JP2017144394A - 触媒反応装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも小型化が可能な等温反応装置を提供する。【解決手段】本発明は、触媒１ｂを用いて原料ガスから目的ガスを生成する触媒反応装置Ａであり、触媒１ｂが設けられると共に原料ガスが流通する反応流路Ｒｇと、該反応流路Ｒｇの周囲に設けられ、触媒１ｂの雰囲気温度を等温雰囲気に設定するための温度調節媒体が流通する媒体流路Ｒｍと、該媒体流路Ｒｍに温度調節媒体を供給する媒体供給装置２と、を備え、媒体流路Ｒｍは、複数の区分流路Ｒ１〜Ｒ６に分割されており、媒体供給装置２は、複数の区分流路Ｒ１〜Ｒ６に対して温度調節媒体を個別に供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、触媒反応装置に関する。

下記特許文献１には、触媒を用いることにより原料ガスからメタンガスを生成する等温反応器が開示されている。この等温反応器では、触媒が充填されると共に原料ガスが挿通する反応ガス管と、当該反応ガス管に対して二重管状に設けられ、冷却ガスが流通する冷却ガス管とからなる基本反応器を複数設けることにより、目標量のメタンガスを製造する。

米国特許第３９３３４４６号明細書

ところで、上述した等温反応器では、基本反応器を複数設けることにより、反応場の等温性を確保して反応効率の向上を図りつつ目標量のメタンガスを生成することを可能としているが、メタンガスの生成量を増大させるためには基本反応器の本数を増やす必要がある。したがって、このような従来の等温反応器では、メタンガスの生成量の増大要求に対して反応ガス管と冷却ガス管とからなる基本反応器の本数を増やす必要があるので、装置の小型化が困難であるという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも小型化が可能な等温反応器を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、触媒反応装置に係る第１の解決手段として、触媒を用いて原料ガスから目的ガスを生成する触媒反応装置であり、前記触媒が設けられると共に前記原料ガスが流通する反応流路と、該反応流路の周囲に設けられ、前記触媒の雰囲気温度を等温雰囲気に設定するための温度調節媒体が流通する媒体流路と、該媒体流路に前記温度調節媒体を供給する媒体供給装置と、を備え、前記媒体流路は、複数の区分流路に分割されており、前記媒体供給装置は、複数の前記区分流路に対して前記温度調節媒体を個別に供給する、という手段を採用する。

本発明では、触媒反応装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記反応流路は、直管状の流路であり、複数の前記区分流路は、直管状の前記反応流路に交差すると共に当該反応流路の軸線方向に隣接する、という手段を採用する。

本発明では、触媒反応装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、複数の前記区分流路は、前記反応流路の軸線方向における幅が異なる、という手段を採用する。

本発明では、触媒反応装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、前記反応流路は、内管および外管から成る二重管の外側の空間であり、複数の前記区分流路は、前記反応流路の外周及び内周に設けられる、という手段を採用する。

本発明では、触媒反応装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、前記媒体供給装置は、複数の前記区分流路に対して流量が異なる前記温度調節媒体を供給する、という手段を採用する。

本発明では、触媒反応装置に係る第６の解決手段として、上記第１〜第５のいずれかの解決手段において、複数の前記区分流路に対して温度が異なる前記温度調節媒体を供給する、という手段を採用する。

本発明によれば、媒体流路が複数の区分流路に細分化したものとして構成されているので、従来のように反応ガス管と冷却ガス管とがセットになった反応器を複数設ける構成よりも小型化が可能である。

本発明の第１実施形態に係る触媒反応装置Ａの全体構成を示すブロック図（ａ）及び反応器本体１の正面図（ｂ）及び断面図（ｃ）である。 本発明の一実施形態の第１変形例における反応器本体１の断面図（ａ）、第２変形例における反応器本体１Ａの断面図（ｂ）である。 本発明の第２実施形態に係る触媒反応装置Ｂにおける反応器本体１Ｂの正面図（ａ）及び断面図（ｂ）並びに第２実施形態の変形例における反応器本体１Ｃの断面図（ｃ）である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
第１実施形態に係る触媒反応装置Ａは、図１（ａ）に示すように、反応器本体１と冷媒供給装置２（媒体供給装置）とを備える。詳細については後述するが、反応器本体１は、原料ガスを触媒の存在下で化学反応（メタネーション反応）させることによりメタン含有ガス（目的ガス）を生成する装置である。この反応器本体１は、反応空間に触媒（メタネーション触媒）が充填された反応場を備え、冷媒供給装置２から温度調節媒体として供給される冷媒によって上記反応場が冷却される。

ここで、上記原料ガスは、例えば一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ_２）とが所定の割合（モル比）で混合した混合ガスである。このような原料ガスは、以下の反応式に示すように、触媒の存在下でメタネーション反応（発熱反応）することによって、メタン（ＣＨ_４）と水（Ｈ_２Ｏ）となる。すなわち、メタン含有ガスは、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気（Ｈ_２Ｏ）とからなる混合ガスである。
ＣＯ＋３Ｈ_２＝ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ＋２０６（ｋＪ／ｍｏｌ）

このようなメタネーション反応は、熱力学的平衡の原理に基づいて生じるものであり、よって反応速度が反応場の圧力と温度とに依存し、メタンの生成率に影響する。したがって、特定の圧力下でメタネーション反応を効率良く進行させるためには反応場の温度管理が必要になる。また、メタネーション反応を最大効率（理想状態）に近づけるためには、反応場の全領域、より具体的には反応場を形成する触媒の全領域を最適温度に維持する必要がある。例えば反応場の圧力を常圧とした場合、上記最適温度は３００〜４００℃の範囲である。このような事情から、上記反応器本体１は、等温反応器として構成する必要がある。

上記反応器本体１についてさらに詳しく説明すると、この反応器本体１は、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、反応管１ａ、触媒１ｂ及び冷却管１ｃを備えている。反応管１ａは、所定直径及び所定長さを有する円筒状（直管状）部材であり、一端（上端）が原料ガスの流入口、他端（下端）がメタン含有ガスの流出口である。触媒１ｂは、このような反応管１ａの途中部位において、当該反応管１ａの軸線方向における所定長さ領域に充填されている。このような反応器本体１の内部空間は、触媒１ｂが設けられると共に原料ガス及びメタン含有ガスが流通する円柱状の反応流路Ｒｇである。

冷却管１ｃは、このような触媒１ｂの充填領域を取り囲むように反応管１ａの周囲に設けられている。この冷却管１ｃの内部空間は、触媒１ｂの雰囲気温度を等温雰囲気に設定するための冷媒が流通する媒体流路Ｒｍである。すなわち、この反応器本体１では、熱交換によって媒体流路Ｒｍを流れる冷媒が反応流路Ｒｇの途中部位に形成された反応場（触媒充填領域）の熱を奪うことによって反応場（触媒充填領域）が冷却される。

また、この冷却管１ｃの内部には、図１（ｃ）に示すように、５つの仕切板１ｄ１〜１ｄ５（平板）が反応管１ａの軸線方向に等間隔で設けられている。すなわち、上記媒体流路Ｒｍは、同一の流路形状及び流路面積を有する６つの区分流路Ｒ１〜Ｒ６に分割されている。また、６つの区分流路Ｒ１〜Ｒ６は、円柱状の反応流路Ｒｇに直交（交差）する方向に設けられると共に反応管１ａの軸線方向つまり反応流路Ｒｇの軸線方向に隣接する態様で設けられている。

このように、第１実施形態における冷却管１ｃは、反応管１ａの軸線方向に分割されると共に隣接した複数（６つ）の区分流路Ｒ１〜Ｒ６を備えるものであり、当該６つの区分流路Ｒ１〜Ｒ６によって反応管１ａ内の反応場（触媒充填領域）の軸線方向における等温性を確保しようとするものである。

冷媒供給装置２は、このような反応器本体１を等温反応器とするために所定仕様（冷媒仕様）の冷媒（温度調節媒体）を供給する装置である。この冷媒供給装置２は、上記反応場（触媒充填領域）の冷却に供された加熱状態の冷媒（戻り冷媒）を反応器本体１から回収して再冷却し、上記所定仕様の冷媒として反応器本体１に供給する循環式の冷媒供給装置である。

より詳細には、媒体供給装置２は、冷媒を各区分流路Ｒ１〜Ｒ６に個別に供給する。すなわち、この媒体供給装置２は、区分流路Ｒ１には第１冷媒を供給し、区分流路Ｒ２には第２冷媒を供給し、区分流路Ｒ３には第３冷媒を供給し、区分流路Ｒ４には第４冷媒を供給し、区分流路Ｒ５には第５冷媒を供給し、また区分流路Ｒ６には第６冷媒を供給する。このような第１〜第６冷媒は、媒体供給装置２において個別に冷媒仕様が設定されて区分流路Ｒ１〜Ｒ６に個別に供給される。

上記第１〜第６冷媒は、液体冷媒あるいは気体冷媒の何れでもよいが、例えば亜硫酸ナトリウムや硝酸カリウム等の溶融塩（液体冷媒）が選定される。上記冷媒仕様には、第１〜第６冷媒の材料（種類）、流量及び温度が少なくとも含まれる。すなわち、媒体供給装置２は、反応管１ａ内の反応場（触媒充填領域）が軸線方向において等温雰囲気となるように第１〜第６冷媒の材料（種類）、流量及び温度を初期設定し、このような第１〜第６冷媒を各区分流路Ｒ１〜Ｒ６に個別に供給する。

また、媒体供給装置２は、上記冷媒仕様のうち、第１〜第６冷媒の材料（種類）及び温度を同一とし、流量のみを第１〜第６冷媒間で個別に設定するものである。すなわち、この媒体供給装置２は、第１〜第６冷媒の流量を個々に設定することにより、反応管１ａ内の反応場（触媒充填領域）の軸線方向における等温性を確保しようとするものである。

次に、第１実施形態に係る触媒反応装置Ａの動作について詳しく説明する。
反応管１ａ内の反応場（触媒充填領域）では、反応管１ａの流入口（上端）から順次連続的に供給される原料ガスが触媒１ｂの作用に基づくメタネーション反応によってメタン含有ガス（目的ガス）に変換され、反応管１ａの流出口から排気される。このようなメタネーション反応は、上述したように発熱反応であり、よって触媒１ｂの各部位が熱を放出する。

ここで、反応管１ａ内において反応場の上端（流入口側端部）に到達した原料ガスは、反応場を反応管１ａの軸線方向に通過する間に徐々にメタン含有ガス（目的ガス）に変換され、反応場の下端（流入口側端部）から流出するので、反応場には反応管１ａの軸線方向に所定の温度分布が形成される。この温度分布は、反応場の上端及び下端よりも当該上端と下端との間がより高温になるというものである。

このような反応場における反応管１ａの軸線方向の温度分布に対して、第１実施形態に係る触媒反応装置Ａは、反応管１ａの軸線方向に均等分割された６つの区分流路Ｒ１〜Ｒ６を備える反応器本体１と、各区分流路Ｒ１〜Ｒ６に個別に流量設定した第１〜第６冷媒を供給する媒体供給装置２を備えるので、反応場における反応管１ａの軸線方向における等温性を実現することができる。

上記温度分布は事前に確認することが可能なものであり、媒体供給装置２は、上記事前確認に基づいて第１〜第６冷媒の流量を設定する。すなわち、媒体供給装置２は、反応場においてより温度が高い部位に対応する区分流路の冷媒の流量を多くする。例えば、区分流路Ｒ２に対応する反応場の温度は区分流路Ｒ１に対応する反応場の温度よりも高いので、媒体供給装置２は、第２冷媒の流量を第２冷媒の流量よりも多く設定する。この結果、反応場は、反応管１ａの軸線方向において等温雰囲気に維持される。

このような第１実施形態によれば、反応場の等温雰囲気を実現することができるだけではなく、冷却管１ｃの内部を仕切板１ｄ１〜１ｄ５で区分することによって区分流路Ｒ１〜Ｒ６を形成するので、反応器本体１を小型化することが可能である。

なお、このような第１実施形態には、図２に示すような変形例が考えられる。すなわち、第１実施形態における媒体供給装置２は、各区分流路Ｒ１〜Ｒ６に第１〜第６冷媒を個別に供給するが、図２（ａ）に示す媒体供給装置２Ａは、戻り冷媒を熱交換して冷却するする第１〜第５の冷却器２ａ〜２ｅを備える。

第１の冷却器２ａは、区分流路Ｒ１の戻り冷媒を冷却し第２冷媒として区分流路Ｒ２に供給するものであり、第２の冷却器２ｂは、区分流路Ｒ２の戻り冷媒を冷却し第３冷媒として区分流路Ｒ３に供給するものであり、第３の冷却器２ｃは、区分流路Ｒ３の戻り冷媒を冷却し第４冷媒として区分流路Ｒ４に供給するものである。また、第４の冷却器２ｄは、区分流路Ｒ４の戻り冷媒を冷却し第５冷媒として区分流路Ｒ５に供給するものであり、第５の冷却器２ｅは、区分流路Ｒ５の戻り冷媒を冷却し第６冷媒として区分流路Ｒ６に供給するものである。

このような媒体供給装置２Ａでは、第１〜第６冷媒はすべて同一種類及び同一流量であり、冷媒仕様の中の温度が第１〜第６冷媒間で調節されたものとなる。すなわち、この媒体供給装置２Ａは、冷媒仕様には、第１〜第６冷媒の材料（種類）、流量及び温度を含む冷媒仕様のうち、第１〜第６冷媒の温度を調節するものである。

図２（ｂ）に示す反応器本体１Ａは、反応管１ａの軸線方向における区分流路Ｒ１〜Ｒ６の幅を区分流路Ｒ１〜Ｒ６間で異なるようにしたものである。すなわち、この反応器本体１Ａでは、上述した温度分布において温度がより高い反応場の領域に対応する区分流路の幅をより狭くしたものである。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態に係る触媒反応装置Ｂについて説明する。この触媒反応装置Ｂは、図１（ａ）に示すように第１実施形態に係る触媒反応装置Ａと同様な全体構成を備えるが、第１実施形態の反応器本体１に代えて、図３（ａ）、（ｂ）に示す反応器本体１Ｂを備えるものである。

この反応器本体１Ｂは、図示するように内管１１ａ、中管１１ｂ及び外管１１ｃを備える直管状の三重管であり、内側、中間及び外側の３つの空間を有する。これら３つの空間のうち、中間の空間が環状反応流路Ｒcであり、内側の空間が内側区分流路Ｒi、外側の空間が外側区分流路Ｒoである。すなわち、環状反応流路Ｒcは、内管１１ａ及び中管１１ｂからなる二重管の外側の空間である。また、このような環状反応流路Ｒcの周囲のうち、内側区分流路Ｒiは内周側に設けられ、外側区分流路Ｒoは外周側空間に設けられている。

また、この反応器本体１Ｂでは、環状反応流路Ｒcを形成している内管１１ａと中管１１ｂとの間に多数の平板１１ｄがハニカム状に介装されている。また、この平板１１ｄの両面並びに内管１１ａの外面及び中管１１ｂの内面には、触媒１１ｅが塗布されている。すなわち、この反応器本体１Ｂは、塗布型の触媒１１ｅを用いるものであり、多数の平板１１ｄは内管１１ａと中管１１ｂとの間にハニカム構造を形成することによって触媒１１ｅの塗布面積を増大させる補助板である。

このような反応器本体１Ｂの内側区分流路Ｒi及び外側区分流路Ｒoには、冷媒供給装置２から個別に冷媒が供給され、また環状反応流路Ｒcには外部から原料ガスが供給される。すなわち、この反応器本体１Ｂでは、環状反応流路Ｒcの内側と外側とが冷媒によって個別に冷却される。この結果、環状反応流路Ｒcの内側と外側との間に発生する温度分布、つまり環状反応流路Ｒcの半径方向における等温化が実現される。

ここで、第１実施形態における反応器本体１、１Ａでは反応流路Ｒｇが円柱状なので、外周近傍は第１〜第６冷媒によって冷却されるものの、中心軸近傍は特に冷却される訳ではないので熱が籠り易い。この結果として、反応器本体１、１Ａでは半径方向における等温化が実現し難い。これに対して、第２実施形態における反応器本体１Ｂでは、反応場を形成する環状反応流路Ｒcの内側と外側とが内側区分流路Ｒiに流れる冷媒と外側区分流路Ｒoに流れる冷媒とによって個別に冷却されるので、環状反応流路Ｒcの半径方向における等温化を実現することができる。

図３（ｃ）は、反応器本体１Ｂの変形例に係る反応器本体１Ｃの模式図である。この反応器本体１Ｃは、内管１１ａと中管１１ｂとの間に補助管１１ｆを設け、内管１１ａと補助管１１ｆとの間及び補助管１１ｆと中管１１ｂとの間に平板１１ｄを設けたものである。このような反応器本体１Ｃでは、触媒１１ｅの塗布面積をさらに増大させることができるので、メタン含有ガスの生成率をさらに向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記各実施形態では、原料ガスからメタン含有ガス（目的ガス）を生成する発熱反応（メタネーション反応）について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、メタネーション反応以外の種々の発熱反応あるいは種々の吸熱反応に適用可能である。なお、吸熱反応に本発明を適用する場合には、反応場の温度よりも加熱された熱媒を媒体供給装置から反応器本体に温度調節媒体として供給する。

（２）上記各実施形態では、各区分流路について冷媒の材料（種類）を同一とし、流量や温度を個別に設定したが、本発明はこれに限定されない。冷媒の材料（種類）、流量及び温度の全てを個別に設定してもよく、また材料（種類）及び流量を個別に設定してもよく、さらには材料（種類）及び温度を個別に設定してもよい。

（３）上記第１実施形態は反応場の軸線方向における等温性を確保しようとするものであり、上記第２実施形態は反応場（触媒充填領域）の半径方向における等温性を確保しようとするものであるが、両者を組合せることが考えられる。すなわち、第１実施形態の反応管１ａに代えて、第２実施形態の内管１１ａと中管１１ｂとからなる二重管を採用し、内管１１ａ内に冷媒を供給することにより、反応場の軸線方向及び半径方向の等温性を確保することが可能である。

（４）上記第１実施形態では、反応管１ａに触媒１ｂを充填したが、本発明はこれに限定されない。充填型の触媒１ｂに代えて、第２実施形態の反応器本体１Ｂのように塗布型の触媒１１ｅを用いてもよい。

（５）上記第１実施形態では、冷媒供給装置２として循環式のものを採用したが、本発明はこれに限定されない。冷媒供給装置２として加熱状態の冷媒を廃棄すると共に新しい冷媒を反応器本体１に順次供給する非循環式のものを採用してもよい。

（６）上記第１実施形態では、第１〜第６冷媒の流れ方向を同一としたが、本発明はこれに限定されない。互いに隣り合う冷媒が逆向きとなるように、例えば第２、第４及び第６冷媒の流れ方向を第１、第３及び第５冷媒の流れ方向に対して反対方向としてもよい。
また上記第２実施形態では、内側区分流路Ｒiに流れる冷媒と外側区分流路Ｒoに流れる冷媒の流れ方向を同一としたが、本発明はこれに限定されない。内側区分流路Ｒiに流れる冷媒と外側区分流路Ｒoに流れる冷媒の流れ方向を逆向きとしてもよい。

Ａ、Ｂ 触媒反応装置
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 反応器本体
１ａ 反応管
１ｂ、１１ｅ 触媒
１ｃ 冷却管
１ｄ１〜１ｄ５ 仕切板
２、２Ａ 冷媒供給装置（媒体供給装置）
２ａ 第１の冷却器
２ｂ 第２の冷却器
２ｃ 第３の冷却器
２ｄ 第４の冷却器
２ｅ 第５の冷却器
Ｒｇ 反応流路
Ｒｍ 媒体流路
Ｒ１〜Ｒ６ 区分流路
１１ａ 内管
１１ｂ 中管
１１ｃ 外管
１１ｄ 平板
１１ｆ 補助管

Claims (6)

1. 触媒を用いて原料ガスから目的ガスを生成する触媒反応装置であり、
   前記触媒が設けられると共に前記原料ガスが流通する反応流路と、
   該反応流路の周囲に設けられ、前記触媒の雰囲気温度を等温雰囲気に設定するための温度調節媒体が流通する媒体流路と、
   該媒体流路に前記温度調節媒体を供給する媒体供給装置と、を備え、
   前記媒体流路は、複数の区分流路に分割されており、
   前記媒体供給装置は、複数の前記区分流路に対して前記温度調節媒体を個別に供給することを特徴とする触媒反応装置。
2. 前記反応流路は、直管状の流路であり、
   複数の前記区分流路は、直管状の前記反応流路に交差すると共に当該反応流路の軸線方向に隣接することを特徴とする請求項１記載の触媒反応装置。
3. 複数の前記区分流路は、前記反応流路の軸線方向における幅が異なることを特徴とする請求項２に記載の触媒反応装置。
4. 前記反応流路は、内管および外管から成る二重管の外側の空間であり、
   複数の前記区分流路は、前記反応流路の外周及び内周に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の触媒反応装置。
5. 前記媒体供給装置は、複数の前記区分流路に対して流量が異なる前記温度調節媒体を供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の触媒反応装置。
6. 前記媒体供給装置は、複数の前記区分流路に対して温度が異なる前記温度調節媒体を供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の触媒反応装置。
   

Images