JPH0642940B2 - 気体吸熱反応用装置 - Google Patents

気体吸熱反応用装置

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JPH0642940B2
JPH0642940B2 JP63064409A JP6440988A JPH0642940B2 JP H0642940 B2 JPH0642940 B2 JP H0642940B2 JP 63064409 A JP63064409 A JP 63064409A JP 6440988 A JP6440988 A JP 6440988A JP H0642940 B2 JPH0642940 B2 JP H0642940B2
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秋夫 内藤
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] [産業上の利用分野] この発明は,炭化水素やメタノール等の水蒸気改質に代
表される気体吸熱反応用装置に関する. [従来の技術],及び [発明が解決しようとする課題] 水蒸気改質に代表される気体吸熱反応用装置では,燃焼
炉の燃焼ガス生成空間中で発生する燃焼熱が,高密度熱
流束として反応器壁を貫通して吸熱反応用の触媒が充填
されていることもある吸熱反応用空間に与えられる為
に,燃焼ガス生成空間中の燃焼ガスの温度が高く維持さ
れ,燃焼ガス層の厚さが大きくされ,燃焼ガス生成空間
を区画する燃焼炉壁内面の熱線の反射率が大きくされる
ことなどはかかる装置に関する常套手段である. これらの手段が総合的に尽くされても工業的装置におい
て,反応器壁即ち吸熱反応用空間隔壁を貫通する熱流束
は 150,000Kcal/m2.Hr程度が上限である. 密度の低い燃焼ガスからの輻射熱を利用することから燃
焼ガス層の厚さが大きくされることにより,燃焼炉が占
める体積は,必然的に大きくならざるを得ず,燃焼炉が
包蔵し燃焼炉により加熱される反応器自体の体積は小さ
くとも,全体として大型装置とならざるを得ない. 高温に於て,気体より輻射能が格段に大きい耐火性の固
体物質が燃焼炉中の燃焼ガス発生空間や燃焼ガス流通路
に置かれて燃焼ガスにより加熱され,高温に維持され,
この固体物質から反応器壁へ熱線が輻射させられること
により燃焼炉が占める体積を小さくすることが行われて
おり,また,同一の目的を以て燃料の接触的酸化による
燃焼熱の発生利用も提案されているけれども,装置の小
形化の為にはまだ充分でない. 出来るだけ小さな体積で大きな能力を持つ水蒸気改質装
置等を提供するのが本発明の目的の一つである. [発明の構成] [課題を解決するための手段] 本発明の装置は,気体の吸熱反応用装置であって直立し
た円筒状容器を有しその中に: 該容器と同軸の2個の円筒状壁を持つ環状の吸熱反応室
と, 該吸熱反応室と円筒状壁の少くとも一方と隣り合い該容
器と同軸な通気性の円筒状壁で,該反応室に面する側に
燃焼触媒保有層を持つ燃焼触媒保有壁と, 該反応室の該円筒状壁の該少くとも一方と該触媒保有壁
とを含む壁に囲まれた環状室である燃焼済気体通路室
と, 該反応室と向流的熱交換配置にあり該反応室の一端と連
通した製品気体通路と, 該燃焼触媒保有壁の該燃焼済気体通路室とは他の側にあ
り該燃焼触媒保有壁を含む壁に囲まれた燃料気体供給室
とを有し,更に: 該反応室の他端に連通した原料気体供給手段と, 該燃料気体供給室に何れも連通した燃料気体供給手段及
び含酸素気体供給手段と, 該燃料済気体通路室に連通した燃焼済気体排出手段と, 該製品気体通路に連通した製品気体排出手段とを有し, 燃料気体と含酸素気体とが夫々該燃料気体供給手段と該
含酸素気体供給手段とを経て該燃料気体供給室に供給さ
れ,その再両気体は別途に本発明装置に供給され次いで
燃料気体供給室に入る前又は後に混合され又は前もって
混合されてから共通の供給手段で本発明装置に供給さ
れ,それから両気体は該燃焼触媒保有壁を該燃焼済気体
通路室へと通過し,該燃料気体が該燃焼触媒により燃焼
せられ;この燃焼により生じた熱が該燃焼触媒保有層か
らの輻射により該燃焼済気体通路室と該反応室の該壁の
該少くとも一方とを経て該反応室にもたらされ;該燃焼
により作られた燃焼済気体が該燃焼済気体通路室と該燃
焼済気体排出手段とを経て排出され,該燃焼済気体の残
余の熱も該反応室の該壁の該少くとも一方を経て該反応
室に与えられ;原料気体が該原料気体供給手段を経て該
反応室に供給され,該反応室を通過して吸熱反応をし製
品気体となり,それから該製品気体が,該反応室を通過
する該原料気体とは向流的に該製品気体の残余の熱を該
原料気体に与えつつ該製品気体通路を経て,また該製品
気体排出手段を経て排出される,気体吸熱反応用装置で
ある. この発明の装置に於ては,気相状態の燃料,あるいは微
細に霧化して供給される液体燃料(これらの両燃料を以
下に於ては「燃料気体」と総称する.)が,熱供給装置
に於て,空気,酸素富化空気,その他の含酸素気体と共
に装置に設けられたパラジウム,白金,ニッケルなどを
有効成分とする燃焼触媒層に供給されここで接触燃焼さ
せられて,所要量の燃焼熱が燃焼域内の温度分布の精密
な制御下に発生させられ得る. この接触燃焼により加熱される吸熱反応域は,機械的強
度,耐熱性と熱貫流率が大きい素材からなる反応器壁
と,内部の吸熱反応用空間又は反応室により構成され
る.反応室中は充填物で満たされてもよく,吸熱反応が
炭化水素やメタノール等の水蒸気改質であれば周知のよ
うに改質触媒がこの反応空間に充填される. 吸熱反応用空間を収容する反応器壁表面には,所望によ
り付属物が備えられてもよい. 例えば,反応器壁の内外表面を拡大する突起物などであ
る. また接触的でない吸熱反応にあっては特に,吸熱反応用
空間内に伝熱促進用の各種リング等の充填材料を充填し
又はフィン等を設置してもよい. 反応器の被加熱面即ち受熱面は,燃焼ガス即ち燃焼済気
体が流通して排出口へ向うに必要な燃焼済気体流通通路
空間又は室を介在させて全面的または部分的に燃焼触媒
層に対向させられる. 燃焼済気体流通空間の厚みは 5〜 200mmの範囲内とされ
る. この空間は,燃焼触媒層の接触燃焼により生成した燃焼
ガスの流出通路として機能させられると共に,燃焼触媒
層からの輻射熱がこの空間を通過して反応器の被加熱面
に伝えられる. この空間内の燃焼ガスの流速は 0.1〜 5 m/秒の範囲内
とされる. 燃焼触媒層の厚みは所要熱量,及び燃焼触媒,燃料と含
酸素気体の種類等により決定されるが 1〜40mmの範囲内
とされる. 燃焼触媒保有壁は充分な強度を持つ耐熱性の多孔性材料
で構成される.かかる材料としてはセラミクス又は金属
材料で網,綿状物,織布又は不織布,繊維,紐状長尺
物,又は連通気泡性海綿状物の様な通気性構造の材料が
ある. 燃焼触媒保有壁はかかる材料の1種又は複数個の組合せ
で構成されてよく,自体又は枠組み,収容器等で支えら
れる. 燃焼触媒保有壁の燃焼触媒非保有部分はこの壁の燃料供
給室に隣り合う側に位置せしめられる. この部分の機能は燃焼触媒層からの燃料気体供給室又は
更に先への逆火を防止し,燃焼触媒層からの熱を遮りま
た反射することであり,場合によっては触媒層を支える
ことである. 燃焼触媒保有壁とは若干隔たって位置し補助壁が燃焼触
媒保有壁の触媒層とは他の側に設けられ,逆火を更に防
止し,又は燃料気体と含酸素気体との混合物がこの触媒
保有壁を通過する通過速度の縦方向に沿っての分布を制
御してもよい. 補助壁は金属製の網,エクスパンドメタル等又はこれら
の組合せであってもよく,多孔性度合い即ち開口の程度
を変えて上記通過速度の制御をしてもよい. 通常のフレームアレスタの様な逆火防止手段が,燃焼触
媒保有壁又は補助壁までの燃料気体通路に沿った箇所に
必要に応じ設けられてもよい. 触媒層で発生した熱は固体輻射で触媒層から輻射され燃
焼済気体通路室と反応室の壁とを通過して反応室にもた
らされ,反応室では原料の吸熱反応がなされる.燃焼触
媒保有壁の燃焼触媒をもたない部分を貫く熱の通過はこ
の部分の断熱機能で阻止され熱は反射ないし輻射されて
触媒層に戻され,またこの部分を通過する燃料混合気体
もまた熱を触媒層に運ぶので,燃焼熱は反応室に高い効
率でもたらされる. 燃焼触媒層の製作方法としては例えば,通気性が良好で
あり,機械的強度も大きい耐火性多孔質物質が,必要に
応じ,大表面積を確保する為ウォッシュコートされた後
に触媒成分含有溶液中に浸漬されて触媒成分を担持させ
られてもよく,また触媒成分溶解液中に更に又は繰返し
浸漬されて触媒成分の触媒層内における濃度分布調整が
行われてもよく,粒子状,または,繊維状耐火性物質が
必要に応じ大表面積の確保の為ウォッシュ・コートされ
た後に触媒成分を担持させられ,所望の触媒層形状に成
型されてもよい. このとき担持と成型の順序が逆にされてもよい. 触媒層から反応器の被加熱面への放熱を良好とする為
に,深層部の担体粒子が小さく密に,浅層部の担体粒子
が大きく粗にされることが極めて効果的である. 同様に,深層部の担体繊維が密に,浅層部の担体繊維が
粗にされることが同様に効果的である. 浅層部は,当然,反応器の被加熱面に対面する側とされ
る. 燃焼触媒層は,逆火防止の為,燃焼済気体流通空間と反
対側で燃料気体と含酸素気体の通過が容易な耐火性断熱
材料層に覆われる.この断熱材料層が,上記では「燃焼
触媒保有壁の燃焼触媒をもたない部分」,「燃焼触媒保
有壁の燃焼触媒非保有部分」等と呼ばれた.換言すれば
燃焼触媒層とこの耐火性断熱材料層とが燃焼触媒層を有
する通気性の燃焼触媒保有壁又は含有隔壁をなす. 耐火性断熱材料層につき詳述すると,定型の耐火性物質
とセラミックファィバー製の織布シート,あるいは,こ
の不織布シートと組合せた耐火性断熱材料の使用が特に
良好である. 燃焼触媒層に近い層に定型の耐火性物質が使用され遠い
層にセラミックファィバー層が使用されてもよく,また
逆に,燃焼触媒層に遠い側の層に定型耐火性物質が使用
されて,近い側の層にセラミックファィバー層が使用さ
れてもよい. セラミックファィバー層間に定型の耐火性物質が挟まれ
た構造とされてもよい. 耐火性断熱材料は,燃焼触媒層自体が脆弱である場合に
燃焼触媒層の支承基体としてする時は,充分支承し得る
為に機械的強度が大きいことが必要であるが,燃焼触媒
層が強固な耐火性物質上に担持されるときは,耐火性断
熱材料は断熱性を主として選択されてよい. 耐火性断熱材料層厚さは,逆火の防止の為に通常 0.5〜
20mmの範囲内とされる. この発明の装置が,高信頼性を有する為に,耐火性断熱
材料層は最も重要な機能部分である.耐火性断熱材料層
は一体的構成であってもよく,また,ブロック化された
材料が組み合う組立構成であってもよい. ブロック化された材料の素材は一種に限られる必要はな
く,異種素材材料が適宜組み合わされて使用されてもよ
い. 逆火の防止の為に,燃焼済気体通路室内の圧力と燃料気
体供給室の空間中で燃焼触媒保有壁に隣り合う部分内と
の圧力の差,即ち燃焼済気体流通室と燃料気体及び含酸
素気体の燃焼触媒層への流入側空間との燃焼触媒保有壁
を挾んでの圧力差は,少くとも10mm水柱以上とされる. 逆火の防止の為にはまた,燃焼触媒含有隔壁の燃料気体
供給空間側の表面温度は,燃料の着火温度より 200℃程
度低い温度に維持されることが望ましい. 例えば,燃料がメタンである場合には断熱材料層の流入
側表面温度は, 400℃以下であることが望ましい. 反応器の被加熱面に対向する燃焼触媒層表面には,通常
その全面に燃焼触媒が均質に分布していることが適当で
あるが,燃料気体と含酸素気体との触媒層中の流れの方
向に亙っては,必ずしも触媒が均質に存在させられなく
てもよく,逆火と触媒劣化の防止の為に,流入側層内に
は触媒が希薄に存在させられることが好ましい. 燃料気体と含酸素気体の触媒層内への進入に伴って次第
に,燃料気体の燃焼の結果である燃焼ガスの生成量が増
加させられるのである. 反応器の被加熱面に面する燃焼触媒層表面が黒度の大き
い表面とされ接触燃焼の発生熱の反応器外壁表面への輻
射が促進されることが有効である. この発明の装置は,燃料と含酸素気体の静止型混合手段
を有していて,この混合手段からの流出流が燃料気体供
給空間から燃焼触媒含有隔壁へ供給されてもよい. 燃焼触媒保有壁への燃料と含酸素気体の供給は,縦方向
に沿う反応器の被加熱負荷分布に応じて,この方向に沿
って精密に調節ないし制御されることが望ましい.これ
に呼応して燃焼触媒層での燃焼触媒の分布を変化させて
もよい. この装置でのガス化反応は高温下に於てのみ継続し得る
吸熱反応であり所要熱量が大きく,反応系への大量の給
熱が高能率を以て伝熱用の隔壁の限られた有効面積を利
用して継続的定常的に行われる必要がある. [作用] 本発明の装置によれば,燃料気体の燃焼空間が燃焼触媒
層に圧縮され,全体の構成が円筒状ないし多角形筒状と
される. [図面による説明] 以下では特記なければ同じ符号は同じものを指す. 本発明で2個以上の反応用空間が同心的に配置される場
合,最内側の反応用空間に対応する部分を柱状部又は芯
部,他の反応用空間に対応する部分を環状部として区別
する.以下の説明では反応用空間が最内側のもの1個し
かない場合即ち芯部又は柱状部のみからなる場合もこれ
に対応する部分を便宜上このように呼ぶことがある. 第1図,第2図は,この発明の装置が具体化された場合
の一例を示している. 第2図は,高温に於て水蒸気改質触媒の存在下,炭化水
素が水蒸気と反応させられて,水素と一酸化炭素を有用
成分として多量含有するガス状混合物に転化させる水蒸
気改質の為に使用される筒状の反応器の概念的縦断面図
である. 第2図は,第1図のA-A 線における横断面図である. このガス化反応装置の本体100は,支脚ら100Lで
支えられる円筒状の容器であり,この容器内の中心部に
円筒状又は多角形状の柱状部含酸素気体用分配管又は筒
状壁170が設けられる.含酸素気体供給室160がこ
の壁に囲まれる. 第1図の柱状部含酸素気体用分配手段170は通気性多
孔質の焼結金属製管である. 焼結金属製管に代えて,一層以上の管壁に細孔が多数穿
設された多層管が使用されてもよい. 柱状部含酸素気体用分配手段170として小さい網目の
金属網が,多層に重ねられたものが使用されてもよい. 柱状部含酸素気体用分配手段170の管壁を通して流出
する含酸素気体が均質的である為に管壁による含酸素気
体の圧力損失は,このガス化装置への含酸素気体の供給
圧と燃焼排気圧との圧力差中に於て,少くとも30 %であ
るようにされる. この柱状部含酸素気体用分配手段170の外周に位置す
る柱状部燃料気体供給用空間又は燃料気体含酸素気体混
合室240中に気体状または蒸発気状の燃料の柱状部燃
料気体分配手段250が複数本配設される. 柱状部含酸素気体用分配手段170に含酸素気体と燃料
が,共に供給されるときは柱状部燃料気体分配手段25
0は付加的燃料の供給用として機能させられてもよく,
設備されなくてもよい. 柱状部燃料気体分配手段250には,所要部分に於て,
燃料が噴出させられる図外の小さい開孔が多数穿設され
ている. 小開口は分配管250の周りのいずれの半径方向に開け
られても良い.通常は小開孔は本発明装置の半径的外向
方向に燃料気体が流出するよう開けられているが,含酸
素気体との混合促進の為に周方向や半径的内向方向等に
流出がされるよう開けられていてもよい. また柱状部燃料気体分配手段250自体が通気性の多孔
体からなる管であってもよい. 分配手段ないし管170,250の開口ないし穿孔の又
はこれらの大小の分布密度は縦方向に沿って変化させら
れ,この方向に沿い気体の好ましい供給がなされ,以下
でのべるように燃焼触媒層で発生した熱が反応器を加熱
するのに最適となる様されても良い. 柱状部燃料気体分配手段250が配設される水平断面が
環状の空間240を囲繞して通気性の円筒状の柱状部燃
焼触媒保有壁又は含有隔壁300が設置される. 柱状部燃焼触媒含有隔壁300は,含酸素気体などの流
入側のセラミックファィバー不織布シート層と,流出側
の通気性の強固な定型の耐火性多孔質物質層とにより構
成されている. 柱状部燃焼触媒含有隔壁300の耐火性多孔質物質層
は,その最外層部分に燃焼触媒を担持させられて柱状部
燃焼触媒層400となっている. 図では300と400とが燃焼触媒保有壁を構成する.
図の300は厳密には燃焼触媒保有壁又は含有隔壁の燃
焼触媒非保有部分であるが,以下この燃焼触媒保有壁又
は含有隔壁の燃焼触媒非保有部分を簡単の為「燃焼触媒
非保有部分」,「通気性壁層」,「燃焼触媒保有壁」又
は「燃焼触媒含有隔壁」と略称することがある. 燃焼触媒を担持する柱状部燃焼触媒層400は,その部
分の温度が所望の高温度に維持されなければならない
為,少くとも 1mm以上の厚さが与えられる. 分配管250を収容している空間は環状の気体混合室2
40で,燃料気体供給用室でもあり,円筒状壁170と
燃焼触媒保有壁とを含む壁に囲まれている. 第1図の燃焼触媒は耐火性多孔質物質層の最外層部に担
持されるが,セラミックファィバー不織布シートなどに
別途担持されて,柱状部燃焼触媒含有隔壁300の外周
を構成させられてもよい. 柱状部燃焼触媒層400が機能して生成する燃焼ガスの
流路となる水平断面が環状の柱状部燃焼済気体通路室又
は流通室又は通路空間又は流通空間500が設けられ
る. 空間500の水平断面積は燃焼ガスの流通に対する抵抗
により燃料と含酸素気体の供給が阻害されることがない
ように,燃料ガスの流速が 0.1〜 5m/sec.の範囲内とな
るに充分な大きさとされる. 空間500の周縁を区画して,ガス化反応室とのる吸熱
反応用空間818を区画する柱状部触媒床内側隔壁82
2が設けられる. 反応室又は反応器818は柱状部触媒床内側隔壁822
と柱状部触媒床外側隔壁824との間に形成され,その
水平断面は環状である. 水蒸気改質用の柱状部触媒床820を内在させる吸熱反
応用空間818を区画する柱状部触媒床外側隔壁824
下端に,柱状部触媒床製品気体排出開孔826が所望個
数設けられている. 通常触媒粒が充填されてなる柱状部触媒床820はその
下端で多孔板,格子等の既知の手段で支えられるが,触
媒床が成形体のブロック等からなる場合は内外両壁82
2,824からの突起などで支えられてもよい. 柱状部触媒床外側隔壁824の外周に水平断面が環状の
製品ガスの柱状部製品気体通路又は製品気体回収空間8
30が円筒状の壁831により囲まれて形成されてい
る. 柱状部製品気体回収空間830の上端部に,このガス化
反応装置外への柱状部製品気体排出管834が所要本数
設けられる. 柱状部製品気体回収空間830を包囲し,また容器10
0に囲まれて,水平断面環状の含酸素気体又は含酸素気
体と燃料気体の混合物等用の柱状部含酸素気体上向流路
130が設けられる. 柱状部含酸素気体上向流路130の下端は柱状部含酸素
気体外向流路120を経て柱状部含酸素気体入口110
に連なる. 柱状部含酸素気体外向流路120には散在状の又は放射
状の流路案内板でもある支持板120Sが設けられる. 柱状部含酸素気体入口110から流入する含酸素気体な
どは,外向流路120経由上向流路130中を上昇し,
装置中の上方部分に設けられる柱状部含酸素気体内向流
路140に至りこれを内向きに通過し,燃焼済気体から
熱を回収する熱交換管コイル150Cが配設されている
廃熱回収用の柱状部含酸素気体熱交換空間150を通過
して,多孔管又は通気性多孔体からなる分配管である柱
状部含酸素気体用分配手段170を囲む柱状部含酸素気
体分配中央空間又は室160に流入する. 気体状または蒸発気状の燃料はノズル210から柱状部
燃料気体元管215により環状のマニホールドをなす柱
状部燃料気体ヘッダ220に至り,ここから複数本の柱
状部燃料気体供給管230を経て複数本の柱状部燃料気
体分配手段250に流入する. 柱状部燃料気体分配手段250の小さい開孔から噴出す
る燃料は,含酸素気体などと混合されて柱状部通気性壁
層300を貫流して柱状部燃焼触媒層400に達し接触
燃焼する. 接触燃焼により生成した燃焼済気体は,柱状部燃焼済気
体流通空間500を上昇し,通気性の断熱材料層である
柱状部熱回収隔壁600を内方へ貫流した後,熱交換管
コイル150C中を通過し管710経由装置外へ流出す
る. 壁600は燃焼済気体の残余の熱を受け取りその熱を空
間500中に輻射で戻す.第1図の例では,輻射された
熱は空間500と内側壁822とを経て反応触媒床82
0に与えられる. 熱回収壁600は燃焼済気体通路空間500の出口端に
位置しまた燃焼済気体がこの壁を貫いて排出される限
り,反応室の壁と平行又は直角であるか又はこれに傾き
を有しても良い.第1図の例では平行配置であり熱は直
接反応室にもたらされる. 気体状または蒸発気状のガス化原料炭化水素又は低級ア
ルコールは,添加された水蒸気と共に柱状部原料気体入
口810,柱状部原料元管812経由供給され環状のマ
ニホールドをなす柱状部原料ヘッダ814に至り,ここ
から分岐し複数本の柱状部原料分配管816に流入す
る. 複数本の816は,柱状部吸熱反応用室又は容器818
の環状の上端蓋部に等間隔を以て配設されている. 柱状部吸熱反応用容器818内のスチームリフォーミン
グ用柱状部触媒床820中を下降し柱状部触媒床内側隔
壁822と柱状部触媒床外側隔壁824を貫通する熱流
束により反応が推進されて生成した高温製品ガスは柱状
部製品気体通路又は回収空間830中を上昇し,保有熱
を柱状部触媒床外側隔壁824を通じて柱状部触媒床8
20中の流体に与えた後,柱状部製品気体排出管834
から排出される. 第3図は第1図の装置と類似の柱状部を取り巻いて柱状
部と類似の構成を持つ環状の装置ユニット即ち環状部が
一層設けられた例の部分縦断面模式図である.柱状部は
ほとんど第1図の例と変らないが,含酸素気体熱交換部
150が燃焼済気体がフィン側を通り含酸素気体が管側
を通るフィンチューブ150XFを利用している. 柱状部含酸素気体熱交換部150を出た燃焼済気体はそ
のまま中央燃焼済気体排出管710に流れ排出される. 環状部は第3図の様な例の水平断面を概念的に表わす第
4図の様に半径方向の隔壁40の2個以上により同数の
区画50に区画しておくことが装置の組立,移動,修
理,部分的運転等の為に好ましい. 本発明装置の少くとも一部の環状構造部分,即ち環状室
又は空間の1個とそれを挾む2個のの環状壁との一組が
同様に上記の如き理由で同様に分かたれても良い. 第3図の柱状部ユニットと環状部ユニットはこの例では
断熱材を含んでなる壁11により隔てられている.断熱
材はまた水平断面を概念的に表わす第5図aの様に,上
記環状部ユニットが2個以上重なった構造の場合これら
の間に配してもよい.又半径方向の隔壁40にも断熱性
を持たせてよい.断熱材をこのように配すると柱状部と
環状部の何れかだけを運転する場合等に都合がよい. 柱状部と環状部の各区画50とは一体であってもよい
が,水平断面の一部を概念的に表わす第5図bの様に互
いに分離可能な独立の構造としてこれを組み立てること
も可能である. 第3図の環状部では,1ないし複数の適当個設けられる
環状部含酸素気体入口112から流入した含酸素気体は
断熱性隔壁11の一部であってもよい環状隔壁20によ
り柱状部含酸素気体外向流路120と隔てられた環状部
含酸素気体外向流路122,環状部含酸素気体上向流路
132,環状部含酸素気体内向流路142,環状部含酸
素気体熱交換部152をへて経て環状部含酸素気体予備
分配手段群164に流入する.環状部含酸素気体熱交換
部152はフィンチューブ群152XFを利用する.分
配手段164は第1図の燃料気体分配管250と類似の
構成であっても良く,省略してよい場合もある. 環状部含酸素気体前分配手段164の管壁に設けられた
多数の孔から環状部含酸素気体分配空間162に噴出し
た含酸素気体は通気性多孔質の環状部含酸素気体用分配
手段172を通過して環状部燃料気体供給用空間又は
室,又は混合室242に流入し,そこで環状部燃料気体
分配手段252の管壁の多数の孔から噴出する燃料気体
と混合し,それから環状部燃焼触媒保有壁又は含有隔壁
302を通過しつつ更に混合し,環状部燃焼触媒含有隔
壁302の外側の環状部燃焼触媒層402で燃焼する. 気体の供給又は排出のためには,第1図につき述べたよ
うな環状マニホールドやこれをセグメントに分けたもの
が環状部に応用される. 環状部燃焼触媒層402で発生した熱は,環状部燃焼触
媒含有隔壁302の触媒不含有部が断熱層となりかつ燃
料気体混合物は環状部燃料気体供給空間242から環状
部燃焼済気体通路室又は流通空間502に流れる故,環
状部燃焼触媒層402からの固体輻射を主とし一部環状
部燃焼済気体流通空間502を上向する燃焼済気体から
の対流伝熱にもより環状部触媒床内側隔壁872経由環
状部触媒床870にもたらされる. 環状部燃焼済気体流通空間502を上向した燃焼済気体
は多孔質の環状部熱回収隔壁602を通過し,その際こ
の隔壁602に熱を与える.与えられた熱は隔壁602
からの固体輻射で環状部触媒床870にもたらされる. 環状部熱回収隔壁602を通過した燃焼済気体は環状空
間702を経て熱交換手段152のフィン側と環状部燃
焼済気体排出管712経由排出される. 現状部原料分配管群866を経て環状部反応室868に
入った原料気体は環状部触媒床870を下方に通過する
際に環状部燃焼触媒層402から上記の様にもたらされ
た熱で改質され,環状部触媒床製品気体排出開孔876
から,反応室外壁874と円筒状壁881との間の,環
状部製品気体通路又は回収空間880に入って上向し,
管群884経由排出される. 第3図の柱状部は第1図の例と同様に運転される. 上記説明した例では環状の反応室は内側に配置された環
状の燃焼触媒層から加熱される.通常はこの様な内側位
置からの反応室の加熱が好ましいが,反応室は外側に配
された触媒層から加熱されても良い. 本発明装置の部分縦断面を示す第6図を参照すると,a
では第3図の例と似て,左方の装置容器100の中心軸
線O−Oから右方の受器外殻100に向かって順番に室
又は空間,壁又は隔壁,通路等が同軸的に配置される:
柱状部では,柱状部含酸素気体分配中央円柱状空間16
0,通気性分配管壁170,柱状部燃料気体分配手段2
50を中に有する柱状部燃料気体供給空間又は気体混合
室240,柱状部燃焼触媒層400を外側に有する柱状
部燃焼触媒含有通気性隔壁300,柱状部燃焼済気体通
路室500,柱状部反応室内側隔壁822と柱状部反応
室外側隔壁824とに挟まれ柱状部触媒床820が収容
された反応室,柱状部製品気体回収通路830,柱状部
含酸素気体上向流路130,及び断熱材壁11とが;更
に外側に1層ある環状部では,断熱材壁11,環状部含
酸素気体分配手段164を有してもよい環状部含酸素気
体分配空間162,環状部含酸素気体用通気性分配手段
壁172,環状部燃料気体分配管手段252を有する環
状部燃料気体供給用空間又は混合室242,環状部燃焼
触媒層402を外側に有する環状部通気性壁層302,
環状部燃焼済気体通路室502,環状部反応室内側隔壁
872と外側隔壁874とに挟まれ環状部触媒床870
を収容する反応室,環状部製品気体通路880,環状部
含酸素気体上向流路132,及び装置外殻である本体1
00とが上記O−Oを中心に同心的に連ねられている. これとは逆に,本発明では縦断面部分概念図第6図bに
示すように柱状部触媒床820,環状部触媒床870が
外側の燃焼触媒層400,402から加熱される例も勿
論可能である. 即ち第6図bでは,装置の外(右側)から中心軸線O−
Oへ向かって順番に,環状部では:装置の外殻である本
体100,環状部含酸素気体上向流路132,環状部含
酸素気体分配管手段164を有してもよい環状部含酸素
気体分配中央空間162,環状部含酸素気体用分配壁手
段172,環状部燃料気体分配手段252を有する環状
部燃料気体供給空間又は混合室242,環状部燃焼触媒
層402を内側に有する環状部燃焼触媒含有隔壁30
2,環状部燃焼済気体流通空間502,環状部触媒床外
側隔壁874と環状部触媒床内側隔壁872とに挟まれ
環状部触媒床870を内蔵する環状反応室,環状部製品
気体回収通路880,断熱性隔壁11;また柱状部で
は:断熱性隔壁11,柱状部含酸素気体上向流路13
0,空間162の様に分配管を内蔵してもよい柱状部環
状含酸素気体分配空間160A,柱状部含酸素気体用分
配手段壁170,柱状部燃料気体分配手段250を有す
る柱状部燃料気体混合室240,柱状部燃焼触媒層40
0を内側に有する柱状部燃焼触媒含有隔壁300,柱状
部燃焼済気体流通通路空間500,柱状部反応室外側隔
壁824と柱状部反応室内側隔壁822とに挟まれ粒状
体である柱状部触媒床820を収容する環状反応器,及
び円柱状の柱状部製品気体回収空間830が連なる構造
とされてもよい. 第6図bの構造では,含酸素気体を直接装置上方から供
給することにより柱状部と環状部での含酸素気体上向流
路130,132等は省略される方が簡素で好ましく合
理的だが,ここでは第6図aと単純に対比させる為加え
てある. 従ってこの省略の場合,第3図での柱状部と環状部との
含酸素気体外向流路120,122と内向流路140,
142等も省略され適当な元管,ヘッダ,分配管等の利
用により含酸素気体が柱状部含酸素気体分配空間160
A,環状部含酸素気体分配空間162に供給される. また装置上部の熱回収,熱交換等の為の部分や内向流路
等の有無やその配置,構成が必要に応じ第3図とは異な
ってよい.これらはまた,第6図a,b何れの構造によ
ったとしても第3図や第1図の構造に於る構造に限定さ
れはしない. 空間の節約の為に,含酸素気体供給室162に設けられ
る含酸素気体予備分配手段164は省略してよい.かか
る場合,円柱状空間160と環状空間160Aを含め,
縦又は長手方向に亘り壁170,172の通気性の分布
を調節する何等かの必要があれば,既述のように多孔性
の分布に何等かの変化をさせることも,補助壁の採用も
含めて効果的でありうる. この様な調節は含酸素気体予備分配手段及び/又は通気
性分配壁の多孔性の調整によりなされうる. 上記説明した例は改質触媒床をその内外何れかの片側か
ら熱するものであり構成が簡単でかさばらず便利である
が,給熱を重視する場合本発明の装置は改質触媒床を内
外両側から熱する構成にもできる. 即ち第7図の部分縦断面模式図の例では,改質反応室8
18,868が何れも内外両側の触媒層から加熱され
る. 「ox」で示される含酸素気体がフィンチューブ熱交換
器1501,1502,1521,1522夫々の管側
を通り夫々供給室160,1602,1621,162
2に至り(これらの室には予備分配手段はないが,後述
のように縦方向に沿う気体通過の好ましい分布の為に補
助壁がある.),夫々補助壁160A,1602A,1
621A,1622A,そして夫々分配壁170,17
11,1721,1722を抜けて夫々混合室240
1,2402,2421,2422に入り,そこで夫々
燃料気体分配管2501,2502,2521,252
2から噴出する,「fu」で示す燃料気体と混合され,
混合気体が夫々通気性壁層3001,3002,302
1,3022と夫々燃焼触媒保有壁4001,400
2,4021,4022を通過して夫々燃焼済気体通路
室5001,5002,5021,5022に入り,こ
の間燃料は燃焼触媒層で燃焼し燃焼済気体を与える. 触媒保有層4001,4002,4021,4022で
発生した熱は,そこから夫々反応室壁822,824,
872,874に輻射される.熱はそれから反応室81
8,868内の夫々反応触媒床820,870に,夫々
柱状部反応室壁822と824,環状部反応室壁872
と874を通過して伝達される. 燃焼済気体は通路室5001,5002,5021,5
022を抜け次いで夫々環状室7001,7002,7
021,7022を通過し夫々フィンチューブ150
1,1502,1521,1522のフィン側を通り,
管側を流れ下る含酸素気体に残余の熱を与えてこの熱交
換器から排出される. 「fd」で示す原料気体例えば炭化水素と水蒸気の混合
物は,水蒸気改質触媒床820,870を下方へ通過し
「pd」で示す製品気体となり,反応室底部の夫々開口
826,876から製品気体通路夫々832,838に
入りこれを通過し残余の熱を対応する反応室内を向流す
る反応気体に与え,図外の取り集めマニホールドらの枝
管である夫々管群834,884から取り出される. 製品気体通路832,838は第8図に示すように,装
置の水平断面上で,対応する内外の反応室壁夫々822
と824,872と874の間の同心円に沿い配置され
た円管群であってもよく,また偏平な管又はプレートフ
ィン式管で弧状又は短い直線状水平断面のものでもよ
い.第8図aが円管,bが弧状偏平管,cが弧状プレー
トフィンである. 上記説明した各例では,柱状部で代表的に考えると,柱
状部含酸素気体分配中央柱状空間160,柱状部含酸素
気体用分配手段170,柱状部燃料気体供給空間24
0,柱状部燃料気体分配手段250等が含酸素気体と燃
料気体の混合気体の供給に必要である.従って,含酸素
気体と燃料気体の混合物が作られてから直ちに燃やされ
るゆえ混合気体の静電気等に基因する爆発の発生の可能
性が小さくなることは好ましいが,一方柱状部触媒床8
20,環状部触媒床870等の触媒床を水平断面上で内
外両側から熱する場合,そのうちまた特に触媒床を柱状
部と環状部に内外2層以上に設ける第7図の例の如き場
合,本発明装置の水平断面が必然的に大きくなり不都合
なこともあるかもしれない. この様な場合本発明では,本発明装置外,又は本発明装
置の水平断面を大きくしない本発明装置の部位で,両気
体を混合してから燃焼触媒含有隔壁に供給することがで
きる. 既述の各例でも勿論,混合気体の爆発の可能性を無くす
ために静電気の発生防止や関連部分のアースの徹底など
の各種手段が実行されるべきだが,以下の各例では混合
気体が作られてから燃焼するまでの経路が長くなるの
で,その必要が更に大きい. 第9図は含酸素気体と燃料気体の混合気体の供給に,上
記例での,第1図なら通気性隔壁170で分かたれた含
酸素気体分配空間160,燃料気体供給用空間(混合
室)240の2空間は要せず,これらに代り混合気体分
配空間161,163とこれらの入り口側に設備され
た,静的混合ユニット夫々1710ら,1730らの直
列された組から成る静的混合手段171,173らを持
つ本発明装置の1例を表わす. 入り口ノズル110,112から夫々導入された含酸素
気体は側管夫々135,137,内管夫々1140,1
160と共に二重管をなす外管夫々114,116に入
り,フィン群夫々1519,1539を外面に持ち熱交
換器夫々151,153を構成する直立外管夫々15
2,154内に転じて下降し内管夫々1520,154
0からの燃料気体と合流する. 燃料気体は入り口210,212から供給され内管夫々
1140,1160を通過し,次いで外管夫々152,
154と同軸の直立内管夫々1520,1540内を下
方に抜け外管内の含酸素気体と出会う. 両気体は直外管152,154内を下降し静的混合手段
夫々171,173を通過し混合気体となって混合気体
分配室夫々柱状部用161,環状部用163に至る. それから混合気体は通気性壁層夫々300,302を,
次いで触媒保有壁夫々400,402を通過して燃焼済
気体通路室夫々500,502に入り,その際触媒層夫
々400,402で燃焼して燃焼済気体となり熱を発生
し,その熱が通路室夫々500,502及び反応室壁夫
々822,872を通過して反応触媒床夫々820,8
70に伝達される. 燃焼済気体は残余の熱を反応触媒床に与えつつ室50
0,502を上方に通過し,熱回収壁夫々600,60
2を通り,これらの壁を熱を反応室壁夫々822,87
2とこれらの延長であり背面側にバッフル8173,8
673付きのフィン群夫々8179,8679を持つ壁
とに輻射し,フィン側を通る原料気体に熱を与え,それ
から環状室夫々700,702及び熱交換器夫々15
1,153のフィン側を通過し,それから排出管夫々7
10,712経由外部に排出される. フィン1519,1539で回収された熱は管夫々15
2,154内の燃料,含酸素気体粗混合物に与えられ
る.燃焼済気体の一部はバイパス出口700B,712
Bから取出されて,燃料気体混合物をその温度を充分低
く保ち発火点まで上げぬ様される. 燃料気体混合物の発火はまた,アース等の手段で静電気
等に由来するスパークが無いようにして防止されるべき
である. 更に逆火防止手段も用いられるべきである. かかる予防安全手段は二重,三重に設備した方がよい. 第9図に戻ると,管836,866からの原料フィード
気体はフィン夫々8179,8679の上側部間,フィ
ン群夫々8349,8849の間,次いでフィン群夫々
8179,8679の下側部の間を通過してから下方の
触媒床820,870に入る.フィン群8179,86
79はバッフル夫々8173,8673で上下に分かた
れる. 原料気体は床820,870内を下降しつつ製品に変化
し,製品気体は製品通路夫々830,880に入って上
行し,フィン8349,8849が付いたフィンチュー
ブの管側を通り,フィン側を通過する原料気体混合物を
予熱しそれから製品気体は管夫々834,884経由回
収される. 第9図では,断熱壁11が柱状部と環状部の間,室70
0と混合手段171の間,そして室702と混合手段1
73の間に設けられ,外殻容器100も断熱材10で覆
われる. なお気体混合手段171,173と燃焼済気体が通る空
間700,702との間の断熱性隔壁11は,混合され
つつある両気体を更には熱することがない様に設けられ
ている. 混合ユニット1710,1730は例えばスタチックミ
クサ,周縁部邪魔板と中心部邪魔板(例えばドーナツ板
と円板)の直列組み合せ,対応する孔が隣り合う個々の
間では直列的に一致はしない多孔板,多孔質材料,網状
構造物,綿状構造物等,これらの通過する両気体が流れ
つつ自ずと混合する各種手段の少なくとも1つであり,
適当な組み合せ使用もなされてよい. 上記環状部気体混合手段173は,環状部混合気体分配
空間163上部に,本発明装置の水平断面の周方向上で
少くとも1個,通常複数個設けられる.環状部が円弧状
の区画の複数個に分かたれていれば個々の区画について
1個以上設けられる. 本発明では,燃料と含酸素気体との混合物が本発明装置
に供給されて装置の占める空間が最も節約されてもよ
い.勿論静電気火花,逆火等に起因するガス爆発防止手
段は充分かつ完全に備えられねばならない. このような例で反応室を2個持つものが第10図に部分
縦断面略図で示される. 燃料気体混合物はライン1473,1474,149
3,1494から熱交換器夫々1501,1502,1
521,1522の管側経由経由燃料気体混合物分配室
夫々1611,1612(柱状部側),1631,16
32(環状部側)に至り,そこから通気性壁層夫々30
01,3002,3021,3022と燃焼触媒層夫々
4001,4002,4021,4022とを通過し,
触媒層内で接触燃焼により燃焼済気体となって熱を発生
し燃焼済気体通路室夫々5001,5002,502
1,5022に至る. 燃焼済気体は通路室内を上昇し通気性熱回収隔壁600
1,6002(柱状部)6021,6022(環状部)
を通過する際に自らが有する熱をこの熱回収隔壁に与
え,その熱はこれらの隔壁からの固体輻射で夫々対応す
る反応室にもたらされ,室夫々7001,7002,7
021,7022を通過し,その際必要に応じ燃焼済気
体はバイパスノズル夫々7001B,7002B,70
21B,7022Bから分岐排出され,それから燃焼済
気体は熱交換器夫々1501,1502,1521,1
522のシェル側を通り残余の熱を管側を向流する燃料
気体混合物に与え,ライン夫々7041,7042,7
061,7062から排出される. 原料気体フィードは柱状部,環状部に夫々ライン81
6,866からもたらされ,触媒を持ち又は持たない吸
熱反応用固体材料床夫々820,870で満たされた反
応室内の上部空間に至り,そこでそこに配置された管コ
イル等内を向流する製品気体で予熱され,それから床夫
々820,870内を下方に通過し所望の反応に付され
製品気体に変化し,その後製品気体は通路手段夫々83
2,882に入って上昇し残余の熱を床夫々820,8
72内を下降する反応物に与え,その後更に残余の熱を
各床の上方の上部空間内の原料気体に与え,それから製
品気体はライン夫々834,884から回収される. [実施例] 第1図装置による実施例の諸測定値は次の通りである. なお,この実施例の装置は,出力50 KW の燃料電池用ガ
ス生産用である. スチームリフォーミング触媒 ニッケル(wt.%) 8.0 同上量() 50 燃焼触媒活性成分(wt.%) パラジウム 2.0 触媒床厚さ(mm) 10 原料炭化水素量(Nm3/Hr) 10.6 組成(vol.% )(都市ガス 13A相当) C H4 88.5 C2H6 4.6 C3H8 5.4 i-C4H10 0.7 n-C4H10 0.8 添加水蒸気量(kg/Hr) 30.8 (スチーム/炭素 比) 3.0 含酸素気体(Nm3/Hr) 148.1 含酸素気体 組成(vol.% ) N 80.2 O 10.7 HO 9.1 燃料 (Nm3/Hr) 23.1 (低位発熱量 2235 Kcal/Nm3) 製品ガス量(Nm3/Hr) 69.8 組成(vol.% ) C H 3.28 H 48.36 CO 8.55 CO 6.44 HO 33.37 空間150通過気流温度(℃) 400 隔壁層300流入側表面温度 400 触媒床温度 1000 熱交換管150c流入温度 807 装置排気量(Nm3/Hr) 167.2 ガス化反応室818供給流温度 400 ガス化反応室818供給流温度 780 製品ガス排出温度 600 [発明の効果] この発明はコンパクトな,所用空間に対して吸熱反応さ
せる処理量の多い装置を与える.
【図面の簡単な説明】 第1図は,炭化水素を水蒸気と共に改質触媒の存在下高
温で反応させ水素と一酸化炭素を活性成分として多く含
む気体混合物に転化する水蒸気改質に用いる,この発明
の装置の一例の縦断面図,第2図は第1図aのA-A 線に
おける横断面図,第3図は内外2個の同軸の反応室が夫
々対応する燃焼触媒含有層を内側に1個持つ本発明装置
の例の部分縦断面模式図,第4図は環状の反応室又は反
応器を2個持ち環状ユニットの複数個の区画を持つ本発
明装置の例を説明する水平断面略図,第5図は3組の反
応器ユニットから組まれた本発明装置の例を示す水平断
面略図で,aは全体図,bは本発明装置の隔壁により分
かたれた複数の区画が分離可能な例を説明する部分図,
第6図は本発明装置の2つの例を示す部分縦断面図でa
は内側に加熱源,bは外側に加熱源を持つ例を示し,第
7図は内外2層の反応室が何れも内外両側に対応する燃
焼触媒保有壁を持つ本発明の例の部分縦断面模式図,第
8図は本発明の装置で製品気体通路が反応室中を縦に貫
く場合の好ましい形を説明する水平断面部分概念図,第
9図は第3図の例と類似であるが異なる気体混合手段を
持つ例を説明する部分縦断面概念図,第10図は第7図
の例に類似だが燃料気体混合手段がない例を示す部分縦
断面模式図である.

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】気体の吸熱反応用装置であって直立した円
    筒状容器を有しその中に: 該容器と同軸の2個の円筒状壁を持つ環状の吸熱反応室
    と, 該吸熱反応室の円筒状壁の少くとも一方と隣り合い該容
    器と同軸な通気性の円筒状壁で,該反応室に面する側に
    燃焼触媒保有層を持つ燃焼触媒保有壁と, 該反応室の該円筒状壁の該少くとも一方と該触媒保有壁
    とを含む壁に囲まれた環状室である燃焼済気体通路室
    と, 該反応室と向流的熱交換配置にあり該反応室の一端と連
    通した製品気体通路と, 該燃焼触媒保有壁の該燃焼済気体通路室とは他の側にあ
    り該燃焼触媒保有壁を含む壁に囲まれた燃料気体供給室
    とを有し,更に: 該反応室の他端に連通した原料気体供給手段と, 該燃料気体供給室に何れも連通した燃料気体供給手段及
    び含酸素気体供給手段と, 該燃焼済気体通路室に連通した燃焼済気体排出手段と, 該製品気体通路に連通した製品気体排出手段とを有し, 燃料気体と含酸素気体とが夫々該燃料気体供給手段と該
    含酸素気体供給手段とを経て該燃料気体供給室に供給さ
    れ,それから両気体は該燃焼触媒保有壁を該燃焼済気体
    通路室へと通過し,該燃料気体が該燃焼触媒により燃焼
    せられ;この燃焼により生じた熱が該燃焼触媒保有層か
    らの輻射により該燃焼済気体通路室と該反応室の該壁の
    該少くとも一方とを経て該反応室にもたらされ;該燃焼
    により作られた燃焼済気体が該燃焼済気体通路室と該燃
    焼済気体排出手段とを経て排出され,該燃焼済気体の残
    余の熱も該反応室の該壁の該少くとも一方を経て該反応
    室に与えられ;原料気体が該原料気体供給手段を経て該
    反応室に供給され,該反応室を通過して吸熱反応をし製
    品気体となり,それから該製品気体が,該反応室を通過
    する該原料気体とは向流的に該製品気体の残余の熱を該
    原料気体に与えつつ該製品気体通路を経て,また該製品
    気体排出手段を経て排出される,気体吸熱反応用装置.
  2. 【請求項2】該燃焼触媒保有壁が該反応室の片側に面す
    る請求項1の装置.
  3. 【請求項3】1対の該燃焼触媒保有壁が該反応室に対し
    設けられ該燃焼触媒保有壁の夫々が該反応室の夫々の側
    に面する,請求項1の装置.
  4. 【請求項4】複数個の該反応室が同軸的に設けられた請
    求項1の装置.
  5. 【請求項5】少くとも一部の環状部分が複数個の弧状区
    画に分かたれた,請求項1,請求項2,請求項3,又は
    請求項4の装置.
  6. 【請求項6】該燃料気体供給室中に該燃料気体と該含酸
    素気体とを混合する混合手段が設けられた,請求項1,
    請求項2,請求項3,請求項4,又は請求項5の装置.
  7. 【請求項7】該燃料気体と該含酸素気体とを混合する混
    合手段が該燃料気体供給手段と該含酸素気体供給手段の
    双方と該燃料気体供給室との間に設けられた請求項1,
    請求項2,請求項3,請求項4,請求項5,又は請求項
    6の装置.
  8. 【請求項8】該燃焼済気体通路室を囲む壁の一部が,該
    通路室の該燃焼済気体の流れに関し下流の端部で通気性
    の材料で作られ,ここを通過して該燃焼済気体が該燃焼
    済気体通路室から排出され,該燃焼済気体が持つ残余の
    熱が該材料から該気体の流れとは逆に輻射される,請求
    項1,請求項2,請求項3,請求項4,請求項5,請求
    項6,又は請求項7の装置.
  9. 【請求項9】該反応室が該吸熱反応用の触媒で充填され
    た,請求項1,請求項2,請求項3,請求項4,請求項
    5,請求項6,請求項7,又は請求項8の装置.
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