KR20220156951A - 반응 장치 - Google Patents

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KR20220156951A
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고이치로 이케다
쇼 나카가미
히나코 마쓰오
유키오 히라나카
사토시 모리
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오사까 가스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 반응관의 열팽창 후의 수축에 의해, 촉매가 변형 손상되는 것을 억제할 수 있는 반응 장치를 제공한다. 충전된 입상의 촉매를 받아내고 또한 처리 가스를 통류시키는 촉매 지지부를 바닥부에 구비하는 형태로 상하 방향을 향하는 자세로 설치된 반응관(A)과, 반응관(A)의 외면을 가열하는 연소부가 설치되고, 반응관(A)에서의 촉매에 접촉하는 통형의 촉매 지지면(U)에, 촉매의 일부를 들어가게 하는 상태로 상기 촉매가 걸리는 걸어맞춤 오목부(D)가 복수 형성되어 있다.

Description

반응 장치
본 발명은, 충전된 입상의 촉매를 받아내고 또한 처리 가스를 통류시키는 촉매 지지부를 바닥부에 구비하는 형태로 상하 방향을 향하는 자세로 설치된 반응관과,
상기 반응관의 외면을 가열하는 연소부가 설치된 반응 장치에 관한 것이다.
이러한 반응 장치는, 천연가스나 나프타 등의 탄화수소계 가스인 원료 가스를, 수증기를 혼합시킨 상태에서, 반응관에서의 외관(外管)과 내관(內管) 사이에 공급함으로써, 수중기 개질 처리에 의해 수소 성분이 많은 개질 가스로 개질하는 등, 원료 가스를 반응 처리하기 위해 사용되게 된다.
이와 같은 반응 장치의 종래예로서, 반응관이, 바닥부가 폐색되고 또한 상단(上端)측이 지지된 외관과, 해당 외관의 내부에 상단측이 지지된 상태로 배치되고 또한 바닥부가 개구하는 내관으로 이루어지고, 촉매가 외관과 내관 사이에 충전되고, 다수의 세공을 가지는 칸막이판을 촉매 지지부로서, 내관의 바닥부에 설치하여, 이 칸막이판에 의해 외관과 내관 사이에 충전된 촉매를 받아내어 지지하도록 구성된 것이 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
일본특공 평6-69882호 공보
반응 장치에 있어서는, 연소부에 의한 가열을 정지한 가열 정지 상태로부터 연소부에 의해 반응관을 가열하는 가열 작용 상태로 전환되면, 반응관이 온도 상승에 의해 열팽창하는 것에 기인하여, 반응관에서의 촉매 지지면의 간격이 커지고, 그 후, 연소부에 의해 반응관을 가열하는 가열 작용 상태로부터 연소부에 의한 가열을 정지한 가열 정지 상태로 전환되면, 반응관이 온도 저하에 의해 수축하는 것에 기인하여, 반응관에서의 촉매 지지면의 간격이 좁아진다.
그 결과, 반응관에 충전되고 있는 촉매가 큰 압축력을 받아, 변형 손상될 우려가 있어, 개선이 요망되는 것이었다.
특허문헌 1에 기재된 반응 장치를 예로 들어 설명을 추가하면, 연소부에 의해 반응관을 가열하는 가열 작용 상태에 있어서는, 연소부에 의해 외면이 가열되는 외관의 온도가, 외관의 내부에 위치하는 내관의 온도보다 고온으로 되므로, 연소부의 가열 정지 상태로부터 가열 작용 상태로 전환하면, 외관이 내관보다 직경 방향으로 크게 확장됨으로써, 촉매 지지면으로서의 외관의 내면과 내관의 외면의 간격이 커진다.
그 후, 연소부를 가열 작용 상태로부터 가열 정지 상태로 전환하면, 외관이 내관보다 직경 방향으로 크게 수축하는 것에 의해, 촉매 지지면으로서의 외관의 내면과 내관의 외면의 간격이 좁아진다.
그 결과, 연소부를 가열 정지 상태로부터 가열 작용 상태로 전환했을 때, 외관이 내관보다 직경 방향으로 크게 확장하여, 내관의 외면과 외관의 내면 사이의 간극이 커지는 것에 따라, 내관과 외관 사이에 충전되고 있는 촉매가 직경 방향으로 퍼지면서 하방측으로 이동하게 된다.
그 후, 연소부를 가열 작용 상태로부터 가열 정지 상태로 전환했을 때, 외관이 내관보다 직경 방향으로 크게 수축하여, 내관의 외면과 외관의 내면 사이의 간극이 작아지므로, 내관과 외관 사이에 충전되고 있는 촉매가 상방측으로 밀어올려짐으로써, 그 때, 촉매가 큰 압축 작용을 받아서 변형하는 것 등에 기인하여, 촉매가 변형 손상될 우려가 있었다.
덧붙이면, 반응관으로서, 단일의 원통형의 관체(管體)에 의해 구성되어 있는 반응관이 있지만, 이 반응관의 경우에도, 연소부를 가열 정지 상태로부터 가열 작용 상태로 전화했을 때, 관체가 직경 방향으로 확장됨에 따라, 촉매 지지면으로서의 관체의 내면이 직경 방향으로 넓어지는 것에 의해, 관체에 충전되고 있는 촉매가 직경 방향으로 퍼지면서 하방측으로 이동함으로써, 그 후, 연소부를 가열 작용 상태로부터 가열 정지 상태로 전환했을 때, 관체가 직경 방향으로 수축하여, 촉매 지지면으로서의 관체의 내면이 직경 방향으로 수축하므로, 관체에 충전되고 있는 촉매가 상방측으로 밀어올려짐으로써, 그 때, 촉매가 큰 압축 작용을 받아 변형하는 것 등에 기인하여, 촉매가 변형 손상될 우려가 있었다.
본 발명은, 상기 실상을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 반응관의 열팽창 후의 수축에 의해, 촉매가 변형 손상되는 것을 억제할 수 있는 반응 장치를 제공하는 점에 있다.
본 발명의 반응 장치는, 충전된 입상의 촉매를 받아내고 또한 처리 가스를 통류시키는 촉매 지지부를 바닥부에 구비하는 형태로 상하 방향을 향하는 자세로 설치된 반응관과,
상기 반응관의 외면을 가열하는 연소부가 설치된 것으로서, 그 특징적 구성은,
상기 반응관에서의 상기 촉매에 접촉하는 통형(筒形)의 촉매 지지면에, 상기 촉매의 일부를 들어가게 하는 상태로 해당 촉매가 걸리는 걸어맞춤 오목부가, 상하 방향을 따라 복수 형성되어 있는 점에 있다.
그리고, 상기 기재 중에서의 입상의 촉매란, 구형이나 펠릿형 등의 각종 형상의 입상의 촉매를 의미하는 것이다.
즉, 반응관에서의 촉매에 접촉하는 촉매 지지면에, 촉매의 일부를 들어가게 하는 상태로 해당 촉매가 걸리는 걸어맞춤 오목부가 상하 방향을 따라 복수 형성되어 있으므로, 연소부에 의한 가열을 정지한 가열 정지 상태에 있어서는, 촉매가 걸어맞춤 오목부에 크게 걸어맞추어진 상태로 반응관에 충전되게 된다.
그와 같은 촉매 충전 상태에 있어서, 연소부에 의한 가열을 정지한 가열 정지 상태로부터 연소부에 의해 반응관을 가열하는 가열 작용 상태로 전환되면, 반응관이 온도 상승에 의해 열팽창하여, 반응관에서의 촉매 지지면의 간격이 커지므로, 충전되고 있는 촉매가 직경 방향으로 퍼지면서 하방측으로 이동하려고 하지만, 충전되고 있는 촉매 중에는 걸어맞춤 오목부에 계속해서 걸리는 촉매가 존재하므로, 촉매가 하방측으로 이동한다고 해도, 그 이동량이 작은 이동량으로 억제되게 된다.
그 후, 연소부를 가열 작용 상태로부터 가열 정지 상태로 전환하면, 반응관이 온도 저하에 의해 수축하는 것에 기인하여, 반응관에서의 촉매 지지면의 간격이 좁아지므로, 충전되고 있는 촉매가 상방측으로 밀어올려지게 되지만, 가열 작용 상태에서의 촉매의 하방측으로의 이동량이 작게 억제되고 있으므로, 촉매가 상방측으로 밀어올려진다고 해도, 그 밀어올려지는 양은 작고, 촉매가 큰 압축 작용을 받는 것을 회피할 수 있는 결과, 촉매가 변형 손상되는 것을 억제할 수 있다.
요컨대, 본 발명의 반응 장치의 특징적 구성에 의하면, 반응관의 열팽창 후의 수축에 의해, 촉매가 변형 손상되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 반응 장치의 추가의 특징적 구성은, 상기 걸어맞춤 오목부가 환형의 오목한 홈형으로 형성되어 있는 점에 있다.
즉, 걸어맞춤 오목부가, 환형의 오목한 홈형으로 형성되어 있으므로, 걸어맞춤 오목부의 형성이 용이하게 되고, 실시 제작면에 있어서 유리하다.
즉, 통형의 촉매 지지면에 환형의 오목한 홈형의 걸어맞춤 오목부를 형성하는 것은 반응관을 회전시키면서, 통형의 촉매 지지면에 절삭 가공 등에 의해, 용이하게 형성할 수 있는 것이다.
이에 대하여, 예를 들면, 걸어맞춤 오목부를 구멍 형상의 오목부로 하여, 통형의 촉매 지지면에 지그재그형으로 배치하는 형태로 형성하는 것이 생각되지만, 이 경우에는, 구멍 형상의 오목부가 되는 복수의 걸어맞춤 오목부를 형성하는 것은, 예를 들면 통형의 촉매 지지면에 절삭 가공한다고 해도, 그 작업이 번거롭게 되는 등, 형성하기 어려운 것이다.
요컨대, 본 발명의 반응 장치의 추가의 특징적 구성에 의하면, 걸어맞춤 오목부의 형성이 용이하게 되고, 실시 제작면에 있어서 유리하다.
본 발명의 반응 장치의 추가의 특징적 구성은, 상기 걸어맞춤 오목부가, 입구부의 상단으로부터 깊이 방향의 말단부(distal section)를 향하여 점차 하방측에 위치하는 상측의 경사면 및 상기 입구부의 하단(下端)으로부터 상기 말단부를 향하여 점차 상방측에 위치하는 하측의 경사면을 구비하는 형태에 형성되어 있는 점에 있다.
즉, 걸어맞춤 오목부가, 입구부의 상단으로부터 깊이 방향의 말단부를 향하여 점차 하방측에 위치하는 상측의 경사면 및 입구부의 하단으로부터 깊이 방향의 말단부를 향하여 점차 상방측에 위치하는 하측의 경사면을 구비하는 형태로 형성되어 있으므로, 촉매에 있어서의 걸어맞춤 오목부에 들어가게 하는 부분을, 상하의 경사면에 의해 받아낼 수 있으므로, 촉매를 걸어맞춤 오목부에 의해 걸어맞춤 지지할 때, 촉매의 표면부를 손상시키는 것을 억제할 수 있다.
즉, 걸어맞춤 오목부가, 입구부로부터 깊이 방향의 말단부를 향하여 동일한 폭이 되는 형태로 형성되면, 촉매에 있어서의 걸어맞춤 오목부에 들어가게 하는 부분을, 입구부의 첨예한 코너부에 의해 받아내게 되므로, 촉매를 걸어맞춤 오목부에 의해 걸어맞춤 지지할 때, 촉매의 표면부를 손상시킬 우려가 있다.
요컨대, 본 발명의 반응 장치의 추가의 특징적 구성에 의하면, 촉매를 걸어맞춤 오목부에서 걸어맞춤 지지할 때, 촉매의 표면부를 손상시키는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 반응 장치의 추가의 특징적 구성은, 상기 반응관이, 바닥부가 폐색되고 또한 상단측이 지지된 외관과, 해당 외관의 내부에 상단측이 지지된 상태로 배치되고 또한 바닥부가 개구하는 내관으로 이루어지고,
상기 촉매가 상기 외관과 상기 내관 사이에 충전되고,
상기 촉매 지지부가 상기 내관의 바닥부에 설치되고,
상기 연소부가, 상기 외관의 외면을 가열하는 상태로 설치되고,
상기 내관에서의 상기 촉매 지지면으로서의 외면에, 상기 걸어맞춤 오목부가 형성되고,
상기 외관에서의 상기 촉매 지지면으로서의 내면이 평탄형으로 형성되어 있는 점에 있다.
즉, 반응관이, 바닥부가 폐색되고 또한 상단측이 지지된 외관과, 해당 외관의 내부에 상단측이 지지된 상태로 배치되고 또한 바닥부가 개구하는 내관으로 이루어지고, 촉매가 외관과 내관 사이에 충전되고, 촉매 지지부가 내관의 바닥부에 설치되고, 연소부가 외관의 외면을 가열하는 상태로 설치되어 있다.
이와 같은 반응 장치에 있어서는, 연소부의 가열 작용 상태에 있어서는, 연소부에 의해 외면이 가열되는 외관의 온도가, 외관의 내부에 위치하는 내관의 온도보다 고온으로 되므로, 연소부를 가열 정지 상태로부터 가열 작용 상태로 전환하면, 외관과 내관을 동일한 재질로 형성하는 경우에 있어서 외관이 내관보다 크게 신장되는 등, 외관이 내관보다 크게 축 방향으로 신장되는 경향이 된다.
이와 같은 점을 감안하여, 내관에서의 촉매 지지면(외면)에, 걸어맞춤 오목부가 형성되고, 외관에서의 촉매 지지면(내면)이 평탄형으로 형성되어 있으므로, 연소부의 가열 작용 상태에 있어서 외관이 내관보다 축 방향으로 크게 신장되는 경우가 있어도, 촉매의 손상을 회피할 수 있다.
설명을 추가하면, 연소부를 가열 정지 상태로부터 가열 작용 상태로 전환했을 때, 외관이 내관보다 직경 방향으로 크게 확장하여, 내관과 외관 사이의 간극이 커지는 것에 따라, 내관과 외관 사이에 충전되고 있는 촉매가 직경 방향으로 퍼지면서 하방측으로 이동하려고 하지만, 충전되고 있는 촉매 중에는 걸어맞춤 오목부에 계속해서 걸리는 촉매가 존재하므로, 촉매가 하방측으로 이동한다고 해도, 그 이동량이 작은 이동량으로 억제된다.
그 후, 연소부를 가열 작용 상태로부터 가열 정지 상태로 전환했을 때, 외관이 내관보다 직경 방향으로 크게 수축하여, 내관과 외관 사이의 간극이 작아지므로, 내관과 외관 사이에 충전되고 있는 촉매가 상방측으로 밀어올려지게 되지만, 가열 작용 상태에서의 촉매의 하방측으로의 이동량이 작게 억제되고 있으므로, 촉매가 상방측으로 밀어올려진다고 해도, 그 밀어올려지는 양은 작고, 촉매가 큰 압축 작용을 받는 것을 회피할 수 있는 결과, 촉매가 변형 손상되는 것을 억제할 수 있다.
그리고, 연소부를 가열 정지 상태로부터 가열 작용 상태로 전환했을 때, 외관이 내관보다 축 방향으로 크게 신장되고, 연소부를 가열 작용 상태로부터 가열 정지 상태로 전환했을 때, 내관보다 크게 단축하게 되는 외관의 촉매 지지면(내면)이 평탄형으로 형성되어 있으므로, 해당 외관의 촉매 지지면(내면)이, 내관과 외관 사이에 충전되고 또한 내관의 바닥부에 설치된 촉매 지지부에 의해 받아들여지고 있는 촉매에 대하여, 원활하게 슬라이딩하기 용이한 것으로 되어, 촉매의 손상을 억제할 수 있다.
요컨대, 본 발명의 반응 장치의 추가의 특징적 구성에 의하면, 연소부에 의해 외관을 가열하는 가열 작용 상태에 있어서 외관이 내관보다 크게 신장되는 경우가 있어도, 촉매의 손상을 회피할 수 있다.
본 발명의 반응 장치의 추가의 특징적 구성은, 상기 반응관이 단일의 원통형의 관체에 상기 촉매를 충전하는 형태로 구성되고,
상기 관체에서의 상기 촉매 지지면에, 상기 걸어맞춤 오목부가 형성되어 있는 점에 있다.
즉, 반응관이, 단일의 원통형의 관체에 촉매를 충전하는 형태로 구성되어 있는 경우에 있어서, 관체에서의 촉매 지지면(내면)에, 걸어맞춤 오목부가 형성되어 있으므로, 충전되고 있는 촉매의 손상을 억제할 수 있다.
즉, 연소부를 가열 정지 상태로부터 가열 작용 상태로 전환했을 때, 관체가 직경 방향으로 확장하는 것에 따라, 관체에 충전되고 있는 촉매가 직경 방향으로 퍼지면서 하방측으로 이동하게 되지만, 충전되고 있는 촉매 중에는 걸어맞춤 오목부에 계속해서 걸리는 촉매가 존재하므로, 촉매가 하방측으로 이동한다고 해도, 그 이동량이 작은 이동량으로 억제된다.
그 후, 연소부를 가열 작용 상태로부터 가열 정지 상태로 전환했을 때, 관체가 직경 방향으로 수축하여, 관체에 충전되고 있는 촉매가 상방측으로 밀어올려지게 되지만, 가열 작용 상태에서의 촉매의 하방측으로의 이동량이 작게 억제되고 있으므로, 촉매가 상방측으로 밀어올려진다고 해도, 그 밀어올려지는 양은 작고, 촉매가 큰 압축 작용을 받는 것을 회피할 수 있는 결과, 촉매가 변형 손상되는 것을 억제할 수 있다.
요컨대, 본 발명의 반응 장치의 추가의 특징적 구성에 의하면, 반응관이 단일의 원통형의 관체에 촉매를 충전하는 형태로 구성되어 있는 경우에 있어서, 촉매가 변형 손상되는 것을 억제할 수 있다.
[도 1] 개질 장치를 나타내는 개략 종단 정면도이다.
[도 2] 반응관을 나타내는 일부를 생략한 개략 종단 정면도이다.
[도 3] 반응관의 주요부를 나타내는 일부 생략 단면도(斷面圖)이다.
[도 4] 걸어맞춤 오목부를 나타내는 단면도이다.
[도 5] 다른 구성의 개질 장치를 나타내는 개략 종단 정면도이다.
[도 6] 다른 구성의 개질 장치의 걸어맞춤 오목부를 나타내는 단면도이다.
[실시형태]
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.
(개질 장치의 전체 구성)
도 1에 나타낸 바와 같이, 반응 장치의 일례로서의 개질 장치에는, 천연가스나 나프타 등의 탄화수소계 가스인 원료 가스(G)를 수중기 개질 처리에 의해 수소 성분이 많은 개질 가스(K)로 개질하는 개질 반응용의 반응관(A), 및 해당 반응관(A)을 개질 반응용 온도로 가열하는 연소부로서의 버너(1)가 개질 노(furnace)(2)에 구비되어 있다.
예시하는 개질 장치는, 반응관(A)가, 개질 노(2)의 상부벽(upper wall)(2u)를 관통하는 상태로 해당 상부벽(2u)에 지지되고, 한 쌍의 버너(1)가, 개질 노(2)의 좌우의 측벽(2s)의 각각에 설치되어 있다.
버너(1)의 연소가스는, 반응관(A)을 가열한 후, 개질 노(2)의 배기 가스 출구(2d)로부터 배출되도록 구성되어 있다.
반응관(A)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 바닥부가 폐색된 외관(3)과, 해당 외관(3)의 내부에 배치되는 내관(4)을 구비하고, 내관(4)이 바닥부를 개구하는 상태로 형성되고, 외관(3)과 내관(4) 사이에, 입상의 촉매(S)가 충전부를 형성하는 상태로 배치되어 있다.
외관(3)의 상단측 부분이, 개질 노(2)의 상부벽(2u)을 관통하는 상태로 해당 상부벽(2u)에 지지되고, 내관(4)의 상단측 부분이, 외관(3)의 관 상부벽(3u)을 관통하는 상태로, 해당 관 상부벽(3u)에 지지되고 있다.
외관(3)과 내관(4) 사이에는, 촉매(S)를 받아내고 또한 개질 가스(K)(처리 가스의 일례)를 통류시키는 다공체(T)(촉매 지지부의 일례)가, 내관(4)의 바닥부에 지지되는 상태로 구비되어 있다.
외관(3)에서의 개질 노(2)의 상부벽(2u)로부터 돌출하는 부분에는, 수증기가 혼합된 원료 가스(G)를 도입하는 원료 가스관(5)이 접속되고, 내관(4)에서의 외관(3)의 관 상부벽(3u)으로부터 돌출하는 부분에는, 개질 가스(K)를 안내하는 개질 가스 안내관(6)이 접속되고 있다.
반응관(A)은, 버너(1)에 의해 개질 반응용의 목표 온도로 가열됨으로써, 외관(3)이 고온(예를 들면, 평균 온도가 800℃ 정도)로 가열되고, 그에 따라, 촉매(S)나 내관(4)이 외관(3)보다 낮은 온도(예를 들면, 평균 온도가 650℃ 정도)로 가열되게 된다.
그리고, 원료 가스관(5)으로부터 도입되는 원료 가스(G)가, 외관(3)과 내관(4) 사이의 촉매(S)의 충전부를 통하여 아래쪽을 향하여 유동함으로써, 수중기 개질 처리에 의해 수소 성분이 많은 개질 가스(K)로 개질되고, 개질 가스(K)가 내관(4)의 내부를 통하여 위쪽으로 유동한 후, 개질 가스 안내관(6)을 통하여 배출되도록 구성되어 있다.
그리고, 개질 가스 안내관(6)을 통하여 배출되는 개질 가스(K)는 상세한 설명은 생략하지만, CO 변성기에 반송되어, 개질 가스(K)에 포함되어 있는 일산화탄소를 CO 변성기에 의해 이산화탄소로 변성 처리한 후, 예를 들면, 압력 변동 흡착 장치(PSA)에 공급되어, 수소 성분이 높은 제품 가스로 생성되게 된다.
(반응관의 상세)
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 내관(4)에서의 촉매 지지면(U), 즉 내관(4)의 외면(4g)에, 촉매(S)의 일부를 들어가게 하는 상태에서 해당 촉매(S)가 걸리는 걸어맞춤 오목부(D)가 상하 방향을 따라 복수 형성되어 있다.
또한, 외관(3)에서의 촉매 지지면(U), 즉 외관(3)의 내면(3a)이 평탄형으로 형성되어 있다.
덧붙이면, 본 실시형태에 있어서는, 입상의 촉매(S)가 구형이며, 내관(4)의 외면(4g)과 외관(3)의 내면(3a)의 간격은 촉매(S)의 외경(外徑)(H)의 5배의 간격이다.
이하, 본 실시형태에 있어서는, 촉매(S)가 구형인 경우에 대하여 설명하지만, 입상의 촉매(S)의 형상으로서는, 펠릿형 등의 다른 형상이어도 된다.
본 실시형태에 있어서는, 걸어맞춤 오목부(D)가 환형의 오목한 홈형으로 형성되는 형태로, 내관(4)의 외면(4g)에서의 상단부로부터 하단부에 걸쳐, 복수 형성되어 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 걸어맞춤 오목부(D)가, 입구부(Di)로부터 깊이 방향의 평탄형의 말단부(Dt)를 향하여 경사면(Ds)을 상하 양측에 구비하는 형태로 형성되어 있다.
즉, 걸어맞춤 오목부(D)가, 입구부(Di)의 상단으로부터 깊이 방향의 말단부(Dt)를 향하여 점차 하방측에 위치하는 상측의 경사면(Ds) 및 입구부(Di)의 하단으로부터 깊이 방향의 말단부(Dt)를 향하여 점차 상방측에 위치하는 하측의 경사면(Ds)을 구비하는 형태, 즉 사다리꼴형의 형태로 형성되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 걸어맞춤 오목부(D)의 깊이 a가 촉매(S)의 외경 H의 20%에 상당하는 길이의 깊이이고, 입구부(Di)의 개구 폭 b가 촉매(S)의 외경 H의 80%에 상당하는 길이의 폭이며, 상하 양측의 경사면(Ds) 중 상방측의 경사면(Ds)의 경사 각도 c가 45도이고, 상하 양측의 경사면(Ds) 중 하측의 경사면(Ds)의 경사 각도 d가 45도이며, 말단부(Dt)의 폭 f가, 촉매(S)의 외경 H의 40%에 상당하는 길이의 폭이다.
또한, 상하에 인접하는 입구부(Di)의 간격 e가 촉매(S)의 외경 H의 80%에 상당하는 길이의 간격이다.
덧붙이면, 걸어맞춤 오목부(D)의 깊이 a, 입구부(Di)의 개구 폭 b, 상방측의 경사면(Ds)의 경사 각도 c, 하측의 경사면(Ds)의 경사 각도 d, 상하에 인접하는 입구부(Di)의 간격 e는, 하기 식에 예시하는 바와 같이 각종 변경 가능하다.
a=H/2×(100%∼15%)
b=H×(100%∼60%)
c=60도∼45도
d=60도∼45도
e=H×(100%∼30%)
따라서, 버너(1)를 가열 정지 상태로부터 가열 작용 상태로 전환했을 때, 외관(3)이 내관(4)보다 직경 방향으로 크게 확장하여, 내관(4)의 촉매 지지면(U){외면(4g)}과 외관(3)의 촉매 지지면(U){내면(3a)} 사이의 간극이 커짐에 따라, 내관(4)과 외관(3) 사이에 충전되고 있는 촉매(S)가 외관(3)의 직경 방향으로 퍼지면서 하방측으로 이동하려고 하지만, 충전되고 있는 촉매(S) 중에는 걸어맞춤 오목부(D)에 계속해서 걸리는 촉매(S)가 존재하므로, 촉매(S)가 하방측으로 이동한다고 해도, 그 이동량이 작은 이동량으로 억제된다.
그 후, 버너(1)를 가열 작용 상태로부터 가열 정지 상태로 전환했을 때, 외관(3)이 내관(4)보다 직경 방향으로 크게 수축하여, 내관(4)의 촉매 지지면(U){외면(4g)}과 외관(3)의 촉매 지지면(U){내면(3a)} 사이의 간극이 작아지므로, 내관(4)과 외관(3) 사이에 충전되고 있는 촉매(S)가 상방측으로 밀어올려지게 되지만, 버너(1)의 가열 작용 상태에서의 촉매(S)의 하방측으로의 이동량이 작게 억제되고 있으므로, 촉매(S)가 상방측으로 밀어올려진다고 해도, 그 밀어올려지는 양은 작고, 촉매(S)가 큰 압축 작용을 받는 것을 회피할 수 있는 결과, 촉매(S)가 변형 손상되는 것을 억제할 수 있다.
그리고, 버너(1)를 가열 정지 상태로부터 가열 작용 상태로 전환했을 때, 외관(3)이 내관(4)보다 축 방향으로 크게 신장하고, 버너(1)를 가열 작용 상태로부터 가열 정지 상태로 전환했을 때, 내관(4)보다 크게 축 방향으로 단축하게 되는 외관(3)의 촉매 지지면(U){내면(3a)}이 평탄형으로 형성되어 있으므로, 해당 외관(3)의 촉매 지지면(U){내면(3a)}이, 내관(4)과 외관(3) 사이에 충전되고 있는 촉매(S)에 대하여, 원활하게 슬라이딩하기 쉬운 것으로 되어, 촉매(S)의 손상을 억제할 수 있다.
또한, 걸어맞춤 오목부(D)가, 입구부(Di)로부터 말단부(Dt)를 향하여 점차 좁아지는 경사면(Ds)을 상하 양측에 구비하는 형태로 형성되어 있으므로, 촉매(S)에서의 걸어맞춤 오목부(D)에 들어가게 하는 부분을, 경사면(Ds)에서 받아낼 수 있으므로, 촉매(S)를 걸어맞춤 오목부(D)에서 걸어맞춤 지지할 때, 촉매(S)의 표면부를 손상시키는 것을 억제할 수 있다.
(반응 장치의 다른 구성)
다음으로, 반응 장치의 다른 구성을 설명하지만, 전술한 반응 장치와 동일한 구성 부분에는, 동일한 부호를 붙여 설명한다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 반응관(A)가 단일의 원통형의 관체(7)에 촉매(S)를 충전하는 형태로 구성되고, 관체(7)의 바닥부에는, 촉매(S)를 받아내고 또한 개질 가스(K)(처리 가스의 일례)를 통류시키는 다공체(T)(촉매 지지부의 일례)가 형성되어 있다.
관체(7)가, 개질 노(2)에서의 상부벽(2u) 및 바닥벽(2t)을 관통하는 형태로 설치되고, 관체(7)에서의 개질 노(2)의 상부벽(2u)으로부터 돌출하는 부분에는, 수증기가 혼합된 원료 가스(G)를 도입하는 원료 가스관(5)이 접속되고, 관체에서의 개질 노(2)의 바닥벽(2t)으로부터 돌출하는 부분에는, 개질 가스(K)를 안내하는 개질 가스 안내관(6)이 접속되고 있다.
반응관(A)은 개질 노(2)의 측벽(2s)에 설치한 버너(1)에 의해 개질 반응용의 목표 온도로 가열됨으로써, 관체(7)가 고온(예를 들면, 평균 온도가 800℃ 정도)로 가열되고, 그에 따라, 촉매(S)가 관체(7)보다 낮은 온도(예를 들면, 평균 온도가 650℃ 정도)로 가열되게 된다.
그리고, 원료 가스관(5)으로부터 도입되는 원료 가스(G)가, 관체(7)의 내부에 충전한 촉매(S)의 충전부를 통하여 아래쪽을 향하여 유동함으로써, 수중기 개질 처리에 의해 수소 성분이 많은 개질 가스(K)로 개질되고, 개질 가스(K)가 개질 가스 안내관(6)을 통하여 배출되도록 구성되어 있다.
그리고, 개질 가스 안내관(6)을 통하여 배출되는 개질 가스(K)는 상세한 설명은 생략하지만, CO 변성기에 반송되어, 개질 가스(K)에 포함되어 있는 일산화탄소를 CO 변성기에 의해 이산화탄소로 변성 처리한 후, 예를 들면, 압력 변동 흡착 장치(PSA)에 공급되어, 수소 성분이 높은 제품 가스로 생성되게 된다.
그리고, 도 6에 나타낸 바와 같이, 관체(7)에서의 촉매 지지면(U), 즉 관체(7)의 내면(7n)에 걸어맞춤 오목부(D)가 형성되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 도시는 생략하지만, 걸어맞춤 오목부(D)가 환형의 오목한 홈형으로 형성되는 형태로, 관체(7)의 내면(7n)에서의 상단부로부터 하단부에 걸쳐, 복수 형성되어 있다.
본 실시형태의 걸어맞춤 오목부(D)의 구체 구성은, 전술한 반응 장치에서의 걸어맞춤 오목부(D)와 마찬가지이고, 상세한 설명을 생략한다.
따라서, 버너(1)를 가열 정지 상태로부터 가열 작용 상태로 전환했을 때, 관체(7)가 직경 방향으로 확장하여, 관체(7)에 충전되고 있는 촉매(S)가 관체(7)의 직경 방향으로 퍼지면서 하방측으로 이동하려고 하지만, 충전되고 있는 촉매(S) 중에는 걸어맞춤 오목부(D)에 계속해서 걸리는 촉매(S)가 존재하므로, 촉매(S)가 하방측으로 이동한다고 해도, 그 이동량이 작은 이동량으로 억제된다.
그 후, 버너(1)를 가열 작용 상태로부터 가열 정지 상태로 전환했을 때, 관체(7)가 직경 방향으로 수축하여, 관체(7)에 충전되고 있는 촉매(S)가 상방측으로 밀어올려지게 되지만, 버너(1)의 가열 작용 상태에서의 촉매(S)의 하방측으로의 이동량이 작게 억제되고 있으므로, 촉매(S)가 상방측으로 밀어올려진다고 해도, 그 밀어올려지는 양은 작고, 촉매(S)가 큰 압축 작용을 받는 것을 회피할 수 있는 결과, 촉매(S)가 변형 손상되는 것을 억제할 수 있다.
[다른 실시형태]
다음으로, 다른 실시형태를 열기한다.
(1) 상기 실시형태에 있어서는, 반응관(A)으로서, 원료 가스(G)를 수중기 개질 처리하는 개질 장치에 장비하는 것을 예시하였으나, 본 발명은, 각종 용도에 사용되는 반응 장치에 장비되는 각종 반응관(A)에 적용할 수 있다.
(2) 상기 실시형태에 있어서는, 반응관(A)을 외관(3)과 내관(4)으로 구성하는 경우에 있어서, 외관(3)의 상단측이 개질 노(2)의 상부벽(2u)에 지지되고, 내관(4)의 상단측이 외관(3)의 관 상부벽(3u)에 지지되는 경우를 예시하였으나, 예를 들면, 내관(4)의 상단측과 외관(3)의 상단측을 따로따로 개질 노(2)에 지지하는 등, 외관(3)의 상단측이나 내관(4)의 상단측을 지지하는 구체 구성은 다양하게 변경할 수 있다.
(3) 상기 실시형태에 있어서는, 촉매 지지부로서, 촉매(S)를 받아내고 지지하는 다공체(T)를 예시하였으나, 촉매 지지부로서는, 개질 가스(K)를 유동시키는 통류공이 주위 방향을 따라 일렬형으로 형성되는 판형으로 형성하는 등, 촉매 지지부의 구체 구성은 다양하게 변경할 수 있다.
(4) 상기 실시형태에서는, 걸어맞춤 오목부(D)가 환형의 오목한 홈형으로 형성되는 경우를 예시하였으나, 예를 들면, 걸어맞춤 오목부(D)를 구멍 형상의 오목부로 하여, 촉매 지지면(U)에 지그재그형으로 배치하는 형태로 형성되도록 하는 등, 걸어맞춤 오목부(D)의 구체 구성은 다양하게 변경할 수 있다.
(5) 상기 실시형태에서는, 걸어맞춤 오목부(D)가 촉매 지지면(U)에서의 상단부로부터 하단부의 전체에 걸쳐 형성되는 경우를 예시하였으나, 예를 들면, 촉매 지지면(U)에서의 상반부나 하반부에 형성되도록 하는 등, 촉매 지지면(U)에서의 일부에 걸어맞춤 오목부(D)를 형성하는 형태로 실시해도 된다.
(6) 상기 실시형태에서는, 반응관(A)을 외관(3)과 내관(4)으로 구성하는 경우에 있어서, 내관(4)에서의 촉매 지지면(U)으로서의 외면(4g)에, 걸어맞춤 오목부(D)가 상하 방향을 따라 복수 형성되고, 외관(3)에서의 촉매 지지면(U)으로서의 내면(3a)이 평탄형으로 형성되는 형태를 예시하였으나, 반응관(A)의 전장이 짧은 경우 등에 있어서는, 내관(4)에서의 촉매 지지면(U)으로서의 외면(4g) 및 외관(3)에서의 촉매 지지면(U)으로서의 내면(3a)의 각각에, 걸어맞춤 오목부(D)를 형성하는 형태로 실시해도 된다.
그리고, 상기 실시형태(다른 실시형태를 포함함, 이하 동일)에서 개시되는 구성은 모순이 생기지 않는 한, 다른 실시형태에서 개시되는 구성과 조합하여 적용하는 것이 가능하며, 또한, 본 명세서에 있어서 개시된 실시형태는 예시로서, 본 발명의 실시형태는 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위 내에서 적절히 개변하는 것이 가능하다.
1 : 연소부
3 : 외관
3a : 내면
4 : 내관
4g : 외면
7 : 관체
A : 반응관
D : 걸어맞춤 오목부
Di : 입구부
Ds : 경사면
Dt : 말단부
S : 촉매
U : 촉매 지지면

Claims (5)

  1. 충전된 입상의 촉매를 받아내고 또한 처리 가스를 통류시키는 촉매 지지부를 바닥부에 구비하는 형태로 상하 방향을 향하는 자세로 설치된 반응관; 및
    상기 반응관의 외면을 가열하는 연소부;가 설치된 반응 장치로서,
    상기 반응관에서의 상기 촉매에 접촉하는 통형의 촉매 지지면에, 상기 촉매의 일부를 들어가게 하는 상태로 상기 촉매가 걸리는 걸어맞춤 오목부가, 상하 방향을 따라 복수 형성되어 있는,
    반응 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 걸어맞춤 오목부가, 환형의 오목한 홈형으로 형성되어 있는, 반응 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 걸어맞춤 오목부가, 입구부의 상단(上端)으로부터 깊이 방향의 말단부(distal section)를 향하여 점차 하방측에 위치하는 상측의 경사면 및 상기 입구부의 하단(下端)으로부터 상기 말단부를 향하여 점차 상방측에 위치하는 하측의 경사면을 구비하는 형태로 형성되어 있는, 반응 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응관이, 바닥부가 폐색되고 또한 상단측이 지지된 외관(外管)과, 상기 외관의 내부에 상단측이 지지된 상태로 배치되고 또한 바닥부가 개구하는 내관(內管)으로 이루어지고,
    상기 촉매가 상기 외관과 상기 내관 사이에 충전되고,
    상기 촉매 지지부가 상기 내관의 바닥부에 설치되고,
    상기 연소부가, 상기 외관의 외면을 가열하는 상태로 설치되고,
    상기 내관에서의 상기 촉매 지지면으로서의 외면에, 상기 걸어맞춤 오목부가 형성되고,
    상기 외관에서의 상기 촉매 지지면으로서의 내면이, 평탄형으로 형성되어 있는, 반응 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응관이, 단일의 원통형의 관체(管體)에 상기 촉매를 충전하는 형태로 구성되고,
    상기 관체에서의 상기 촉매 지지면에, 상기 걸어맞춤 오목부가 형성되어 있는, 반응 장치.
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