TWI618906B - reactor - Google Patents

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TWI618906B
TWI618906B TW105118228A TW105118228A TWI618906B TW I618906 B TWI618906 B TW I618906B TW 105118228 A TW105118228 A TW 105118228A TW 105118228 A TW105118228 A TW 105118228A TW I618906 B TWI618906 B TW I618906B
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Akihisa Yano
Tatsuya Oka
Hiroyuki Kamata
Shigeki Sakakura
Nobuyuki Honma
Yusuke Takeuchi
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Ihi Corp
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Abstract

本反應器，係藉由原料流體與熱媒體之間的熱交換，使原料流體發生反應，而生成生成物者，具備：主反應器核心，具有使原料流體流通之主反應流路、及使熱媒體平行於主反應流路內的原料流體的流動方向流通之主調溫流路；前反應器核心，具有出口側連通至主反應流路的入口側且使原料流體流通之前反應流路、及入口側連通至主反應流路的出口側且使身為熱媒體之生成物平行於前反應流路內的原料流體的流動方向流通之前調溫流路。

Description

反應器
本揭示有關藉由原料流體(反應流體)與熱媒體之間的熱交換來使原料流體發生反應，而生成生成物(反應生成物)之反應器。
例如，氫製造製程中使用之反應器，具備反應器核心。反應器核心，具備使包含甲烷氣體與水蒸氣的原料流體流通之反應流路、及使燃燒氣體(combustion gas)等熱媒體流通之調溫流路(加熱流路)。前述構成中，藉由對反應器核心供給原料流體及熱媒體，原料流體會流通於反應流路內，熱媒體會流通於調溫流路內。這樣，在原料流體與熱媒體之間會進行熱交換，使原料流體發生反應(吸熱反應)，便能生成包含氫與一氧化碳之生成物(參照非專利文獻1)。有關上述反應器，於專利文獻1中揭示。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特表2006-505387號公報
非專利文獻
非專利文獻1：「石油精製製程」石油學會編，日本講談社股份有限公司，第314~318頁，1998年5月20日發行
不過，生成物的溫度非常高，基於例如減短生成物的溫度處於金屬塵化(metal dusting)的溫度域(400~700℃左右)之滯留時間等理由，必須在反應器的外側將生成物P予以急速冷卻。為此，係藉由配置於反應器的外側之淬火滾筒(quenching drum)(熱回收鍋爐)內的水(冷媒)與生成物之間的熱交換，一面附帶地(subsidiary)生成作為原料流體的一部分之蒸氣，一面回收生成物的熱。另一方面，若淬火滾筒所致之生成物熱回收量，換言之若反應器的外側之生成物熱回收量增加，則供給至反應器側之熱媒體的熱能(投入能量)會增大，又會讓蒸氣過剩地生成，而有設備全體的能量效率降低這樣的問題。
另，不僅是氫製造製程中使用之反應器，其他的反應器中亦有發生和前述同樣的問題者。
鑑此，本揭示之目的於提供一種有利於提高設備全體的能量效率之反應器。
本揭示的一態樣之反應器，係藉由原料流體(反應流體)與熱媒體之間的熱交換，使原料流體發生反應，而生成生成物(反應生成物)之反應器，具備：主反應器核心，具有使原料流體流通之主反應流路、及使熱媒體平行於主反應流路內的原料流體的流動方向流通之主調溫流路(加熱通路)；前反應器核心，具有出口側連通至主反應流路的入口側且使原料流體流通之前反應流路、及入口側連通至主反應流路的出口側且使身為熱媒體之生成物平行於前反應流路內的原料流體的流動方向流通之前調溫流路(預熱通路)。
另，所謂「入口側」，係指原料流體、生成物、或熱媒體的流動方向的入口側，所謂「出口側」，係指原料流體、生成物、或熱媒體的流動方向的出口側。
按照本揭示之構成，藉由對前反應器核心供給原料流體，原料流體會經由前反應流路內而流通於主反應流路內。此外，藉由對主反應器核心供給熱媒體，熱媒體會於主調溫流路內平行於主反應流路內的原料流體的流動方向(例如，朝向逆方向或同方向)流通。這樣，在原料流體與熱媒體之間會進行熱交換，使原料流體升溫至反應溫度而發生反應，便能生成生成物。
另一方面，如前述般，被供給至前反應器核心之原料流體，會流通於前反應流路內。此外，從主反應流路被導出的生成物，會於前調溫流路內平行於前反應流路內的原料流體的流動方向(例如，朝向逆方向或同方 向)流通。這樣，身為熱媒體之生成物便會與原料流體之間進行熱交換，能夠在前反應器核心內將原料流體預熱，且冷卻生成物。
簡要地說，能夠在前反應器核心內將生成物冷卻，因此能夠藉由反應器來自我回收生成物的熱，使生成物的溫度降低，而能夠充分地抑制反應器的外側之生成物的熱回收量增加。
按照本揭示，會減低供給至反應器之熱媒體的熱能(投入能量)，避免在反應器的外側又過剩地生成蒸氣，而能夠提高設備全體的能量效率。
1‧‧‧反應器
3‧‧‧主反應器核心
5‧‧‧支柱
7‧‧‧主反應構造體
9‧‧‧主調溫構造體
11‧‧‧主反應流路
13‧‧‧原料導入口
15‧‧‧主反應連絡流路
17‧‧‧主調溫流路
19‧‧‧熱媒導入口
21‧‧‧主調溫連絡流路
23‧‧‧主蓋構造體
25‧‧‧主觸媒構件
27‧‧‧主鰭片
29‧‧‧前反應器核心
31‧‧‧支柱
33‧‧‧前反應構造體
35‧‧‧前調溫構造體
37‧‧‧前反應流路
39‧‧‧原料導出口
41‧‧‧前反應連絡流路
43‧‧‧前調溫流路
45‧‧‧生成物導出口
47‧‧‧前調溫連絡流路
49‧‧‧前蓋構造體
51‧‧‧前觸媒構件
53‧‧‧前鰭片
55‧‧‧第1原料導入腔室
57‧‧‧第1原料供給埠
59‧‧‧原料排出腔室
61‧‧‧原料排出埠
63‧‧‧第2原料導入腔室
65‧‧‧第2原料供給埠
67、87‧‧‧連絡構件
69‧‧‧生成物排出腔室
71‧‧‧生成物排出埠
73‧‧‧熱媒導入腔室
75‧‧‧熱媒供給埠
77‧‧‧熱媒供給源
79‧‧‧供給配管
81‧‧‧熱媒調整器
83‧‧‧熱媒排出腔室
85‧‧‧熱媒排出埠
HC‧‧‧熱媒體
M‧‧‧原料流體
P‧‧‧生成物
[圖1]圖1為本揭示一實施形態之反應器的模型正面圖。
[圖2]圖2為沿圖1中的II-II線之截面圖。
[圖3]圖3為沿圖1中的III-III線之截面圖。
[圖4]圖4為沿圖1中的IV-IV線之截面圖。
[圖5]圖5為沿圖1中的V-V線之擴大截面圖。
[圖6]圖6為圖5中的箭視部VI之擴大圖。
[圖7]圖7為沿圖1中的VII-VII線之擴大截面圖。
[圖8]圖8為圖7中的箭視部VIII之擴大圖。
[圖9A]圖9A為一實施形態之反應器的方塊圖。
[圖9B]圖9B為另一實施形態之反應器的方塊圖。
[圖10A]圖10A為一實施形態之反應器的方塊圖。
[圖10B]圖10B為另一實施形態之反應器的方塊圖。
參照圖面說明本揭示之實施形態及其他實施形態。
如圖1所示，本實施形態之反應器1，為藉由原料流體M(參照圖2)與熱媒體HC(參照圖3)之間的熱交換，使原料流體M發生反應，而生成生成物P(參照圖2)之物。在說明反應器1的具體的構成之前，簡單說明原料流體M之反應。
就原料流體M之反應的種類而言，有原料流體M的加熱所致之吸熱反應、及原料流體M的冷卻所致之放熱反應。就前者之反應(吸熱反應)的例子而言，例如可舉出後述化學式(1)所示之甲烷的水蒸氣改質反應、後述化學式(2)所示之甲烷的乾燥重組(dry reforming)反應等。
CH4+H2O→3H2+CO‧‧‧化學式(1)
CH4+CO2→2H2+2CO‧‧‧化學式(2)
就後者之反應(放熱反應)的例子而言，例如可舉出後述化學式(3)所示之轉化反應、後述化學式(4)所示之甲烷化(methanation)反應、後述化學式(5)所示之費雪-闕布希(Fischer tropsch)合成反應等。
CO+H2O→CO2+H2‧‧‧化學式(3)
CO+3H2→CH4+H2O‧‧‧化學式(4)
(2n+1)H2+nCO→CnH2n+2+nH2O‧‧‧化學式(5)
另，原料流體M之反應，不限定於甲烷的水蒸氣改質反應等，亦可為乙醯化反應、加成反應、烷基化反應、脫烷基化反應、加氫脫烷基化反應、還原性烷基化反應、胺化反應、芳香族化反應、芳基化反應、自熱式改質反應、羰基化反應、脫羰基化反應、還原性羰基化反應、羧化反應、還原性羧化反應、還原性耦合反應、縮合反應、分解(裂解)反應、加氫分解反應、環化反應、環狀寡聚物化反應、脫鹵素化反應、二聚體化反應、環氧化反應、酯化反應、交換反應、鹵素化反應、加氫鹵素化反應、同系物(homolog)形成反應、水合反應、脫水反應、氫化反應、脫氫化反應、加氫羧化反應、加氫甲醯化反應、加水分解反應、加氫金屬化反應、矽氫化反應、加水分解反應、氫化處理反應、異構物化反應、甲基化反應、脫甲基化反應、置換反應、硝化反應、氧化反應、部分氧化反應、聚合反應、還原反應、逆水性氣體轉化反應、碸化反應、短鏈聚合反應、酯交換反應、及三聚體化反應。
作為熱媒體HC，係使用燃燒氣體等高溫氣體、水、油、冷媒等，因應原料流體M之反應的種類及反應條件而選擇適當之物。具體而言，例如，當原料流體M之反應為甲烷的水蒸氣改質反應的情形下，作為熱媒體 HC係使用燃燒氣體等高溫氣體。當原料流體M之反應為甲烷的乾燥重組反應的情形下，作為熱媒體HC例如使用高溫氣體等。當原料流體M之反應為轉化反應的情形下，作為熱媒體HC例如選擇油、水(包含水蒸氣)、熔融鹽等，當原料流體M之反應為甲烷化反應的情形下，作為熱媒體HC例如使用油、水(包含水蒸氣)、熔融鹽等。當原料流體M之反應為費雪-闕布希合成反應的情形下，作為熱媒體HC例如使用水(包含水蒸氣)等。
以下，說明反應器1的具體的構成。此外，圖2中，省略了主觸媒構件及前觸媒構件之圖示。圖3中，省略了主鰭片及前鰭片之圖示。圖5中，僅模型化地圖示一部份的主觸媒構件及一部份的主鰭片。圖7中，僅模型化地圖示一部份的前觸媒構件及一部份的前鰭片。圖9A及圖9B中，揭示當原料流體之反應為吸熱反應的情形下之運轉中的溫度狀態作為一例。圖10A及圖10B中，揭示當原料流體之反應為放熱反應的情形下之運轉中的溫度狀態作為一例。
如圖1及圖5所示，反應器1，具備使原料流體M發生反應而生成生成物P之主反應器核心3。主反應器核心3，透過複數個支柱5而被設置於適當處。此外，主反應器核心3，包含用來形成原料流體M的反應場(使原料流體M發生反應)之矩形板狀的複數(多數)個主反應構造體(主反應構件)7、及矩形板狀的複數(多數)個主調溫構造體(主調溫構件)9。主反應構造體7 與主調溫構造體9，沿上下方向(反應器1的高度方向(Z方向))被交互層積。又，各主反應構造體7及各主調溫構造體9的具體的構成如次。
如圖2至圖5所示，主反應構造體7，由不鏽鋼等鐵系合金、或英高鎳(Inconel)625、英高鎳617、Haynes alloy 230等鎳合金(耐熱合金之一例)所構成。此外，在主反應構造體7的單面(上面)，使原料流體M朝向左方向流通之複數個主反應流路11係於前後方向(反應器1的深度方向(X方向))等間隔地形成。各主反應流路11，往左右方向(反應器1的寬度方向(Y方向))延伸，本實施形態中，作為一例，各主反應流路11的流路長度(左右方向的長度)設定成數十cm左右。各主反應流路11的右端側，相當於原料流體M的流動方向的入口側(導入側)。各主反應流路11的左端側，相當於原料流體M或生成物P的流動方向的出口側(導出側)，且係開口以便將原料流體M導出。
在此，各主反應流路11的截面形狀為矩形。本實施形態中，作為一例，各主反應流路11的寬度尺寸設定成2~60mm，各主反應流路11的高度尺寸設定成1~10mm、較佳為4~8mm。
在主反應構造體7的正面(前面)的右端側，設有用來導入原料流體M之原料導入口13。此外，在主反應構造體7的單面的右端側，形成有連絡原料導入口13與複數個主反應流路11的右端側(入口側)之主反 應連絡流路15。主反應連絡流路15，往前後方向延伸。
另，主反應器核心3，為模型化地圖示之物。本實施形態中，作為一例，主反應構造體7的個數為數十個，各主反應構造體7中的主反應流路11的道數為數十道。此外，主反應連絡流路15的個數，亦可變更為和主反應流路11的個數相應之個數。再者，反應器1運轉中的主反應流路11內的最大壓力，是因應原料流體M的反應種類及反應條件，而設定為0.0~20.0MPaG的範圍內之規定壓力。
主調溫構造體9，和主反應構造體7由相同材料所構成。此外，在主調溫構造體9的單面，使熱媒體HC平行於主反應流路11內的原料流體M的流動方向(朝向和該流動方向逆方向(逆流方向)亦即右方向)流通之複數個主調溫流路(加熱流路)17係於前後方向等間隔地形成。另，相對於主反應流路11內的原料流體M的流動方向而言之上述方向，並非意指嚴謹之方向，而是以發揮本實施形態之效果為條件，容許一定程度的傾斜者。各主調溫流路17，往左右方向延伸，本實施形態中，作為一例，各主調溫流路17的流路長度(左右方向的長度)設定成數十cm左右。各主調溫流路17的左端側，相當於熱媒體HC的流動方向的入口側(導入側)。主調溫流路17的右端側，相當於熱媒體HC的流動方向的出口側(導出側)，且係開口以便將熱媒體HC導出。
在此，各主調溫流路17的截面形狀為矩形。 本實施形態中，作為一例，各主調溫流路17的寬度尺寸設定成2~60mm，各主調溫流路17的高度尺寸設定成1~10mm、較佳為4~8mm。此外，各主調溫流路17，和相對應之主反應流路11上下相向。
在主調溫構造體9的正面(前面)的左端側，設有用來導入熱媒體HC之熱媒導入口19。此外，在主調溫構造體9的單面的左端側，形成有連絡熱媒導入口19與複數個主調溫流路17的左端側(入口側)之主調溫連絡流路21，此主調溫連絡流路21往前後方向延伸。
另，如前述般，主反應器核心3，為模型化地圖示之物。本實施形態中，作為一例，主調溫構造體9的個數為數十個，各主調溫構造體9中的主調溫流路17的道數為數十道。此外，主調溫連絡流路21的個數，亦可變更為和主調溫流路17的個數相應之個數。再者，反應器1運轉中的主調溫流路17內的最大壓力，是因應原料流體M的反應種類及反應條件，而設定為0.0~20.0MPaG的範圍內之規定壓力。
如圖5所示，最下部的主調溫構造體9，比最下部的主調溫構造體9以外之各主調溫構造體9還厚。最下部的主調溫構造體9以外之各主調溫構造體9，和主反應構造體7呈相同形狀。此外，在最上部的主調溫構造體9，設有覆蓋複數個主調溫流路17之矩形板狀的主蓋構造體(主蓋構件)23。
如圖5及圖6所示，在各主反應流路11內， 可裝卸地設有擔持著促進原料流體M的反應的觸媒之主觸媒構件25。此外，各主觸媒構件25，由不鏽鋼等所構成，且往左右方向延伸，各主觸媒構件25的截面，作為一例係呈波浪形狀。在此，觸媒是因應原料流體M的反應種類而適當選擇之物。例如，當原料流體M之反應為甲烷的水蒸氣改質反應的情形下，作為觸媒係使用由Ni(鎳)、Pt(白金)、Ru(釕)、Rh(銠)、Pd(鈀)、Co(鈷)、錸(Re)、銥(Ir)的群組中選擇之1種或複數種金屬。另，亦可設計成觸媒被塗布(擔持之一例)於各主反應流路11內，來取代主觸媒構件25可裝卸地設於各主反應流路11內。
在各主調溫流路17內，可裝卸地設有一對主鰭片(主折流板(baffle))27，一對主鰭片27被上下疊合。此外，各主鰭片27，由不鏽鋼等所構成，且往左右方向延伸，各主鰭片27的截面，作為一例係呈波浪形狀。
如圖1及圖7所示，在主反應器核心3的左側(反應器1的寬度方向的一方側)，透過複數個支柱31設置有使原料流體M的一部分先行發生反應之前反應器核心29。前反應器核心29，可分離地和主反應器核心3一體化(連接)。另，亦可令前反應器核心29相對於主反應器核心3隔離，來取代和主反應器核心3一體化。在此情形下，當將前反應器核心29與主反應器核心3分離時，係具備將前反應流路37的出口側與主反應流路11 的入口側予以連接之連絡構件，藉此從前反應器流路37對主反應流路11供給原料流體。此外，係具備將主反應流路11的出口側與前調溫流路43的入口側予以連接之連絡構件，藉此從主反應流路11對前調溫流路43供給原料流體。
前反應器核心29，係用來形成原料流體M的反應場之矩形板狀的複數(多數)個前反應構造體33、以及矩形板狀的複數(多數)個前調溫構造體35沿上下方向被交互層積而成之物。又，各前反應構造體33及各前調溫構造體35的具體的構成如次。
如圖2至圖4、及圖7所示，前反應構造體33，和主反應構造體7由相同材料所構成。此外，在前反應構造體33的單面(上面)，使原料流體M朝向右方向流通之複數個前反應流路37係於前後方向等間隔地形成。各前反應流路37，往左右方向(反應器1的寬度方向)延伸，本實施形態中，作為一例，各前反應流路37的流路長度(左右方向的長度)設定成數十cm左右。各前反應流路37的左端側，相當於原料流體M的流動方向的入口側(導入側)，且係開口以便將原料流體M導入。各前反應流路37的右端側，相當於原料流體M的流動方向的出口側(導出側)。
在此，各前反應流路37的截面形狀為矩形。本實施形態中，作為一例，各前反應流路37的寬度尺寸設定成2~60mm，各前反應流路37的高度尺寸設定成1 ~10mm、較佳為4~8mm。
在前反應構造體33的正面(前面)的右端側，設有用來導出原料流體M(包含一部分生成物P)之原料導出口39。此外，在前反應構造體33的單面的右端側，形成有連絡複數個前反應流路37的右端側(出口側)與原料導出口39之前反應連絡流路41，此前反應連絡流路41往前後方向延伸。
另，前反應器核心29，為模型化地圖示之物。本實施形態中，作為一例，前反應構造體33的個數為數十個，各前反應構造體33中的前反應流路37的道數為數十道。此外，前反應連絡流路41的個數，亦可變更為和前反應流路37的個數相應之個數。再者，反應器1運轉中的前反應流路37內的最大壓力，是因應原料流體M的反應種類及反應條件，而設定為0.0~20.0MPaG的範圍內之規定壓力。
前調溫構造體35，和主反應構造體7由相同材料所構成。此外，在前調溫構造體35的單面(上面)，使身為熱媒體HC之生成物P朝向前反應流路37內的原料流體M的流動方向的逆方向(逆流方向)亦即左方向流通之複數個前調溫流路43係於前後方向等間隔地形成。各前調溫流路43，往左右方向延伸，本實施形態中，作為一例，各前調溫流路43的流路長度(左右方向的長度)設定成數十cm左右。各前調溫流路43的右端側，相當於熱媒體HC的流動方向的入口側(導入側)， 且係開口以便將身為熱媒體HC之生成物P導出。各前調溫流路43的左端側，相當於熱媒體HC的流動方向的出口側(導出側)。再者，各前調溫流路43的入口側(右端側)，和相對應之主反應流路11的出口側(左端側)直通(直接地連通)。另，當令前反應器核心29相當於主反應器核心3隔離的情形下，各前調溫流路43的入口側會透過連絡構件(圖示省略)等而連通至相對應之主反應流路11的出口側。
在此，各前調溫流路43的截面形狀為矩形。本實施形態中，作為一例，各前調溫流路43的寬度尺寸設定成2~60mm，各前調溫流路的高度尺寸設定成1~10mm、較佳為4~8mm。此外，各前調溫流路43，和相對應之前反應流路37上下相向。
在前調溫構造體35的正面(前面)的左端側，設有用來導出生成物P之生成物導出口45。此外，在前調溫構造體35的單面的左端側，形成有連絡複數個前調溫流路43的左端側(入口側)與生成物導出口45之前調溫連絡流路47。前調溫連絡流路47，往前後方向延伸。
另，如前述般，前反應器核心29，為模型化地圖示之物。本實施形態中，作為一例，前調溫構造體35的個數為數十個，各前調溫構造體35中的前調溫流路43的道數為數十道。此外，前調溫連絡流路47的個數，亦可變更為和前調溫流路43的個數相應之個數。再者， 反應器1運轉中的前調溫流路43內的最大壓力，是因應原料流體M的反應種類及反應條件，而設定為0.0~20.0MPaG的範圍內之規定壓力。
如圖7所示，最下部的前調溫構造體35，比最下部的前調溫構造體35以外之各前調溫構造體35還厚。最下部的前調溫構造體35以外之各前調溫構造體35，和前反應構造體33呈相同形狀。此外，在最上部的前調溫構造體35，設有覆蓋複數個前調溫流路43之矩形板狀的前蓋構造體(前蓋構件)49。
如圖7及圖8所示，在各前反應流路37內，可裝卸地設有擔持著促進原料流體M的反應的觸媒之前觸媒構件51。此外，各前觸媒構件51，和主觸媒構件25由相同材料所構成，且往左右方向延伸。各前觸媒構件51的截面，作為一例，係呈波浪形狀。另，亦可設計成觸媒被塗布於各前反應流路37內，來取代前觸媒構件51可裝卸地設於各前反應流路37內。
在各前調溫流路43內，可裝卸地設有一對前鰭片(前鰭片折流板)53。一對前鰭片53，係被上下疊合。此外，各前鰭片53，和主鰭片27由相同材料所構成，且往左右方向延伸。各前鰭片53的截面，作為一例，係呈波浪形狀。
如圖1及圖2所示，在前反應器核心29的左側，可裝卸地設有用來對各前反應流路37內導入原料流體M之圓頂狀的第1原料導入腔室(中空狀的原料導入 構件之一例)55。第1原料導入腔室55的內部，連通至各前反應流路37。此外，在第1原料導入腔室55的中央部，設有第1原料供給埠57。第1原料供給埠57，連接至供給原料流體M之原料供給源(圖示省略)。
在前反應器核心29的正面(前面)的右端側，設有用來將從各原料導出口39導出的原料流體M予以集合並排出之箱形的原料排出腔室(中空狀的生成物排出構件之一例)59。此外，原料排出腔室59，往上下方向延伸，原料排出腔室59的內部，連通至各原料導出口39。再者，在原料排出腔室59的中央部，設有原料排出埠61。
在主反應器核心3的右側，設有用來對各主反應流路11內導入原料流體M之箱形的第2原料導入腔室(中空狀的原料導入構件之一例)63。此外，第2原料導入腔室63，往上下方向延伸，第2原料導入腔室63的內部，連通至各原料導入口13。再者，在第2原料導入腔室63的中央部，設有第2原料供給埠65。又，在原料排出埠61與第2原料供給埠65之間，配設有透過原料排出腔室59及第2原料導入腔室63而連絡(連通)各前反應流路37的出口側與各主反應流路11的入口側之連絡構件67。
在前反應器核心29的正面的右端側，設有用來將從各生成物導出口45導出的生成物P予以集合並排出之箱形的生成物排出腔室(中空狀的生成物排出構件之 一例)69。此外，生成物排出腔室69，往上下方向延伸，生成物排出腔室69的內部，連通至各生成物導出口45。再者，在生成物排出腔室69的中央部，設有生成物排出埠71。生成物排出埠71，連接至對生成物P進行後續處理等之另一處理器(圖示省略)。
如圖1及圖3所示，在主反應器核心3的背面(後面)的左端側，設有用來對各熱媒導入口19導入熱媒體之箱形的熱媒導入腔室(中空狀的熱媒導入構件之一例)73。此外，熱媒導入腔室73，往上下方向延伸，此熱媒導入腔室73的內部，連通至各主調溫流路17。又，在熱媒導入腔室73的上部，設有熱媒供給埠75。熱媒供給埠75，透過供給配管79而連接至供給熱媒體HC之熱媒供給源77。再者，在供給配管79的途中，配設有熱媒調整閥等熱媒調整器81。熱媒調整器81，係調節被供給至各主調溫流路17之熱媒體HC的流量或溫度之物，以使各主反應流路11的出口側的溫度(生成物P的溫度)成為目標溫度。另，當生成物P不包含一氧化碳(CO)的情形下，亦可省略熱媒調整器81。
在主反應器核心3的右側，可裝卸地設有用來將從各主調溫流路17導出的熱媒體HC予以集合並排出之圓頂狀的熱媒排出腔室(中空狀的熱媒排出構件之一例)83。熱媒排出腔室83的內部，連通至各主調溫流路17。此外，在熱媒排出腔室83的中央部，設有熱媒排出埠85。熱媒排出埠85，連接至回收熱媒體HC之熱媒回 收器(圖示省略)。
接下來，說明本實施形態之作用，包括具有熱交換步驟與預熱交換步驟的本實施形態之生成物生成方法。另，為求說明簡便，將反應器1所致之原料流體M之反應訂為吸熱反應。
熱交換步驟(主反應步驟)
從原料供給源經由第1原料供給埠57對第1原料導入腔室55內(前反應器核心29側)供給原料流體M，藉此，原料流體M被導入至各前反應流路37內。被導入至各前反應流路37內之原料流體M，於各前反應流路37內朝向紙面右方向流通，從各原料導出口39往原料排出腔室59內導出。接下來，往原料排出腔室59內被導出之原料流體M，經由原料排出埠61、連絡構件67、及第2原料供給埠65，被供給至第2原料導入腔室63內。
被供給至第2原料導入腔室63內之原料流體M，從各原料導入口13被導入至各主反應流路11，於各主反應流路11內朝向紙面左方向流通。換言之，被供給至第1原料導入腔室55內之原料流體M，經由各前反應流路37內及連絡構件67等，被導入至各主反應流路11內，於各主反應流路11內朝向紙面左方向流通。此外，從熱媒供給源77(反應器1的外部)對熱媒導入腔室73內(主反應器核心3側)供給熱媒體HC，藉此，熱媒體HC從各熱媒導入口19被導入至各主調溫流路17，於各 主調溫流路17內朝向紙面右方向流通。這樣，在各主反應流路11內的原料流體M與相對應的主調溫流路17內的熱媒體HC之間會進行熱交換，而能夠加熱原料流體M。如此一來，更配合各主觸媒構件25中擔持之觸媒的反應促進作用，能夠使原料流體M昇高至反應溫度而發生反應(吸熱反應)，生成生成物P，從各主反應流路11的出口側導出。另，協助了熱交換的熱媒體HC，從各主調溫流路17的出口側往熱媒排出腔室83內被導出，從熱媒排出埠85往反應器1的外側之熱媒回收器被排出。
預熱交換步驟(前反應步驟)
另一方面，如前述般，被供給至第1原料導入腔室55內之原料流體M，被導入至各前反應流路37內，於各前反應流路37內朝向紙面右方向流通。此外，從各主反應流路11被導出的生成物P，被導入至各前調溫流路43，於各前調溫流路43內朝向紙面左方向流通。這樣，在各前反應流路37內的原料流體M與相對應的前調溫流路43內的身為熱媒體HC的生成物P之間會進行熱交換，能夠於前反應器核心29內將原料流體M預熱且將生成物P冷卻。如此一來，更配合各前觸媒構件51中擔持之觸媒的反應促進作用，能夠使原料流體M的一部分先行發生反應，而且使生成物P的溫度降低。
另，協助了熱交換的身為熱媒體HC之生成物P，從各生成物導出口45往生成物排出腔室69內被導 出，從生成物排出埠71往反應器1的外側之另一處理器被排出。
在此，反應器1運轉中的溫度狀態(原料流體M、生成物P、及熱媒體HC的溫度狀態)，作為一例，係如圖9A所示。亦即，於前反應器核心29內，原料流體M藉由與身為熱媒體HC的生成物P之熱交換，而從350℃被昇溫至600℃。接下來，於主反應器核心3內，原料流體M藉由與熱媒體HC之熱交換而發生反應(吸熱反應)，生成850℃的生成物P。另，前反應器核心29內的熱負載(消費熱量)，相當於反應器1全體的熱負載的3成，主反應器核心3內的熱負載，相當於反應器1全體的熱負載的7成。
此外，各主反應流路11及各主調溫流路17的流路截面的至少一邊為數mm左右，各主反應流路11及各主調溫流路17的每單位體積之比表面積係相當大。此外，藉由各一對主鰭片27能夠使各主調溫流路17內的熱媒體HC的流動發生亂流，且增加各主調溫流路17內的傳熱面積。如此一來，能夠提高各主反應流路11內的原料流體M與相對應的主調溫流路17內的熱媒體HC之間的熱交換性能(傳熱效率)。
同樣地，各前反應流路37及各前調溫流路43的流路截面的至少一邊為數mm左右，各前反應流路37及各前調溫流路43的每單位體積之比表面積係相當大。此外，藉由各一對前鰭片53能夠使各前調溫流路43內的 身為熱媒體HC之生成物P的流動發生亂流，且增加各前調溫流路43內的傳熱面積。如此一來，能夠提高各前反應流路37內的原料流體M與相對應的前調溫流路43內的生成物P之間的熱交換性能。
簡要地說，能夠在前反應器核心29內將生成物P冷卻，因此能夠藉由反應器1來自我回收生成物P的熱，使生成物P的溫度降低，而能夠充分地抑制反應器1的外側之生成物P的熱回收量增加。特別是，能夠提高各前反應流路37內的原料流體M與相對應的前調溫流路43內的生成物P之間的熱交換性能，因此能夠藉由反應器1於短時間自我回收生成物P的熱。
除前述作用以外，於反應器1運轉中，一面監視各主反應流路11的出口側的溫度，一面藉由熱媒調整器81調節被供給至各主調溫流路17之熱媒體HC的流量或溫度。如此一來，能夠使各主反應流路11的出口側的溫度(生成物P的溫度)成為目標溫度(設定溫度)。
此外，主反應器核心3和前反應器核心29係可分離，因此當主觸媒構件25中擔持之觸媒劣化等的情形下，能夠從主反應器核心3的左側容易地進行主觸媒構件25之更換。此外，當前鰭片53損傷等的情形下，能夠從前反應器核心29的右側容易地進行前鰭片53之更換。此外，熱媒排出腔室83相對於主反應器核心3的右側係可裝卸，因此當主鰭片27損傷等的情形下，能夠從主反應器核心3的右側容易地進行主鰭片27之更換。再者， 第1原料導入腔室55相對於前反應器核心29的左側係可裝卸，因此當前觸媒構件51中擔持之觸媒劣化等的情形下，能夠從前反應器核心29的左側容易地進行前觸媒構件51之更換。
是故，按照本實施形態，能夠藉由反應器1於短時間自我回收生成物P的熱，充分地抑制反應器1的外側之生成物P的熱回收量增加。是故，會減低供給至主反應器核心3側，換言之反應器1側之熱媒體HC的熱能(投入能量)，避免在反應器1的外側又過剩地生成蒸氣，而能夠提高設備全體的能量效率。
此外，能夠提高各前反應流路37內的原料流體M與相對應的前調溫流路43內的身為熱媒體HC的生成物P之間的熱交換性能等，因此能夠使原料流體M的反應速度及生成物P的產率提升。
此外，能夠使各主反應流路11的出口側的溫度成為目標溫度，因此即使當生成物P包含CO(一氧化碳)的情形下，仍能充分防止生成物P所致之前述另一處理器等關連設備(圖示省略)的金屬塵化。
此外，能夠容易地從主反應器核心3的左側進行主觸媒構件25之更換及從前反應器核心29的右側進行前鰭片53之更換等，因此能夠使反應器1的維修性提升。
另，當原料流體M之反應為放熱反應的情形下，反應器1運轉中的溫度狀態，作為一例，係如圖10A 所示。
(其他實施形態)
如圖9B所示，其他實施形態之反應器1A的構成當中，針對和前述實施形態之反應器1(圖1及圖9A等參照)的構成相異處簡單說明之。
各前反應流路37的出口側(右端側)，是和相對應之主反應流路11的入口側(左端側)直通，來取代各前調溫流路43的入口側和相對應之主反應流路11的出口側直通。此外，圖1及圖9A等所示例子中，反應器1具備連絡各前反應流路37的出口側與各主反應流路11的入口側之連絡構件67。取代此，圖9B所示例子中，反應器1具備連絡各主反應流路11的出口側與各前調溫流路43的入口側之連絡構件87。再者，於反應器1A運轉中，從各主反應流路11被導出的生成物P，是經由連絡構件87被導入至各前調溫流路43內。
另，圖9B中，揭示當原料流體M之反應為吸熱反應的情形下之反應器1A運轉中的溫度狀態作為一例。此外，當原料流體M之反應為放熱反應的情形下，反應器1A運轉中的溫度狀態，作為一例，係如圖10B所示。
又，其他實施形態中，亦發揮和前述實施形態同樣的作用及效果。
另，本揭示不限於前述實施形態之說明，例 如可以下述般的各種態樣實施。亦即，亦可將前反應器核心29的個數從1個變更成複數個。亦可將主調溫流路17內的熱媒體HC的流動方向變更成不是和主反應流路11內的原料流體M的流動方向為逆方向，而是同方向。亦可將前調溫流路43內的身為熱媒體HC之生成物P的流動方向變更成不是和前反應流路37內的原料流體M的流動方向為逆方向，而是同方向。以下示例將主調溫流路17內的熱媒體HC的流動方向訂為主反應流路11內的原料流體M的流動方向之情形。
例如，對主調溫流路17供給生成物的生成反應為放熱反應之原料流體M。另一方面，對主反應流路11供給生成物的生成反應為吸熱反應之原料流體HC。在此情形下，隨著原料流體M於主調溫流路17行進會發生放熱反應，產生反應熱。能夠將此反應熱用作為在主反應流路11發生之吸熱反應的熱源。如此一來，可達成熱的有效利用。
此外，例如當於主反應流路11內以一定溫度使原料流體M發生反應的情形下，為了保持入口溫度以避免觸媒失去活性，會令冷媒流通至主調溫流路17以作為原料流體HC。如此一來，可一面除熱以避免觸媒失去活性，一面令其於流路內持續反應。
像這樣，本揭示當然包含此處未記載之各樣的實施形態等。是故，本揭示之技術範圍，是依上述說明而僅由妥當的申請專利範圍之界定發明之技術特徵所訂 定。
1‧‧‧反應器
3‧‧‧主反應器核心
5‧‧‧支柱
7‧‧‧主反應構造體
9‧‧‧主調溫構造體
13‧‧‧原料導入口
19‧‧‧熱媒導入口
23‧‧‧主蓋構造體
29‧‧‧前反應器核心
31‧‧‧支柱
33‧‧‧前反應構造體
35‧‧‧前調溫構造體
39‧‧‧原料導出口
45‧‧‧生成物導出口
49‧‧‧前蓋構造體
55‧‧‧第1原料導入腔室
57‧‧‧第1原料供給埠
59‧‧‧原料排出腔室
61‧‧‧原料排出埠
63‧‧‧第2原料導入腔室
65‧‧‧第2原料供給埠
67‧‧‧連絡構件
69‧‧‧生成物排出腔室
71‧‧‧生成物排出埠
73‧‧‧熱媒導入腔室
75‧‧‧熱媒供給埠
83‧‧‧熱媒排出腔室
85‧‧‧熱媒排出埠

Claims (13)

  1. 一種反應器，係藉由原料流體與熱媒體之間的熱交換，使原料流體發生反應，而生成生成物之反應器，具備：主反應器核心，具有使原料流體流通而供該原料流體的反應進行之主反應流路、及使熱媒體平行於前述主反應流路內的原料流體的流動方向流通之主調溫流路；前反應器核心，具有出口側連通至前述主反應流路的入口側且使原料流體流通之前反應流路、及入口側連通至前述主反應流路的出口側且使身為熱媒體之生成物平行於前述前反應流路內的原料流體的流動方向流通之前調溫流路；前述主反應器核心，具備：主反應構造體，形成有前述主反應流路；主調溫構造體，與前述主反應構造體交互層積，形成有前述主調溫流路；前述前反應器核心，具備：前反應構造體，形成有前述前反應流路；前調溫構造體，與前述前反應構造體交互層積，形成有前述前調溫流路。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之反應器，其中，具備連接前述前反應流路的出口側與前述主反應流路的入口側之連絡構件。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之反應器，其中，具 備連接前述主反應流路的出口側與前述前調溫流路的入口側之連絡構件。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之反應器，其中，前述前調溫流路的入口側，和前述主反應流路的出口側直通。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之反應器，其中，前述前反應流路的出口側，和前述主反應流路的入口側直通。
  6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之反應器，其中，在前述主反應流路內及前述前反應流路內，各自擔持有促進原料流體的反應之觸媒。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之反應器，其中，在前述主反應流路內，可裝卸地設有擔持著前述觸媒之主觸媒構件，在前述前反應流路內，可裝卸地設有擔持著前述觸媒之前觸媒構件。
  8. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之反應器，其中，在前述主調溫流路內，可裝卸地設有主鰭片，在前述前調溫流路內，可裝卸地設有前鰭片。
  9. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之反應器，其中，具備調節被供給至前述主調溫流路之熱媒體的流量或溫度之熱媒調整器。
  10. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之 反應器，其中，前述前反應器核心，可分離地和前述主反應器核心一體化。
  11. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之反應器，其中，前述主調溫流路，使熱媒體朝向和前述主反應流路內的原料流體的流動方向逆方向或同方向流通。
  12. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之反應器，其中，前述前調溫流路，使身為熱媒體之生成物朝向和前述前反應流路內的原料流體的流動方向逆方向或同方向流通。
  13. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之反應器，其中，前述前反應器核心，當原料流體藉由與身為熱媒體之生成物的熱交換而被昇溫時，在前述前調溫流路令原料流體的一部分先行反應。
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