(57)【要約】【課題】触媒の粉化を抑制できる反応装置を提供する。【解決手段】底部が閉塞された外管３の内部に底部が開口する内管４が配置され且つ外管３と内管４との間に触媒Ｓが充填された反応管Ａと、外管３の外面を加熱する燃焼部が設けられ、外管３における触媒Ｓを保持する部分の下端と内管４における触媒Ｓを保持する部分の下端との反応管Ａの長手方向における位置関係を、燃焼部による加熱を停止した加熱停止状態と燃焼部にて反応管Ａを加熱した加熱作用状態とにおいて近づけるように、外管３の加熱による伸び量と外管３よりも低温に加熱される内管４の伸び量とが設定されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部が閉塞されかつ上端側が支持された外管の内部に底部が開口しかつ上端側が支持された内管が配置され且つ前記外管と前記内管との間に触媒が充填された反応管と、前記外管の外面を加熱する燃焼部が設けられた反応装置であって、
前記外管における前記触媒を保持する部分の下端と前記内管における前記触媒を保持する部分の下端との前記反応管の長手方向における位置関係が、前記燃焼部による加熱を停止した加熱停止状態と前記燃焼部にて前記反応管を加熱した加熱作用状態とにおいて近い関係を維持するように、前記外管の加熱による伸び量と前記外管よりも低温に加熱される前記内管の伸び量とが設定されている反応装置。
【請求項２】
前記内管の熱膨張係数を前記外管の熱膨張係数よりも大きくすることにより、前記外管の加熱による伸び量と前記外管よりも低温に加熱される前記内管の伸び量とが設定されている請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記内管の長さを前記外管の長さと異ならせることにより、前記外管の加熱による伸び量と前記外管よりも低温に加熱される前記内管の伸び量とが設定されている請求項１又は２に記載の反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、底部が閉塞されかつ上端側が支持された外管の内部に底部が開口しかつ上端側が支持された内管が配置され且つ前記外管と前記内管との間に触媒が充填された反応管と、前記外管の外面を加熱する燃焼部が設けられた反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
かかる反応装置は、例えば、天然ガスやナフサ等の炭化水素系ガスである原料ガスを、水蒸気を混合させた状態で、反応管における外管と内管との間に供給することにより、水蒸気改質処理により水素成分が多い改質ガスに改質する等、原料ガスを反応処理するために使用されることになる。
【０００３】
かかる反応装置の従来例として、多数の細孔を有する仕切板を内管の下端に支持する状態で設けて、外管と内管との間に充填された触媒を、この仕切板にて受止め支持するように構成されたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平６−６９８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
反応装置においては、反応処理を停止するために燃焼部による加熱を停止する加熱停止状態と、反応処理を行うために燃焼部にて反応管を加熱する加熱作用状態とに切換えられることになり、そして、加熱停止状態と加熱作用状態との切換えが繰り返されると、触媒が粉化する不都合を発生する虞があり、改善が望まれている。
【０００６】
すなわち、燃焼部にて反応管を加熱する加熱作用状態においては、燃焼部にて外面が加熱される外管の温度が、外管の内部に位置する内管の温度よりも高温になるから、燃焼部による加熱を停止した加熱停止状態から加熱作用状態に切換えると、外管と内管とを同じ材質にて形成する場合において外管が内管よりも大きく伸びる等、外管が内管よりも大きく伸びる傾向になる。
【０００７】
その結果、加熱停止状態から加熱作用状態に切換えた際に、内管と外管との間に充填されている触媒に対して、内管よりも大きく伸びる外管の内面が摺動する等に起因して、触媒が粉化する虞があり、同様に、加熱作用状態から加熱停止状態に切換えた際に、内管よりも大きく伸びた外管が、内管よりも大きな長さを短縮することにより、触媒に対して外管の内面が摺動する等に起因して、触媒が粉化する虞があった。
【０００８】
本発明は、上記実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、触媒の粉化を抑制できる反応装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の反応装置は、底部が閉塞されかつ上端側が支持された外管の内部に底部が開口しかつ上端側が支持された内管が配置され且つ前記外管と前記内管との間に触媒が充填された反応管と、前記外管の外面を加熱する燃焼部が設けられたものであって、その特徴構成は、
前記外管における前記触媒を保持する部分の下端と前記内管における前記触媒を保持する部分の下端との前記反応管の長手方向における位置関係が、前記燃焼部による加熱を停止した加熱停止状態と前記燃焼部にて前記反応管を加熱した加熱作用状態とにおいて近い関係を維持するように、前記外管の加熱による伸び量と前記外管よりも低温に加熱される前記内管の伸び量とが設定されている点にある。
【００１０】
すなわち、外管における触媒を保持する部分の下端と内管における触媒を保持する部分の下端との反応管の長手方向における位置関係が、燃焼部による加熱を停止した加熱停止状態と燃焼部にて反応管を加熱した加熱作用状態とにおいて近い関係を維持するように、外管の加熱による伸び量と外管よりも低温に加熱される内管の伸び量とが設定されているから、内管と外管との間に充填されている触媒に対して、内管や外管の内面が摺動することを回避して、触媒の粉化を抑制できるのである。
【００１１】
つまり、内管や外管は、加熱停止状態から加熱作用状態に切換えると、伸長することになり、これとは逆に、加熱作用状態から加熱停止状態に切換えると、短縮することになるが、外管における触媒を保持する部分の下端と内管における触媒を保持する部分の下端との反応管の長手方向における位置関係が、加熱停止状態と加熱作用状態とにおいて近い関係を維持するものであるから、内管と外管との間に充填されている触媒に対して、内管や外管の内面が摺動することを極力回避して、触媒の粉化を抑制できるのである。
【００１２】
要するに、本発明の反応装置の特徴構成によれば、触媒の粉化を抑制できる。
【００１３】
本発明の反応装置の更なる特徴構成は、前記内管の熱膨張係数を前記外管の熱膨張係数よりも大きくすることにより、前記外管の加熱による伸び量と前記外管よりも低温に加熱される前記内管の伸び量とが設定されている点にある。
【００１４】
すなわち、外管における触媒を保持する部分の下端と内管における触媒を保持する部分の下端との反応管の長手方向における位置関係を、加熱停止状態と加熱作用状態とにおいて近い関係に維持するには、外管に較べて低温に加熱される内管の伸び量を、低温に加熱されるものでありながらも大きくする必要がある。
【００１５】
このように、外管に較べて低温に加熱される内管の伸び量を、低温に加熱されるものでありながらも大きくするにあたり、内管の熱膨張係数を外管の熱膨張係数よりも大きくするものであるから、外管に較べて低温に加熱される内管の伸び量を、低温に加熱されるものでありながらも的確に大きくすることができる。
【００１６】
そして、内管の熱膨張係数を外管の熱膨張係数よりも大きくするには、内管や外管を構成する材質の選択により行えるものであるから、内管や外管を構成する材質を選択するという簡素な構成にて、外管の伸び量と内管の伸び量とを設定することができる。
【００１７】
要するに、本発明の反応装置の更なる特徴構成によれば、簡素な構成にて、外管の伸び量と内管の伸び量とを設定することができる。
【００１８】
本発明の反応装置の更なる特徴構成は、前記内管の長さを前記外管の長さと異ならせることにより、前記外管の加熱による伸び量と前記外管よりも低温に加熱される前記内管の伸び量とが設定されている点にある。
【００１９】
すなわち、外管における触媒を保持する部分の下端と内管における触媒を保持する部分の下端との反応管の長手方向における位置関係を、加熱停止状態と加熱作用状態とにおいて近い関係に維持するには、外管に較べて低温に加熱される内管の伸び量を、低温に加熱されるものでありながらも大きくする必要がある。
【００２０】
このように、外管に較べて低温に加熱される内管の伸び量を、低温に加熱されるものでありながらも大きくするにあたり、例えば、外管と内管とを同じ材質で作成しながら、内管の長さを外管の長さよりも長くする等、内管の長さを外管の長さと異ならせることによって、外管の加熱による伸び量と外管よりも低温に加熱される内管の伸び量とを設定するものであるから、外管を作成する材質と内管を作成する材質との選択の自由度が大きくなる。
【００２１】
このように、外管を作成する材質と内管を作成する材質との選択の自由度が大きくなるから、内管や外管を構成する材質として、高温に対する劣化が生じ難い材質を選択する等、内管や外管を構成する材質に対する制約が少なくなるため、反応管の製作の容易化を図りながら、外管の伸び量と内管の伸び量とを設定することができる。
【００２２】
要するに、本発明の反応装置の更なる特徴構成によれば、反応管の製作の容易化を図りながら、外管の伸び量と内管の伸び量とを設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】改質装置を示す概略側縦断正面図
【図２】反応管を示す一部省略縦断正面図
【図３】外管と内管の長さが同じ場合の外管と内管との熱膨張係数を示す表
【図４】内管の熱膨張係数と長さとの関係を示す表
【発明を実施するための形態】
【００２４】
〔実施形態〕
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（改質装置の全体構成）
図１に示すように、反応装置の一例としての改質装置には、天然ガスやナフサ等の炭化水素系ガスである原料ガスＧを水蒸気改質処理により水素成分が多い改質ガスＫに改質する改質反応用の反応管Ａ、及び、当該反応管Ａを改質反応用温度に加熱する燃焼部としてのバーナ１が、改質炉２に備えられている。
【００２５】
例示する改質装置は、反応管Ａが、改質炉２の上壁２ｕを貫通する状態で当該上壁２ｕに支持され、一対のバーナ１が、改質炉２の左右の側壁２ｓの夫々に設けられている。
バーナ１の燃焼ガスは、反応管Ａを加熱した後、改質炉２の排ガス出口２ｄから排出されるように構成されている。
【００２６】
反応管Ａは、図２に示すように、底部が閉塞された外管３と、当該外管３の内部に配置される内管４とを備え、内管４が、底部を開口する状態に形成され、外管３と内管４との間に、粒状の触媒Ｓが、充填部を形成する状態で配置されている。
外管３の上端側部分が、改質炉２の上壁２ｕを貫通する状態で当該上壁２ｕに支持され、内管４の上端側部分が、外管３の管上壁３ｕを貫通する状態で、当該管上壁３ｕに支持されている。
尚、外管３と内管４との間には、触媒Ｓを受止め支持する多孔体Ｔが、内管４の下端部に支持される状態で設けられている。
【００２７】
外管３における改質炉２の上壁２ｕから突出する部分には、水蒸気が混合された原料ガスＧを導入する原料ガス管５が接続され、内管４における外管３の管上壁３ｕから突出する部分には、改質ガスＫを案内する改質ガス案内管６が接続されている。
【００２８】
反応管Ａは、バーナ１にて改質反応用の目標温度に加熱されることによって、外管３が高温（例えば、平均温度が８００℃程度）に加熱され、それに伴って、触媒Ｓや内管４が、外管３よりも低い温度（例えば、平均温度が６５０℃程度）に加熱されことになる。
【００２９】
そして、原料ガス管５から導入される原料ガスＧが、外管３と内管４との間の触媒Ｓの充填部を通して下方に向けて流動することにより、水蒸気改質処理により水素成分が多い改質ガスＫに改質され、改質ガスＫが内管４の内部を通して上方に流動した後、改質ガス案内管６を通して排出されるように構成されている。
【００３０】
尚、改質ガス案内管６を通して排出される改質ガスＫは、詳細な説明は省略するが、ＣＯ変成器に搬送されて、改質ガスＫに含まれている一酸化炭素をＣＯ変成器にて二酸化炭素に変成処理した後、例えば、圧力変動吸着装置（ＰＳＡ）に供給されて、水素成分が高い製品ガスに生成されることになる。
【００３１】
（反応管の詳細）
外管３における触媒Ｓを保持する部分の下端と内管４における触媒Ｓを保持する部分の下端との反応管Ａの長手方向における位置関係（以下、下端位置関係と略称する）が、バーナ１による加熱を停止した加熱停止状態とバーナ１にて反応管Ａを加熱した加熱作用状態とにおいて近い関係を維持するように、外管３の加熱による伸び量と外管３よりも低温に加熱される内管４の伸び量とが設定されている。
【００３２】
ちなみに、外管３における触媒Ｓを保持する部分の下端とは、本実施形態では、外管３における多孔体Ｔに対向する箇所であり、内管４における触媒Ｓを保持する部分の下端とは、本実施形態では、内管４における多孔体Ｔを支持する箇所である。
【００３３】
すなわち、図２に示すように、外管３における加熱作用状態と加熱停止状態との切換りによって伸縮する部分は、改質炉２の上壁２ｕに貫通する箇所から下端に至る部分であり、その部分の長さを外管３の長さＭとする。尚、外管３における改質炉２の上壁２ｕよりも突出する部分は、外気に晒される部分であり、加熱作用状態においても、大きく伸びる状態になるまでは昇温することがない部分である。
また、内管４における外管３の内部において熱伸縮する部分は、外管３の管上壁３ｕを貫通する箇所から下端に至る部分であり、その部分の長さを内管４の長さＬとする。
【００３４】
そして、図３に示すように、外管３の長さＭ及び内管４の長さＬを、３０００ｍｍの同じ長さとし、加熱作用状態において、外管３が８００℃に加熱され、内管４が６５０℃に加熱され、外管３の材質を、熱膨張係数が１８．０×１０‐６×Ｋ−１である耐熱鋳鋼ＴＡＨ３７Ｂ（太平金属工業株式会社）とする場合においては、バーナ１を加熱停止状態から加熱作用状態に切換えた際に、外管３の伸び量が４２．１２ｍｍになる。
【００３５】
したがって、下端位置関係をバーナ１の加熱停止状態と加熱作用状態とにおいて近い関係に維持するには、内管４の伸び量を４２．１２ｍｍにすることになり、そのためには、内管４の材質を、熱膨張係数が２２．３×１０‐６×Ｋ−１である材質にすることになる。
【００３６】
また、内管４の長さＬを外管３の長さＭとは異ならせる場合には、図４に示すように、例えば、内管４を形成する材料を黄銅にする際には、内管４の長さＬを、外管３の長さＭ（３０００ｍｍ）よりも長い３２１４ｍｍにし、また、内管４を形成する材料をＡｌ合金（Ａｌ１００）にする際には、内管４の長さＬを、外管３の長さＭ（３０００ｍｍ）よりも短い２８３３ｍｍにする等、内管４を作成する材質（材料）に応じて内管４の長さＬを変化させることによって、下端位置関係を加熱停止状態と加熱作用状態とにおいて近い関係に維持することができる。
【００３７】
〔別実施形態〕
次に、別実施形態を列記する。
（１）上記実施形態においては、反応管Ａとして、原料ガスＧを水蒸気改質処理する改質装置に装備するものを例示したが、本発明は、種々の用途に使用される反応装置に装備される各種の反応管Ａに適用できる。
【００３８】
（２）上記実施形態においては、反応管Ａの外管３の上端側が改質炉２の上壁２ｕに支持され、内管４の上端側が外管３の管上壁３ｕに支持される場合を例示したが、例えば、内管４の上端側と外管３の上端側とを、別々に改質炉２に支持する等、外管３の上端側や内管４の上端側を支持する具体構成は種々変更できる。
【００３９】
（３）上記実施形態においては、触媒Ｓを受止め支持する多孔体Ｔが、内管４の下端部に支持される状態で外管３と内管４との間に配置される場合を例示したが、例えば、触媒Ｓを外管３の底部で受止め支持する等、外管３と内管４との間に配置される触媒Ｓを受止め支持するための具体構成は、各種変更できる。
【００４０】
（４）上記実施形態では、外管３における触媒Ｓを保持する部分の下端と内管４における触媒Ｓを保持する部分の下端との反応管Ａの長手方向における位置関係を、バーナ１による加熱を停止した加熱停止状態とバーナ１にて反応管Ａを加熱した加熱作用状態とにおいて近い関係を維持するにあたり、その位置関係を同じあるいは略同じ位置関係にすることが好ましいが、少しずれた状態となる形態で実施してもよい。
【００４１】
なお、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１        燃焼部
３        外管
４        内管
Ａ        反応管
Ｓ        触媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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