JPS63185437A - 触媒反応器 - 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〕 本発明はスチームリフオーマなどのように触媒を反応管
内に内蔵した吸熱型触媒反応器に関する。

〔従来の技術〕

触ｖ＆を内蔵する反応管に対してその外表面より熱を加
えて内部に伝えるタイプの触媒反応器は各種炭化水素用
のスチームリフォーミングなどにおいて多用されておシ
、他にメタノール合成、アンモニア合成などにおいても
用いられている。

スチームリフォーミングは水蒸気を添加した炭化水素系
の燃料ガス例えば天然ガス、ＬＰＧ。

及びナフサ、灯油の気化ガスなどを高温のもとて触媒層
を通し、吸熱を伴う化学反応にょシ水素を主成分とする
ガスに変換する触媒反応である。

燃料ガスとしてメタン、プロパンそしてメタノールを使
った場合の化学反応式、反応温度及び吸熱量等を表１に
示す。

但し、出口ガス濃度は理想的に反応が進んだ場合の値で
あって実際には、燃料ガスの数％は反応せずに触媒層を
通過するので現実には表１の値を下まわり、５０〜７０
％ＶＯ１のものが多い。又、添加される水蒸気の量はカ
ーボン析出防止を目的として表１に示す量論比の２〜５
倍のケースが多い。

次にこのスチームリフオーミング反応を行なう触媒反応
器の従来例を第１２図に示す。炭化水素系のガスに水蒸
気を添加した原料ガスａが入口ヘッダ−１２及び入ロビ
グテイル１３を通って反応管１に送り込まれる。反応管
１の中には、触媒２が充填されており、原料ガスがそこ
を通過すると吸熱を伴った化学反応を起こして収電ガス
ｂとなシ、出ロピグテイル１４及び出口ヘッダ−１５を
通って触媒反応器２１から外へ送り出される。

この吸熱反応に必要な熱は断熱壁１６の一部に取付けら
れたバーナ１７Ａ？ら主に輻射伝熱により反応管１に伝
えられ次いで反応管内の触媒２に伝えられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の触媒反応器には次のような欠点がある０ｔＩＩＳ
Ｖ値（触媒の改質ガス生成能力を示す）くロメータ：触
媒容積当り単位時間に生成する改質ガス量単位（１／ｈ
ｒ））が５００〜２０００１７ｈと低く触媒及び反応管
を多く必要とし、大がかりな装置となるという欠点があ
った。

この原因のうち主なものは、伝熱を左右する熱通過率が
小さいこと、及び圧力損失が大きいことにある。

（２）吸熱反応に必要な熱の伝達量Ｑは＋１１式で、ま
た、熱通過率には（２）式で求めることができる。（２
）式において、反応管内壁の熱伝達率α。

が小さいこともあり熱通過ｙｓＫは低い値となっていた
。

Ｑ＝ＫＸ（Ｔｈ−Ｔ、）ＸＦｋｃａｌ／ｍ”１１ｈｒ　
　＝１１１但し、Ｑ：単位時間当シの伝熱量　ｋＣａ１
／ｈｒＦ：伝熱面積　　　　　ｍ８ に：熱通過率ｋｃｈ”１７ｍ”　ｈｒＣα：熱伝達率　
　　　　ｋｃａｌ／ｍ”ｈｒ℃δ：反応管の厚さ　　　
ｍ λ：反応管の熱伝導率ｋｃａｌ／ｍ　ｈｒ℃ｈ：（添字
）高温度ａを指す。

Ｃ：（Ｉ　）低温度＠を指す。

Ｔ：温度 この対策として反応管内面にフィンをつける等の試みも
一部ではなされているが、工作及び触媒交換の点から鮭
済的であるとは言えないものである。

（３）　　圧力損失の増大はそれだけ原料ガスの圧力を
上昇させねばならず装置の効率を著しく損うものである
。

（４）触媒充填時の触媒損傷防止、均一充填、圧損計測
などの作業負担、さらには真空ポンプ等による長時間の
触媒抜取作業など触媒交換時の作業負担は無視できない
マイナス要因の１つである。

本発明は、上記の欠点を解消し、熱通過率を大きくシ、
かつ、圧力損失を小さくシ、そして触媒交換を容易とし
た触媒反応器を提供しようとするものである。

〔問題点を解決する丸めの手段〕

本発明は外部から加熱される縦型反応管の中に該反応管
の管形に沿ったノーニカム触媒を内部する反応器におい
て、昇降手段含有する目皿の上に該触媒を載せ、かつ、
金属弾性体を介して該触媒を半径方向に押圧支持するこ
とを特徴とする触媒反応器である。

ハニカム触媒は反応管の軸に沿って多数のガス通路を有
し、円柱状若しくは円柱を半径方向に２つ以上に分割し
た断面扇状の一体型の触媒である。この触媒は昇降可能
な目皿の上に置かれている。目皿はワイヤ、棒、パイプ
等の吊下げ部品に結合されており、反応管の上方より触
媒を引出すことができるようになっている。金属弾性体
は金属製のコイルバネ、フェルト、ベローズ等であり、
上記触媒と反応管との間隙、又は触媒と触媒との間隙に
挿入されており、反応管と触媒ｔ−直接的又は間接的に
半径方向に押圧支持することにより反応管から触媒への
熱通過率の向上を図っている。

〔実施例〕

本発明の触媒反応器の具体例全第１図〜＠１１図によ＃
）説明する。

第１図〜第３図は円柱状のハニカム触媒を用い、該触媒
と反応管との間隙に金属製コイルバネを挿入した例であ
る。第１図は触媒反応器の反応管を拡大した正断面図、
第２図は第１図のＡ−Ａ矢視断面図、第３図は第１図の
Ｂ−Ｂ矢視断面図である。この触媒反応器は反応管の内
部構造に特徴を有し、その他の装置構成は前記の第１２
図の触媒反応器と違いはない。

ｗｃ１図において、円柱状ハニカム触媒２ｔ−載せ九目
皿５は該触媒を貫通する３本のワイヤ４により反応管１
の上部の７ツク６に支持されている。触媒２ｔ−交換す
るときには反応管１の上蓋を取シ除き、ワイヤ４を引き
上げて目皿の上の触媒を取シ出すことができる。また、
触［２を装填しているときには図のようにワイヤ４で吊
り下げる代りに、反応管１の下部に設けた支え金具７の
上に積み重ねて支持することもできる。触媒２と反応管
１との間隙には金属製コイルバネ５が挿入されており、
半径方向に押圧支持している。このコイルバネ５は反応
管１の外部より加えられた熱を触媒２に伝える伝熱素子
の役割もしている。即ち、反応管内壁より触媒に熱を伝
えるのは、輻射伝熱と対流伝熱とこのコイルバネによる
接触伝熱による。このコイルバネ５は上下Ｗ７１ｔ−目
皿３に同定され、その諸元を次のように設定することが
できる。

Ｄ冨＜　Ｄｐ　＜　Ｄｉ ｆｆｌ　Ｌ　Ｄｌｌ　：コイルバネのコイル外径Ｄｌ：
反応管の内径 り鵞：円柱状ハニカム触媒の外径 Ｄｐ：コイルバネのピッチ円直径 なお、コイルバネ５を目皿３から独立して装着するとき
には、触媒交換時に予じめコイル／ぐネ５を反応管１か
ら引出し、触媒２を反応管１との抑圧関係から解放して
触媒の引き上げを容易にすることもできる。

第２図は反応管の断面を示したもので、反応管１と触＠
２の瑚状間隙に１６個のコイルノ（ネ５を等間隔で配置
し、目皿吊り下げ用のワイヤ４’ｆｆＳ本備えた例であ
る。第３図は目皿３の位置の断面図を示したもので、目
皿Ｓの移動を可能にするために反応管１との間に隙間を
設けである。

このような反応管１ｔ−２枚の断熱壁１６０間に配置し
て反応管１の外側から加熱し、原料ガスａｌｊ入ロピグ
ティル１３より反応管１の中に導入され、ハニカム触媒
２のガス通路を通る間に吸熱反応を進行させ、改質ガス
ｂとして出ロピグテイル１４より回収される。

第４図及び第５図は第１図の触媒反応器の変形であり、
第１図のコイルバネの代シに伝熱素子として弾性金属繊
維からなるフェルト又はベローズを用いた例である。

第４図は円柱状ハニカム触媒２の周囲が隠れるように弾
性を有する金属繊維のフェルト８ｔ−巻き、数ケ所を耐
熱金属線９で巻き締めたもので、触媒交換時にフェルト
が触媒から脱離するのを防いでいる。このフェル）Ｈ厚
みがｃＬ５〜１０ｍｍのものが使用される。

第５図は触媒２の周囲にフレヤシプルパイプ形状の金属
弾性体（ベローズ）１１ｔ−配設したものである。これ
は、厚みが１１１Ｎ５１１ＩＩの金属製多孔板金じゃ膜
状で、かつ、全体としては円筒状に成形したもので、伝
熱素子として有効なものである。

第６図は、第１図のもう１つの変形であり、二重管の環
状部にハニカム触媒を装填したものである。図中、反応
管１の中心に改質ガス導管１８ｔ″配置したもので、そ
の中間の環状部に円柱状ハニカム触媒２ｆ：装填する。

図の触媒は放射状に４等分されている。触媒２はこれを
貫通するワイヤ４によシ支持される目皿の上に載せられ
ている。触媒２と反応管１との間隙には３２個のコイル
バネ５が等間隔で配置されており、コイルバネの接触伝
熱等により反応管１から触媒２に熱が伝えられる。なお
、触媒２の周囲の間隙１９及び２０は触媒の形状の調整
により殆んど無くすることができるが、この間隙に上記
第４図のフェルトを挿入することもできる。

第７図〜第１１図は、反応管の内面にハニカム触媒を直
接接触させ熱伝導の向上を図った触媒反応器の例である
。

第７図は第１図に相当する反応管の拡大断面図、第８図
は第７図のＡ−Ａ矢視断面図である。

円柱状ハニカム触媒２は軸線に沿って２分されており、
それぞれ触媒を反応管１に押し付けるように、２つの触
媒の間にコイルバネ５が設けられている。このような触
媒２を目皿３の上に載せワイヤ４でフック６に支持する
ことは第１図と変らない。この触媒反応器は反応管内面
にハニカム触媒の側面が直接接触するので接触伝熱の効
率がよい。なお、触媒の交換時にはコイルバネの押圧力
を弱めることにより反応管と触媒の摩擦を軽減すること
が好ましい。

第９図は第７図の変形であシ、二重管の環状部に沿って
環状ハニカム触媒２ｔ−装填したもので、触媒は半径方
向に４等分されている。中心のガス導管１８と触媒２の
間に板バネ１ｏｔ−入れて触媒２ｔ−反応管１の内壁に
押圧して直接接触させる。

第１０図及び第１１図は第９図の反応管について常温時
と作動中の高温時の状況を説明するための図である。第
１１図は第１０図のＡ−Ａ矢視断面図である。図中実線
で示したのは常温時の位置関係であり、点線は作動中の
高温時のものである。反応管１は高温時には１′の位置
までδだけ熱膨張する。触媒２Ｆ１反応管１に比べて熱
膨張が小さいので、触媒２と改質ガス導管１８との間隙
は図のように広がり、板バネは１０から１０′へと解放
されるが、その時点においても必要とする押圧力を維持
するような板バネを用いるとよい。

第７図〜第９図の装置ではコイルバネもしくは板バネを
反応管内面よシ遠い所、即ち、反応管内の比較的低温部
に配置することができるので、これらの弾性体の寿命を
長くすることができる０ 〔発明の効果〕 本発明は上・記構成を採用することにより、触媒の交換
が容易となり、圧力損失を軽減することができ、かつ、
反応管と触媒を金属弾性体を介し、若しくは直接接触す
ることにより接触伝熱を効果的にし、熱通過率を高めて
Ｓｖ値全飛紹的に向上させることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図図は本発明の実施例である触媒反応器の
断面図であシ、第１図〜第６図はハニカム触媒と反応管
の間隙に伝熱素子である金属弾性体を挿入した例であり
、第７図〜第９図は触媒を反応管に押し付けるように金
属弾性体を配置した例である。 第１０図及び第１１図は第９図の反応管の常温時と作動
中の高温時の状況を説明するための図、第１２図は、従
来の吸熱型触媒反応器の全体の断面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 外部から加熱される縦型反応管の中に該反応管の管形に
   沿つたハニカム触媒を内蔵する反応器において、昇降手
   段を有する目皿の上に該触媒を載せ、かつ、金属弾性体
   を介して該触媒を半径方向に押圧支持することを特徴と
   する触媒反応器。