(57)【要約】【課題】本発明では、加熱炉内に複数並列に配置される触媒反応器からなる触媒反応装置において、個々の触媒反応器に流量、または、計測手段を設けることなく、安価、かつ、簡易に個々の触媒反応器での閉塞を検出する。【解決手段】上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、触媒反応装置内に並列に複数配置され、原料流体である非圧縮性流体を固定床である触媒層で処理する触媒反応器の閉塞を検知する触媒反応器の閉塞検知方法であって、ｉ番目の触媒反応器において、  βｉ＝ｈＬＸｉ／（ρＣｐ）  なる式によって定義されるβｉを用いて、各触媒反応器での流量ＱiをＴｉｎ２、Ｔｉｎ１、Ｔ１，ｉ、Ｔ２，ｉ、およびβｉの関数として算出する第３の操作と、流量Ｑｉが所定値よりも小さい場合に、流量Ｑｉに対応するｉ番目の触媒反応器が閉塞したものと判定する第４の操作と、を含むことを特徴とする、触媒反応器の閉塞検知方法が提供される。【選択図】図１
2019136661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒反応装置内に並列に複数配置される触媒反応器内の固定床である触媒層内で、原料流体である非圧縮性流体を反応させて改質する際に、前記触媒層内に副生物が堆積することによって、前記触媒反応器が閉塞することを検知する触媒反応器の閉塞検知方法であって、
前記触媒反応装置は、
並列に配置された前記触媒反応器、全ての前記触媒反応器に流体を供給するための集合管である流入集合管、全ての前記触媒反応器から流出する流体を集めて下流に流出させるための集合管である流出集合管、全ての前記触媒反応器の触媒層内にそれぞれ設けられた触媒層温度計、および前記流入集合管の流体温度である流入温度を計測する流入温度計を備え、炉温調整可能な加熱炉内に配置される加熱炉内装置と、
前記流入集合管に供給する流体を予熱する流体予熱装置と、
前記流入集合管に供給する流体を原料流体と非反応性流体との間で切り替えるための流体切り替え装置と、
前記流入集合管を通過する流量を測定する流量計と、を備え、
前記触媒反応器の閉塞検知方法は、
全ての前記触媒反応器に非反応性流体が通過するように前記流体切り替え装置を設定するとともに、前記流入温度計が第１の流入温度Ｔｉｎ１を示すように前記流体予熱装置を調整し、その際の前記流入集合管の流量ＱＴおよび各々の前記触媒反応器の前記触媒層温度計にて計測された触媒層温度Ｔ１，ｉを記録する第１の操作と、
前記流入温度計が前記第１の流入温度Ｔｉｎ１とは異なる第２の流入温度Ｔｉｎ２を示すように前記流体予熱装置を調整し、その際の各々の前記触媒反応器の前記触媒層温度計にて計測された触媒層温度Ｔ２，ｉを記録する第２の操作と、
ｉ番目の触媒反応器において、
βｉ＝ｈＬＸｉ／（ρＣｐ）
ｈ：熱貫流率
Ｌ：配管の周長
ρ：ガスの密度
Ｃｐ：ガスの定圧比熱
Ｘｉ：ｉ番目の触媒反応器における配管の長さ
なる式によって定義されるβｉを用いて、各触媒反応器での流量Ｑｉを前記Ｔｉｎ２、Ｔｉｎ１、Ｔ１，ｉ、Ｔ２，ｉ、およびβｉの関数として算出する第３の操作と、
前記流量Ｑｉが所定値よりも小さい場合に、前記流量Ｑｉに対応するｉ番目の触媒反応器が閉塞したものと判定する第４の操作と、を含むことを特徴とする、触媒反応器の閉塞検知方法。
【請求項２】
前記第３の操作では、
前記Ｔｉｎ２、Ｔｉｎ１、Ｔ１，ｉ、Ｔ２，ｉ、およびβｉの関数を、
Ｑｉ＝−βｉ／Ｌｎ［（Ｔ２，ｉ−Ｔ１，ｉ）／（Ｔｉｎ２−Ｔｉｎ１）］
とし、
βｉを固定値とすることを特徴とする請求項１に記載の触媒反応器の閉塞検知方法。
【請求項３】
前記触媒反応装置は、前記流入集合管と前記流出集合管との間の差圧を測定する差圧計測装置をさらに備え、
前記第３の操作では、
ηｉ＝△Ｐ／Ｑｉ２
△Ｐ：前記流入集合管と前記流出集合管との間の差圧
なる式で定義される抵抗係数ηｉと、
βｉ＝β０，ｉ・（ηｉ／η０，ｉ）ａｉ
β０，ｉ：βｉの初期値
ａｉ：モデル定数
なる式と、によってβｉを得るとともに、
前記流量Ｑｉの関数を
2019136661.tif 000013
とすることを特徴とする、請求項１に記載の触媒反応器の閉塞検知方法。
【請求項４】
前記第３の操作にて算出した前記流量Ｑｉを全ての触媒反応器について積算した流量が前記流量ＱＴと一致するように、前記流量Ｑｉを補正することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の触媒反応器の閉塞検知方法。
【請求項５】
前記原料流体は炭化水素を含むことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の触媒反応器の閉塞検知方法。
【請求項６】
前記加熱炉内装置は、更に、前記触媒反応器内の堆積物を触媒反応器ごとに独立して除去するための触媒層内堆積物除去装置を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の触媒反応器の閉塞検知方法。
【請求項７】
請求項６に記載の触媒反応器の閉塞検知方法により、ｉ番目の触媒反応器が閉塞したものと判定された場合に、前記触媒層の閉塞を解消するように、前記ｉ番目の触媒反応器の前記触媒層内堆積物除去装置を作動させることを特徴とする、触媒反応器の閉塞解消方法。
【請求項８】
並列に複数配置される触媒反応器内の固定床である触媒層内で、原料流体である非圧縮性流体を反応させて改質すると共に、前記触媒層内に副生物が堆積することによって、前記触媒反応器が閉塞することを検知する、触媒反応装置であって、
並列に複数配置された前記触媒反応器、全ての前記触媒反応器に流体を供給するための集合管である流入集合管、全ての前記触媒反応器から流出する流体を集めて下流に流出させるための集合管である流出集合管、全ての前記触媒反応器の触媒層内にそれぞれ設けられた触媒層温度計、および前記流入集合管の流体温度である流入温度を計測する流入温度計を有し、炉温調整可能な加熱炉内に配置される加熱炉内装置と、
前記流入集合管に供給する流体を予熱する流体予熱装置と、
前記流入集合管に供給する流体を原料流体と非反応性流体との間で切り替えるための流体切り替え装置と、
前記流入集合管を通過する流量を測定する流量計と、を備え、
更に、
全ての前記触媒反応器に非反応性流体が通過するように前記流体切り替え装置を設定するとともに、前記流入温度計が第１の流入温度Ｔｉｎ１を示すように前記流体予熱装置を調整し、その際の前記流入集合管の流量ＱＴおよび各々の前記触媒反応器の前記触媒層温度計にて計測された触媒層温度Ｔ１，ｉを記録する第１の手段と、
前記流入温度計が前記第１の流入温度Ｔｉｎ１とは異なる第２の流入温度Ｔｉｎ２を示すように前記流体予熱装置の炉温を調整し、その際の各々の前記触媒反応器の前記触媒層温度計にて計測された触媒層温度Ｔ２，ｉを記録する第２の手段と、
ｉ番目の触媒反応器において、
βｉ＝ｈＬＸｉ／（ρＣｐ）
ｈ：熱貫流率
Ｌ：配管の周長
ρ：ガスの密度
Ｃｐ：ガスの定圧比熱
Ｘｉ：ｉ番目の触媒反応器における配管の長さ
なる式によって定義されるβｉを用いて、各触媒反応器での流量Ｑｉを前記Ｔｉｎ２、Ｔｉｎ１、Ｔ１，ｉ、Ｔ２，ｉ、およびβｉの関数として算出する第３の手段と、
前記流量Ｑｉが所定値よりも小さい場合に、前記流量Ｑｉに対応するｉ番目の触媒反応器が閉塞したものと判定する第４の手段と、を実行させる触媒反応器の閉塞検知判定装置を備える、ことを特徴とする触媒反応装置。
【請求項９】
前記加熱炉内装置は、更に、前記触媒反応器内の堆積物を触媒反応器ごとに独立して除去するための触媒層内堆積物除去装置を備える、ことを特徴とする請求項８に記載の触媒反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒反応器を好適な反応条件で運転させるための操業方法及びこれに用いられる装置に関し、特に触媒反応器の閉塞検知方法、閉塞解消方法、及び触媒反応装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
外部から触媒反応器を加熱することで触媒反応に要する反応熱を触媒反応器に供給する外熱式触媒反応器では、加熱面積を十分に確保するために、触媒を固定床として充填した細管を触媒反応器として加熱炉内で並列に複数配置することが一般に行われる。並列に設けられた個々の触媒反応器は、共通の流入集合管と共通の流出集合管に接続される場合が多い。特許文献１、２には、このような触媒反応器の一例が記載されている。
【０００３】
特許文献１、２に記載される操業では、原料ガスが炭化水素ガスを含み、触媒反応が水蒸気改質反応であり、生成ガスが合成ガスとなっている。このような操業を行う場合、操業中に副反応である炭化水素ガスの接触分解反応によってコーク（固体の炭素または炭化水素）が生成する。そして、コークが触媒層（即ち、固定床）内に徐々に堆積して触媒層でのガスの通気を妨げる。コークの堆積量が増大していくと、ついには触媒反応器の入側と出側間に差圧を与えても、ガスがほとんど通気できない、いわゆる閉塞状態に達することがある。
【０００４】
なお、触媒反応器が複数、並列に配置されている場合、一部の触媒反応器で閉塞を生じた場合でも、流体は未だ閉塞していない触媒反応器を通過できるので、単独の触媒反応器が閉塞した場合のような大きな圧力損失が流入集合管と流出集合管の間で発生するとは限らない。しかし、未だ閉塞しておらず、流れの集中する触媒反応器では空間速度（＝流量／触媒体積）が増大するので原料を十分改質できず、生成ガス中に原料ガスが大量に残留する、所謂反応不良を引き起こしうる。このため、触媒反応器の閉塞が生じた場合には、速やかに閉塞状態を解除する操作が必要である。閉塞状態を操業中に解除する手段として、例えば、特許文献１，２には、触媒層の昇降機構が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−５６３７５号公報
【特許文献２】特開２０１６−１５９２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで問題になるのは、複数の触媒反応器のうち、どの触媒反応器が閉塞を生じているのかを検知する簡易な方法が従来存在しなかったことである。
【０００７】
もし、触媒反応器の閉塞を検知することなく、閉塞状態を解除する技術を頻繁に使用すれば、確かに閉塞を生じにくくはなるものの、別の問題を生じる。例えば、特許文献２に記載の触媒層の昇降機構を閉塞状態の解除手段として用いる場合、触媒層の昇降の都度、一定割合で触媒が破損する。従って、過度に高頻度で触媒層の昇降を行うと触媒の破損が許容範囲を容易に超えてしまう問題を生じる。このため、閉塞状態を解除する手段は、触媒反応器の閉塞を検出したときのみに限定して適用すべきである。従って、個々の触媒反応器での閉塞を検知する方法が必要である。
【０００８】
単独の触媒反応器からなる触媒反応装置においては、触媒反応器が閉塞を生じた場合、流入集合管と流出集合管との間の差圧が上昇する。したがって、当該差圧を計測することで、容易に閉塞を検知できる。しかし、複数の触媒反応器が並列に配置された触媒反応装置においては、いずれかの触媒反応器が閉塞したとしても、当該触媒反応の触媒層を通過できなくなったガスが他の触媒反応器に容易に迂回する。このため、閉塞した触媒層の入側と出側の差圧はあまり変化せず、閉塞した触媒反応器での流量が低下する。このため、差圧の計測のみによって触媒反応器の閉塞を検知することは困難である。
【０００９】
あるいは、閉塞を生じた触媒反応器では流量が低下することを利用して、流量計を触媒反応器ごとに設ける方法は、原理的には機能しうる。例えば、触媒反応器ごとにオリフィスを設け、オリフィスの前後での差圧からベルヌイの原理に基づいて流速を算出する方法が考えられる。しかし、触媒反応器内の流速は、一般に数十ｃｍ／ｓ程度と比較的小さい。したがって、この方法においてオリフィス前後で生じる差圧は極めて微小なものとなる。このため、計測誤差が大きくなるか、あるいは、高価な精密差圧計を多数配置する必要があるので経済的に現実的ではない。
【００１０】
また、微小な流速を検出可能な流速検出プローブ、例えば、カルマン渦流速計やコリオリ流速計を個々の触媒反応器内に設ける手法も考えられる。しかし、触媒反応器が全て高温の加熱炉内に配置されているため、上記の流速検出プローブにも高い耐熱性が求められる。このような計器は市販されていないか、あるいは、独自に製作すれば極めて高価な装置となるため、現実的でない。
【００１１】
従って、本発明では、加熱炉内に複数並列に配置される触媒反応器からなる触媒反応装置において、個々の触媒反応器に流量、または、計測手段を設けることなく、安価、かつ、簡易に個々の触媒反応器での閉塞を検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、触媒反応装置内に並列に複数配置される触媒反応器内の固定床である触媒層内で、原料流体である非圧縮性流体を反応させて改質する際に、触媒層内に副生物が堆積することによって、触媒反応器が閉塞することを検知する触媒反応器の閉塞検知方法であって、触媒反応装置は、並列に配置された触媒反応器、全ての触媒反応器に流体を供給するための集合管である流入集合管、全ての触媒反応器から流出する流体を集めて下流に流出させるための集合管である流出集合管、全ての触媒反応器の触媒層内にそれぞれ設けられた触媒層温度計、および流入集合管の流体温度である流入温度を計測する流入温度計を備え、炉温調整可能な加熱炉内に配置される加熱炉内装置と、流入集合管に供給する流体を予熱する流体予熱装置と、流入集合管に供給する流体を原料流体と非反応性流体との間で切り替えるための流体切り替え装置と、流入集合管を通過する流量を測定する流量計と、を備え、触媒反応器の閉塞検知方法は、全ての触媒反応器に非反応性流体が通過するように流体切り替え装置を設定するとともに、流入温度計が第１の流入温度Ｔｉｎ１を示すように流体予熱装置を調整し、その際の流入集合管の流量ＱＴおよび各々の触媒反応器の触媒層温度計にて計測された触媒層温度Ｔ１，ｉを記録する第１の操作と、流入温度計が第１の流入温度Ｔｉｎ１とは異なる第２の流入温度Ｔｉｎ２を示すように流体予熱装置を調整し、その際の各々の触媒反応器の触媒層温度計にて計測された触媒層温度Ｔ２，ｉを記録する第２の操作と、
ｉ番目の触媒反応器において、
βｉ＝ｈＬＸｉ／（ρＣｐ）
ｈ：熱貫流率
Ｌ：配管の周長
ρ：ガスの密度
Ｃｐ：ガスの定圧比熱
Ｘｉ：ｉ番目の触媒反応器における配管の長さ
なる式によって定義されるβｉを用いて、各触媒反応器での流量ＱiをＴｉｎ２、Ｔｉｎ１、Ｔ１，ｉ、Ｔ２，ｉ、およびβｉの関数として算出する第３の操作と、流量Ｑｉが所定値よりも小さい場合に、流量Ｑｉに対応するｉ番目の触媒反応器が閉塞したものと判定する第４の操作と、を含むことを特徴とする、触媒反応器の閉塞検知方法が提供される。
【００１３】
ここで、第３の操作では、
Ｔｉｎ２、Ｔｉｎ１、Ｔ１，ｉ、Ｔ２，ｉ、およびβｉの関数を、
Ｑｉ＝−βｉ／Ｌｎ［（Ｔ２，ｉ−Ｔ１，ｉ）／（Ｔｉｎ２−Ｔｉｎ１）］
とし、
βｉを固定値としてもよい。
【００１４】
また、触媒反応装置は、流入集合管と流出集合管との間の差圧を測定する差圧計測装置をさらに備え、
第３の操作では、
ηｉ＝△Ｐ／Ｑｉ２
△Ｐ：流入集合管と流出集合管との間の差圧
なる式で定義される抵抗係数ηｉと、
βｉ＝β０，ｉ・（ηｉ／η０，ｉ）ａｉ
β０，ｉ：βｉの初期値
ａｉ：モデル定数
なる式と、によってβｉを得るとともに、
流量Ｑｉの関数を
【数１】
2019136661.tif 000003
としてもよい。
【００１５】
また、第３の操作にて算出した流量Ｑｉを全ての触媒反応器について積算した流量が流量ＱＴと一致するように、流量Ｑｉを補正してもよい。
【００１６】
また、原料流体は炭化水素を含んでいてもよい。
【００１７】
また、加熱炉内装置は、更に、触媒反応器内の堆積物を触媒反応器ごとに独立して除去するための触媒層内堆積物除去装置を備えていてもよい。
【００１８】
本発明の他の観点によれば、上記の触媒反応器の閉塞検知方法により、ｉ番目の触媒反応器が閉塞したものと判定された場合に、触媒層の閉塞を解消するように、ｉ番目の触媒反応器の触媒層内堆積物除去装置を作動させることを特徴とする、触媒反応器の閉塞解消方法が提供される。
【００１９】
本発明の他の観点によれば、並列に複数配置される触媒反応器内の固定床である触媒層内で、原料流体である非圧縮性流体を反応させて改質すると共に、触媒層内に副生物が堆積することによって、触媒反応器が閉塞することを検知する、触媒反応装置であって、並列に複数配置された触媒反応器、全ての触媒反応器に流体を供給するための集合管である流入集合管、全ての触媒反応器から流出する流体を集めて下流に流出させるための集合管である流出集合管、全ての触媒反応器の触媒層内にそれぞれ設けられた触媒層温度計、および流入集合管の流体温度である流入温度を計測する流入温度計を有し、炉温調整可能な加熱炉内に配置される加熱炉内装置と、流入集合管に供給する流体を予熱する流体予熱装置と、流入集合管に供給する流体を原料流体と非反応性流体との間で切り替えるための流体切り替え装置と、流入集合管を通過する流量を測定する流量計と、を備え、更に、全ての触媒反応器に非反応性流体が通過するように流体切り替え装置を設定するとともに、流入温度計が第１の流入温度Ｔｉｎ１を示すように流体予熱装置を調整し、その際の流入集合管の流量ＱＴおよび各々の触媒反応器の触媒層温度計にて計測された触媒層温度Ｔ１，ｉを記録する第１の手段と、流入温度計が第１の流入温度Ｔｉｎ１とは異なる第２の流入温度Ｔｉｎ２を示すように流体予熱装置の炉温を調整し、その際の各々の触媒反応器の触媒層温度計にて計測された触媒層温度Ｔ２，ｉを記録する第２の手段と、
ｉ番目の触媒反応器において、
βｉ＝ｈＬＸｉ／（ρＣｐ）
ｈ：熱貫流率
Ｌ：配管の周長
ρ：ガスの密度
Ｃｐ：ガスの定圧比熱
Ｘｉ：ｉ番目の触媒反応器における配管の長さ
なる式によって定義されるβｉを用いて、各触媒反応器での流量ＱｉをＴｉｎ２、Ｔｉｎ１、Ｔ１，ｉ、Ｔ２，ｉ、およびβｉの関数として算出する第３の手段と、流量Ｑｉが所定値よりも小さい場合に、流量Ｑｉに対応するｉ番目の触媒反応器が閉塞したものと判定する第４の手段と、を実行させる触媒反応器の閉塞検知判定装置を備える、ことを特徴とする触媒反応装置が提供される。
【００２０】
ここで、加熱炉内装置は、更に、触媒反応器内の堆積物を触媒反応器ごとに独立して除去するための触媒層内堆積物除去装置を備えていてもよい。
【００２１】
（本発明の特徴）
本発明の特徴は、加熱炉内に配置される触媒反応器の温度分布の変化、具体的には、触媒反応器内に設置される触媒層の温度分布の変化という比較的容易な測定によって、並列に配置された複数の外熱式触媒反応器から閉塞の生じた特定の触媒反応器をオンラインで容易に判定可能なことである。この判定は上述した通り、従来では困難であった。
【００２２】
特に、本発明者は、触媒反応器内での副生成物（例えばコーク）の堆積によって生じる抵抗係数（圧力損失係数）ηの変化が触媒反応器における熱貫流率ｈと一意の関係を持つという従来知られていなかった知見を見出した。本発明では、このような新規の知見と、上記の温度分布変化とに基づいて、各触媒反応器における流量をより正確に予測できる。
【００２３】
特定の触媒反応器の閉塞を判定するための方法として、各触媒反応器での流量を直接に測定することが最も確実なものではある。しかし、本発明では、例えば７００℃以上の高温の加熱炉内に配置された触媒反応器を対象とする。このような触媒反応器内での微小な流量を直接測定する装置は、市販されるものはなく、製作するとしても極めて高価なものになるので現実的ではない。一方、各触媒層の温度を測定することは、市販の高温用のシース熱電対を触媒層内に設置するだけで容易に実現でき、実際、操業管理のためにこのような温度測定が行われることも多い。本発明では、容易に測定可能な各触媒層の温度を用いて、各触媒反応器での流量を簡易に算出することができる。
【００２４】
（ηとｈの関係）
ここで、触媒反応器における抵抗係数ηと、熱貫流率ｈとの相関について説明する。本発明者は、抵抗係数ηと、熱貫流率ｈに比例するモデル定数β（具体的な内容は後述する）との間に一意の関係があることを見出した。本発明者は、η／η０とβ／β０の関係を特定の触媒反応装置にて調査した。ここで、触媒層にコーク堆積のない状態を添え字０で表す。この結果、本発明者は、両者の間に図３に示すような関係があることを見出した。図３の横軸、縦軸はいずれも対数軸である。図３に示すように、η／η０とβ／β０との間には正の相関がある。
【００２５】
本発明者は、この理由を以下のように考えている。即ち、触媒層内にコークの堆積のない初期の状態に比べて、コークの堆積を生じると触媒反応器内で熱が伝わり易くなる。コークの主成分は、熱伝導率の比較的高い物質である固体カーボンであり、触媒粒子間および触媒粒子と反応器内壁管の隙間をコークが埋める。したがって、主にコーク経由の熱伝導によって触媒層中の伝熱が担われる。コークの堆積量が多くなると（すなわち、抵抗係数が大きくなると）、熱貫流率ｈ、すなわちモデル定数βの値も大きくなる。このため、図３に示す関係が得られると考えられる。
【００２６】
図３の関係は、形式的に次の式で表現できる。モデル定数ａｉの値は、図３の例では０．４２となる。この相関を用いた流量の具体的な算出方法は後述する。
βｉ＝β０，ｉ・（ηｉ／η０，ｉ）ａｉ
ａｉ：モデル定数
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように本発明によれば、加熱炉内に複数並列に配置される触媒反応器での流量を、触媒反応器内の温度を測定することで簡易に算出することができる。そして、この流量に基づいて、各触媒反応器の閉塞状態を検知することができる。したがって、個々の触媒反応器に流量、または、計測手段を設けることなく、安価、かつ、簡易に個々な触媒反応器の閉塞状態を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１〜第３の実施形態で使用される触媒反応装置１の全体構成を示す説明図である。
【図２】加熱炉内装置の概略構成を示す説明図である。
【図３】抵抗係数ηとモデル定数βとの相関を示すグラフである。
【図４】（ａ）は触媒反応器の内部構成を示す側断面図である。（ｂ）は触媒保持器の構成を示す平面図である。（ｃ）は（ａ）のＡＡ側断面図である。
【図５】（ａ）は触媒反応器の外観を示す側面図である。（ｂ）〜（ｄ）は（ａ）のＡＡ側断面図である。
【図６】（ａ）触媒保持器を下方から見たときの形状を示す平面図である。（ｂ）は触媒保持器及びその周辺構造を示す側断面図である。
【図７】（ａ）弁座及び弁体等を下方から見たときの形状を示す平面図である。（ｂ）は弁座及び弁体等を示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３０】
＜１．第１の実施形態＞
（１．全体構成）
まず、図１〜図２に基づいて、第１の実施形態に係る触媒反応装置１の全体構成を説明する。触媒反応装置１は、流体切り替え装置１１０と、ガス予熱装置１１１と、加熱炉内装置Ａ１と、冷却装置１１７と、流量調整装置１１８と、ブロワ１１９とを備える。
【００３１】
加熱炉内装置Ａ１は、加熱区間Ａ内に設けられており、流入集合管１０１と、流量計１１２と、流入圧力計１１３と、流入温度計１１４と、複数の（図１の例ではＮ個。Ｎは３以上の整数）の触媒反応器２と、触媒反応器２毎に設けられる触媒層内堆積物除去装置３と、触媒反応器２毎に設けられる触媒層温度計１１５と、流出集合管１０２と、流出圧力計１１６とを備える。
【００３２】
加熱炉内装置Ａ１は、図示しない加熱炉によって加熱される。このような加熱炉としては、例えば、炉内にガスバーナを多数配置した直火式加熱炉を用いることができる。加熱炉内で触媒反応器２あるいは配管の存在しない代表点に炉温を計測する温度計が設置される。そして、ガスバーナの燃焼量を制御することによって、この温度計の実測値が目標値に一致するように、炉温の調整がなされる。
【００３３】
したがって、加熱炉内装置Ａ１を構成する触媒反応器２は、加熱炉（すなわち、外部）から加熱される。これにより、触媒反応に要する反応熱が触媒反応器２に供給される。したがって、触媒反応器２は、外熱式触媒反応器となっている。触媒反応器２は、加熱区間Ａ内に並列に複数（図１の例ではＮ個）配置されている。触媒反応器２は、直管内に触媒が充填された構成を有しており、触媒は、触媒層として直管内に固定床として固定されている。また、直管下部に触媒落下防止用の網等が設けられている。直管の一端が入側、反対端が出側とされる。そして、入側から原料ガスが導入され、原料ガスが触媒層（固定床）を通過する際に触媒反応が生じる。触媒反応後の原料ガス、すなわち改質ガスは、出側から流出される。加熱炉内装置Ａ１の詳細な構成については後述する。
【００３４】
流体切り替え装置１１０は、原料流体供給装置１００、非反応性流体供給装置２００、および流入集合管１０１に接続されている。流体切り替え装置１１０は、流入集合管１０１に供給するガスを原料流体供給装置１００から供給される原料ガスと非反応性流体供給装置２００から供給される非反応性ガスとの間で切り替える装置である。流体切り替え装置１１０としては、例えば、上流側の２つのポートが原料流体供給装置１００（より具体的には、原料流体供給装置１００から伸びる配管）と非反応性流体供給装置２００（より具体的には、非反応性流体供給装置２００から伸びる配管）とにそれぞれ接続され、下流側のポートが流入集合管１０１に接続される構造の三方弁を用いることができる。
【００３５】
原料流体供給装置１００は、原料ガスを触媒反応器２に供給する装置であり、例えばガスホルダやガス発生炉等である。原料ガスは、後述する触媒層内の触媒反応によって改質されるガスである。第１の実施形態および後述する他の実施形態が対象とする触媒反応は、操業中に触媒層の流通抵抗が大きく変化しうるものである。このため、原料ガスは、例えば、天然ガス、ナフサ、コークス炉ガス等、あるいは、タールを含む石炭乾留ガス等の炭化水素を含有するガスが挙げられる。原料ガスが炭化水素を含む場合、原料ガスは、触媒層によって水蒸気改質等の改質がなされる。改質された原料ガス、すなわち改質ガスは、反応流体回収装置３００に回収される。
【００３６】
この際、副反応である炭化水素の接触分解反応によって副生成物であるコークが生成されることがある。触媒層内で生成したコークは、徐々に触媒層（固定床）中の触媒間の空間に堆積するので、操業中に触媒層の流通抵抗（この場合は、通気抵抗）が増大する。さらに、第１の実施形態および後述する他の実施形態が対象とする触媒反応では、熱伝導率が、触媒層中の空隙を通過するガスのそれに比べて桁違いに大きく、且つ、触媒のそれに比べて著しく小さくはない（触媒種にもよるが、例えば、触媒反応温度において１Ｗ／ｍ・Ｋ以上）副生成物が生成されるものを対象とする。コークは、このような熱伝導率条件を満たす副生成物の一例である。以下、説明の便宜のために、副生成物がコークである場合を一例として説明するが、副生成物がコークに限られないことは勿論である。
【００３７】
なお、水蒸気改質の反応性を確保するために、触媒層の温度、すなわち触媒層温度は、例えば７００℃以上といった高温に設定され、全ての触媒反応器２においてこの触媒層温度条件を満足するように加熱炉の炉温Ｔｆが調整される。以下、ｉ番目の触媒反応器２の触媒層温度を「触媒層温度Ｔｉ」とも称する。
【００３８】
非反応性流体供給装置２００は、非反応性ガスを触媒反応器２に供給する装置であり、例えばガスホルダ等が挙げられる。非反応性ガスは、触媒層温度に加熱された触媒によって化学反応を生じないガスである。例えば、上記の原料ガスの水蒸気改質反応が行われる場合、非反応性ガスは、アルゴン等の不活性ガスや窒素ガス等が該当する。なお、第１の実施形態および後述する他の実施形態では、触媒反応装置１内を流通する流体（例えば原料ガス、非反応性ガス、改質ガス）を全て気体としたが、液体であっても一向に問題はない。
【００３９】
ガス予熱装置１１１は、流入集合管１０１に導入される原料ガスまたは非反応性ガスを予熱する装置である。原料ガスまたは非反応性ガスは、予熱された後に触媒反応器２に導入される。ガス予熱装置１１１は、流入集合管１０１の一方の端部、すなわち単管の流入管１０１ａに設けられる。ガス予熱装置１１１は、例えば熱交換器である。ガス予熱装置１１１は、管路の壁面が直接加熱される加熱管であってもよい。なお、流入集合管１０１と原料流体供給装置１００との間には、ブロワ等の流体搬送装置等を適宜設けても良い。
【００４０】
流入集合管１０１は、全ての触媒反応器２に流体、例えば原料ガスまたは非反応性ガスを供給するための単一の集合管である。流入集合管１０１の一方の端部は単管の流入管１０１ａとなっており、流入管１０１ａは、流体切り替え装置１１０に接続されている。他方の端部は複数の（Ｎ本の）流入分岐管１０１ｂとなっており、各流入分岐管１０１ｂに触媒反応器２の入側の端部が接続されている。流入管１０１ａと流入分岐管１０１ｂとは連結管１０１ｃによって連結されている。
【００４１】
触媒反応器２は、固定床である触媒層を内蔵した直管状の装置であり、加熱区間Ａ内に並列に複数配置されている。触媒反応器２の入側の端部は流入集合管１０１の流入分岐管１０１ｂに連結され、出側の端部は流出集合管１０２の流出分岐管１０２ｂに連結されている。触媒反応器２は、触媒層を用いた触媒反応により原料ガスを改質する。そして、触媒反応器２は、改質後の原料ガス、すなわち改質ガスを流出集合管１０２に排出する。触媒反応器２の詳細な構成については後述する。
【００４２】
触媒層内堆積物除去装置３は、触媒反応器２毎に設けられ、触媒層内に堆積したコーク等の副生成物、すなわち堆積物を操業中に除去する。触媒層内堆積物除去装置３は、互いに独立して駆動することができる。触媒層内堆積物除去装置３の具体例は後述するが、例えば特許文献１、２に開示された装置を特に制限なく使用することができる。
【００４３】
流出集合管１０２は、全ての触媒反応器２から流出する流体、例えば改質ガスまたは非反応性ガスを集めて下流に流出させるための単一の集合管である。流出集合管１０２の一方の端部は複数の（Ｎ本の）流出分岐管１０２ｂとなっており、各流出分岐管１０２ｂに触媒反応器２の出側の端部が接続されている。流出集合管１０２の他方の端部は単管の流出管１０２ａとなっている。流出管１０２ａと流出分岐管１０２ｂとは連結管１０２ｃによって連結されている。流出管１０２ａは、冷却装置１１７、流量調整装置１１８、およびブロワ１１９を介して反応流体回収装置３００に接続されている。したがって、流出集合管１０２から流出された改質ガスは、冷却装置１１７、流量調整装置１１８、およびブロワ１１９を通って反応流体回収装置３００で回収される。反応流体回収装置３００は、例えば、ガスホルダ等で構成される。
【００４４】
流量計１１２は、加熱区間Ａ内の流入管１０１ａに設けられ、流入集合管１０１内の流量ＱＴを測定する。流量ＱＴは、各触媒反応器２に導入されるガスの総量となる。流量計１１２としては、例えば、オリフィスを用いた装置が挙げられる。具体的には、オリフィスが流入管１０１ａ内に設けられる。そして、流量計１１２は、オリフィス前後の差圧からベルヌイの原理に基づいて流速を測定し、その値を流量ＱＴに換算する。詳細は後述するが、第１の実施形態では、流量ＱＴとして、非反応性ガスの流量を使用する。したがって、流量計１１２は、非反応性流体供給装置２００の流出口に設けられても良い。本実施形態の装置系においては、ガス温度が場所や時刻によって変動するので、流量ＱＴを、例えば、標準状態での流量に換算して用いることができる。
【００４５】
流入温度計１１４は、例えば連結管１０１ｃ内に設けられ、流入集合管１０１内のガス温度、すなわち流入温度を測定する。触媒層温度計１１５は、触媒反応器２毎に設けられ、触媒層内の温度を測定する。これらの温度計には熱電対を用いることができる。この場合、例えば、温度検出部を連結管１０１ｃあるいは触媒反応器２内に挿入し、連結管１０１ｃの管壁あるいは触媒反応器２の管壁を貫通して信号線を加熱炉外に引き出す。そして、加熱炉外に設けられた温度変換器に信号線を接続させる。温度変換器は、温度を計測および記録する。なお、触媒層温度計１１５の温度検出部は、触媒層の中心部に配置されることが好ましいが、設計上の便宜があれば、触媒層内のより下流側、触媒層の下方の触媒反応器内空間、または、触媒層と触媒反応器２の容器外壁面とで挟まれる空間に設けられても良い。
【００４６】
流入圧力計１１３は、例えば、加熱区間Ａ内の流入管１０１ａに設けられ、流入集合管１０１内のガス圧を測定する。流出圧力計１１６は、加熱区間Ａ内の流出管１０２ａに設けられ、流出集合管１０２内のガス圧を測定する。これらは、差圧計測装置を構成する。これらの圧力計を実現する方法としては、例えば、流入管１０１ａと流出管１０２ａにそれぞれ圧力導管を設けて圧力導管の端部を加熱炉外に引き出し、この端部に市販のダイヤフラム型圧力計を接続する等すればよい。
【００４７】
触媒反応装置１に含まれるこれらの計測機は、工業的な外熱式触媒反応器２に関する技術分野では、操業管理のために標準的に設置されている場合が多いものである。
【００４８】
冷却装置１１７は、改質ガス中の凝縮成分（例えばタール等）を除去するとともに、改質ガスを後段の流量調整装置１１８、及び反応流体回収装置３００に供給可能な温度（例：８０℃未満）まで冷却する。冷却装置１１７の具体例としては、熱交換器やスクラバが挙げられる。冷却された改質ガスは、流量調整装置１１８を通ってブロワ１１９に導入される。
【００４９】
流量調整装置１１８は、全ての流入分岐管１０１ｂ内の原料ガスの流量を合計した原料ガス流量が目標値となるように調整する装置である。流量調整装置１１８は、例えば、改質ガスの流量を調整する弁であり、電動モータやエアシリンダ等の駆動装置を備える。流量調整弁には市販のものを用いることができる。
【００５０】
ブロワ１１９は、冷却装置１１７によって冷却された改質ガスを反応流体回収装置３００に供給する（送風する）。ブロワ１１９も特に制限されず、市販のターボ式・容積式のブロワであってもよい。ブロワ１１９および流量調整装置１１８の設定値を調整することで、原料ガス流量が目標値となるように調整することができる。
【００５１】
触媒反応装置１は、工業的に実用化されているものであり、例えば、炭化水素（例えば、天然ガス）の水蒸気改質用の外熱式触媒反応装置で使用される一般的な材質や構造によって実現される。
【００５２】
（２．触媒反応器の具体例）
触媒反応器２としては、例えば特許文献１、２に開示されたものを特に制限なく使用することができる。以下、触媒反応器２の具体例を幾つか説明する。なお、以下に説明する例では、触媒反応器２内に触媒層内堆積物除去装置３が組み込まれている。
【００５３】
（２−１．第１の例）
まず、図４に基づいて、触媒反応器２の第１の例について説明する。第１の例は、特許文献１の第１の実施形態に開示された触媒反応器に相当する。したがって、ここに開示されていないパラメータについては、適宜特許文献１に開示されたパラメータを適用することができる。
【００５４】
図４に示すように、第１の例に係る触媒反応器２は、反応容器４０と、流入路４１と、流出路４２と、触媒層４３と、触媒保持器４４と、心棒４８と、駆動装置４９とを備える。触媒保持器４４は、互いに平行に配置された複数のロッド４４ａと、ロッド４４ａの端部間を連結するロッド固定具４４ｂとを備える。これらのうち、触媒保持器４４、心棒４８、および駆動装置４９によって触媒層内堆積物除去装置３が実現される。
【００５５】
（反応容器の形状）
反応容器４０は、上下両端に開口を有し、これらの開口間に触媒を収納できるものであればどのような形状でもよい。上方の開口は、流入路４１に通じており、触媒反応用の原料ガスの反応容器４０への流入口に当たるものである。下方の開口は、流出路４２に通じており、改質ガスの反応容器４０からの流出口に当たるものである。反応容器４０は、例えば、円筒状、角型ダクト状などの形状であることができる。以下では、角型ダクト状の反応容器を例に説明する。
【００５６】
第１の例に係る触媒反応器２の説明において、「容器の中心軸」とは、容器の水平断面の図心を鉛直方向に連ねたものと定義する。「反応容器の厚み」は、水平断面における反応容器の長さのうちの最小の長さに相当し、「反応容器の幅」は、水平平面における反応容器の長さのうちの最大の長さに相当する。容器が円筒の場合には、容器の「幅」および「厚」を「直径」と置き換えればよい。
【００５７】
（触媒保持器）
触媒保持器４４は、反応容器４０内で触媒層４３を触媒層４３の下面全体で保持するとともに、通気性を有する。触媒保持器４４には、網、パンチングメタル、複数の棒を用いて棒の間に空間を生じるように水平方向に各棒を互いに平行に並べて棒の両端を固定したもの等を用いることができる。図４に示した触媒保持器４４は、複数のロッド４４ａの両端をロッド固定具４４ｂで固定して作製したものの例である。
【００５８】
（触媒層の駆動機構）
本発明では、触媒保持器４４を昇降させることによってその上の触媒層４３を反応容器４０内で昇降させる。そのために、反応容器４０には触媒保持器４４を昇降させる駆動装置４９が装備される。駆動装置４９には、エアシリンダ、ラックピニオン等の歯車を利用した昇降装置などの、一般的な駆動機構を用いることができる。触媒保持器４４は、心棒４８を用いて駆動装置４９に結合される。駆動装置４９を作動させると、保持器４４の全体が反応容器４０の軸線（反応容器４０の中心軸）に沿って移動して、触媒層４３の全体をやはり反応容器４０の軸線に沿って上下に移動させる。
【００５９】
少なくとも心棒４８の触媒保持器４４側の一部は反応容器４０、または、流入路４１、流出路４２の内側に存在する必要がある。駆動装置４９は、反応容器４０の外部に設けることができる。反応容器４０を例えば加熱炉などの加熱装置（図示せず）内に配置する場合には、駆動装置４９を加熱装置外に設けることもできる。この場合、市販の昇降装置を使える一方で、心棒４８が反応容器４０を貫通する部分を高温用パッキン等で封止する必要がある。
【００６０】
駆動装置４９全体を、図４に示したように反応容器４０内に設ける場合には、駆動装置４９を、例えば反応容器４０内の高温や腐食性物質から保護するために、耐熱・耐食性のものとする必要がある。これは、一例として、駆動装置４９のエアシリンダ全体をハステロイ（登録商標）等の耐熱合金製とすることによって実現できる。この場合、エアシリンダへの供給エア配管（図示せず）は反応容器４０を貫通するが、この部分は非可動部なので、配管を全周溶接するなどして封止を図ればよい。
【００６１】
（触媒層の昇降）
触媒保持器４４の上面全体に触媒を充填して触媒層を形成する。このように形成された触媒層の側面は、反応容器４０の内壁面に常に接触し続ける。触媒保持器を上昇させると触媒層には上向きに力が与えられ、触媒層側面では反応容器内壁面からの下向きの摩擦力を生じる。この結果、触媒層内では、壁面近傍の触媒では壁面の拘束が大きいために上方への移動量が触媒保持器の上昇量よりも平均的に小さくなるとともに、この部分での触媒粒子の充填率は上昇する。一方、壁面から遠い、触媒層の中心部では壁面の拘束がより弱いので、触媒層の上方への移動量は比較的大きく、この部分での触媒粒子の充填率の上昇はより小さい。この結果、触媒保持器の上昇中には、壁面近傍から中心にかけて触媒層のせん断変形を生じ、触媒層のいたるところで触媒粒子間の相対変位が発生する。この相対変位によって触媒粒子間の空間が変形するので、この空間に堆積していた副生コーク（すなわち、副生成物）は、破砕され、押し出されて触媒層外に排出されうる。このように、触媒保持器の上昇によって触媒層の平均充填率は上昇する。
【００６２】
これに対して、触媒保持器の下降時には、触媒層の平均充填率は昇降開始前のレベルまで低下する。これは、触媒保持器の下降時には、壁面の拘束によって、下方の触媒層から順に徐々に落下するため触媒層の下降中には触媒粒子間の平均距離が増大し、この触媒間の位置関係の一部が触媒層の下降完了後まで維持されるため、触媒層の充填率が低下する。また、触媒層下降時の充填率の低下にともなう触媒粒子間隔の増大に伴って、粒子間に堆積した副生コークが移動して触媒外に排出されうる。この結果、触媒層の昇降を繰り返しても充填率が上昇し続けて最密充填に至ることはなく、長期間に渡ってコーク除去を継続できる。このように、触媒層の昇降操作によって、触媒層内に堆積したコークを除去することができる。また、この手法において触媒層からコークを除去するための原理は、触媒粒子間の空間を変形させることであるので、触媒層の昇降速度は必ずしも大きい必要はない。１０ｍｍ／ｓ程度の昇降速度で充分な効果が得られる。また、粒子間の相対変位量も粒子の寸法程度（例えば、１０ｍｍ）でよい。
【００６３】
（流入路、流出路）
流入路４１は、流入分岐管１０１ｂに連結されている。したがって、流入路４１には原料ガスが導入される。図４中の矢印Ｐ１は原料ガスの流れを示す（触媒層中で下降流の場合）。流出路４２は、流出分岐管１０２ｂが連結されている。流出路４２には、改質ガスが導入される。その後、改質ガスは、流出分岐管１０２ｂを通って冷却装置１１７に導入される。
【００６４】
（触媒層）
触媒層４３は、触媒粒子が反応容器４０内で触媒保持器４４上に充填して積層されることで形成される。触媒粒子は、原料ガスの改質の触媒となるものであり、原料ガスは、触媒粒子に接触した際に改質される。例えば、触媒粒子上で触媒反応が起こることで、原料ガス中の水蒸気とタールガスが改質されて一酸化炭素ガスと水素ガスとコークが生じる。
【００６５】
触媒層４３を構成する触媒粒子は、原料ガスを改質（例えば、水蒸気改質やクラッキング）できる触媒であれば、どのようなものであってもよい。例えば、原料ガスが炭化水素を含む場合、触媒粒子としては、Ｎｉ−アルミナ系触媒、Ｎｉ−マグネシア−アルミナ系触媒等を用いることができる。
【００６６】
（２−２．第２の例）
つぎに、図５〜図７に基づいて、触媒反応器２の第２の例について説明する。第２の例は、特許文献１の第２の実施形態に開示された触媒反応器に相当する。したがって、ここに開示されていないパラメータについては、適宜特許文献１に開示されたパラメータを適用することができる。
【００６７】
触媒反応器２は、反応容器１０と、流入路１１と、流出路１２と、触媒層１３と、触媒保持器１４と、弁座１５と、通気孔１６と、弁体１７と、心棒１８と、断熱材１９と、連結管２０と、駆動装置２１とを備える。弁座１５、通気孔１６、弁体１７、及び心棒１８は、ガス遮断部３ａとして機能する。また、触媒保持器１４、心棒１８、連結管２０、および駆動装置２１によって触媒層内堆積物除去装置３が実現される。
【００６８】
（反応容器）
反応容器１０は、触媒層１３と、触媒保持器１４と、弁座１５と、通気孔１６と、弁体１７と、心棒１８とを収容する円筒形状の部材である。反応容器１０の形状を円筒形状とすることで、高温下でも半径方向（長さ方向に垂直な方向）の歪みが生じにくい。もちろん、設計上の便宜等の理由により、反応容器１０の形状を他の形状としてもよい。例えば、反応容器１０は、水平断面が正多角形となる角筒形状、水平断面が楕円となる楕円筒形状であってもよい。
【００６９】
（流入路）
流入路１１は、反応容器１０の上端で反応容器１０に連結されている。すなわち、反応容器１０の上端には通気孔１１ａが形成されており、この通気孔１１ａを介して流入路１１と反応容器１０とが連結されている。流入路１１は、流入分岐管１０１ｂに連結されており、原料流体供給装置１００から発生した原料ガスを反応容器１０内に導入する。矢印Ｐ１は、原料ガスの流動方向を示す。
【００７０】
（流出路）
流出路１２は、反応容器１０の下端で反応容器１０に連結されている。すなわち、反応容器１０の下端には通気孔１２ａが形成されており、この通気孔１２ａを介して流出路１２と反応容器１０とが連結されている。流出路１２は、流出分岐管１０２ｂに連結されており、反応容器１０内で生成した改質ガスを粉塵回収器６に導入する。矢印Ｐ２は、改質ガスの流動方向を示す。
【００７１】
流入路１１及び流出路１２は、触媒反応器２の側方に配置されているので、触媒反応器２を上下に貫通する心棒１８との干渉を回避できる。ここで、各触媒反応器２の流入路１１及び流出路１２を触媒反応器２間で共有することで、触媒反応器２同士を並列接続してもよい。
【００７２】
（触媒層）
触媒層１３は、反応容器１０内に設けられる。触媒層１３は、触媒粒子が反応容器１０内で触媒保持器１４上に充填して積層されることで形成される。触媒粒子は、原料ガスの改質の触媒となるものであり、原料ガスは、触媒粒子に接触した際に改質される。例えば、触媒粒子上で触媒反応が起こることで、原料ガス中の水蒸気とタールガスが改質されて一酸化炭素ガスと水素ガスとコークが生じる。
【００７３】
また、触媒層１３は、反応容器１０の内壁面に接触している。このため、触媒層１３の昇降時には、壁面摩擦の効果によって触媒層１３の上部は下部に遅れて下降する。したがって、触媒層１３の充填率が一時的に低下する。この際、触媒粒子間の平均的な間隙が拡大するため、触媒層の静止時には除去ガスが通過しにくい部位（例：触媒保持器直上の触媒粒子等）にも除去ガスが到達し、そこでの副生成物を除去できる。
【００７４】
また、触媒層１３は、反応容器１０内で３層形成されている。そして、各層の触媒層１３が触媒保持器１４によって保持される。このように触媒層１３を多層構造とすることで、各触媒保持器１４に掛かる荷重を低減することができる。もちろん、触媒層１３の層数は３層に限られない。
【００７５】
触媒層１３を構成する触媒粒子は、原料ガスを改質（例えば、水蒸気改質やクラッキング）できる触媒であれば、どのようなものであってもよい。例えば、原料ガスが炭化水素を含む場合、触媒粒子としては、Ｎｉ−アルミナ系触媒、Ｎｉ−マグネシア−アルミナ系触媒等を用いることができる。また、触媒粒子の大きさは、後述する触媒保持器１４の通気孔１４ｃを通過しない程度の大きさであればよい。
【００７６】
（触媒保持器）
触媒保持器１４は、触媒層１３を保持する部材であり、触媒層１３毎に設けられる。触媒保持器１４は、後述する心棒１８に固定され、心棒１８と一体となって昇降する。
【００７７】
触媒保持器１４は、反応容器１０内で触媒層１３を触媒層１３の下面全体で保持するとともに、通気性を有する。具体的には、触媒保持器１４は、触媒粒子の落下を防ぎつつ、各種ガス（原料ガス及び改質ガス）を流通させる構造を有する必要がある。具体的には、触媒保持器１４は、図６に示すように、複数のリング状部材１４ａと、リング状部材１４ａ同士を連結する連結部材１４ｂとを備える。各リング状部材１４ａは、互いに直径が異なっており、連結部材１４ｂ上に同心円状に配置される。ここで、各リング状部材１４ａの中心点は、心棒１８の中心軸上に配置される。また、リング状部材１４ａの断面（周方向に垂直な断面）形状は特に制限されないが、強度の観点から矩形であることが好ましい。また、リング状部材１４ａ間には、通気孔１４ｃが形成される。各種ガス及び副生成物は、この通気孔１４ｃを通過する。
【００７８】
連結部材１４ｂは、リング状部材１４ａ同士を連結するとともに、これらを心棒１８に固定させる。すなわち、連結部材１４ｂは、心棒１８から放射状に伸びる部材となっている。連結部材１４ｂの断面（長さ方向に垂直な断面）形状も矩形であることが好ましい。リング状部材１４ａ及び連結部材１４ｂの断面積を大きくすることで、触媒保持器１４の強度を大きくすることができる。触媒保持器１４は、例えば、反応容器１０の水平断面形状と同じ形状に加工された網、パンチングメタル等であってもよい。
【００７９】
触媒保持器１４は、常温及び触媒反応の温度まで加熱された時のいずれにおいても、耐熱・耐腐食性・曲げやせん断に対する強度および靭性を備えた金属材料で構成されることが好ましい。このような金属材料の例として、ステンレス鋼、ハステロイ（登録商標）やインコネル（登録商標）等のニッケル合金、チタン、チタン合金等を挙げることができる。
【００８０】
（弁座、通気孔）
次に、弁座１５は、図７に示すように、反応容器１０の内壁面に設けられている。弁座１５は、反応容器１０内の空間を水平方向に仕切る部材である。また、弁座１５の中心部分には、弁座１５を上下に貫通する通気孔１６が形成されている。心棒１８は通気孔１６を貫通しており、原料ガスは、この通気孔１６を通過することができる。すなわち、通気孔１６の直径は、心棒１８の直径よりも大きい。また、弁座１５の下端面には、略円錐形状の切り欠きが形成されている。したがって、弁座１５の下端面には凹形状が形成されている。弁座１５の材質は触媒保持器１４の材質と同様であればよい。
【００８１】
（弁体）
弁体１７は、心棒１８と一体となって昇降する部材であり、円錐台形形状となっている。弁体１７は、心棒１８と一体となって昇降することで、通気孔１６を開放、または閉塞することができる。例えば、弁体１７は、図７（ｂ）の実線で示される位置（この位置は後述する開放位置１８ａに相当する）に存在する場合に、通気孔１６を開放する。この場合、原料ガスは、通気孔１６を通って触媒層１３に到達することができる。一方、弁体１７は、図７（ｂ）の二点鎖線で示される位置（この位置は後述する閉塞位置１８ｂに相当する）に存在する場合に、通気孔１６を閉塞する。この場合、弁座１５及び弁体１７によって流入路１１と反応容器１０内の触媒層１３とが遮断されるので、原料ガスは触媒層１３に到達することができない。すなわち、原料ガスの反応容器１０への流通が遮断される。弁体１７の材質は触媒保持器１４の材質と同様であればよい。
【００８２】
なお、図７（ａ）の破線１７ｄは、通気孔１６を閉塞した弁体１７の上端部を示し、破線１７ｅ及び図７（ｂ）中の直線１７ｂは、通気孔１６を閉塞した弁体１７と弁座１５との接触線を示す。この接触線は円形となる。
【００８３】
このように、弁座１５及び弁体１７のいずれも軸対称形状（接触線１７ｂが円形）となっている。このため、原料ガスの遮断性をより高めることができる。尚、設計上の便宜の理由等から、接触線１７ｂが楕円形等のなめらかで角を持たない形状であってもよい。この場合、弁座１５の水平断面形状及び弁体１７の切り欠きの水平断面形状を楕円形等にすればよい。
【００８４】
（心棒）
心棒１８は、反応容器１０内を上下に伸びる円柱または円筒形状の部材（すなわち、丸棒または円管）である。心棒１８には、触媒保持器１４及び弁体１７が固定されており、触媒保持器１４及び弁体１７とともに昇降する。また、心棒１８の上端部は、断熱材１９を介して駆動装置２１に連結されている。心棒１８は、駆動装置２１によって昇降する。具体的には、心棒１８は、図５（ｂ）に示すように、弁体１７が通気孔１６を開放する開放位置１８ａと、図５（ｃ）に示すように、弁体１７が通気孔１６を閉塞する閉塞位置１８ｂとの間を昇降する。
【００８５】
さらに、心棒１８は、副生成物の除去時には、図５（ｄ）に示す中間位置１８ｃと図５（ｂ）に示す開放位置１８ａとの間で昇降することが可能となっている。中間位置１８ｃは、開放位置１８ａと閉塞位置１８ｂとの間に設定される。図５に示す例では、中間位置１８ｃは、開放位置１８ａと閉塞位置１８ｂとの中点に中間位置１８ｃが設定されるが、他の位置に中間位置１８ｃが設定されても良いことはもちろんである。
【００８６】
中間位置の設定方法は特に制限されないが、例えば上述したエアシリンダ中の中間位置に相当する位置にリミットスイッチを設ける方法等が挙げられる。より具体的には、このようなリミットスイッチを有する３ポジション式のエアシリンダを駆動装置２１として用いれば良い。また、複数の２ポジション型エアシリンダを直列に結合することで、３ポジション式のエアシリンダを実現してもよい。なお、中間位置の数は複数であってもよい。この場合、駆動装置２１のポジション数は中間位置の数に応じて増大する。
【００８７】
駆動装置２１は、図示しない増速装置による制御により、原料ガスの遮断時には心棒１８を閉塞位置１８ｂで停止させ、原料ガスの改質時には、心棒１８を開放位置１８ａで停止させる。さらに、駆動装置２１は、副生成物の除去時には、心棒１８を中間位置１８ｃと開放位置１８ａとの間を昇降させる。駆動装置２１の制御は、図示しない反応器群制御装置によって行われる。これにより、本実施形態では、原料ガスの流通を遮断させることなく触媒層１３を昇降させることができる。すなわち、本実施形態では、心棒１８を中間位置１８ｃと開放位置１８ａとの間で昇降させる。
【００８８】
上記のように、心棒１８が開放位置１８ａ（または中間位置１８ｃ）にある場合に、弁体１７は弁座１５と非接触であり、通気孔１６が開放される。この場合、原料ガスが触媒反応器２内に導入される。また、心棒１８が閉塞位置１８ｂにある場合に、弁体１７は弁座１５と接触し、通気孔１６が閉塞する。この場合、原料ガスは触媒反応器２から遮断される。そして、心棒１８が開放位置１８ａ（または中間位置１８ｃ）にある際に、ガス遮断部３ａは開放状態となり、心棒１８が閉塞位置１８ｂにある際に、ガス遮断部３ａは閉塞状態となる。
【００８９】
断熱材１９は、心棒１８の熱が駆動装置２１に伝わりにくくするために設けられる部材である。断熱材１９は、反応容器１０の上端面１０ａを貫通し、連結管２０内に伸びている。そして、断熱材１９は、連結管２０内で駆動装置２１の駆動棒２１ａと連結されている。なお、断熱材１９の下端部は、心棒１８の昇降時に反応容器１０内に配置される。これにより、心棒１８の昇降中であっても、心棒１８の熱が駆動装置２１に伝わりにくくなる。断熱材１９は、例えばセラミックス等で構成される。なお、断熱材１９の構造としては、フランジ間に断熱材を挟む構造や、単に複数の金属板を軸方向に多数重ねる構造としてもよい。後者の場合、金属板間の接触熱抵抗を利用して軸方向の熱流束を抑制することができる。断熱材１９は、高温用パッキンであってもよい。
【００９０】
（連結管及び駆動装置）
連結管２０は、反応容器１０と駆動装置２１とを連結する管状部材である。駆動装置２１は、心棒１８を開放位置１８ａ、閉塞位置１８ｂ、中間位置１８ｃとの間で昇降させる部材であり、駆動棒２１ａと、シリンダ２２と、ピストン２３とを備える。したがって、駆動装置２１はいわゆる３ポジション型のエアシリンダを利用した昇降装置となっている。駆動棒２１ａは、断熱材１９を介して心棒１８に連結されている。シリンダ２２は、ピストン２３が収納される部材であり、ピストン２３は、シリンダ２２内に供給されるガスによってシリンダ２２内を昇降する。ピストン２３には、駆動棒２１ａが連結される。駆動棒２１ａは、ピストン２３と連動して昇降する。これにより、駆動装置２１は、心棒１８を昇降させる。なお、ピストン２３がシリンダ２２の下端に到達した際に、心棒１８は開放位置１８ａに到達し、ピストン２３がシリンダ２２の上端に達した際に、心棒１８は閉塞位置１８ｂに到達する。中間位置では１８ｃでは、シリンダ上下の圧力をバランスさせて開放位置と閉塞位置間での所定の停止位置にシリンダを維持する。もちろん、駆動装置２１は心棒１８を上述した態様で昇降させることができればよいので、駆動機構はエアシリンダに限定されない。例えば、駆動装置２１の駆動機構は、ラックピニオン等であってもよい。
【００９１】
駆動装置２１は、図５に示されるように、反応容器１０の外部に設けられる。さらに、駆動装置２１は、加熱装置（反応容器１０等を加熱する装置）内に配置されてもよい。この場合、駆動装置２１を高温や腐食性物質から保護するために、駆動装置２１を耐熱・耐食性が高い材質で構成することが好ましい。例えば、駆動装置２１のエアシリンダ全体をハステロイ（登録商標）等の耐熱合金で構成してもよい。この場合、エアシリンダにガスを供給する配管（図示せず）は反応容器１０を貫通するが、この部分は非可動部なので、配管を全周溶接するなどして封止を図ればよい。なお、心棒１８の上昇時に、触媒保持器１４の一部が触媒層１３に食い込んで自由落下しえなくなる場合があるので、駆動装置２１は心棒１８の上昇時だけでなく下降時も駆動されることが好ましい。なお、駆動装置２１は、図示しない反応器群制御装置による制御によって駆動する。
【００９２】
第２の例では、複数の触媒反応器２のうち、いずれかの触媒反応器２のガス遮断部３ａを選択的に閉塞状態とすることができる。たとえば、いずれか１つの触媒反応器２のガス遮断部３ａを開放状態とし、残りの触媒反応器２のガス遮断部３ａを閉塞状態とすることができる。これにより、特定の触媒反応器２に大きな流量の原料ガスを流通させることができ、この触媒反応器２内の副生成物を容易に除去することができる。
【００９３】
（３．触媒反応器の閉塞検知方法）
つぎに、触媒反応器２の閉塞検知方法を説明する。閉塞検知方法は、第１〜第４の操作で構成される。閉塞検知方法およびそれに続く閉塞解消方法は、原料ガスを改質ガスに改質する通常の（正規の）操業中の任意のタイミングで行われれば良い。なお、第１の実施形態および後述の他の実施形態において、温度の単位は℃とする。
【００９４】
（３−１．第１の操作）
第１の操作では、流体切り替え装置１１０を操作して非反応性ガスを流入集合管１０１に供給し、全ての触媒反応器２に非反応性ガスを通過させる。この際の流入温度が第１の流入温度Ｔｉｎ１となるようにガス予熱装置１１１を調整する。同時に、流入集合管１０１の流量ＱＴおよび各々の触媒反応器２の触媒層温度計１１５にて測定された触媒層温度Ｔ１,ｉを記録する（添え字ｉは触媒反応器の番号、添え字１は第１の操作時、後述する添え字２は第２の操作時を示す。添え字の意味は以下同様である。）。ここで、本操作に要する時間を節約するために、Ｔ１,ｉは、正規の触媒反応操業時の炉温条件で実現される流入温度であることが好ましい。
【００９５】
（３−２．第２の操作）
第２の操作として、ガス予熱装置１１１を調整して、流入温度を上記の第１の流入温度Ｔｉｎ１とは異なる第２の流入温度Ｔｉｎ２に設定する。このときの各々の触媒反応器２の触媒層温度計１１５にて計測された触媒層温度Ｔ２,ｉを記録する。流入温度Ｔｉｎ２は、流入温度Ｔｉｎ１より高くても低くてもどちらでもよいが、低くすることが好ましい。また、後述の触媒反応器２での流量算出時の精度を十分に確保するため、流入温度Ｔｉｎ２と流入温度Ｔｉｎ１間の温度差は、１０℃以上であることが好ましい。一方、この温度差が過大であると、本操作を終了した後に正規の触媒反応の操業まで復帰させるために著しい時間を要するので、この温度差は、５０℃以下であることが好ましい。
【００９６】
このように流入温度Ｔｉｎ２と流入温度Ｔｉｎ１間に温度差を設ける理由は、次のとおりである。上述したように、流入温度Ｔｉｎ１は、一般に炉温Ｔｆに近い温度に設定される。詳細は後述するが、第１の実施形態では、流入集合管１０１から触媒反応器２までの間の配管系における非反応性ガスの温度差（流入温度Ｔｉｎ２と流入温度Ｔｉｎ１間の温度差）によって管路内のガス流量を推定する原理を用いる。このため、流入温度Ｔｉｎ２は、一般に流入温度Ｔｉｎ１（即ち、炉温Ｔｆ）と十分に異なる値にする必要がある。説明の便宜のため、以下、流入温度Ｔｉｎ２が流入温度Ｔｉｎ１よりも低い値であることを前提に説明するが、流入温度Ｔｉｎ２が流入温度Ｔｉｎ１よりも高い値である場合であっても、以下の説明にあらわれる同じ式を用いて流量等を算出できる。第２の操作が完了した後は、正規の触媒反応の操業に復帰させてよい。
【００９７】
これら第１および第２の操作中は触媒反応が停止するので、生産性の観点から、これらの操作の実施頻度は低いことが好ましい。例えば、第１の操作および第２の操作に要する操業時間を計１０分間とし、その実施頻度を２時間につき１回とすることができる。
【００９８】
（３−３．第３の操作（触媒反応器の流量算出に関する操作））
引き続き、第３の操作を行う。第３の操作および後述する第４の操作は、正規の操業と並行して、あるいは、オフラインで行っても良い。
【００９９】
第３の操作では、第１および第２の操作によって得られた測定データを用いて、各触媒反応器２での流量を以下の手従で算出する。まず、ｉ番目の触媒反応器２（以下、「触媒反応器ｉ」とも称する）において、以下の式（１）によって定義されるモデル定数βｉを導入する。各パラメータの単位を考慮すると、モデル定数βｉは、流量と同等の単位（ｍ３／ｓ）を有する。
βｉ＝ｈＬＸｉ／（ρＣｐ）      （１）
ｈ：熱貫流率（Ｗ／（ｍ２・Ｋ））
Ｌ：配管の周長（ｍ）
ρ：ガスの密度（ｋｇ／ｍ３）
Ｃｐ：ガスの定圧比熱（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））
Ｘｉ：流入管から触媒反応器間の配管の長さ（ｍ）、具体的には、流入集合管１０１内の流入温度計測点から触媒反応器ｉの触媒層温度計測点までの距離
【０１００】
式（１）は、流入集合管１０１から触媒反応器ｉまでの間を通過する非反応性ガスの流れ方向に沿った伝熱を以下のようにモデル化して得られるものである。まず、流入集合管１０１から触媒反応器ｉまでの間の管路およびこれに続く触媒反応器ｉ内のガス流れ方向の座標をｘ、その始点（ｘ＝０）を流入集合管１０１内の流入温度計測点（この点での温度を温度Ｔｉｎとする）、その終点を触媒反応器ｉの触媒層温度計測点（ｘ＝Ｘｉ、この点での温度を温度Ｔｉとする）、炉温をＴｆ、位置ｘにおける管路内代表温度（例えば、断面平均温度）を管路温度Ｔと定義する。管路内局所での非反応性ガスには、ＴｆとＴとの温度差に基づいて、管路、触媒反応器の壁面、および触媒層を通じて伝熱がなされるものとし、熱流束ｑ’’は、単位管長当たり次の式（２）で表現されるものとする。
ｑ’’＝ｈＬ（Ｔｆ−Ｔ）      （２）
【０１０１】
ここで、ｈは、熱貫流率であり、一般には位置ｘの関数である。簡便のため、本第１の実施形態では、特定の触媒反応器ｉにおいて、少なくとも第１および第２の操作の期間ではｈを一定値と仮定する。この熱流束によって管路および触媒反応器ｉ内の温度Ｔ（非反応性ガスの温度）は、この区間でガス流れを非圧縮性流体とみなした場合、流れ方向に進むにつれて昇温し、その昇温率は、熱バランスから次の式（３）で表わすことができる。
ρＣｐＱｉｄＴ／ｄｘ＝ｈＬ（Ｔｆ−Ｔ）      （３）
ρ：非反応性ガスの密度（ｋｇ／ｍ３）
Ｃｐ：非反応性ガスの定圧比熱（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））
Ｑｉ：触媒反応器ｉにおける非反応性ガスの流量（ｍ３／ｓ）
【０１０２】
触媒反応装置１全体で原料ガスの圧力変化が大きく、原料ガスが非圧縮性流体ではない場合であっても、この区間に関しては一般に流量変化および密度変化を大きく設定する必要性が小さいので、原料ガスを実質的に非圧縮性流体とみなせる場合が多い（一般に、密度変化が１０％以下の場合には非圧縮性流体として扱うことができるといわれている）。したがって、ここでも非反応性ガスを非圧縮性気体とみなせることになる。
【０１０３】
流入集合管１０１から触媒反応器２までの温度変化は、比較的小さいものとし、かつ、ρ、Ｃｐ、Ｑｉを一定としてこの微分方程式を解くと、検討対象とする流路の終点である触媒層温度計測点（ｘ＝Ｘi）での触媒層温度Ｔｉは、次の式（４）で表される。
Ｔｉ＝Ｔｆ−（Ｔｆ−Ｔｉｎ）ｅｘｐ［−ｈＬＸｉ／（ρＣｐＱｉ）］      （４）
Ｘｉ：触媒反応器ｉにおける触媒層温度計測点でのｘ
但し、Ｔ＝Ｔｉｎ（ｘ＝０）
Ｔ＝Ｔｉ（ｘ＝Ｘｉ）
【０１０４】
ここで、数式（４）において、ｈＬＸｉ／（ρＣｐ）をβｉと定義する。これにより、モデル定数βｉが得られる。さらに、数式（４）はβｉを用いて以下のように表される。
Ｔｉ＝Ｔｆ−（Ｔｆ−Ｔｉｎ）ｅｘｐ［−βｉ／Ｑｉ］      （５）
【０１０５】
そして、第１の操作で得られた流入温度Ｔｉｎ１および触媒層温度Ｔ１，ｉと、第２の操作で得られた流入温度Ｔｉｎ２および触媒層温度Ｔ２，ｉと、を数式（５）に代入すると、以下の式（５−１）、（５−２）が得られる。
Ｔ１，ｉ＝Ｔｆ−（Ｔｆ−Ｔｉｎ１）ｅｘｐ［−βｉ／Ｑｉ］      （５−１）
Ｔ２，ｉ＝Ｔｆ−（Ｔｆ−Ｔｉｎ２）ｅｘｐ［−βｉ／Ｑｉ］      （５−２）
【０１０６】
式（５−２）から式（５−１）を減じ、さらに流量Ｑｉについて整理すると、以下の数式（６）が得られる。
Ｑｉ＝−βｉ／Ｌｎ［（Ｔ２，ｉ−Ｔ１，ｉ）／（Ｔｉｎ２−Ｔｉｎ１）］      （６）
Ｔ1，i：第１の操作時における触媒層温度Ｔｉ
Ｔ2，i：第２の操作時における触媒層温度Ｔｉ
Ｔｉｎ１：第１の操作時における流入温度Ｔ
Ｔｉｎ２：第２の操作時における流入温度Ｔ
【０１０７】
したがって、第３の操作では、式（６）を用いて、触媒反応器ｉにおける流量Ｑｉ（具体的には、触媒反応器ｉに通じる流入分岐管１０１ｂ内の流量）を算出する。
【０１０８】
ここで、モデル定数βｉは式（１）で定義されるものの、βｉを求めるために式（１）右辺の物性値および伝熱特性値を個別に求めて式（１）に代入する必要は必ずしもない。
【０１０９】
第１の実施形態では、式（６）で用いるβｉには固定値を用いる。βｉの値を決める方法は、例えば、以下の試験（以下、この試験を「βｉ算出用試験」とも称する）で求められる。具体的には、予め流れの抵抗係数が既知の抵抗体、例えば、触媒層に比べて十分に抵抗係数の高いオリフィスを各触媒反応器２に装着した状態で第１〜第２の操作を行う。これにより、触媒反応器ｉにおいて上述した流入温度Ｔｉｎ１、Ｔｉｎ２、触媒層温度Ｔ１，ｉ、Ｔ２，ｉを測定する。さらに、第１の操作時にオリフィス前後の差圧を測定する。流入温度Ｔｉｎ１は正規の操業時における流入温度になるべく一致させることが好ましい。差圧の測定には、上述した各圧力計と同様の圧力計を用いれば良い。この差圧により、触媒反応器ｉでの流量配分を計算できる。なお、上述したように、触媒反応器ｉに閉塞が生じても、触媒反応器ｉ前後の差圧は大きく変化しない。しかしながら、触媒層に比べて十分に抵抗係数の高いオリフィスを使用することで、差圧を測定することができる。この流量配分と、流量ＱＴとに基づいて、流量Ｑｉを算出できる。そして、流入温度Ｔｉｎ１、Ｔｉｎ２、触媒層温度Ｔ１，ｉ、Ｔ２，ｉ、流量Ｑｉ、および数式（６）に基づいて、モデル定数βｉの値を決定できる。このようにして求めたβｉを実操業で用いればよい。なお、βｉは、全ての触媒反応器２に対して求めても良いし、いずれかの触媒反応器２に対してのみ求め、これを他の触媒反応器２に適用しても良い。また、図３からも明らかな通り、βｉは正規の操業中に時々刻々と変動するものである。したがって、βｉを任意のタイミングで更新することが好ましい。
【０１１０】
（３−４．第４の操作）
第４の操作では、上記の方法で求めた触媒反応器ｉでの流量Ｑｉが所定値よりも小さい場合には、触媒反応器ｉが閉塞したものと判定する。所定値には、例えば、触媒層充填直後の触媒反応器ｉでの初期流量よりも十分に小さい値、例えば、初期流量の１／３の値を用いることができる。また、閉塞の判定は、作業者が実施してもよいし、計算器等に上記の手順をコード化したソフトウェアを組み込んで自動的に判定を行ってもよい。
【０１１１】
第１の実施形態の方法によって、複数、並列に配置された触媒反応器での操業中に、閉塞の生じた触媒反応器を簡易、かつ、迅速に検知することができる。
【０１１２】
（４．触媒反応器の閉塞解消方法）
触媒反応器ｉが閉塞したものと判定された場合には、触媒層の閉塞を解消するように、触媒反応器ｉの触媒層内堆積物除去装置３を作動させる。これにより、触媒反応器ｉの閉塞を解消させ、流量を回復させる。
【０１１３】
上述した第１〜第４の操作は、作業者によって人為的に行われても良いし、図１に示す閉塞検知判定装置１０００によって行われても良い。閉塞検知判定装置１０００は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク、通信装置等のハードウェア構成を有する。ＲＯＭには、上記第１の操作〜第４の操作を行う第１の手段〜第４の手段を実現可能なプログラムが記録されており、ＣＰＵは、このプログラムを読み出して実行する。これにより、第１〜第４の手段が実現される。通信装置は、加熱炉内装置Ａ１内に設けられた各計測機器（例えば流量計１１２、流入圧力計１１３等）から送信される測定値を受信する。測定値はＣＰＵによる演算に使用される。通信装置は、ＣＰＵが生成した各種の制御信号を各駆動装置（例えば、流体切り替え装置１１０、ガス予熱装置１１１、触媒層内堆積物除去装置３等）に送信する。これらの駆動装置は、制御信号に基づいて駆動する。第１〜第４の操作が人為的に行われる場合、閉塞検知判定装置１０００は省略されてもよい。
【０１１４】
＜２．第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、上記の第３の操作におけるβｉの算出方法が第１の実施形態とは異なる。これ以外の点は第１の実施形態と同様である。そこで、ここでは、第３の操作について説明する。
【０１１５】
第２の実施形態では、触媒反応器ｉにおける抵抗係数ηｉを次の式（７）で定義する。
ηｉ＝△Ｐ／Ｑｉ２      （７）
△Ｐ：流入集合管と流出集合管との間の差圧
【０１１６】
ここで、流入集合管と流出集合管との間の差圧、すなわち圧力損失△Ｐは、流入圧力計１１３および流出圧力計１１６の圧力計測値の差である。
【０１１７】
上述したように、本発明者らは、この抵抗係数ηｉとモデル定数βｉ間に正の相関のあることを見出した。この相関の物理的意味は、抵抗係数ηｉの値の増大とモデル定数βｉの値の増大は、ともに触媒層内におけるコーク堆積量の増大によって引き起こされることによるものである。具体的には、触媒層の中にコークが堆積すると、堆積コークによって触媒層内の流路が実質的に狭くなるので、ηｉの値は、増大する（たとえば、もし、この状態で同一の流量Ｑｉを維持しようとすれば圧力損失である△Ｐが増大するので式（７）からηｉの値が増大することがわかる）。
【０１１８】
一方、コークの熱伝導率は空間を満たす原料ガス、改質ガスあるいは触媒粒子の熱伝導率よりも一般に大きいので、触媒層内の触媒粒子間の空間中にコーク粉が堆積すると、堆積コーク粉を通じて触媒層内で熱が伝わりやすくなり、触媒層の熱伝導率が増大する。式（１）における熱貫流率ｈは、触媒層内を流れるガスの触媒粒子表面での熱伝導、触媒層の熱伝導、触媒反応器外壁の熱伝導、および加熱炉内ガスの触媒反応器外壁上での熱伝導を総合した伝熱性を示す係数である。これらの伝熱の各要素のうち、いずれかの伝熱が促進されると、熱貫流率ｈの値は増大する。従って、堆積コーク粉の増大によって触媒層の熱伝導率が増大すると、熱貫流率ｈが増大し、式（１）から、βｉが増大する。
【０１１９】
そこで、第２の実施形態では、上記の抵抗係数ηｉとモデル定数βｉとの関係を次の式（８）でモデル化する。
βｉ＝β０，ｉ・（ηｉ/η０，ｉ）ai      （８）
β０，ｉ：βｉの初期値
ａｉ：モデル定数（ａｉ≧０）
【０１２０】
式（７）のηｉをη２，ｉとした上で、式（７）を式（８）に代入すると、次の式（９）が得られる。
【０１２１】
【数２】
2019136661.tif 000004
【０１２２】
この式を式（６）に代入してＱｉについて整理すると次の式（１０）が得られる。
【０１２３】
【数３】
2019136661.tif 000005
【０１２４】
したがって、第３の操作では、数式（１０）に基づいて、触媒反応器ｉの流量Ｑｉを算出する。その後、第１の実施形態と同様の方法を用いて触媒反応器ｉの閉塞を判定することができる。
【０１２５】
ここで、モデル定数ａｉ、モデル定数の初期値β０，ｉ、抵抗係数の初期値η０，ｉは、第１の実施形態のβｉ算出用試験と同様に求められる。すなわち、コーク堆積の無い状態（正規の操業を開始する前の状態）で、特定の触媒反応器ｉにおけるβｉ算出用試験を行う。これにより、モデル定数の初期値β０，ｉが算出される。さらに、差圧△Ｐ、流量Ｑｉから抵抗係数の初期値η０，ｉも算出される。この際、圧力損失を増大させるオリフィスを設けるかわりに、この触媒反応器ｉ内にピトー管等の流速計を仮設し、得られる差圧を精密差圧計によって測定することにより、この触媒反応器ｉ内での流速（＝流量）を求めることができる。その後、正規の操業を行っている間の任意のタイミングで同様の方法を用いてβｉ算出用試験を行う。これにより、モデル定数βｉが算出される。また、モデル定数βｉを算出した際の差圧△Ｐ、流量Ｑｉから抵抗係数ηｉが算出される。そして、得られた値を、横軸をηｉ／η０，ｉの対数軸、縦軸をβｉ／β０，ｉの対数軸とした平面上にプロットし、各点の近似直線を最小二乗法等により算出する。そして、この近似直線の傾きをモデル定数ａｉとすればよい。モデル定数ａｉは、触媒反応器２毎に適用しても良いし、いずれかの触媒反応器２に対して算出されたモデル定数ａｉを他の触媒反応器２に流用しても良い。このようなピトー管と精密差圧計を用いた測定は、高価、かつ、不安定であるので、対象触媒反応器および測定頻度を限定できる、モデル定数を求めるβｉ算出用試験等でのみ適用可能なものである。全触媒反応器に計測装置を常設して常時このような計測を行うことには経済的合理性がない。
【０１２６】
第２の実施形態では、以下の効果が得られる。モデル定数βｉは、図３からも明らかな通り、時々刻々と変動するものである。したがって、第１の実施形態において、精度良く流量Ｑｉを算出しようとした場合には、頻繁にモデル定数βｉを更新する必要がある。さらに、モデル定数βｉは、操業条件によっても変動しうる。しかし、モデル定数βｉの算出には手間がかかる。これに対し、数式（１０）は、時々刻々と変動するβｉを考慮した数式となっている。したがって、モデル定数ａｉさえ算出してしまえば、後は時々刻々と変動するモデル定数βｉを考慮して流量Ｑｉを算出できるので、より容易かつ高精度に流量Ｑｉを算出することができる。
【０１２７】
＜３．第３の実施形態＞
第３の実施形態では、流入集合管１０１でのガス流量ＱＴの測定値を用いて、各触媒反応器ｉでのガス流量Ｑｉの推定値をより精度よく求める。これ以外の点は、上述した第１または第２の実施形態または第２の実施形態と同様である。
【０１２８】
第３の実施形態では、まず、各触媒反応器ｉでのガス流量の仮の推定値Ｑｔｍｐ，ｉを、第１または第２の実施形態と同様の方法により求める。例えば、第１の実施形態では、モデル定数βｉを固定値とし、数式（６）により、ガス流量の仮の推定値Ｑｔｍｐ，ｉを算出する。第２の実施形態では、数式（１０）により、ガス流量の仮の推定値Ｑｔｍｐ，ｉを算出する。
【０１２９】
体積バランス（ここでは、標準状態に換算し、ガスの組成変化も無視するものとする）から、全ての触媒反応器でのＱｔｍｐ，ｉの合計値は、流入管流量ＱＴに一致するはずである。このため、各触媒反応器ｉでの流量の推定誤差が一定の比率であるものとして、固定の補正係数ｂを導入すると、次の式（１１）が成り立つ。
【０１３０】
【数４】
2019136661.tif 000006
【０１３１】
この式（１１）を変形して、ｂは、次の式（１２）で表される。
【０１３２】
【数５】
2019136661.tif 000007
【０１３３】
各触媒反応器２での仮の流量Ｑｔｍｐ，ｉを次の式（１３）で補正して各触媒反応器２での流量Ｑｉが得られる。
【０１３４】
Ｑｉ＝ｂＱｔｍｐ，ｉ      （１３）
【０１３５】
つまり、第３の実施形態では、数式（１３）を用いて触媒反応器ｉにおける流量Ｑｉを補正し、補正後の流量Ｑｉに基づいて、第４の操作、すなわち触媒反応器ｉにおける閉塞の有無を判定する。これにより、数式（６）または（１０）で算出された流量Ｑｉを直接用いて第４の操作を行う場合に比べて、より正確に閉塞判定を行うことができる。
【実施例】
【０１３６】
＜１．実施例１＞
実施例１では、７本の触媒反応器２を有する（すなわち、Ｎ＝７の）触媒反応装置１を準備した。そして、原料ガスとしてタールを含有したコークス炉ガスを各触媒反応器ｉに供給し、加熱炉温度を約８００℃に維持した正規の操業条件で改質操業を行った。その後、供給ガスを非反応性ガスである窒素ガスに切り替え、８００℃に予熱した窒素ガスを４０Ｎｍ３／ｈの流量で各触媒反応器ｉに供給して触媒反応器ｉの温度が一定になるまで保持した（第１の操作）。第１の操作の終了時を「初期条件」と定義した。また、実施例１及び後述の実施例２〜４では、モデル定数βｉの単位がｍ３／ｈとなる。したがって、実施例１〜４のモデル定数βｉは、実施形態で求められる値（単位がｍ３／ｓである値）を３６００倍したものである。
【０１３７】
次に、供給する窒素ガスの予熱温度を低下させて触媒反応器ｉの温度がほぼ一定になるまで保持した（第２の操作）。第１の操作後と第２の操作後の触媒層温度（触媒反応器温度）Ｔ１，ｉ、Ｔ２，ｉは、それぞれ表１に示すものであった。
【０１３８】
【表１】
2019136661.tif 000008
【０１３９】
ついで、第１の実施形態に記載した方法で各触媒反応器ｉでの流量Ｑｉを算出した。ここで、各温度は表１に示す温度を使用し、モデル定数βｉは、触媒層のコーク堆積のない条件でβｉ算出用試験を行うことで算出した。モデル定数βｉの値を表２に示す。さらに、ある時点で算出された流量Ｑｉも表２に示す。なお、計算結果が負値となった場合には、解が発散するのでＱｉ＝０とした。
【０１４０】
【表２】
2019136661.tif 000009
【０１４１】
表２の結果から、７番目の触媒反応器２では、流量Ｑｉが他の触媒反応器２に比べて著しく少ないので、触媒反応器２が閉塞したものと判定することができる。そこで、この触媒反応器２のみに対して触媒層内堆積物除去装置３を駆動して閉塞を解除した。但し、ここで算出した各触媒反応器ｉでの流量の合計は、１３．１Ｎｍ３／ｈとなり、流量ＱＴの１／３であった。したがって、実際の流量との差が大きく、各触媒反応器ｉの流量推定値の定量性は、やや低いと考えられる。
【０１４２】
＜２．実施例２＞
そこで、モデル定数βｉの値にコークの堆積状態の影響を反映させるため、モデル定数βｉとして触媒反応器ｉごとに経験的に定めた固定値を用い、これ以外の条件を全て実施例１と同様にして流量Ｑｉを算出した。すなわち、１時間毎にモデル定数βｉを更新し、このモデル定数βｉを用いて流量Ｑｉを算出した。結果を表３に示す。表３の値はある時点でのモデル定数βｉ、流量Ｑｉである。
【０１４３】
【表３】
2019136661.tif 000010
【０１４４】
各触媒反応器ｉでの流量の合計値は、３２．７Ｎｍ３／ｈとなり、実施例１よりも改善した（流量ＱＴに近づいた）。７番目の触媒反応器２では、初期流量の１／３の流量であったので、閉塞と判定した。また、４番目の触媒反応器２でも初期流量の１／３以上の流量ではあったものの、顕著な流量低下が認められたので、４、７番目の触媒反応器２に対して、触媒層内堆積物除去装置３を駆動し、閉塞を解除した。
【０１４５】
＜３．実施例３＞
実施例２で算出されたＱｉの合計値３２．７Ｎｍ３／ｈと流量ＱＴ＝４０Ｎｍ３／ｈとの差を補正するため、ｂ＝１．２２とし、これを実施例２で求めた流量Ｑｉに一律に乗じて流量Ｑｉを補正した。その結果を表４に示す。
【０１４６】
【表４】
2019136661.tif 000011
【０１４７】
４、７番目の触媒反応器２では、初期流量の１／３以上の流量ではあったものの、顕著な流量低下が認められたので、４、７番目の触媒反応器２に対して、触媒層内堆積物除去装置３を駆動し、閉塞を解除した。本実施例では、流量Ｑｉの合計は流量ＱＴと一致するとともに、各Ｑｉは、より妥当性の高いものとなった。
【０１４８】
＜４．実施例４＞
第２の実施形態に記載した方法を用いて流量Ｑｉを算出した他は、実施例１と同様の処理を行った。ここで、Ｑｉを与える際の定数として、β０,ｉには実施例１で使用したβｉを、モデル定数ａｉには予め調査して定めた値０．４２を、差圧△Ｐには第１の操作時の代表的な値３８Ｐａを用いた。さらに、△Ｐ、β０,ｉを用いてηｉ（＝η０，ｉ）を算出した（表５）。このときの流量Ｑｉの算出結果を表５に示す。表５に示す流量Ｑｉはある時点で算出した値である。
【０１４９】
【表５】
2019136661.tif 000012
【０１５０】
実施例２では、様々な操業条件におけるβｉについてそれぞれ個別に調査して固定値を定める必要があったが、本実施例では、一旦、少数モデル定数を定めれば、瞬時のβｉを考慮して流量Ｑｉを算出することができ、より効率的に操業を管理することができた。
【０１５１】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０１５２】
１      触媒反応装置
２      触媒反応器
３      触媒層内堆積物除去装置
１０、４０      反応容器
１１、４１      流入路
１２、４２      流出路
１３、４３      触媒層
１４、４４      触媒保持器
１５      弁座
１６      通気孔
１７      弁体
１８、４８      心棒
２１、４９      駆動装置
１０１      流入集合管
１０２      流出集合管
１１０      流体切り替え装置
１１１      ガス予熱装置
１１２      流量計
１１３      流入圧力計
１１４      流入温度計
１１５      触媒層温度計
１１６      流出圧力計
【図１】
2019136661.tif 000014
【図２】
2019136661.tif 000015
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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