JPWO2019240156A1 - 反応装置 - Google Patents

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Abstract

反応装置1は、反応流体を流通させる第1流路11、及び、熱媒体を流通させる第2流路21を有する熱交換部2と、熱交換部2の側面に設けられた挿入口5aから第1流路又は第2流路まで延伸する温度センサの導入路5と、熱交換部2の側面に接続し、挿入口5aを介して導入路5に連通する温度センサの配管4と、配管4内に設けられる治具6と、を備える。治具6には、基端6bから先端6aに向けて延伸し、導入路5の挿入口5aに向かって開口するガイド孔7が設けられる。ガイド孔7は、治具6の基端6bから先端6aに向かうテーパ孔7bを含む。

Description

本開示は、熱交換型の反応装置に関する。
熱交換型の反応装置は、熱媒体によって反応原料を含んだ反応流体を加熱又は冷却することで、反応流体の反応を進行(促進)させている。このような反応装置は、例えば、反応流体を流通させる反応流路と、熱媒体を流通させる熱媒流路とを有する熱交換部を備えている。
反応流体と熱媒体との熱収支のバランスは、反応流路内における反応の進行状況に影響を与える。従って、反応流体の反応を効率的に進行させるには、熱収支のバランスを良好に調整することが重要である。そのためには、反応装置内を流通する流体の温度を測定可能であることが望まれる。特許文献1が開示する反応装置は、熱交換部内において反応流体及び熱媒体のうちの少なくとも一方の流路を流通する流体の温度を検出する検出部を備えている。
特開2017−131796号公報
上述の通り、反応の進行状況を正確に把握するには、熱交換部の様々な箇所に温度センサを設置する必要がある。一方、温度センサの流路への設置に当たっては、流体の流れを阻害せず圧損が生じにくい構造が望まれる。このような状況の下では、熱電対のような細長い形状の温度センサが好適であり、これは反応装置における各流路の流路面積が小さくなるほど効果的となる。しかしながら、このような形状の温度センサは撓み易い一方で、当該温度センサの設置構造も微小なものとなる。また、反応流体の圧力が高い場合、製作や構造上の制約から、温度センサの挿入経路に段差が生じることがある。これらの理由により、その設置作業に膨大な時間を要してしまう。
本開示は、熱交換部への温度センサの設置が容易な反応装置を提供することを目的とする。
本開示の一態様は反応装置であって、反応流体を流通させる第1流路、及び、熱媒体を流通させる第2流路を有する熱交換部と、前記熱交換部の側面に設けられた挿入口から前記第1流路又は前記第2流路まで延伸する温度センサの導入路と、前記熱交換部の前記側面に接続し、前記挿入口を介して前記導入路に連通する前記温度センサの配管と、前記配管内に設けられ、前記導入路の前記挿入口に面する先端と、前記先端と反対側に位置する基端とを有する治具と、を備え、 前記治具には、前記基端から前記先端に向けて延伸し、前記導入路の前記挿入口に向かって開口するガイド孔が設けられ、前記ガイド孔は、前記基端から前記先端に向かうテーパ孔を含む、ことを要旨とする。
前記治具は前記配管内に移動可能に設けられていてもよい。前記治具は、前記基端側に位置する大径部と、前記先端側に位置し且つ前記大径部よりも小さい外径をもつ小径部とを含んでもよい。前記配管は、前記治具の最大径以上の内径をもつ肉薄部と、前記治具の最大径未満の内径をもつ肉厚部とを含んでもよい。前記肉薄部は前記熱交換部の前記側面に面する端部に位置してもよい。前記肉厚部の内径は、前記治具の前記基端における前記テーパ孔の開口径以下でもよい。前記治具は前記配管内に固定されていてもよい。
本開示によれば、熱交換部への温度センサの設置が容易な反応装置を提供することができる。
図1は、本実施形態に係る反応装置を示す側面図である。 図2は、図1におけるA−A線断面図である。 図3は、図1におけるB−B線断面図である。 図4は、本実施形態に係る熱交換部の一部を示す立体断面図である。 図5は、本実施形態に係る温度センサの導入路とその周辺を示す拡大断面図であり、(a)は第1流路の延伸方向から見た断面図、(b)は(a)におけるb−b線断面図である。 図6は、本実施形態に係る治具の断面図である。 図7は、温度センサを導入路に装着する工程を段階的に示した図である。 図8は、本実施形態に係る治具の変形例を示す図であり、(a)は第1変形例を示す側面図、(b)は第2変形例を示す側面図である。 図9は、本実施形態に係る配管の変形例を示す断面図である。 図10は、本実施形態の変形例を示す断面図である。
以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図1は、本実施形態に係る反応装置1を示す側面図である。図2は、図1におけるA−A線断面図である。図3は、図1におけるB−B線断面図である。説明の便宜上、図2及び図3では、導入路5などの温度センサ3に関連する構造の図示を省略している。反応装置1は、反応原料を含む反応流体と熱媒体の間の熱交換により反応流体を加熱又は冷却することで、反応流体の反応を進行(促進)させるものであり、化学反応器と称されることもある。
反応装置1は熱交換部2を備える。熱交換部2は、複数の第1熱伝導体10と、複数の第2熱伝導体20と、蓋板30とを備える。第1熱伝導体10、第2熱伝導体20及び蓋板30は、耐熱性を有する熱伝導性素材で形成された平板状部材であり、反応流体Rの流通時に発生する高い内圧に耐えられる十分な厚みを有する。
第1熱伝導体10は、反応流体を流通させる第1流路11を有する。一方、第2熱伝導体20は、熱媒体を流通させる第2流路21を有する。第1熱伝導体10と第2熱伝導体20は交互に積層され、その最上部(或いは最下部)に蓋板30が設置される。後述の通り、本実施形態の熱交換部2は、反応流体と熱媒体が互いに反対方向に流れる対向流型の構造を有する。なお、熱交換部2は、反応流体と熱媒体が同方向に流れる並行流型の構造を有していてもよい。
積層体である熱交換部2の両端は、固定部材32、33によって保持される。固定部材32には、反応流体導入部34が取り付けられている。反応流体導入部34は、凹状に湾曲した蓋体であり、熱交換部2との間に空間S1を形成する。空間S1には、複数の第1流路11の第1導入口12が開口している(図2参照)。反応流体導入部34は、反応流体Rを導入するための第1導入管36を有する。反応流体Rは、第1導入管36を介して各第1流路11に流入する。
生成物排出部41は、1つの開放面を有する箱状部材である。生成物排出部41は、当該開放面が第1熱伝導体10の第1排出口18に合うように、熱交換部2に設置される。また、生成物排出部41は第1排出管42を有する。第1排出管42は、反応流体R由来の生成物を含む反応ガスPを排出する。
固定部材33には、熱媒体導入部35が取り付けられる。熱媒体導入部35は、反応流体導入部34と同様に、凹状に湾曲した蓋体であり、熱交換部2との間に空間S2を形成する。空間S2には複数の第2流路21の第2導入口22が開口している。熱媒体導入部35は、熱媒体Mを導入する第2導入管37を有する。熱媒体Mは、第2導入管37を介して各第2流路21に流入する。
熱媒体排出部43は、生成物排出部41と同様に、1つの開放面を有する箱状部材である。熱媒体排出部43は、当該開放面が第2熱伝導体20の第2排出口28に合うように、熱交換部2に設置される。また、熱媒体排出部43は第2排出管44を有する。第2排出管44は、熱交換部2を流通した熱媒体Mを排出する。
図2に示すように、第1熱伝導体10は、反応領域を含む複数の第1流路11を有する。第1流路11主な反応領域は、例えば、その中間部分である。第1流路11は、後述の第2熱伝導体20内の第2流路21を流通する熱媒体の熱を受容することによって反応流体Rに反応を起こし、反応流体R由来の生成物を含む反応ガスPを生成する。
第1流路11は、第1熱伝導体10の一方の面(本実施形態では上面)に形成され、矩形の断面を有する溝である。第1流路11は、固定部材32側に位置する第1導入口12から、固定部材33に向けて直線状に延伸している。図2に示すように、複数の第1流路11は並列に配列する。
第1熱伝導体10は、第1隔壁13と、2つの第1側壁14と、複数の第1中間壁15と、第1端壁16とを含む。第1側壁14、第1中間壁15および第1端壁16は、第1隔壁13の一方の面に設けられる。第1隔壁13は矩形の壁部であり、第1熱伝導体10の全体的な形状を規定する。第1側壁14は、第1流路11の延伸方向の両側に設けられる壁部である。複数の第1中間壁15は、2つの第1側壁14の間に位置し、各第1側壁14と並列に設けられる壁部である。
第1端壁16は、第1流路11を挟んで第1導入口12と反対側に設けられ、第1流路11の配列方向に延伸する壁部である。第1端壁16は、空間S2への反応ガスPの流入を阻止する。
第1熱伝導体10は、第1端壁16に沿って延伸する第1連絡流路17を有する。第1連絡流路17は、全ての第1流路11に連通するとともに、第1排出口18に連通する。第1流路11と同じく、第1連絡流路17も反応流体Rや反応ガスPを流通させる流路であり、両者に実質的な差異は無い。
図3に示すように、第2熱伝導体20は、複数の第2流路21を有する。第2流路21は、熱媒体Mの熱を第1熱伝導体10に供給する。
第2流路21は、第2熱伝導体20の一方の面(本実施形態では上面)に形成され、矩形の断面を有する溝である。第2流路21は、固定部材33側に位置する第2導入口22から、固定部材32に向けて直線状に延伸している。図3に示すように、複数の第2流路21は並列に配列する。
第2熱伝導体20は、第2隔壁23と、2つの第2側壁24と、複数の第2中間壁25と、第2端壁26とを含む。第2側壁24、複数の第2中間壁25および第2端壁26は、第2隔壁23の一方の面に設けられる。即ち、これらは、第1隔壁13に対して第1側壁14等が設けられる面と同様の面に設けられる。第2隔壁23は、矩形の壁部であり、第2熱伝導体20の全体的な形状を規定する。第2側壁24は、第2流路21の延伸方向の両側に設けられる壁部である。複数の第2中間壁25は、2つの第2側壁24の間に位置し、各第2側壁24と並列に設けられる壁部である。
第2端壁26は、第2流路21を挟んで第2導入口22と反対側に設けられ、第2流路21の配列方向に延伸する壁部である。第2端壁26は、空間S1への熱媒体Mの流入を阻止する。
第2熱伝導体20は、第2端壁26に沿って延伸する第2連絡流路27を有する。第2連絡流路27は、全ての第2流路21に連通するとともに、第2排出口28に連通する。
第1流路11には、反応を促進させるための触媒体(図示せず)を設置してもよい。触媒体に含まれる触媒は、化学反応の進行促進に有効な活性金属を主成分として有し、反応装置1で遂行する合成反応に基づいて、反応促進に適したものが適宜選択される。触媒成分である活性金属としては、例えば、Ni(ニッケル)、Co(コバルト)、Fe(鉄)、Pt(白金)、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)等が挙げられ、1種、又は、反応促進に有効である限り、複数種を組み合わせて使用してもよい。触媒体は、例えば、触媒を構造材に担持することにより調製される。構造材は、耐熱性の金属から、成形加工が可能で、触媒の担持が可能なものが選択される。
熱交換部2は、液−液型熱交換器、気−気型熱交換器及び気−液型熱交換器のいずれとしても使用可能である。反応流体及び熱媒体は、気体及び液体のいずれであってもよい。また、本実施形態の反応装置1は、吸熱反応や発熱反応など様々な熱的反応による化学合成を遂行できる。そのような熱的反応による合成として、例えば、式(1)で示すメタンの水蒸気改質反応、式(2)で示すメタンのドライリフォーミング反応のような吸熱反応、式(3)で示すシフト反応、式(4)で示すメタネーション反応、式(5)で示すフィッシャー−トロプシュ(Fischer tropsch)合成反応等の発熱反応による合成がある。なお、これらの反応における反応流体は気体である。
CH + HO → 3H + CO ・・・(1)
CH + CO → 2H + 2CO ・・・(2)
CO + HO → CO + H ・・・(3)
CO + 3H → CH + HO ・・・(4)
(2n+1)H + nCO → C2n+2 + nHO ・・・(5)
熱媒体は、反応装置1の構成素材を腐食させない物質が望ましい。熱媒体として加熱ガスを用いる場合は、燃焼ガス、加熱空気等の気体状物質が使用できる。熱媒体は、例えば、水、油等の液状物質でもよい。
図4は、熱交換部2の一部を示す立体断面図である。図5は、後述する温度センサ3の導入路5とその周辺を示す拡大断面図であり、図5(a)は第1流路11及び第2流路21の延伸方向から見た断面図、図5(b)は図5(a)におけるb−b線断面図である。本実施形態の温度センサ3は、外径が1mmから数mm程度の熱電対である。なお、反応装置1の仕様に応じて、同様の外径をもつ測温抵抗体なども温度センサとして適用可能である。
上述の通り、熱交換部2は交互に積層される第1熱伝導体10と第2熱伝導体20の積層体と、この積層体の最上部に設置される蓋板30とを備える。第1流路11と第2流路21とは、第1隔壁13又は第2隔壁23を介して非接触で隣り合う。
図4に示すように、第1熱伝導体10及び第2熱伝導体20の交互の積層、並びに、蓋板30の設置によって、熱交換部2は側面2aを有する直方体の構造となる。側面2aは、第1流路11及び第2流路21に沿って、第1流路11及び第2流路21の各配列方向の両側に位置する。この側面2aには、温度センサ3が挿入される導入路5の挿入口5aが設けられる。なお、温度センサ3の挿入を容易にするため、挿入口5aの縁部は面取りされていてもよい(図9参照)。
後述の通り、導入路5は第1流路11又は第2流路21に連通する。反応流体Rや熱媒体Mが導入路5から流出することを防止し、且つ、温度センサ3を保護するため、側面2aには、温度センサ3の配管4が接続する。
図5(a)に示すように、配管4の先端(端部)4aは、挿入口5aを囲むように側面2aに固定される。また、配管4の先端4aは、配管4と挿入口5aの各中心軸が一致するように側面2aに固定される。従って、配管4は挿入口5aを介して導入路5に連通する。側面2aと配管4の間からの流体の漏れを防止し、且つ、配管内に生じる高い圧力に耐えるため、配管4は全周に亘る溶接によって側面2aに固定される。なお、配管4の後端は周知の継手45により温度センサ3を保持しつつ、配管4の後端を封じている。
温度センサ3の導入路5は、第1流路11及び第2流路21に対してねじれの位置関係をもって挿入口5aから延伸し、第1流路11又は第2流路21に連通する。例えば、導入路5は、第1隔壁13において第1流路11が設けられる側と反対側の表面、或いは、第2隔壁23において第2流路21設けられる側と反対側の表面に形成される。第1隔壁13及び第2隔壁23は、反応流体Rの流通時に発生する高い内圧に耐えられるよう十分な厚みを有する。従って、導入路5の形成が可能となる。
上述の通り、導入路5は、第1流路11及び第2流路21に対してねじれの位置関係をもって挿入口5aから延伸している。そのため、測定対象である反応流体Rまたは熱媒体Mの流れに対する温度センサ3の干渉を抑えつつ、所望の箇所に温度センサ3を設置できる。
温度センサ3は、配管4を通じて導入路5に挿入される。ただし、挿入口5aを含む導入路5の内寸(内径)は、温度センサ3の外寸(外径)と同程度(例えば1mmから数mm)である。一方、配管4の肉厚は、その内部に生じる高圧に対して十分な強度(耐性)を有し、重量の過剰な増加を抑え、且つ、溶接等による配管4と熱交換部2の間の確実な接続と内部空間の密閉が確保できる値に設定される。従って、配管4の内寸(内径)は、導入路5の内寸(内径)よりも十分に大きく、例えば数倍程度の値に設定される。
挿入口5aの周囲には、このような内寸の差による段差が生じる。そのため、配管4が熱交換部2に固定された状態では、温度センサ3を挿入口5aに挿入することが困難となる。温度センサ3の長さが数百mmに達する場合には、挿入作業(設置作業)に支障が生じてしまう。そこで本実施形態では、図5に示すように、配管4内に治具6が設けられる。治具6は、配管4に挿入された温度センサ3の先端を挿入口5aに導く。
図6は、本実施形態に係る治具6の断面図である。この図に示すように、治具6は一方向に延伸する棒状体である。治具6は配管4の内部形状(断面形状)に合わせた外部形状(断面形状)を有する。例えば、治具6は一方向に延伸する軸対称な円柱状に形成される。
治具6は、導入路5の挿入口5aに面する先端6aと、先端6aと反対側に位置する基端6bとを有する。治具6には、基端6bから先端6aに向けて延伸し、導入路5の挿入口5aに向かって開口するガイド孔7が設けられる。ガイド孔7は治具6の中心に形成される。
ガイド孔7は、基端6bから先端6aに向かって延伸し、通孔7aに連通するテーパ孔(テーパ部)7bを含む。換言すれば、ガイド孔7は、先端6a側に形成される通孔7aと、基端6b側に形成されるテーパ孔7bとから構成される。通孔7aは一定の内径を有する一方、テーパ孔7bは通孔7aと同一軸上に位置すると共にその内径を通孔7aの内径まで減少させながら延伸する。なお、ガイド孔7は、テーパ孔7bのみから構成されてもよい。この場合、テーパ孔7bは基端6bから先端6aまで延伸することになる。また、テーパ孔7bの開口径d7bは、治具6の最大径d6max或いはそれ近い値を有する。
治具6は配管4内に移動可能に設けられている。即ち、治具6の最大径d6maxは、配管4の内径に略等しい。換言すれば、治具6の最大径d6maxは、治具6の中心軸が過剰に傾斜しない程度の値に設定されている。上述の通り、配管4の先端4aは、配管4と挿入口5aの各中心軸が一致するように側面2aに固定される。従って、配管4が上述の寸法をもつことで、先端6a側のガイド孔7の開口が挿入口5aに対向する状態を維持できる。また、治具6と配管4は互いに別体として設けられているため、温度センサ3の形状(例えば外寸)に合った治具6を容易に形成でき、配管4の余計な加工を回避できる。
図7は、配管4が熱交換部2の側面2aに固定された状態において、温度センサ3を導入路5に装着する工程を段階的に示した図である。図7(a)は工程の初期状態を示し、同工程は図7(b)及び図7(c)に示す各状態を経て、図7(d)に示す最終状態に至る。
図7(a)に示すように、治具6は、配管4が熱交換部2の側面2aに固定される前に、配管4内に挿入されている。或いは、治具6は、配管4が熱交換部2の側面2aに固定された後に、配管4の後端から挿入される。何れも場合も、温度センサ3は、治具6が配管4内に配置された後に、配管4の後端から挿入される。
図7(b)に示すように、温度センサ3を配管4に挿入すると、温度センサ3の先端が治具6のテーパ孔7bに当接する。上述の通り、治具6は配管4内に移動可能に設けられている。従って、温度センサ3を更に挿入すると、治具6も熱交換部2の側面2a(挿入口5a)に向けて移動する。
図7(c)に示すように、温度センサ3を更に挿入すると、治具6の先端6aが熱交換部2の側面2aに当接する。これにより治具6の移動が規制される。一方、温度センサ3の先端は、治具6の中心軸に近づくようにテーパ孔7bの斜面上を摺動する。その後、温度センサ3はガイド孔7を通過して、熱交換部2の挿入口5aに進入する。
図7(d)に示すように、温度センサ3の先端は、最終的に導入路5の所定の箇所(例えば第1流路11に露出する箇所)に到達する。即ち、温度センサ3(温度センサ3の先端)は、配管4から、治具6のガイド孔7及び熱交換部2の挿入口5aを介して、導入路5の所定の箇所に到達する。
このように、治具6は、挿入口5aへの温度センサ3の挿入を補助する。治具6の基端6b側にはテーパ孔7bが設けられており、その開口は温度センサ3の先端に向かっている。従って、温度センサ3の挿入時に、温度センサ3の先端を治具6の中心軸、換言すれば、熱交換部2の挿入口5aが設けられた位置(高さ)まで、導くことができる。従って、温度センサ3の挿入作業が容易になる。即ち、熱交換部2への温度センサ3の設置が容易になる。
図8は治具6の変形例を示す図であり、(a)は第1変形例を示す側面図、(b)は第2変形例を示す側面図である。これらの図に示すように、治具6は、先端6a側に位置する小径部6cと、基端6b側に位置する大径部6dとを含んでもよい。この場合、小径部6cは、大径部6dよりも小さい外径をもつ。大径部6dの直径は、治具6の最大径d6maxに設定される。一方、小径部6cは、図8(a)に示すようにテーパ形状を有してもよく、図8(b)に示すように一定の外径を持つ筒形状を有してもよい。何れの場合においても、治具6の先端6aは、配管4の先端4a近傍の内面に接触しない。従って、配管4を熱交換部2の側面2aに溶接する際に、治具6の熱変形や溶融を防止することができる。
図9は配管4の変形例を示す断面図である。この図に示すように、配管4は、治具6の最大径d6max以上の内径d4bをもつ肉薄部4bと、治具6の最大径d6max未満の内径d4cをもつ肉厚部4cとを含んでもよい。この場合、肉薄部4bは、熱交換部2の側面2aに面する配管4の先端(端部)4aに位置する。
配管4の全長が比較的長い場合(例えば1m程度又はそれ以上の場合)でも、配管4の内径が一定で、且つ、配管4が極端に曲げられてない限り、治具6は配管4内の全長に亘って移動できる。このような状況において、治具6が配管4の後端、即ち、継手45(図4参照)に近い場所に位置していると、棒状部材等の手段を用いて治具6を押し、熱交換部2の近傍まで移動させる必要が生じる。温度センサ3の数が多い場合は、このような移動作業の増加が効率的な作業の妨げとなる。
配管4に、図8に示すような肉薄部4bが設けられている場合、治具6の移動範囲は肉薄部4bが形成された範囲内に制限される。従って、治具6の位置は肉薄部4b内に特定できるので、上述の移動作業を省略できる。また、配管4を曲げる場合、その屈曲箇所から配管4の後端までの間に治具6が位置する事故を回避できる。
なお、肉薄部4bが設けられる場合、肉厚部4cの内径d4cは、治具6の基端6bにおけるテーパ孔7bの開口径d7b以下でもよい。肉厚部4cの内径d4cがテーパ孔7bの開口径d7b以下であれば、温度センサ3の挿入時、温度センサ3の先端は、配管4の内面と治具6とによって形成される段差に当接することが無い。即ち、温度センサ3の円滑な挿入が可能となり、温度センサ3の設置作業が向上する。
図10は本実施形態の変形例を示す断面図である。この図に示すように、治具6は配管4内に固定されていてもよい。治具6は点溶接や圧入などによって配管4内に固定される。配管4が熱交換部2に溶接される際に治具6の熱変形等が懸念されない場合には、治具6の位置確認やその移動工程が省略できるので、温度センサ3の設置作業が向上する。
なお、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

Claims (6)

  1. 反応流体を流通させる第1流路、及び、熱媒体を流通させる第2流路を有する熱交換部と、
    前記熱交換部の側面に設けられた挿入口から前記第1流路又は前記第2流路まで延伸する温度センサの導入路と、
    前記熱交換部の前記側面に接続し、前記挿入口を介して前記導入路に連通する前記温度センサの配管と、
    前記配管内に設けられ、前記導入路の前記挿入口に面する先端と、前記先端と反対側に位置する基端とを有する治具と、
    を備え、
    前記治具には、前記基端から前記先端に向けて延伸し、前記導入路の前記挿入口に向かって開口するガイド孔が設けられ、
    前記ガイド孔は、前記基端から前記先端に向かうテーパ孔を含む、
    反応装置。
  2. 前記治具は前記配管内に移動可能に設けられている、
    請求項1に記載の反応装置。
  3. 前記治具は、前記基端側に位置する大径部と、前記先端側に位置し且つ前記大径部よりも小さい外径をもつ小径部とを含む、
    請求項2に記載の反応装置。
  4. 前記配管は、前記治具の最大径以上の内径をもつ肉薄部と、前記治具の最大径未満の内径をもつ肉厚部とを含み、
    前記肉薄部は前記熱交換部の前記側面に面する端部に位置する、
    請求項1〜3のうちの何れか一項に記載の反応装置。
  5. 前記肉厚部の内径は、前記治具の前記基端における前記テーパ孔の開口径以下である、
    請求項4に記載の反応装置。
  6. 前記治具は前記配管内に固定されている、
    請求項1に記載の反応装置。
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