JPH02217302A - 吸熱反応のための反応室の中のプロセスガス流を間接的に加熱する方法及びこの方法を実施する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ａ、　産業上の利用分野 本発明は、吸熱反応のための反応室の中のプロセスガス
流を間接的に加熱する方法及びこの方法を実施する装置
に関する。

本発明の好まれる利用分野は、水素の豊富なガスを生成
するために炭化水素を触媒反応により水蒸気改質する分
野である。プロセスガスとして水蒸気と炭化水素及び／
又は二酸化炭素の混合が用いられる。この混合ガスは約
４００ないし６００℃の温度そして４　ＭＰａの圧力で
、触媒が充填されている多くの管から成ることもある反
応室に供給され、そこで約７５０℃ないし９００℃に加
熱される。このようにして触媒を介してこの混合ガスは
吸熱反応し、−酸化炭素と炭酸ガスと過剰の水蒸気及び
炭化水素との成分を有する水素の豊富なガスが生成され
る。生成ガスの水素含有量は、用いられている水蒸気の
過剰量と、触媒が充填されている管の圧力とに依存する
。過剰水蒸気の増加と、触媒が充填されている管の温度
とが水素生成量の増加を作用するのに対して、圧力増加
はこの量の減少を招く。

ｂ、　従来の技術 ヨーロッパ特許出願公開第０１９４０６７号公報から、
プロセスガス流の吸熱触媒反応を実施する装置が公知で
ある。この装置は、それぞれ一端が閉じており触媒が充
填されている１つ又は互いに平行に配置されている複数
の管を収容しているケーシングを備えている。ケーシン
グの中には、プロセスガス流が熱を吸収しながら内部を
貫流し、触媒が充填されている管の外側表面を加熱する
煙状ガスを供給及び排出する手段が設けられている。触
媒が充填されている管はそれぞれ、この管と共働してリ
ング状間隙を形成する１つの管状外被により囲まれてい
る。この外被は、触媒が充填されている管の全長の大部
分にわたり延在している。煙状ガスの案内路は、触媒が
充填されている管の閉鎖端に直接に指向されている。こ
れにより高温の煙状ガスが、触媒が充填されている管に
直接に当たるが、これは不利であることが判明した。何
故ならばこれにより、触媒が充填されている管の閉鎖端
における熱負荷が非常に高くなるからである。

限界的な個所においては、触媒が充填されている管の外
被の中で、煙状ガスを前もって相応に冷却しなければ比
較的短時間の内にこの管が損傷し管の交換が必要となる
程に高い温度が発生する。この場合に冷却は例えば、前
置接続されている熱交換器により、又は既に冷却された
煙状ガスとの混合により行うこともできる。これらの２
つの手段は、対応する付加的な装置コストを必要とする
。

触媒が充填されている管における熱負荷を緩和するため
に、このような管の外面における、高温煙状ガスが直接
に当たる領域にセラミック製の保護外被を設けることが
公知である。このような保護外被の欠点は、セラミック
の損傷を招き、そして単に時間的に遅延するだけで、触
媒が充填されている管の損傷も招く。

Ｃ１発明が解決しようとする課題 本発明の課題は、コストのかかる手段を用いずに反応室
の壁、特に煙状ガス出口の領域内にあり触媒が充填され
ている管の壁における熱負荷が一様化され害のない程に
低減されるように、例えば触媒が充填されている管の形
状に形成されていることもある反応室の中のプロセスガ
ス流の加熱方法を改善することにある。更に、本発明に
よる加熱方法を実施する装置を提供することにある。

ｄ、　課題を解決するための手段 上記課題は、特許請求の範囲第１項記載の特徴部分に記
載の特徴を有し特許請求の範囲第２項記載の特徴部分に
記載の特徴により改善される方法により解決される。こ
の方法を実施する装置は特許請求の範囲第３項に記載さ
れている。実施項第４項ないし第１３項の特徴部分に記
載の特徴は本発明の装置の有利な実施例を表している。

本発明は触媒反応プロセスに好んで利用されるので、以
降において反応室を触媒が充填されている管と常に称呼
する。これは決して限定と解してはならない、何故なら
ば触媒反応プロセスであるかないかは本発明による加熱
の実施に何ら影響しないからである。

本発明の基本的者えは、反応室即ち触媒が充填されてい
る管を加熱するために供給された高温の煙状ガスをこれ
らの管と接触させることを、触媒が充填されている管を
損傷するおそれがある温度を煙状ガスが有する間は、回
避することにある。

即ち煙状ガスは、熱伝導性で耐熱性の材料好ましくは金
属から成る管状体バリアの外面に沿って先ず案内されて
冷却され、次いで方向転換した後に、このバリヤの内面
上の逆の流れ方向で更に導かれる。

このようにしてバリヤの内面に沿って流れて少し冷却さ
れてから初めて煙状ガスは、触媒が充填されている管と
直接に接触してこの管に熱を放出しながら更に冷却され
る。しかし同時に、内側を流れる煙状ガスは、バリヤの
外側でこのガスの近傍を逆方向に流れる高温の煙状ガス
から、熱伝導性のバリヤを介して熱を吸収する。これに
より、外側を流れる煙状ガスは方向転換点に達するまで
に、熱的損傷の危険なしに触媒が充填されている管と直
接に接触できるまで冷却される。このようにして本発明
のアイデアは、供給された高温の煙状ガスに含まれる最
高の温度レベルにある熱が直接にではなく、既に部分的
に冷却された煙状ガスとの中間段階での熱交換を介して
、触媒が充填されている管に間接的に伝達される点に見
ることができる。即ちこの場合、同一の煙状ガス流にお
ける２つの部分区間の間で熱交換が行われる０本発明で
は、害のないレベルに煙状ガスの温度を低下するには、
より低温の熱伝達媒体も中間熱蓄積器もコストのかかる
外部熱交換器も必要ではなく、非常に簡単な管状の耐熱
性で熱伝導性のバリヤを嵌込むだけで十分である０本発
明による解決の原理は、触媒が充填されている多くの管
が１つの共通のケーシングの中に配置されている装置に
も利用できる。

煙状ガスの流体チャネルが本装置の中間領域に設けられ
反応室が外部にそして流体チャネルの回りに配置されて
いる逆配置も基本的に可能である。

この場合に対応する方法で本発明の加熱方法を利用する
ことが可能である。

ｅ、　実施例 次に本発明を実施例に基づき図を用いて説明する。第１
図において、吸熱触媒反応を実施する例えば炭化水素の
水蒸気改質を行うための本発明による装置が示されてい
る。この反応は、触媒が充填された管１の中で行われ、
この管１は外側がほぼケーシング４により囲まれており
、内側には種々の嵌込み部材を有する。これらの嵌込み
部材には、上部が閉じ下部が開いている熱伝導管２１と
、この熱伝導管２１の中に同軸に配置され同様に上部が
閉じ下部が開いている流体押退は管２とが属している。

触媒は管１の壁と熱伝導管２１との間の外側リング状室
１９に閉込められている。

反応ガスは接続部材１８を介して、触媒が充填されてい
る管１の中に流入し、触媒が充填されている外側リング
状室１９を下方に向かって通過して、閉鎖端３まで流れ
る。

このようにして、触媒の作用により発生した生成ガスは
、熱伝導管２１と流体押退は管２との間に形成されてい
る内側リング状室２０を上方に向かって通過し、上部に
おいて出口１７を通って、触媒が充填されている管１か
ら出る。リング状室１９を貫流する反応ガスと、リング
状室１９を貫流するより温かい生成ガスとの間で、中間
に配置されている熱伝導管２１の壁を介して熱交換が行
われる。

吸熱触媒反応のために必要な熱は、触媒が充填されてい
る管ｌに外部から高温の煙状ガスを介して供給される。

煙状ガスは煙状ガス人口接続部材１４を介してケーシン
グ４の中に流入する。その際にこの煙状ガスは先ず、ケ
ーシング４と円筒状挿入管１６とにより形成され下部が
閉じているリング状間隙１５の中で分配される。

煙状ガスはこのリング状間隙１５から上部において、リ
ング伏チャネル１３として形成されている煙状ガス人口
５を介して出て行き、周縁にわたり既に非常に一様に分
散している流体と一緒に第２のリング状間隙１１の中に
流入する。第２のリング状間隙１１は挿入管１６と、バ
リヤとして作用する管状体７との間に形成され、管状体
７はその上端９にケーシング４と気密接続部材１２を有
する。煙状ガスはリング状体７に沿ってリング状間隙１
１を通過して下方に向かって流れ、その流れ方向をリン
グ状体７の自由端８において反転する。

この場所で煙状ガスはリング状間隙１０の中に流入する
。リング状間１１ｊｌｌＯは、触媒が充填されている管
１とリング状体７との間、又は触媒が充填されている管
ｌとケーシング４の壁との間に形成されている０次いで
煙状ガスはこのリング状間隙１０の中を、触媒が充填さ
れている管ｌに沿って上方に向かって通過し、著しく冷
却された状態でこの管１から煙状ガス出口６を通って出
て行く０次いで煙状ガスは、図示されていない２次的な
熱回収装置を経て煙突に到る。

煙状ガスは、リング状間隙１Ｇを通過する際に常に管ｌ
の壁を通して、触媒が充填されている管ｌを通過して逆
の方向に流れる反応ガスに熱を放出する。

その他にも熱交換は、リング状間隙１１の中を下方に向
かって流れる高温の煙状ガスと、リング状間隙ｌＯの中
を上方に向かって流れる既に少し冷却されている煙状ガ
スとの間で行われる、何故ならば、中間でバリヤとして
作用する管状体７は、耐熱性かつ熱伝導性の材料、好ま
しくは金属から形成されているからである。この熱交換
の結果、−方では高温煙状ガスが、リング状間隙１１を
通過中にすなわち触媒が充填されている管ｌとの最初の
接触の前に既に、管１に対して許容されない熱負荷とな
らない温度までに冷却されることが可能である。また他
方ではリング状間隙１０の下部における煙状ガスの熱吸
収により、煙状ガスの温度は、反応ガスへ熱を損失した
にもかかわらず比較的高いレベルにとどまり、従って触
媒が充填されている管１の長手方向のほぼ全長にわたり
、加熱のために非常に好適な条件（高い熱伝達能力）が
与えられる。

管状バリヤ７の軸方向長しは、管ｌの加熱可能長Ｓの約
０．１−０．７倍となるように選択すると好適であるこ
とが分かった。

本発明による装置は、必要に応じて個々の部品を支障な
く交換できる非常に簡単な構造を有する、何故ならば個
別部品はほぼすべて取外し可能に互いに接続されている
からである。このようにしてケーシング４は上部部品と
中間部品と下部部品とから成り、これらの部品は２つの
フランジ接続を介して統合保持されている。煙状ガス温
度と煙状ガス流体の衝突とにより比較的強い負荷が加わ
る挿入管１６は耐火材から成り、損傷が発生した場合に
容易に交換できる。同様なことが、有利には耐熱性鋼か
ら成り本来は機械的負荷がほぼ加わらない管状バリヤ７
についても言える、何故ならば管状バリヤ７は、高温煙
状ガスが作用すると自在に下方に向かって伸びることが
できるからである。

触媒が充填されている管ｌに対してはこのような熱負荷
は許容されない、何故ならば管ｌは、触媒反応による著
しい内圧にあるからである。管状バリヤ７の直径を種々
に選択することによりリング状間隙ｌＯと１１との間の
熱交換を制御することが容易にできる、何故ならばバリ
ヤ７の直径を変えることにより２つのリング状間隙ｌＯ
及び１１の空の流体横断面の比も変えることができるか
らである。

従って直径の拡大によりリング間隙１１においては流速
が大きくなりリング状間隙ｌＯにおいては流速が小さく
なるので、これに対応して熱交換も変化する。これに対
応して、別の直径を有する流体押退は管２を使用するこ
とにより、生成ガスと反応ガスとの間の熱交換も制御す
ることができる。即ちこの流体押退は管２の役割は、装
置の所定の全長にわたり所望の冷却がその都度に得られ
る程に熱伝導管２１の壁の近くに沿って生成ガスを案内
するために、内壁リング状室２０の空の横断面を縮小す
ることにある。熱伝導・管２１の上部におけるフランジ
接続により流体押退は管２は問題なく交換できる。

本発明による加熱方法は、触媒が充填されている管ｌに
対して支障のない程度に煙状ガスの温度を意図的に低め
ることを保証し、第１図に示されているリング状間隙１
５とリング状チャネル１３とリング状間隙１１とリング
状間隙１０とを通しての煙状ガス窩内により、周縁にわ
たり非常に−様な温度分布を保証し、このようにして点
状の熱過負荷をも排除することが可能である。

本発明の解決方法の効果は、第２図に示されている温度
変化から分かる。これらの温度変化はそれぞれ、天然ガ
スを水蒸気改質することにより水素を生成するための本
発明による装置と、これとの比較の意味で従来の装置と
における、触媒が充填されている管の加熱可能部Ｓに沿
って種々の構成部品と煙状ガスとにおいて測定された０
曲線＾１は本発明の装置に対して、約１５００″Ｃの初
期温度でリング状管１１の中を管状バリヤ７に沿って下
方に向かって流れる煙状ガスの温度変化を示している。

バリヤ７の下端８に到ると煙状ガスは約１１００℃に冷
却され、次いで逆方向にリング状間隙を貫流し、その際
に曲線＾２で表される冷却が行われる。バリヤ７を介し
ての熱交換の十分な効果により煙状ガスの冷却は比較的
緩慢に行われることがはっきりと分かる０曲線Ｂは、上
部における約１１７５℃から下部における約１１１０℃
へと戻る、管状バリヤ７の長さしに沿っての温度を示し
ている。Ｉｌ械的負荷が無いのでこのような熱負荷は市
販の耐熱性鋼でも十分に耐えることができる。触媒が充
填されている管１の管壁の中の温度変化が曲線Ｃにより
示されている。長さしにわたりこの温度はほぼ一定に約
９００℃に保たれ、次いで先ず非常に急速に約７５０°
Ｃに低下し、次いでより長い区間にわたり連続的に約５
５０℃にまで低下する。これにより、触媒が充填されて
いる管１の中の管壁温度を全長Ｓにわたり、支障のない
値に保持できることが明らかである。これは、同様に約
１５００℃である煙状ガス初期温度の場合、従来の装置
においては即ち本発明の金属性バリヤ７なしには曲線り
が示すように可能ではない、何故ならばこのような場合
には、触媒が充填されている管１の下部が約１０００°
Ｃにまで加熱されるからである。触媒が充填されている
１１１の中に約５００℃で流入するプロセスガスの温度
変化は曲線Ｅにより示されている。流れ方向は矢印によ
り示されている。触媒改質の後に流出する生成ガスの温
度変化は曲線Ｆにより示されている。約８４０℃から約
６００℃へのｍ度降下から、生成ガスの中に含まれてい
る熱の大部分は、流入するプロセスガスに移行すること
が分かる。

本発明による装置は、簡単かつ低コストの構造と、その
結果として得られる、この装置を特に小型水素生成装置
における使用に適したものにする保守容易性との他にも
例えば次のような多くの利点を有する。

４゜ 触媒が充填されている管の管壁温度が、問題のない（直
に保持される。

管状バリヤの形状を対応させることにより、加熱のため
に用いられる燃料の加熱（ａが異なるにもかかわらず、
触媒が充填されている管における管壁温度を同一に調整
できる。

管状バリヤの領域において煙状ガスと反応ガスとの間に
非常に効果的な熱交換が行われる。

煙状ガスを一様化することにより局所的な加熱を回避で
きる。

容易に交換可能な流体押退は管の直径を選択することに
より生成ガスの冷却を所望値に調整できる。

煙状ガスを上手に利用することにより燃料消費を低減で
きる。

熱伝導管と、触媒が充填されている管との間のフランジ
接続により触媒の交換が、このために触媒が充填されて
いる管を取外さずに容易に可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の縦断面図、第２図は従来の装置
と比較しての本発明の装置における種々の温度変化を示
す線図である。 １・・・触媒が充填されている管、 ２・・・流体押退は管、　　　３・・・閉鎖端、４・・
・ケーシング、　　　　５・・・煙状ガス、６・・・煙
状ガス出口、　　７・・・管状体、８・・・自由端、　
　　　　９・・・上端、１０、１１・・・リング状間隙
、 １２・・・気密接続部材、　　１３・・・リング状チャ
ネル、１４・・・煙状ガス、　　　　１５・・・リング
状間隙、１６・・・円筒状挿入管、　　１７・・・出口
、１８・・・接続部材、　　　　１９．２０・・・リン
グ状室、２１・・・熱伝導性管、　　　Ｌ・・・軸方向
長、Ｓ・・・加熱可能部の長さ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）反応室の外部に位置する反応室の壁表面が高温の煙
   状ガスにより囲まれ、吸収された熱がプロセスガスに放
   出される、吸熱反応特に触媒反応のための反応室の中の
   プロセスガス流を間接的に加熱する方法において、高温
   の煙状ガスが熱伝導性で耐熱性の材料から形成されるバ
   リヤに沿って先ず案内され、その際に煙状ガスが熱をこ
   のバリヤに放出することと、煙状ガスが反応室の壁にと
   って害のない温度に達した後に方向変換し、これまでと
   反対側のバリヤ面に沿って更に案内され、そしてこの時
   に初めて反応室の壁の外面と接触し、このようにして逆
   方向に案内されている煙状ガスは一方ではバリヤから熱
   を吸収し他方では熱を反応室に放出することを特徴とす
   る吸熱反応のための反応室の中のプロセスガス流を間接
   的に加熱する方法。 ２）吸熱反応によりプロセスガスから生成される生成ガ
   スが、流入するプロセスガス流に対して逆方向に流れて
   反応室から排出案内され、その際にプロセスガス流と生
   成ガス流は熱伝導性分離壁により互いに分離され、生成
   ガス流は、平坦な流体横断面を有するこれらのガス流の
   間の熱交換を強めるために分離壁に沿って案内されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の吸熱反応の
   ための反応室の中のプロセスガス流を間接的に加熱する
   方法。 ３）触媒が充填されている少なくとも１つの管により主
   に形成され嵌込み部材（熱伝導管（２１））を備え閉鎖
   端（３）を有し外部から煙状ガスにより加熱できる反応
   室（１）と、煙状ガス入口（５）と煙状ガス出口（６）
   とを備え外部加熱領域において反応室（１）を囲んでい
   るケーシング（６）と、反応室（１）を少なくとも部分
   長にわたり囲み第１の自由端（８）とケーシング（４）
   と気密に接続されている第２の自由端（９）とを有する
   管状体（７）とを備え、自由端（８）は反応室（１）の
   閉鎖端（３）に向いて位置し、管状体（７）が反応室（
   １）の壁と共働して第１のリング状間隙（１０）を形成
   しケーシング（４）と共働して第２のリング状間隙（１
   １）を形成する、特許請求の範囲第１項記載の吸熱反応
   のための反応室の中のプロセスガス流を間接的に加熱す
   る方法を実施する装置において、煙状ガス（５）が、熱
   伝導性材料から成る管状体（７）の自由端（８）から間
   隔を隔てて直接に第２のリング状間隙（１１）に配置さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   吸熱反応のための反応室の中のプロセスガス流を間接的
   に加熱する方法を実施する装置。 ４）前記煙状ガス入口（５）が前記管状体（７）の第２
   の端部（９）の直接の近辺に配置されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第３項記載の第１項記載の吸熱反
   応のための反応室の中のプロセスガス流を間接的に加熱
   する方法を実施する装置。 ５）前記管状体（７）が金属から形成されていることを
   特徴とする第３項又は第４項記載の第１項記載の吸熱反
   応のための反応室の中のプロセスガス流を間接的に加熱
   する方法を実施する装置。 ６）前記管状体（７）の長さ（Ｌ）が、外部加熱領域の
   中に位置する前記反応室（１）の長さ（Ｓ）の０．１倍
   と０．７倍の間にあることを特徴とする特許請求の範囲
   第３項ないし第５項のうちのいずれか１項に記載の第１
   項記載の吸熱反応のための反応室の中のプロセスガス流
   を間接的に加熱する方法を実施する装置。 ７）前記管状体（７）と前記ケーシング（４）との気密
   接続部材（１２）が取外し可能な接続部材であることを
   特徴とする特許請求の範囲第３項ないし第６項のうちの
   いずれか１項に記載の第１項記載の吸熱反応のための反
   応室の中のプロセスガス流を間接的に加熱する方法を実
   施する装置。 ８）前記煙状ガス入口（５）が、ケーシング（４）の壁
   の中に前記管状体（７）に対して同心に配置されている
   リング状チャネル（１３）を介して、前記煙状ガス入口
   接続部材（１４）と接続されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第３項ないし第７項のうちのいずれか１項
   に記載の第１項記載の吸熱反応のための反応室の中のプ
   ロセスガス流を間接的に加熱する方法を実施する装置。 ９）前記リング状チャネル（１３）が、前記ケーシング
   （４）の壁の中に配置されている第３のリング状間隙（
   １５）を介して、前記煙状ガス入口接続部材（１４）と
   接続されていることを特徴とする特許請求の範囲第８項
   記載の第１項記載の吸熱反応のための反応室の中のプロ
   セスガス流を間接的に加熱する方法を実施する装置。 １０）前記第３のリング状間隙（１５）が、前記ケーシ
   ング（４）の壁の中の円筒状挿入管（１６）により内部
   の向きに制限されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第９項記載の第１項記載の吸熱反応のための反応室の
   中のプロセスガス流を間接的に加熱する方法を実施する
   装置。 １１）前記円筒状挿入管（１６）が取外し可能であり、
   耐火材から形成されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１０項記載の第１項記載の吸熱反応のための反応
   室の中のプロセスガス流を間接的に加熱する方法を実施
   する装置。 １２）反応室（１）の中の前記嵌込み部材が、中心に同
   心で配置され一端が開いている流体押退け管（１７）を
   含んでいることを特徴とする特許請求の範囲第３項ない
   し第１１項のうちのいずれか１項に記載の吸熱反応のた
   めの反応室の中のプロセスガス流を間接的に加熱する方
   法を実施する装置。 １３）前記ケーシング（４）が、金属外被と内側耐火コ
   ーティングとの組合せであることを特徴とする特許請求
   の範囲第４項ないし第１２項のうちのいずれか１項に記
   載の吸熱反応のための反応室の中のプロセスガス流を間
   接的に加熱する方法を実施する装置。