JPH0123173B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、発熱反応相及びこれに続く吸熱反応
相の可能なガスを反応させるための炉に関する。
本発明は、より詳細には、40％N₂、40％H₂及び
20％CO（公称値）から成る保護雰囲気を生成させ
るための炉並びにそれを作動させる方法に関す
る。

多くの産業上の作業においては、40％N₂、40
％H₂及び20％CO（公称値）から成る雰囲気のよ
うな保護雰囲気又はシールド雰囲気が必要とされ
る。このような産業上の用途には、中〜高炭素鋼
の硬化、炭素鋼の焼なまし及び焼ならし、浸炭、
浸炭窒化、銅及び銀のろう付け及び焼結などがあ
る。

40％N₂、40％H₂及び20％CO（公称値、ほかに
CO₂、H₂O及びCH₄を含む）から成る保護雰囲気
が高温の触媒床により炭化水素ガスを分解するこ
とにより製造されることは知られている。炭化水
素ガスは、天然ガス、プロパン、ブタン又は
MFG（製造ガス）を含み得る。この分解プロセス
を実施するための炉ないし発生器も知られてい
る。この炉の一例として、米国イリノイ州シカゴ
所在、リンドバーグ・カンパニーにより製造され
ているHYEN吸熱発生器がある。

第１図にHYEN吸熱発生器を示す。この発生
器は長さ約45〜69インチ（約114〜175cm）、直径
約８インチ（20.3cm）の細長い金属製管状ハウジ
ング２から成つている。ハウジング２は反応ガス
入口６及び絶縁層８をもつた閉鎖端４を備えてい
る。ハウジング２の上端も反応済みガス出口１０
を除き閉鎖されている。ハウジング２の頂に近接
した反応済みガス通路１２は絶縁層１４を備えて
いる。

スクリーン１６は絶縁層８により支持され、触
媒がガス入口６を塞ぐのを防止する。スクリーン
１６の上には熱伝達特性の高い材料例えばアルミ
ニウムチツプ１８が置かれ、ハウジング２の下部
には触媒物質が満たされている。触媒物質は1/2
〜１インチ（0.127〜0.254cm）の大きさの、酸化
ニツケルを含浸させた多孔質の球体又は立方体の
形のものである。

炉は通常は、絶縁ジヤケツト（図示しない）の
中に置かれている。熱は炉を包囲する電気抵抗コ
イル（図示しない）によつて、或いは絶縁ジヤケ
ツトの内部に加熱燃焼ガスを供給することによつ
て、炉に供給される。

使用に際し、反応ガス例えば天然ガスは、気化
器で空気と混合され、混合ガスは炉に底部の入口
６を経て供給される。混合ガス中の炭化水素ガス
の接触分解は２相反応であり、この反応は最初の
発熱相とそれに続く吸熱相とから成る。反応ガス
混合物は、アランダムチツプ床に入ると、発熱反
応の最小開始温度である約1170〓（約631℃）に
到達するまで、熱源により加熱される。発熱反応
の間に放出された熱は混合ガスにより吸収され、
混合ガスの温度は、約1750〓（約953℃）で始ま
る吸熱域まで上昇する。吸熱相の間は、分解プロ
セスが終了するまで反応ガス温度を1750〓（約
953℃）以上に保つために熱源からの熱が必要と
される。

反応済みガス通路中の絶縁層１４は、反応済み
ガスの尚早な冷却を防止し、反応済みガス生成物
は出口１０から約1700〓（925℃）の温度で排出
される。

一例として、天然ガス１部と空気2.44部との混
合物を200〓（約93℃）に加熱し、HYEN発生器
に導入し、1513立方フート／時の割合で反応させ
た。加熱用電力は17.77kW／時（kW／HR）の
割合で発生に供給した。反応済みガスは発生器か
ら1700〓（約925℃）の温度で排出され、露点は
28.8〓（約−1.7℃）、メタン含有量は0.46％、二
酸化炭素含有量は0.65％、一酸化炭素含有量は約
20％、水素含有量は約40％、窒素含有量は40％で
あつた。

上述したHYEN吸熱発生器にはいくつかの欠
点がある。第１に反応過程中ガスの加熱が一様に
行われない。ガスが最初に触媒床２０の底に入る
時にこの領域は熱源から供給された熱とアランダ
ムチツプ床の中で生じる発熱反応とにより供給さ
れる熱とにより既に加熱されている。反応ガスが
触媒床を通り上方に進む間に、吸熱反応を接続さ
せるのに必要な全部の余分な熱が熱源により供給
されねばならない。

この反応は最初は発熱反応であるため、熱が発
生し、この熱は直径８インチ（約20.3cm）の炉の
ハウジング２の中心部に向けられ、ハウジング２
中の触媒床の下部及びアランダムチツプ床の最初
の約12インチ（約30.5cm）の高さに亘り完全な発
熱反応を生じさせる。H₂O（水蒸気）及びCO₂（炭
酸ガス）の吸熱性の解離反応も同時にこの領域に
おいて生ずるため、実際にはこの領域は完全には
発熱性ではない。

更に発生器のハウジングの直径が８インチ（約
20.3cm）で比較的大きいことと、その内部の触媒
床が絶縁性であることとにより、触媒床の中心部
への熱の浸透が不充分になる。

そのため所望反応温度範囲以下の温度にある発
生器のハウジングの中心部に「冷域」（コール
ド・スポツト）が形成され、この冷域を移動する
ガスからは、ハウジング２を通る移動の最終部分
の間に熱が奪われる。従つて全部のガスを反応さ
せるに足る熱を供給するには、発生器中の全反応
ガスが最小分解温度である1750〓（約953℃）以
上となるように、熱源の温度を最小分解温度より
も約200〜300〓（約93゜〜149℃）高くする必要が
ある。従つて絶縁層１４に入る反応済みガスは約
1750゜〜1800〓（953〜982℃）の温度になり、約
1700〓（925℃）の温度でハウジング２を去る。

触媒床の中心コア部分への不充分な加熱により
適正な反応が起こらない場合には、残留メタン
（CH₄）は、CH₄→Ｃ＋2H₂の反応により炭素煤
として降下することが多い。

また冷却がおそすぎて逆反応（2CO→Ｃ＋
CO₂）を「凍結」させることができず、1250〜
900〓（675゜〜482℃）の範囲の温度降下が遅くな
りすぎた場合にも、炭素が生成され、反応済みガ
スの出口１０の下流側に煤が過剰に発生する。

更に適切な反応が確実に起るようにするために
は、反応ガスに頂部温度200゜〜300〓（93〜121
℃）を与える必要があり、これによつても炉の熱
源に過剰な量のエネルギーが要求される。

更に200〜300〓（93゜〜121℃）の頂部温度を必
要とすることにより、合金製ハウジングと電気加
熱要素及び炉の耐熱材に、より高級な材料を使用
するため、資材費が高くなる。

更に、約1700〓（約925℃）の温度で炉を去る
反応済みガスは、有用な処理温度である約150〓
（約65℃）の温度まで冷却されるように、炉部を
去つた直後に熱交換器に導入されるので、触媒床
を去る時に反応済みガスに含まれていて熱交換器
により除かれる全部の熱（△Ｔ、1700〓→150〓）
が無駄になる。

最後に、反応が高温で行われることにより、構
造材に一層高価なものを使用することになり、構
造材の使用寿命も短くなる。

従つて本発明の目的は、従来技術に比べ加熱に
要するエネルギーが少くて済むようにした、40％
N₂、40％H₂及び20％CO（公称値）の保護雰囲気
ガスを製造するための発生器ないし炉を提供する
ことにある。

本発明の別の目的は、入つて来る未反応ガスに
エネルギーの一部を放出させることにより、発生
器を去る反応済みガスを1700〓（925℃）よりも
実質的に低い温度となるようにした、保護雰囲気
ガスのための炉即ち発生器を提供することにあ
る。

本発明の更に別の目的は、ハウジング触媒床の
中心部の冷域を除くために反応の発熱性部分から
の熱を利用することにより、炉の熱源のより低い
温度においてより均等に反応されたガスが得られ
るようにした。保護雰囲気ガスのための炉ないし
発生器を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、簡単な改造により従
来技術による発生器からの変換が可能な、保護雰
囲気ガス製造用の２パス炉ないし発生器を提供す
ることにある。

本発明によれば、１対の同心管から成る２パス
発生器が提供される。反応ガスは内管の頂部に導
かれ、内管底部の触媒床の方に、内管を通つて流
れる。反応バスは、内管底部の通気孔を通つた
後、別の触媒物質を通り、反応プロセスを終了す
る。反応済み熱ガスは、内外管の間のスペースを
通つた後、頂の近くにおいて炉から排出される。
そのため最初に内管に入る反応ガスは、内管の反
対側の内外管の間のスペースを上方に流れる反応
済みガスにより予加熱される。そのため排出ガス
に含まれる過大な熱は、反応の発熱相の前に未反
応ガスの温度を高めるために未反応ガスに移行さ
せることができる。予加熱された反応ガス（未反
応ガス）は、内管内のアランダムチツプ床に入る
時に、発熱相からの熱により更に加熱され、次に
内管の触媒床に入り、そこで吸熱相が開始され
る。ガスは次に内外管の間の領域に入り、吸熱反
応に必要な熱は炉の熱源によりハウジングに供給
される。内管と外管（ハウジング壁部）との間の
領域に排出される間に内管中において未反応ガス
が高温にされることと、このドーナツ形の領域に
おいて触媒床の断面積が比較的小さいこととによ
り、炉の熱源からの熱がより均等に透過するの
で、外側触媒床域の温度勾配が少くなり、炉の熱
源の頂部温度が低下し、吸熱反応のために一様な
温度が保たれる。

反応済みガスは最後に内外管の間の通路の上部
換熱器部分に戻され、発生器から排出される。従
来技術の場合と異なり、冷域を回避する必要がな
いため、発生器ないしは炉内の最大温度は約1800
〓（約982℃）に低下させることができる。更に
換熱器部分により熱の一部が回収されるので、出
口温度は約1300〓（697℃）となり、下流側の熱
交換器において必要とされる△Ｔは1300−150〓
（697゜〜63℃）となり、逆反応温度域1250゜〜900
〓（675゜〜482℃）を通る一層急速な冷却が容易
に行われると共に、ハウジング２中において△Ｔ
＝1700−1300〓（953゜−697℃）の熱が回収され
る。

本発明のそのほかの種々の利点は、添付図面に
示した好ましい実施例についての以下の詳細な説
明により一層明らかにされるであろう。

本発明の発生器を第２図に示す。発生器は、従
来技術の外管２と同じ外管１０２からなる。外管
１０２は絶縁ジヤケツト１３０内に収容され、フ
ランジ１３２においてジヤケツト１３０内に支持
されている。内管１３４は外管１０２の中に同心
的に位置し、内管１３４と外管１０２との間に細
長いドーナツ形ないしは環状のスペースを形成し
ている。この環状スペース並びに内管１３４の内
部のスペースは、発生器の頂部に隣接した換熱器
部分１３６と、発生器の下方区分中の反応器部分
１３８とに分割されている。好ましくは、反応器
部分１３８は発生器の全長の2/3をなす。

反応ガス入口は内管１３４の中へその頂から同
心的に延びる入口管１４０として形成され、反応
済みのガスの出口管１４２は環状スペースから、
発生器の頂に隣接してその外側へ横方向に延びて
いる。

内管１３４と外管１０２は好ましくは耐熱合金
で作られる。

発生器の底壁、頂壁及び側壁は、底プラグ１４
４、頂プラグ１４６のように絶縁材料で内張りさ
れている。また換熱器部分１３６の環状スペース
も絶縁材料で内張りされており、換熱器部分１３
６で外管１０２の内壁上の絶縁材料と内管１３４
の壁との間に比較的狭い環状通路１４８が作られ
る。

内管１３４の下部と反応器部分１３８内の環状
スペースは、触媒物質床１５０で満されている。
触媒物質は、導入されたガスの吸熱反応を促進す
るどんな種類のものでもよいが、好ましくは、
NiN₂を含浸し、NiOを形成するように焼成した
多孔質れんがから成つている。れんがは好ましく
は積重ねた11/16インチ（約1.75cm）の立方体の
れんがの形状であるが、これ以外の寸法又は形状
としてもよい。反応中のガスは、内管１３４の底
に隣接して内管の線に設けられた通気孔１５２に
より、内管１３４の内部の触媒物質床１５０から
環状スペース中の触媒物質床に移行することがで
きる。通気孔１５２の数および直径は発生器を通
るガスの流量に依存するが、内管１３４内の背圧
が過大とならないように選定するべきである。ア
ランダムチツプ床１５３が内管１３４内の触媒物
質床１５０の上方に位置している。

ガス燃焼（図示しない）か又は電気抵抗加熱器
１５６によつて、絶縁ジヤケツト１３０と外管１
０２との間のスペース１５４に熱が供給される。

使用に当り炭化水素ガス例えば天然ガス、プロ
パン、ブタン又は製造ガスは、空気と混合され、
反応ガスの入口管１４０に導入される。反応ガス
は、換熱器部分にある内管１３４の部分を下降す
る間に、環状通路１４８を上方に流れる反応済み
ガスにより加熱されれた内管１３４の壁から熱を
吸収する。内管１３４の直径が３インチ（約7.62
cm）と比較的小さいので、内管１３４の表面摩擦
効果が比較的大きくなり、内管１３４内に乱流と
ガスの混合とを生じさせ内管１３４の直径方向の
温度が一様になる。更に内管１３４が比較的小径
であるため、内管１３４中のガスを燃焼温度に加
熱するには熱が約1.5インチ（約3.8cm）を貫流す
るだけでよい。このように予熱されたガスが内管
１３４の中のアランダムチツプ床１５３の頂に到
達すると、ガスの温度は、この領域に生じている
発熱反応により生じた熱のために更に上昇する。
また内管１３４が比較的小径であるため、内管１
３４の発熱域の長さに沿う加熱は比較的一様であ
り、内管１３４中の任意の点における最低温度
は、内管１３４の外部の環状スペース内の吸熱反
応に必要とされる最小温度よりも実質的に低くな
い。

反応が進行するにつれて反応済みガスは通気孔
１５２を通り内管１３４と外管１０２との間の環
状スペースに移行する。反応はガスが通気孔１５
２を通るのとほぼ同時に発熱相から吸熱相に移行
する。

反応中のガスが内外管の間の環状スペースを通
つて上方に流れる間に、吸熱反応は、外部熱源に
よつて外管１０２の金属壁を通して供給される吸
熱反応に必要な熱を吸収する。反応済みガスは次
に環状通路１４８を通つて上方に流れ、換熱器部
分１３６中の内管１３４の部分において入つて来
るガスに余分な熱を伝達する。換熱器部分１３６
の絶縁により、反応済みガスから発生器の外部へ
の熱伝達が防止される。

冷却された反応済みガスは、約1300゜〜1400〓
（約697゜〜760℃）の温度で出口管１４２を去る。
そのため出口管１４２は、逆反応温度範囲である
900〜1250〓（約482゜〜675〓）より少し高い温度
に急冷されるので、熱交換器内の冷却反応を容易
にし、空冷熱交換器のみを用いる場合に逆反応範
囲において煤の発生を制限する。

環状ドーナツ形の吸熱反応領域を横切る比較的
均等な加熱により、発生器中の最大温度は、反応
が起るのに必要な温度即ち約1800〓（982℃）に
近いほぼ1750〓（953℃）の温度に保つことがで
きる。このように最大温度が従来技術において必
要とされた値よりも約150〓（65℃）低くできる
ため、より廉価な構造材料を使用できると共に、
外部熱入力を小さくすることができる。更に反応
済みガスの出口温度が低いので、発生器からの煤
の生成量が少くなり、発生器と空冷熱交換器との
間に高価な水冷熱交換器を使用する必要が除かれ
る。

実施例 １ 天然ガス１部と空気2.42部との混合物を本発明
の発生器に導いた。ガスを制御温度1800〓（982
℃）に加熱するのに11.87kW／時の加熱電力を要
した。発生ガスの容積は1514立方フイート／時、
メタン含有量は0.44％、露点は20〓（−6.7℃）、
二酸化炭素含有量は0.24％、窒素含有量は40％、
水素含有量は39％、一酸化炭素含有量は20％であ
つた。

実施例 ２ 天然ガス１部、空気2.47部の割合で天然ガスと
空気を、本発明の発生器に導入し、制御温度を
1800〓（982℃）に高めるために11.87kWの加熱
電力を供給した。生成容積1506立方フイート／時
においてメタン含有量は0.32％、露点は30.8〓
（−0.6℃）、二酸化炭素百分比は0.33％、それに
N₂、H₂及びCOが含まれていた。

従つて制御温度が低いことと、換熱器部分を使
用したこととにより、本発明の発生器において使
用されるエネルギーは従来技術に比べて著しく減
少する。また従来技術と同様に、温度を1950〓
（約1048℃）に上昇させた場合にも、以下の実施
例により示されるように、なおもエネルギーが節
減される。

実施例 ３ 天然ガスと空気とを１：2.41の割合で混合し、
本発明の発生器に導いた。制御温度1950〓（1048
℃）に高めるために加熱電力16.41kW／時を使用
した。生成ガス量は1517立方フイート／時であ
り、そのうちメタン含有量は0.5％、露点は22〓
（−7.8℃）、炭酸ガス含有量は0.57％であつた。
従つて、制御温度を1950〓（1048℃）とした場合
にも加熱電力1.36kW／時が節減された。

従来技術によるHYEN発生器は本発明の発生
器を得るように容易に改造できる。頂及び底プラ
グ及び触媒を従来技術による発生器から取除くだ
けでよい。外部胴及び絶縁ジヤケツトは、出口管
１４２の位置を除いて、変更する必要はない。そ
の後に内管１３４及び触媒床を簡単に挿入すれ
ば、比較的簡単に発生器が改造される。

本発明は上述した実施例のほかにもいろいろと
変更して実施でき、上述した特定の構成は単なる
例示であつて、本発明を限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術による発生器を示す断面図、
第２図は本発明の発生器を示す断面図である。 符号の説明、１０２……外管（第１の導管）。
１３４……内管（第２の導管）。１３６……換熱
器部分。１３８……反応器部分。１４０……入口
管（入口手段）。１４２……出口管（出口手段）。
１５０……触媒物質床。１５２……通気孔（連通
手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 最初の発熱相とそれに続く吸熱相とを有する
   反応を実施するための反応装置であつて、 頂部と底部、上部換熱器部分、下部反応器部分
   及び上部換熱器部分の反応生成物出口手段を備え
   た第１の導管と、 第１の導管と同軸的に第１の導管中に位置さ
   れ、第１の導管との間に環状スペースを形成する
   に足る値だけ該第１の導管の直径よりも小さい直
   径を有する、第２の導管と、を有し、 第２の導管は該第１の導管の前記頂部の近傍か
   ら前記下部反応器部分の少くとも一部を通つて延
   長し、第２の導管は反応ガス入口手段と、前記下
   部反応器部分にあり、第２の導管の内部を前記環
   状スペースに連通させる連通手段とを備えてお
   り、更に 前記下部反応器部分の少くとも一部の中にある
   触媒床 から成る反応装置。 ２ 前記触媒床が前記下部反応器部分の中にある
   前記第２の導管の部分及び前記環状スペースの部
   分を満たしている特許請求の範囲第１項記載の反
   応装置。 ３ 前記下部反応器部分が前記第１及び第２の導
   管の下部を含む特許請求の範囲第１項又は第２項
   記載の反応装置。 ４ 前記触媒床がNiOを形成するように焼成され
   たNiN₂を含浸させた立方体状の多孔質れんがか
   ら成る特許請求の範囲第１項又は第２項記載の反
   応装置。 ５ 前記連通手段が前記第２の導管に設けられた
   複数の通気孔から成る特許請求の範囲第１項記載
   の反応装置。 ６ 前記第１及び第２の導管が合金製の管である
   特許請求の範囲第１項記載の反応装置。 ７ 前記下部反応器部分に隣接して加熱手段を含
   む特許請求の範囲第１項又は第６項記載の反応装
   置。 ８ 前記加熱手段が前記第１導線を取り囲んでい
   る特許請求の範囲第７項記載の反応装置。 ９ 前記加熱手段が電気抵抗加熱手段から成る特
   許請求の範囲第７項記載の反応装置。 １０ 前記加熱手段がガス加熱手段から成る特許
   請求の範囲第８項記載の反応装置。 １１ 前記反応ガス入口手段が前記第２の導管の
   中にこれと同軸的に配設された第３の導管を有す
   る特許請求の範囲第１項記載の反応装置。 １２ 前記第１の導管と前記環状スペースとの間
   に絶縁部があり、該絶縁部は前記換熱器部分中及
   び前記第１の導管の底部上に延在している特許請
   求の範囲第１項記載の反応装置。 １３ 最初の発熱相及びそれに続く吸熱相を有す
   る反応を実施するための２パス炉であつて、 閉鎖された頂部と底部、上部換熱器部分及び下
   部反応器部分を備えた細長い金属製外管と、 閉鎖された頂部及び底部を備え、前記外管の前
   記頂部から前記底部まで前記外管と同軸的に延
   び、前記外管との間に細長い環状スペースを形成
   する、細長い金属製内管と、 前記外管の前記底部上及び前記環状スペースと
   前記外管との間で前記換熱器部分内に配設した絶
   縁材と、 前記反応器部分の中に触媒床を形成し、Niを
   含浸させた立方体状多孔質れんがから成る触媒物
   質と、 前記内管の頂部の中へ同軸的に延びる反応ガス
   入口管と、 前記反応ガスが前記環状スペースの中へ通れる
   ように前記内管の底部に隣接して形成された通気
   孔と、 前記環状スペースの頂部に隣接した個所から延
   びる反応済みガスの出口と、 前記反応器部分に隣接して前記外管を囲む加熱
   手段と を有し、前記加熱手段及び前記発熱相からの熱が
   前記吸熱相において前記反応ガスを加熱すること
   を特徴とする２パス炉。 １４ 最初の発熱相とそれに続く吸熱相とを有す
   る反応を受けることのできるガスを反応させる反
   応方法において、 前記反応ガスを、熱伝達材料製の第１の導管に
   第１の方向に通し、 前記第１の導管からの熱を前記反応ガスに吸収
   させて前記反応ガスの温度を高くし、 加熱されたガスを前記第１の導管内の触媒と接
   触させて前記反応を開始させ、 反応中のガスを前記第１の導管の回りの還状通
   路に通し、 該反応中のガスを前記環状通路の中の触媒と接
   触させ、 反応済みガスを前記環状通路に前記第１の方向
   と反対の第２の方向に通すことにより、前記吸熱
   相からの熱を前記第１の導管に伝達する ことから成る反応方法。 １５ 前記触媒と接触するガスに外部の熱を与え
   る工程を含む特許請求の範囲第１４項記載の反応
   方法。 １６ 前記ガスがプロパン、ブタン、天然ガス及
   び製造ガスより成る群中から選ばれた１種のガス
   と電気を混合させたものからなる特許請求の範囲
   第１５項記載の反応方法。 １７ 前記発熱相が第一義的に前記第１の導管の
   中で起り、前記吸熱相が第一義的に前記環状通路
   の中で起る、特許請求の範囲第１５項又は第１６
   項記載の反応方法。 １８ 前記反応ガスが最大温度1800〓（982℃）
   に達し、1300゜〜1400〓（697゜〜760℃）で前記環
   状通路を出る、特許請求の範囲第１５項又は第１
   ６項記載の反応方法。