JPH03199104A

JPH03199104A - 炭化水素の改質装置

Info

Publication number: JPH03199104A
Application number: JP1343941A
Authority: JP
Inventors: Hideki Sugimura; 杉村　秀樹; Yoshiaki Imoto; 井本　善章; Mamoru Aoki; 守青木
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1989-12-27
Filing date: 1989-12-27
Publication date: 1991-08-30

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】［産業上の利用分野］本発明は、炭化水素よりなる原料ガスをリフォーミング
によって改質し、水素を主成分とする改質ガスを製造す
る改質装置に関し、殊に改質ガスの保有熱を改質反応熱
として効率良く利用して熱効率を高めると共に、装置の
コンパクト化を増進した改質装置に関するものである。

［従来の技術］燃料油、ナフサ、天然ガスなどの炭化水素原料に水蒸気
を混合し、これを触媒層に通して水素を主成分とする改
質ガスを製造する改質装置としては、たとえば特開昭５
３−７８９９２号、同５３−７９７８８号、同５６−９
０８６２号、同５８−６３７８３号、特開平１−１５５
９４０号、特公昭５７−７５３８号等が知られている。

これらの装置は、環状の２重管構造で且つ一端の連通さ
れた反応管に触媒を充填し、バーナから放出される燃焼
ガスによって反応管を加熱しつつ炭化水素原料を触媒層
に通してこれを改質するもので、環状の２重管構造とす
ることによって熱効率の改善並びに装置のコンパクト化
を図っている。

たとえば第５図は公知の改質装置を例示する一部破断説
明図であり、図中、１は炉体、２は反応管、３はバーナ
、４は仕切り円筒、５は外管、６は内管、７は触媒、８
は伝熱促進用充填材、９は耐火材、１０は原料ガス供給
管、１１は改質ガス排出管、１２は燃焼排ガス排出管、
１３は燃料油供給管、１４は燃焼用空気供給管を夫々示
し、また矢印について説明すると、（＾）は原料ガス、
（Ｂ）は改質ガス、（Ｃ）は燃焼ガス（または燃焼排ガ
ス）、（Ｄ）は燃焼用空気の夫々の流れを示す。

この装置は、図示する如く炉体１内に２重管状の反応管
２を挿設すると共に、該反応管２の内側にこれと略同心
的にバーナ３が配設され、反応管２内に触媒７を充填し
てこれに炭化水素ガスを流しながらバーナ３からの燃焼
ガスによって加熱することによって改質反応が行なわれ
る。即ち反応管２は外管５と内管６の間に仕切り円筒４
を挿入して２重管構造とすると共に、その下端部で外層
側流路５ａと内層側流路６ａを連通させており、原料ガ
ス供給管１０から供給された原料ガス（Ａ）は、反応管
２の触媒充填部内を通過して改質された後、改質ガス（
Ｂ）　として排出管１１から抜き出される。また燃焼ガ
ス（Ｃ）は反応管２を加熱した後、炉体１の内壁と反応
管２の外周面との間の隙間を上昇して排ガス排出管１２
から抜き出される。この間、供給管１０から外管５内へ
供給される低温の原料ガス（＾）は、反応管２の外側を
上昇する燃焼排ガス（Ｃ）と熱交換して加熱されると共
に、内管６を上昇する改質ガス（８）との間でも熱交換
して加熱される。従ってこれらの熱交換部には、熱交換
効率を高めるため伝熱促進用充填材８が充填されている
。

尚第５図の例では、原料ガス（＾）を外管５から内管６
方向へ、燃焼ガス（Ｃ）の流れに対向して流す構成とな
っているが、原料ガス（Ａ）を内管６から外管５方向へ
流すと、その流れ方向は燃焼ガス（Ｃ）の流れに対して
並行流となる。

［発明が解決しようとする課題］第５図に示す装置は、環状に形成された反応管２の内部
に加熱用のバーナ３が設けられて設備的にコンパクトな
構成となっており、しかも不均一な流体の分散が防止さ
れ反応管、触媒等の寿命の不均一がなくなる。しかしな
がらこれらの装置にも以下に示す様に改善の余地が残さ
れている。

改善すべき第１の点は、触媒の充填された改質反応領域
の加熱効率である。即ち第５図の例からも明らかである
様に改質反応領域は内管６の更に内面側および外管５の
更に外面側から燃焼ガス（Ｃ）の保有熱によって加熱さ
れるが、単一触媒層では内面あるいは外面の片面からの
加熱となる。

従って触媒充填部を薄肉にした方が熱伝達が良くなり改
質反応効率が向上するが、そうすると、原料ガス（Ａ）
の流れが早くなり過ぎるため、原料ガス（Ａ）が折り返
し部通過後上昇する際に原料ガス流速が早くなり過ぎる
と触媒の流動化が起こり触媒の損傷となる。

改善すべきもう１つの点は、改質反応部の温度制御と熱
効率の問題である。即ち第５図に示す如く、原料ガス（
Ａ）を燃焼ガス（Ｃ）に対して対向流で流す方式の場合
、熱利用効率は良好であるが、外層側流路５ａに供給さ
れた原料ガス（Ａ）は更にその外周側をやや降温して流
れる燃焼ガス（Ｃ）によって徐々に加熱され、折り返し
部で内層側流路６ａを上昇する際には降温する前のより
高温の燃焼ガス（Ｃ）によって加熱されるため、原料ガ
ス（Ａ）は反応管２はバーナ３の燃焼端位置に来た時点
で最も高い温度となる。従って反応管２の素材は当該最
高温度を基準にして選択される為、より高級な耐熱材料
を必要とする。又原料ガスは何らかの熱回収部を設けな
ければ温度の高いまま炉外へ放出されることになる。こ
れに対し並行流方式（原料ガス（＾）を内層側流路６ａ
から外層側流路５ａ方向へ、燃焼ガス（Ｃ）　と同一方
向に流す方式）では、バーナ近郊の反応管の温度は、対
向流方式より低い温度となり、反応管の温度制御が容易
である。しかしこの方式では、対向流方式と比較すると
熱利用効率が低くなるという問題がある。又、燃焼排ガ
ス（Ｃ）が高い温度のまま炉外へ放出されることになる
。並行流方式及び対向流方式の長所及び短所をまとめる
と、第６図及び第１表に示す様になる。

本発明はこうした点に着目してなされたものであって、
その目的は、改質反応部を触媒充填層の内部まで効率良
く加熱できる様にすることによって反応効率を高め、し
かも対向流方式と並行流方式の欠点を解消して両者の利
点のみを有効に発揮させ、優れた温度制御性のもとで高
い熱効率ヲ得ることのできる改質装置を提供しようとす
るものである。

［課題を解決するための手段］上記課題を解決することのできた本発明に係る改質装置
の構成は、 ■筒状の炉体と、 ■該炉体内に略同心的に設けられたバーナと、■炉体内
のバーナ外周側に炉体内壁との間に環状隙間を残す様に
配置されると共に触媒の充填される環状反応管を備えた炭化水素改質装置において、前記環状反応管の
触媒充填層内には長手方向に複数の管体を挿設すると共
に、該管体の一方端は環状反応管内の先端部で開口して
該反応管の内部空間と連通せしめ、改質ガス流路として
なるところに要旨を有するものである。

［作用および実施例］以下、実施例図面を参照しつつ本発明の構成および作用
効果を詳細に説明するが、本発明はもとより下記実施例
によって制限されるものではなく、前・後記の趣旨に沿
って適当な変更を加えることはいずれも本発明の技術的
範囲に含まれる。

第１図（Ａ）　、　（Ｂ）は本発明の実施例を示すもの
で、第１図（Ａ）は反応管２の構成を示す一部横断面図
、第１図（Ｂ）は概略縦断面図であり、基本的構成は第
５図の例と同様であるので、同一の部分には同一の符号
を付すことにより重複説明を省略する。

外管５および内管６によって形成され内部に触媒７の充
填される環状反応管２の触媒充填層内には、長平方向に
沿って略等間隔で複数の管材１５を挿設し、その下端は
反応管２内の下端部で開口して触媒充填部と連通せしめ
、その上端は、改質ガス排出管１１に連通したマニホー
ルド１６に接続されている。従って原料ガス供給管１０
を経て環状反応管２の上方から吹込まれる原料ガス（Ａ
）は、触媒７充填層を降下しつつバーナ３から吐出され
る燃焼ガス（Ｃ）の下降流及び上昇流（いずれもＣでし
めず）により外管５側および内管６側から加熱されなが
ら降下して改質反応が進行する。

そして改質ガス（Ｂ）は複数の管材１５内を上昇しつつ
、その保有熱により、触媒充填層を降下する原料ガス（
Ａ）をその内側から加熱してそれ自身は降温し、マニホ
ールド１６に合流された後改質ガス排出管１１から抜き
出される。この様に管材１５は反応管２における触媒７
充填層の中間部に挿通されており、原料ガス（Ａ）は触
媒７充填層の内側から該管材１５内を上昇する改質ガス
（Ｂ）により対向流で加熱されるので、内・外管側から
の燃焼ガス（Ｃ）による加熱とも相まって触媒７充填層
は全体に亘って効率良く昇温される。しかも燃焼ガス（
Ｃ）に対する原料ガス（Ａ）の流れ方向は、高温の燃焼
ガス（Ｃ）　との間で熱交換される内管６を境に並行流
となって内管上部の温度上昇をおさえ、一方、比較的低
温の燃焼ガス（Ｃ）との間では熱交換が行なわれる外管
５を境に、対向流となって炉外へ放出されるので燃焼ガ
スの温度を更に低くできる。又管材１５内を上昇する改
質ガス（Ｂ）も原料ガス（Ａ）と対向流で効率良く熱交
換し改質ガス（Ｂ）も低い温度で炉外へ出すことができ
る。

また触媒７充填層には上方から下向きに原料ガス（Ａ）
が流れる構成となっているので、ガス速度を高めても該
ガス流によって触媒７が流動化することもない。

かくして改質反応管の昇温をおさえると共に炉外へ出て
いく改質ガス及び燃焼ガスの温度を低くできる為、熱効
率も高い値が保障される。

第２図（＾）　、　（Ｂ）は本発明の他の実施例を示す
第１図（Ａ）　、　（Ｂ）対応図であり、バーナ３を炉
体１の底部に上向きに配設し、ライザー管１７によって
燃焼ガス（Ｃ）を上方へ導き、その前方に設けた耐火材
１８に当てて方向転換させた後反応管２の内壁に沿って
降下する様に構成したもので、作用効果は第１図（八）
　、　（Ｂ）の例と実質的に変わらない。

第３図（＾）〜（Ｃ）および第４図（Ａ）　、　（Ｂ）
　’ｊ第１図（Ａ）　、　（Ｂ）の変形例であり、いず
れも反応管２の上方において改質ガス（Ｂ）　と原料ガ
ス（＾）の熱交換が一層効率良く行なわれる様に改善さ
れている。即ち第３図の例では、第３図（Ｂ）および第
３図（Ｃ）に示す如く、改質ガスＣＢ）の上昇流路を構
成する管材１５の上方部周辺に伝熱用フィン２０を突設
し、原料ガス（Ａ）と改質ガス（Ｂ）の熱交換効率の向
上を図っている。この伝熱用フィン２０は管材１５の全
長に亘って突設することも勿論可能であり、また同様の
趣旨で外管５や内管６の内面および／もしくは外面にも
伝熱用フィンを設けて熱交換効率を高めることもできる
。

また第４図の例では、第４図（Ｂ）に示す如く管材１５
の上方部をやや大径に形成すると共に、その内部にラシ
ヒリングやくら等の伝熱促進用充填材８を装入し、この
部分における熱交換効率を高めている。第４図の変形例
として、管材１５を全体に亘って大径に形成して全体に
伝熱促進用充填材８を充填することもでき、また第５図
の従来例でも示した様に外管５と炉体１内周壁の間にも
伝熱促進用充填材を装入し、外面側からの伝熱効果を高
めることも有効である。

［発明の効果］本発明は以上の様に構成されており、その効果を要約す
ると次の通りである。

■改質反応部となる触媒充填層は内外面側からだけでな
く中央部からも加熱されるので熱効率が良く、改質反応
を効率良く進めることができる。

■反応管内管を境に原料ガスと燃焼ガスが並行流で流れ
る為、燃焼ガス入口部の反応管の温度を対向流でガスを
流した場合より低くできる。従って反応管材料は対向流
でガスを流す場合はど、高級材料にする必要が無い。又
反応管外管を境に原料ガスと燃焼ガスが対向流で流れる
為、出口燃焼ガス温度を低くできる。更に改質された原
料ガスは、燃焼ガスと接することなく、触媒層にその保
有する熱を触媒層に与えながら炉外へ出ていくので、改
質ガス出口温度も低くできる。従って対向流方式及び並
行流方式の有する欠点を改善し熱効率を向上することが
できる。

■系外へ排出されるガスはいずれも低温のガスと対向流
方式で熱交換されるので熱ロスが少なく、装置全体の熱
効率が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す断面説明図、第２〜４図
は他の実施例を示す第１図対応図、第５図は従来例を示
す要部断面説明図、第６図は並行流方式と対向流方式の
温度変化を対比して示すグラフである。１・・・炉体　　　　　　２・・・反応管３・・・バー
ナ　　　　　４・・・仕切り円筒５・・・外管　　　　
　　６・・・内管７・・・触媒　　　　　　８・・・伝
熱促進用充填材９．１８・・・耐火材　　　　１０・・
・原料ガス供給管１１・・・改質ガス排出管　１２・・
・燃焼ガス排出管１５・・・Ｗ　材ｌａ・・・マニホー
ルド１７・・・ライザー管　　　２０・・・伝熱用フィ
ン＠２茜（Ａ）第１図（Ａ）第３図（Ａ）第４図（〜第５図ＣＢ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）筒状の炉体と、
（２）該炉体内に略同心的に設けられたバーナと、
（３）炉体内のバーナ外周側に炉体内壁との間に環状隙
間を残す様に配置されると共に触媒の充填される環状反
応管を備えた炭化水素改質装置において、前記環状反応管の
触媒充填層内には長手方向に複数の管体を挿設すると共
に、該管体の一方端は環状反応管内の先端部で開口して
該反応管の内部空間と連通せしめ、改質ガス流路として
なることを特徴とする炭化水素の改質装置。