
槽として構成したものである。

前記反応粉体カプセル２は、第２図及び第３図に示すよ
うに炭化ケイ素の微粉末を焼結して得たセラミックス製
多孔体からなる粉粒体保持器としての円管２．内に前記
反応性粉粒体として生石灰（ＣａＯ）の粉体Ｐを充填し
たのち、その両端部に蓋２．を固定し密封体としたもの
であり、この円管２Ｉの気孔径は前記粉体、生成するＣ
ａ　（０１１）　ｚ粉体の粒径のいずれよりも小さくし
カプセル内の粉体が外部に漏出しないようにしである。

なお粉体Ｐを抜き出したり交換する必要があればネジ加
工などで蓋２□を着脱可能としてお（のがよい。

また、前記カプセルは、粉粒体保持器として円管の代わ
りに扁平な板状で比較的小寸法のもの、あるいはラシヒ
リング等のいわゆる充填塔用人工充填物と同一形状のも
のを使用して構成することもでき、これらを容器ｌ内に
整然と充填したものに限らずランダムに充填した反応器
とすることも可能である。なお、第１図中４は多孔板で
ある。

しかして、上記図示例において温度が杓４００　”〜６
００℃の範囲で大きく変動する過熱蒸気（水蒸気）を供
給口１１を介して容器ｌ内に供給すると、この過熱蒸気
は可逆反応式 ％式％（１１ による化学蓄熱、化学反応熱ならびに反応器３１体の顕
熱蓄熱により、４５０＠〜５００℃の安定した温度に調
節された過熱蒸気となって導出口１２から導出されるも
のである。このように第１図例の反応器３はいわば温度
調節器として作用するものであり、コンパクトな装置に
より、供給過熱蒸気の温度変動幅が相当に大きくしかも
該変動が長時間継続する場合であっても、導出される過
熱蒸気の温度は極めて安定したものとなる利点がある。

上記反応器３における右向きの反応、すなわちＣａＯ＋
１ｌｚＯ−Ｃａ（０）ｚ＋　１０４　ｋＪ／ｍｏｌ　−
−−（２）の反応速度は特に大きいものであるが、例え
ば第１Ｏ図及び第１１図に示すように反応粉体カプセル
２は機械的強度、耐熱衝撃性、熱伝導性及び化学的安定
性のいずれにＣａれた材料である炭化ケイ素（ＳｉＣ）
を使用して構成しであるから何ら使用上の問題が生じる
ことはなく、維持管理は著しく簡便なものとなる。

すなわち、第１Ｏ図に示すようにβ−３ｉＣは５５８Ｃ
など他の材料に比べて高ｌＬ時の熱伝導率が大きく、ま
た第１１ばから明らかなように高温時の耐酸化性がＳ＋
Ｊ＜常圧焼結体に比べ著しく優れているものである。

次に、第４図乃至第６図に示す実施例は直方体の容器ｌ
の一端部に流体の供給口ｌｌ、他端部に流体の導出口１
．を開口し、内部に２枚の管板５□５□を互いに離隔対
向して配設すると共に、第１図例と同一の材料からなる
長方形の板体６を複数上下多段に互いに適宜間隔をあけ
て、かつ前記管板に跨がって配設することにより、結果
的に粉粒体保持器として断面長方形の扁平管７を複数配
設し、さらにこの扁平管内に生石灰等の粉体Ｐを充填し
密封して反応器３を構成したものである。図中８．は管
板５１に設けた流体流入口、８アは管板５．に設けた流
体流出口であり、したがって流入口８１からの流体は強
制的に粉体ｒＩ！Ｉβ内を通過したのち流出口８．から
流出されるものである。

なお、予め生石灰の粉体を充填した断面長方形の扁平管
を複数用意すると共に、これらを管板５．。

５□に設けた突起物上にｉ！置するか、または該突起物
に固定してもよいし、容器ｌとして円筒状のものを適用
すると共に前記扁平管の代わりに円盤状のものを配備し
てもよい。

さらに、反応器３全体を回転可能に設けると共に前記扁
平管等に生石灰の粉体を、充満しない程度に充填し、反
応器３の回転により前記粉体が撹拌されるように構成す
るのも効果的であり、これにより咳粉体全体を著しく能
率良く前記反応に関与させることができる利点がある。

しかして、上記第４図例のように流体が強制的に粉体層
内を通過する反応器では、水の凝結などによる粉体層の
閉塞の心配がない場合に有利であって、第１図例に比べ
てセラミックス製多孔体の使用量を大幅に節減すること
ができる効果がある。

一方、第７図に示す実施例は上記各実施例と同じく生石
灰と１１．０の反応を利用した反応器であり、特に昇温
空気発生装置として使用できるように構成したものであ
る。すなわら、第１図例または第４図例において反応器
３　（充填層）の流体人口側の空間（但し、前記反応粉
体カプセル２または前記扁平管７の手前側の空間）に常
温空気の供給管９及び水蒸気の供給管ＩＯを接続するこ
とにより前記空間を混合器１□となし、該供給管１０に
流ｆｌｉＡ節弁ｌｏｔを設けると共に、流体流出側の空
間内に検出端を挿入した温度指示調節計１１を設け、こ
の調節計により流量調節弁１０＋の開度を調節できるよ
うにしたものである。

しかして、この反応？：’ｆｒ３に常温空気と水蒸気を
供給すると前記反応式（２）により水蒸気の一部は生石
灰と反応して除去されると共に反応熱が発生する結果、
常温空気は昇温空気となって反応器３外に導出される。

したがって、温度指示調節計１１により調節弁１０＋の
開度を調節し水蒸気の供給量を調節することで、所定温
度の昇温空気を得ることができる。

特に、反応器３として第４図例のものを適用した場合、
混合気体が生石灰と充分良く接触するため、供給された
水蒸気の全量が消石灰Ｃａ（Ｏｆｆ）ｇに変化して消費
されるうえ、常温空気に同伴する水蒸気あるいは水滴も
同様にして消費され、同時に多孔体がか材としても作用
するので昇温空気は充分に乾燥し、微小径の異物を除去
された清浄なものとなる効果があり、しかも容易に４５
０℃程度までの任意温度に調節できる利点がある。

以上の実施例は、すべて反応性粉粒体として生石灰を、
流体として水蒸気をそれぞれ適用した例であり、反応器
は生石灰粉体の充填層として構成されたものであるが、
反応器の材料としては熱的、化学的に安定かつ生石灰等
に対し化学的に不活性なものを適用することが大切であ
る。

本発明では水蒸気−生石灰の組合わせの代わりに種々の
気体一固体の組合わせが採用できる０例えば水蒸気と生
石灰以外の水和反応性物質または水和塩との組合わせ、
アンモニアと塩化コバルトなどの各種７ンモニ７錯体生
成塩あるいは黒鉛やゼオライトなどの吸着材との組合わ
せ、水素と水素吸蔵合金やケイ素−水素化合物等の水素
吸蔵物質との組合わせなどが可能であり、これら組合わ
せの一部は炭化ケイ素の化学的安定性があってはじめて
実施できるものである。

特に、水素吸蔵物を使用した反応計ｔａ器としては、炭
化ケイ素がこれに通電することにより発熱体となること
を利用して第８図及び第９図に示すような実施例とする
ことができる。すなわち、前記通電時の発生熱により水
素吸蔵物を加熱することで水素解離反応を起こすことが
できるため、該吸蔵物の粉体を収納し水素のみを取り出
すためのフィルターがそのまま加熱体となるので、第８
図のように簡単な構造で水素を一定圧力で供給すること
が可能になる。

しかして、第８図において、容器ｌ内に設けた管板のう
ち一方の管板５１を絶縁電極、他方の管板５．を接地側
電極とし、これらの管板に跨がって、両端部が開放され
た前記多孔体からなる円管２、（これは第１図例の円管
２．に比べ直径、長さのいずれも充分大きいものとしで
ある）を複数本、横断面配置が千烏杖となるように固定
配備し、前記２枚の管板と容器の胴板と円管２．外面と
により形成される空間内に反応性粉粒体としての水素吸
蔵物の粉体Ｐを充填し、管板５．側の鏡板に水素導出管
１２を接続すると共に、管板５．側の空間内に圧力スイ
フチ１３の検出端を配設し、さらに該圧力スイッチを電
源１４に連絡せしめ、円管２．への通電の０Ｎ−ＯＦＦ
操作を自動的に行えるように構成したものである。なお
、この第８図例のものは粉体Ｐを交換することによ、す
、各種アンモニア吸蔵物を加熱してアンモニアを供給す
るための装置として用いることもできる。

本発明では炭化ケイ素による焼結多孔体を使用するので
反応器の伝熱性が著しく向上する効果があるが、反応性
粉粒体自体の伝熱性が低い場合には、反応する流体や粉
粒体に対して不活性かつ伝熱性良好な粉粒体または繊維
状物を前記反応性粉粒体に混入することで反応器の伝熱
性を更に増大することができ、したがうて前記反応式等
による反応をより活発かつ安定的に進行させることが可
能となる。炭化ケイ素の粉末または繊維はこの用途に極
めて好適なものであって、このように反応器の伝熱性を
増大することによって、第１図例では前記カプセル等の
径が増大できたり、第４図では粉体層ｌの層厚を太き（
することができたり、第８図例では円管２．の本数を減
少することができるなどの効果、ないしは反応器の運転
制御性をより向上することが可能となるなどの効果があ
る。

しかして、前記セラミックス多孔体はその気孔率２０〜
７０％とすることが好ましく、これにより機械的強度を
保持しながらも第２図〜第３図の保持体であれば反応ガ
スのｉ３過性を（員なわずに反応速度の抵抗を小さくと
どめる、あるいは第４図の保持体であれば出入口のガス
圧ｍを抑えて通風動力を小さくするなどの利点がある。

また、前記多孔体を気孔径が０．５〜３５０μｍの範囲
内で任意に異なるβ−５ｉＣの二層一体物として構成し
、気孔径の小さい方の層を薄膜状とすると共に、該薄膜
状部の片面を反応性粉粒体と接触する側の面とすること
により、化学反応により微粉化した消石灰の粒子が前記
多孔体の気孔内に入り込み閉塞による通気阻害が生じる
ことがなくなるなど、顕著な効果が得られるものである
。

なお、前記多孔体は積層体として構成すると共に、各層
の気孔径及び気孔率を反応性粉粒体に近づくに従って漸
減せしめたもの、例えば第１図例についていえば円管２
．の内面側はど気孔径等を小さくしたものが好ましく、
これにより保持体の強度がより高くなり前記同様の効果
が得られる。

本発明ではβ−５ｉＣの代わりにＺｒＢ１も通用でき、
β−３ｉＣと同様のその高い熱伝導率、導電性、耐熱性
と化学的安定性及び機械的強度を有効に生かした粉粒体
充填反応器を得ることができるものである。

〔発明の効果〕

以上述べたように未発明の粉粒体充填反応器は、炭化ケ
イ素またはホウ化ジルコニウムの多孔体の化学的安定性
、耐熱衝撃性、高温下での高い強度、高い熱伝導率、そ
れに通電発熱体であることなどの緒特性を生かし、また
、孔径調節や気孔率を広範囲で設定できる利点を生かせ
るので、蓄熱や水素、アンモニア等の貯蔵・輸送・供給
等の面で実用上多大の効果を奏しうるちのであって、特
に肉薄の多孔体で製作したものでも充分な耐久性があり
、コンパクトな装置により効率の良い前記化学反応また
は吸着・肌着反応を長時間安定して継続でき、反応性粉
粒体を斑な（これらの反応に関与させることができ、ま
た装置の運転・維持管理も簡便に行えるなどの利点を有
するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の縦断面図、第２図は反応粉
体カプセルの縦断面図、第３図は第２図１−［線による
断面図、第４図は別の実施例の縦断面図、第５図は第４
図ｎ−ｎ線による断面図、第６図は第４図Ａ部の拡大図
、第７図はさらに別の実施例の概略縦断面図、第８図は
さらに別の実施例の縦断面図、第９図は第８図ｎｒ−１
１１線による断面図、第１Ｏ図及び第１１図は本発明に
係る炭化ケイ素の相異なる物性を示すグラフである。 １・・・容器、１１・・・供給口、１ｇ・・・導出口、
１３・・・混合器、２・・・反応粉体カプセル、Ｌ、２
：＋・・・円管、２す・・・蓋、３・・・反応器、４・
・・多孔板、５＋＋５、・・・管板、６・・・板体、７
・・・扁平管、８１・・・流入口、８２・・・流出口、
９．ＩＯ・・・供給管、ｔＯ，・・・ｉ量調節弁、１１
・・・温度指示調節計、Ｌ２・・・水素導出管、１３・
・・圧力スイッチ、１４・・・電ｔＡゆ特許出願人　　
　　株式会社　荏原製作所代理人弁理士　　　薬　　師
　　　　　稔代理人弁理士　　　依　１）　孝　次　部
代理人弁理士　　　高　　木　　正　　行第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流体と反応して熱の出入を伴いながら化学反応及び
   ／又は吸着反応を行う反応性粉粒体を充填した反応器に
   おいて、炭化ケイ素粉末もしくは炭化ケイ素を主成分と
   する粉末、またはホウ化ジルコニウム粉末もしくはホウ
   化ジルコニウムを主成分とする粉末の焼結体からなるセ
   ラミックス製多孔体により形成した中空体を、外部に連
   通する開口部を有する適宜の容器内に配設し、該中空体
   内または該中空対外の空間に前記セラミックス製多孔体
   の気孔径より大きい粒径の前記反応性粉粒体を充填する
   と共に、該粉粒体を充填しない方の空間を前記開口部と
   連通せしめたことを特徴とする粉粒体充填反応器。 ２、前記中空体を円管となし、該円管内に前記反応性粉
   粒体を充填して粉粒体カプセルを構成する一方、前記容
   器には前記開口部として一端部に流体供給口、他端部に
   流体導出口をそれぞれ配設すると共に、該容器内に前記
   粉粒体カプセルを複数本充填した特許請求の範囲第１項
   記載の粉粒体充填反応器。 ３、前記中空体を管状体に形成すると共に、該管状体を
   複数本、前記容器内に互いに離隔対向して設けた２枚の
   管板に固定配備した特許請求の範囲第１項記載の粉粒体
   充填反応器。 ４、前記容器を直方状に形成し、前記中空体を断面長方
   形の偏平体に構成すると共に、該中空体を前記管板に複
   数多段に固定配備した特許請求の範囲第３項記載の粉粒
   体充填反応器。 ５、前記管板の一方を絶縁電極、他方を接地電極とし前
   記中空体に通電可能に構成すると共に、前記中空体内、
   または中空体外面と前記２枚の管板と容器の胴板とによ
   り形成される空間内に前記反応性粉粒体を充填した特許
   請求の範囲第３項又は第４項記載の粉粒体充填反応器。 ６、前記反応性粉粒体に、炭化ケイ素の粉末もしくは、
   繊維状物、炭化ケイ素を主成分とする粉末もしくは、繊
   維状物、ホウ化ジルコニウムの粉末もしくは、繊維状物
   、またはホウ化ジルコニウムを主成分とする粉末もしく
   は、繊維状物を共存せしめた特許請求の範囲第１項記載
   の粉粒体充填反応器。