(57)【要約】【課題】胴上部プレナムの構造を複雑化することなしに触媒の交換に際し溶接部を切断しなくてもよい構造とする。【解決手段】上部に脱着可能な上蓋３を備え、内部を上管板６と下管板１５で胴上部プレナム、胴中央部プレナム、胴下部プレナムに分けた容器内に軸線を上下方向にして配置され、上端部が開放されているとともに下端部が閉じられている反応管外管１１と、該反応管外管１１に同心状に内装された反応管内管１２と、前記反応管内周面と反応管内管外周面の間に充填された触媒１３と、を有してなる水蒸気改質器において、反応管外管１１を上管板６まで伸ばして胴上部プレナム１８に開口させ、反応管内管１２を上管板６の下方で反応管外管１１を貫通させて胴中央部プレナム１７に開口させる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部に脱着可能な上蓋を備え、内部を上下方向に少なくとも胴上部、胴中央部、胴下部の三つの区画に分けた容器と、該容器内に軸線を上下方向にして配置され、上端部が開放されているとともに下端部が閉じられている反応管外管と、該反応管外管に同心状に内装され、上部に前記反応管外管の外部に連通する開口を備えるとともに下端を前記反応管外管内部で開口させた反応管内管と、前記反応管内周面と反応管内管外周面の間に充填された触媒と、を有してなり、原料ガスを前記触媒を通過させつつ加熱して改質し、改質ガスを反応管内管の前記上部の開口から取出す水蒸気改質器において、
前記反応管外管の上端は胴上部の区画に開口するとともに胴中央部と胴下部の各区画に延在し、前記反応管内管は胴中央部の区画の位置で反応管外管の側壁を貫通する部分を有しており、反応管内管の前記反応管外管の外部に連通する開口は、反応管外管の側壁を貫通している部分の末端に形成され胴中央部の区画に開口している開口であることを特徴とする水蒸気改質器。
【請求項２】
請求項１記載の水蒸気改質器において、反応管内管の胴中央部の区画の位置で反応管外管の側壁を貫通する部分は、反応管内管上部を９０度曲げた形状として形成されていることを特徴とする水蒸気改質器。
【請求項３】
請求項１記載の水蒸気改質器において、反応管内管の胴中央部の区画の位置で反応管外管の側壁を貫通する部分は、反応管内管にＴ字形の枝管を設けて形成されていることを特徴とする水蒸気改質器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温ガスを加熱源に利用して炭化水素と水蒸気との反応により水素を得る水蒸気改質器に係り、特に触媒交換を容易にするとともに小型化を図った水蒸気改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
触媒を介して炭化水素と水蒸気を反応させて水素を得る水蒸気改質は、高温（約８００℃）での吸熱反応である。したがって反応を促進するためには熱を供給する（加熱する）必要があり、水蒸気改質器には、伝熱管の熱膨張吸収が容易なバイヨネット型の熱交換器が広く使用されている。
【０００３】
従来用いられているバイヨネット型の熱交換器である水蒸気改質器の例を図３に示す。図示の水蒸気改質器は、軸線を鉛直にして配置された容器と、容器内部に軸線を鉛直にして配置された複数の反応管外管１１と、反応管外管１１に同心状に内装された反応管内管１２と、反応管外管１１の内周面と反応管内管１２の外周面の間の円環部に充填された触媒１３と、を含んで構成されている。
【０００４】
前記容器は、円筒状の下胴体１ｂと、下胴体１ｂの下端に結合された下鏡２と、下胴体１ｂの上端部に取付けられた上管板胴フランジ５ｂと、上管板胴フランジ５ｂに締結された上管板６と、上管板胴フランジ５ｂに上管板６を挟んで締結される上管板胴フランジ５ａと、上管板胴フランジ５に結合され前記下胴体１ｂと同心状に配置された円筒状の上胴体１ａと、上胴体１ａの上端部に取付けられた上蓋胴体フランジ４と、上蓋胴体フランジ４に締結される上蓋３と、前記下鏡２に取付けられた高温ガス入口ノズル７と、下胴体１ｂの上部側面に取付けられた高温ガス出口ノズル８と、高温ガス出口ノズル８上方の下胴体１ｂの上部側面に取付けられた原料ガス入口ノズル９と、上胴体１ａの側面に取付けられた改質ガス出口ノズル１０と、前記高温ガス出口ノズル８と原料ガス入口ノズル９の中間の高さで下胴体１ｂの内部に水平に塞ぐように配置された下管板１５と、を含んで構成されている。
【０００５】
また、下胴体１ｂ、下鏡２、上胴体１ａ、上蓋３の各内面及び下管板１５の下面は、胴体温度を下げ、かつ、外部への放熱を抑制するために断熱材１４で覆われている。
【０００６】
図４に示すように、前記反応管外管１１の上端部は下管板１５に形成された管孔に挿入されて該下管板１５にその上面で外周を溶接され、下管板１５と上管板６の間に形成される胴中央部の区画（以下、胴中央部プレナムという）１７に開口している。反応管外管１１の下端部は、半球状の鏡板で閉じられており、反応管外管１１の外周面は、下管板１５の下面と下胴体１ｂ，下鏡２で形成される胴下部の区画（以下、胴下部プレナムという）１６の内部流体に接している。また、前記反応管内管１２の上端部は、上管板６に形成された管孔に挿入されて該上管板６にその上面で外周を溶接され、上管板６と上蓋３の間に形成される胴上部の区画（以下、胴上部プレナムという）１８に開口している。反応管内管１２の下端部は、反応管外管１１の下端部の半球状の鏡板の接合部付近で開口している。反応管内管１２の下端部開口より下方の部分には、前記触媒は充填されていない。
【０００７】
上記構成の水蒸気改質器において、加熱源である高温ガスは高温ガス入口ノズル７より胴下部プレナム１６に送りこまれ、反応管外管１１の外面に沿って胴下部プレナム１６内を上昇しながら反応管円環部内の触媒１３内を流れる原料ガスを加熱する。原料ガスを加熱しつつ胴下部プレナム１６内を上昇した高温ガスは、下胴体１ｂ上部側面に結合された高温ガス出口ノズル８から、胴外部に流出する。図３に、高温ガスの流れを白抜き矢印で示した。
【０００８】
一方、原料ガス（炭化水素と水蒸気）は原料ガス入口ノズル９より胴中央部プレナム１７に送りこまれ、下管板１５上面に開口する複数の反応管外管１１と反応管内管１２の間の円環部に下向きに流入する。円環部に流入した原料ガスは、下降する間に反応管外管１１外面の高温ガスにより加熱されるとともに反応管内管１２内部を上方に流れるガスにより加熱され、同時に円環部に充填された触媒１３により改質反応を起こし、水素（改質ガス）を発生する。発生した改質ガスは反応管外管１１の下端部に至って方向を反転し、反応管内管１２内を上昇しつつ、反応管内管１２の外面を流れる気体により冷却される。冷却されつつ（云いかえれば反応管内管１２の外面を流れる気体を加熱しつつ）上昇した改質ガスは、胴上部プレナム１８に流入し、次いで改質ガス出口ノズル１０より容器外部に流出する。図３に、原料ガス及び改質ガスの流れを黒矢印で示した。
【０００９】
上述の反応を継続していると、触媒１３は起動停止等の熱過渡による反応管の伸縮に伴う圧縮力を受けて粉化したり、寿命によって劣化したりするため、交換が必要になる。この触媒交換は前記図３に示す構造の水蒸気改質器の場合、次の手順で行われる。
ステップ▲１▼：上管板６と上管板胴フランジ５ａ、５ｂの締結部の締結を開放し、上管板６を残して上管板胴フランジ５ａより上部の胴上部プレナム構成部品（上管板胴フランジ５ａ、上胴体１ａ、上蓋胴体フランジ４、上蓋３、改質ガス出口ノズル１０）を吊り上げ、胴上部プレナム１８を開放する。
ステップ▲２▼：反応管内管１２と上管板６の溶接部を切断する。
ステップ▲３▼：反応管内管１２を残し、上管板６を上方に吊り上げて取外し、胴中央部プレナム１７を開放する。
ステップ▲４▼：反応管円環部にフレキシブルホースを挿入して真空吸引にて触媒を外部に排出する。
ステップ▲５▼：反応管円環部に挿入したフレキシブルホースにより、新たな触媒を充填する。
ステップ▲６▼：ステップ▲１▼〜▲３▼の逆の手順で胴上部プレナム１８を再組み立てする。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、触媒１３の交換は、胴上部プレナム構成部品を取り外すことにより胴上部プレナム１８を開放した後、次いで反応管内管１２と上管板６の溶接部を切断し、上管板６を上方に吊り上げて触媒を排出、充填した後、反応管内管１２と上管板６の再溶接を行い、胴上部プレナム構成部品の再組み立てを行うという、非常に大変な手間のかかる作業であった。
【００１１】
また、反応管内管１２と上管板６の溶接部を切断することは、容器の信頼性の観点からは避けたい作業である。さらに、上管板６と下管板１５の間は反応管外管がないため、触媒１３を充填することができず、改質反応部とならなかった。
【００１２】
従来技術には、上述のような２重管板方式を避け、上管板をなくして反応管内管を通過した改質ガスをヘッダで収集し、マニホールドにて取出す構造のものがあるが、ヘッダ及びマニホールドの存在が胴上部からの触媒交換の妨げになると同時に、胴上部プレナムの構造を複雑にする欠点があった。
【００１３】
本発明の目的は、胴上部プレナムの構造を複雑化することなしに触媒の交換に際し溶接部を切断しなくてよい構造とすることである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、反応管外管を上管板まで伸ばし、反応管内管を上管板に溶接する代わりに上管板の下方で反応管外管を貫通させて胴中央部の区画に開口させ、原料ガスを胴上部の区画から反応管外管の触媒充填部に送りこみ、反応管内管を通過した改質ガスを胴中央部の区画を経て取出すことで達成される。
【００１５】
すなわち、上記目的を達成する本発明は、上部に脱着可能な上蓋を備え、内部を上下方向に少なくとも胴上部、胴中央部、胴下部の三つの区画に分けた容器と、該容器内に軸線を上下方向にして配置され、上端部が開放されているとともに下端部が閉じられている反応管外管と、該反応管外管に同心状に内装され、上部に前記反応管外管の外部に連通する開口を備えるとともに下端を前記反応管外管内部で開口させた反応管内管と、前記反応管内周面と反応管内管外周面の間に充填された触媒と、を有してなり、原料ガスを前記触媒を通過させつつ加熱して改質し、改質ガスを反応管内管の前記上部の開口から取出す水蒸気改質器において、前記反応管外管の上端は胴上部の区画に開口するとともに胴中央部と胴下部の各区画に延在し、前記反応管内管は胴中央部の区画の位置で反応管外管の側壁を貫通する部分を有しており、反応管内管の前記反応管外管の外部に連通する開口は、反応管外管の側壁を貫通している部分の末端に形成され胴中央部の区画に開口している開口であることを特徴とする。
【００１６】
反応管内管が胴中央部の区画の位置で反応管外管の側壁を貫通する部分は、反応管内管上部を９０度曲げた形状として形成してもよいし、反応管内管にＴ字形の枝管を設けて形成してもよい。
【００１７】
反応管外管を上管板まで伸ばして胴上部の区画に開口させ、反応管内管を上管板に溶接する代わりに上管板の下方で反応管外管を貫通させて胴中央部の区画に開口させることで、上蓋を取り外して胴上部の区画を開放するだけで、溶接部を切断することなく、触媒交換に必要な反応管の円環部へのアクセスが可能になる。また、反応管外管を上管板まで（胴上部の区画まで）伸ばしたことにより、上管板と下管板の間（胴中央部の区画）においても、反応管外管と反応管内管の間の円環部に触媒を充填することが可能になり、この部分も改質反応部として有効に機能する。さらに、この部分を流れる原料ガスは胴中央部の区画内及び反応管内管内を流れる改質ガスで加熱されるので、改質ガスから原料ガスへの伝熱が促進される。また、上管板と下管板の間における反応管外管と反応管内管の間の円環部に触媒が充填されていることにより、反応管外管内を流れる原料ガスの熱伝達率が大きくなるため、胴中央部の区画内及び反応管内管内を流れる改質ガスから原料ガスへの伝熱がさらに促進される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態に係るバイヨネット型熱交換式の水蒸気改質器を図１、図２を参照して説明する。図示の水蒸気改質器は、軸線を鉛直にして配置される円筒状の容器と、この容器に軸線を鉛直にして内装された複数の反応管外管１１と、各反応管外管１１に同心状に内装され反応管内管サポート１９で反応管外管１１内面に支持された反応管内管１２と、反応管外管１１と反応管内管１２の間に充填された触媒１３と、を含んで構成されている。反応管内管サポート１９は、反応管内管１２の反応管外管１１に対する上下方向（管の軸線方向）の位置決めと、反応管内管１２を反応管外管１１の中央部に保持する役目を果たしている。
【００１９】
前記容器は、円筒状の胴体１と、胴体１の下端に結合された下鏡２と、胴体１の上端部に取付けられた上蓋胴体フランジ４と、上蓋胴体フランジ４に締結される上蓋３と、上蓋胴体フランジ４のすぐ下の胴体１側面に取付けられた原料ガス入口ノズル９と、原料ガス入口ノズル９取付け位置のすぐ下で胴体１内部を塞ぐように水平に取付けられた上管板６と、上管板６のすぐ下の胴体１側面に取付けられた改質ガス出口ノズル１０と、改質ガス出口ノズル１０取付け位置のすぐ下で胴体１内部を塞ぐように水平に取付けられた下管板１５と、下管板１５のすぐ下の胴体１側面に取付けられた高温ガス出口ノズル８と、前記下鏡２に取付けられた高温ガス入口ノズル７と、を含んで構成されている。
【００２０】
また、胴体１、下鏡２、上蓋３の各内面及び下管板１５の下面は、胴体温度を下げ、かつ、外部への放熱を抑制するために断熱材１４で覆われている。
【００２１】
図２に示すように、前記反応管外管１１の上端部は上管板６に形成された管孔及び下管板１５に形成された管孔に挿入されて上管板６にその上面で外周をシール溶接されるとともに下管板１５上面に外周を溶接されて支持され、上管板６と上蓋３の間に形成される胴上部の区画（以下、胴上部プレナムという）１８に開口している。反応管外管１１の下端部は前記下鏡２よりも上方に位置して半球状の鏡板で閉じられており、反応管外管１１の外周面は、下管板１５の下面と胴体１，下鏡２で形成される胴下部プレナム１６の内部流体に接している。また、前記反応管内管１２の上端部は、上管板６の下方で水平に曲げられ、反応管外管１１の壁面に形成された開口に挿入されて反応管外管１１外面に外周をシール溶接され、上管板６と下管板１５の間に形成される胴中央部の区画（以下、胴中央部プレナムという）１７に開口している。反応管内管１２の下端部は、反応管外管１１の下端部の半球状の鏡板の接合部付近で開口している。また、前記反応管内管サポート１９は、周方向３箇所に配置され、触媒の充填、排出及び原料ガスの通過を妨げないようにしてある。
【００２２】
反応管外管１１は、上管板６及び下管板１５に溶接されているため、その間の熱膨張による応力を生ずる可能性があるが、この場合は、上管板６と下管板１５の間の反応管外管１１伸縮継手を設けることにより対応すればよい。
【００２３】
触媒１３は、反応管外管１１内周面と反応管内管１２の外周面の間の円環部及び反応管内管１２が水平に曲がって反応管外管１１の壁面に接続している部分の上方の部分に充填されている。但し、反応管外管１１内部の反応管内管１２の下端に対応する位置には、触媒は通過しないが原料ガスは通過する触媒受け皿が設けてあり、反応管内管１２の下端部開口より下方の部分には、前記触媒は充填されていない。
【００２４】
上記構成の水蒸気改質器における気体の流れは次のとおりである。加熱源である高温ガスは、高温ガス入口ノズル７より下鏡２と下管板１５の間に形成される胴下部の区画（以下、胴下部プレナムという）１６に送りこまれ、反応管外管１１の外面に沿って胴下部プレナム１６内を上昇しながら反応管円環部内の触媒１３内を流れる原料ガスを加熱する。原料ガスを加熱しつつ胴下部プレナム１６内を上昇した高温ガスは、下管板１５のすぐ下の胴体１側面に結合された高温ガス出口ノズル８から、胴外部に流出する。図１に、高温ガスの流れを白抜き矢印で示した。
【００２５】
一方、原料ガス（炭化水素と水蒸気）は原料ガス入口ノズル９より胴上部プレナム１８に送りこまれ、上管板６上面に開口する複数の反応管外管１１に下向きに流入する。反応管外管１１に下向きに流入した原料ガスは、下降する間に反応管外管１１外面の高温ガスにより加熱されるとともに反応管内管１２内部を上方に流れるガスにより加熱され、同時に充填された触媒１３により改質反応を起こし、水素（改質ガス）を発生する。発生した改質ガスは反応管外管１１の下端部に至って方向を反転し、反応管内管１２内を上昇しつつ、反応管内管１２の外面を流れる気体（原料ガスあるいは改質ガス）により冷却される。冷却されつつ（云いかえれば反応管内管１２の外面を流れる気体を加熱しつつ）上昇した改質ガスは、胴中央部プレナム１７に流入し、次いで改質ガス出口ノズル１０より容器外部に流出する。図１に、原料ガス及び改質ガスの流れを黒矢印で示した。
【００２６】
本実施の形態における触媒の交換は、下記の手順で行われる。
ステップ▲１▼：上蓋３を取り外し、胴上部プレナム１８を開放する。
ステップ▲２▼：反応管外管１１の円環部にフレキシブルホースを挿入し、真空吸引にて触媒を外部に排出する。
ステップ▲３▼：反応管外管１１の円環部に挿入したフレキシブルホースにより、新たな触媒を充填する。
ステップ▲４▼：　上蓋３を取り付け、胴上部プレナム１８を再組み立てする。
【００２７】
本実施の形態によれば、胴上部プレナム１８の構造は簡単な構造で、触媒の交換は、上蓋３を取り外し、胴上部プレナム１８を開放するだけで可能となり、溶接部の切断を行う必要はない。また、上管板６と下管板１５の間の胴中央部プレナム１７にも反応管外管１１があるので、この部分への触媒の充填が可能であり、この部分でも改質反応が行われること、及び、胴中央部プレナム１７部分の反応管外管１１を流れる原料ガスが、胴中央部プレナム１７内及び反応管内管１２内を流れる改質ガスの双方から加熱されるのでこの部分が伝熱部として有効に機能することから、全体の反応管長さを短縮できる。なお、上管板６と下管板１５の間の胴中央部プレナム１７の反応管外管１１に触媒を充填することにより、原料ガスの圧損増加が懸念されるが、反応管長さの短縮効果で抑制される。
【００２８】
また、従来技術では、原料ガスの温度（４５０℃）より高い温度（６００℃）の改質ガスが胴上部にあったが、本実施の形態では、高い温度（６００℃）の改質ガスは胴中央部にあるので、熱ロスを従来よりも少なくできる。
【００２９】
図５に本発明の第２の実施の形態を示す。本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なるのは、反応管内管１２の上部を曲げて反応管外管１１の側壁を貫通させる代わりに、反応管内管１２の上部を反応管外管１１の上端部よりさらに上方にまで延長して突出させ、上管板６のすぐ下でＴ字形に枝管を設けてこの枝管を反応管外管１１の側壁を貫通させて胴中央部プレナム１７に開口させた点、反応管内管１２の上端を閉止板２０により閉止するとともに、反応管内管サポート１９を反応管内管１２の前記突出部分に設けて反応管内管１２を上管板６の上面に支持する構造とした点である。他の構成は第１の実施の形態と同じであるので、同じ符号をつけて説明は省略する。
【００３０】
本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態と同様の効果が得られるとともに、反応管内管サポート１９の取付けが容易になる利点がある。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、胴上部プレナムの構造を複雑化することなしに触媒の交換に際し溶接部を切断しなくてよい構造が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す実施の形態の部分の詳細を示す縦断面図である。
【図３】従来技術の例を示す縦断面図である。
【図４】図３に示す従来技術の部分の詳細を示す縦断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の部分の詳細を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１　胴体
１ａ　上胴体
１ｂ　下胴体
２　下鏡
３　上蓋
４　上蓋胴体フランジ
５ａ、５ｂ　上管板胴体フランジ
６　上管板
７　高温ガス入口ノズル
８　高温ガス出口ノズル
９　原料ガス入口ノズル
１０　改質ガス出口ノズル
１１　反応管外管
１２　反応管内管
１３　触媒
１４　断熱材
１５　下管板
１６　胴下部プレナム
１７　胴中央部プレナム
１８　胴上部プレナム
１９　反応管内管サポート
２０　閉止板
【図１】
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【図２】
2004115318.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004115318.tif 000006
【図５】
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