(57)【要約】【課題】反応室に流入する混合気のフラッシュバックを防止する方法を提供する。【解決手段】本発明は、発生体積（負荷Ｌ）の少なくとも大部分で、混合気の流速ｖが混合気の燃焼速度ｖｂｒよりも大きくなるように、貫流される断面積が流入混合気の体積に応じて入口開口部と反応スペースの間の領域で変化し、反応室に流入する混合気のフラッシュバックを防止する方法に関する。また、本発明は、上述の方法を実行するために、混合気の入口開口部を備えた反応器、貫流される断面積を変化させる装置を備えた混合気分配ゾーン、および反応室に関する。本発明は、例えば、燃料電池ＡＰＵに水素含有ガスを提供する自熱的反応器に適用できる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫流される断面積が入口開口部と反応室の間の領域で変化する反応室に流入する混合気のフラッシュバックを防止する方法であって、
貫流される断面積は、混合気（Ａ）の流速（ｖ）が流入混合気（抽出物Ａ）の発生体積の少なくとも大部分で混合気（抽出物Ａ）の燃焼速度（ｖｂｒ）よりも高くなるように、流入混合気（抽出物Ａ）の体積に応じて変化されることを特徴とする方法。
【請求項２】
貫流される断面積は、断面の貫流される閉口または開口領域（セグメント１１）によって形成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
貫流される断面積が増加すると、貫流される領域（セグメント１１）に近接してそれぞれに配置される領域（セグメント１１）が開くことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
貫流される断面積が減少すると、貫流されない領域（セグメント１１）に近接してそれぞれの場合に応じて配置される領域（セグメント１１）が閉じることを特徴とする、請求項２あるいは３に記載の方法。
【請求項５】
貫流される断面積は、混合気（抽出物Ａ）の構成要素の少なくとも一部を計量するための所定値に応じて制御されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
少なくとも反応室（２）を有する反応器（１）のコールドスタートの場合、流入混合気（抽出物Ａ）の体積が増加すると貫流される断面積は流れの中心（領域１８）から増加することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
貫流される領域（セグメント１１）の閉口または開口部は、比較的長期的に見ると、反応器（１）の全領域が少なくともほぼ同じ時間で流入混合気（抽出物Ａ）と接触するように実行されることを特徴とする、請求項２〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
流れの方向の順に、混合気（抽出物Ａ）の入口開口部（４）、混合気分配ゾーン（５）、および反応室（２）を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法を実行するための反応器であって、貫流される断面積を変化させる装置（８）は混合気分配ゾーン（５）内に配置される、反応器。
【請求項９】
装置（８）は、混合気分配ゾーン（５）を複数のセグメント（１１）に分割し、セグメント（１１）の少なくとも一部の流入開口部（１２，２２）は、少なくとも部分的に閉じることができることを特徴とする、請求項８に記載の反応器。
【請求項１０】
セグメント（１１）は環状ダクト（１１１）として実施されることを特徴とする、請求項９に記載の反応器。
【請求項１１】
環状ダクト（１１１）の少なくとも一部は、環状カバー要素（１３）によって少なくとも部分的に閉じられることを特徴とする、請求項９に記載の反応器。
【請求項１２】
環状カバー要素（１３）は、混合気分配ゾーン（５）の流れの主方向で閉じられることを特徴とする、請求項１１に記載の反応器。
【請求項１３】
環状カバー要素（１３）は、互いに固定配置され、共に閉じられることを特徴とする、請求項１１あるいは１２に記載の反応器。
【請求項１４】
環状ダクト（１１１）の少なくとも一部は、シース（１９）によって少なくとも部分的に閉じられることを特徴とする、請求項９に記載の反応器。
【請求項１５】
環状ダクト（１１１）は、ニードル（２０）によって少なくとも部分的に閉じられる円形中心ダクト（１１２）の回りに配置されることを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか一項に記載の反応器。
【請求項１６】
セグメント（１１）の少なくとも一部の流入開口部（２２）は、ニードル（２３）によって閉じられることを特徴とする、請求項９に記載の反応器。
【請求項１７】
セグメント（１１）の少なくとも一部は、流れの方向にそれらの断面積が拡がることを特徴とする、請求項９〜１６のいずれか一項に記載の反応器。
【請求項１８】
セグメント（１１）の各入口断面積（１２、２２）は全セグメント（１１）の入口断面積（１２，２２）の合計の特定領域を有し、また各セグメント（１１）は、全セグメント（１１）の出口断面積（１６）の合計の割合を有する出口断面積（１６）をも有し、同セグメント（１１）の割合は少なくともほぼ同じであることを特徴とする、請求項９〜１７のいずれか一項に記載の反応器。
【請求項１９】
反応室（２）は、キャリヤ構造体上に配置される触媒活性材料を有することを特徴とする、請求項８〜１８のいずれか一項に記載の反応器。
【請求項２０】
燃料電池、特に補助電力ユニットの燃料電池を作動させるための水素含有気体を発生させるために、少なくとも酸素、水、特に蒸気、および炭化水素含有化合物、好ましくはディーゼルまたはガソリンからなる混合気（抽出物Ａ）の自熱的改質のために請求項１９に記載の反応器と共に使用されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法の使用。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、貫流される断面積が入口開口部と反応室の間の領域で変わる反応室に流入する混合気のフラッシュバックを防止する方法に関する。さらに、本発明は、上述の方法を実行するための反応器、およびその反応器と共にその使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な従来技術から、反応室内で転化される抽出物の混合気を備えている反応器は、公知である。一般に反応室内に触媒を有する自熱的反応器と称されるものの場合、抽出物の転化は、発熱および吸熱反応がその反応室内で起こるように行われる。スタートした後、および／または抽出物が適切に調節されると、熱エネルギーのさらなる供給が不要となる。空気、蒸気および炭化水素含有化合物から成る抽出物の混合気、例えばガソリン、の自熱的改質は、このような反応の一例である。
【０００３】
【特許文献１】
独国特許発明第　１９５　２６　８８６　Ｃ１　号明細書
【０００４】
【特許文献２】
独国特許出願公開第　１００　０２　０２５　Ａ１　号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
入口開口部を通過して反応器に流入する抽出物は、通常、抽出物を互いに完全に混合させ、適切であれば個々の抽出物が実際の反応室を通過する前にそれらを同時に蒸発させ、相応してそれらをそこで転化させるゾーンを、最初に通過する。このような反応器内には、可燃性混合気がこの混合気分配ゾーン内にすでに存在する。反応室から混合気分配ゾーン内へのフラッシュバックがある場合、すなわち自然発火がこの領域で起こる場合、そこに位置する混合気は、少なくとも部分的に転化される。その結果、熱エネルギーは、その熱エネルギーが必要とされず、一定の条件下では、混合気分配ゾーンそれ自体に、およびその直ぐ近くの周辺部に、熱的過負荷の形の悪影響を有する領域で解放される。但し、一般により決定的な欠点は、混合気分配ゾーン内で解放された熱エネルギーが、反応室の領域内で失われるということである。反応室内の混合気の転化、および／または反応室から流出する混合気の組成や温度は、ゆえに弱められ、最悪の場合には全く起こらない。
【０００６】
最小限の一酸化炭素含有物を有する水素含有ホルマートは、メタノールの改質で起こる全ての動作状態および負荷状態である限り得られるはずであるという条件で、特許文献１は、それを実行するのに適した方法および装置を提案しており、それによれば、高メタノール転化速度に温度制御される入力端反応室セクションの全長および／または有効入口断面積を、高メタノール転化速度に温度制御される反応室セクションで改質される気体混合気が実質的に一定の滞留時間で起こるように、形成される混合気の処理量に応じて設定できる。その結果、メタノールの改質も、大きく変動する処理量の気体混合気が常に高いメタノール転化速度で且つ望ましくない一酸化炭素の形成も常に低く抑えて改質されるように実行できる。
【０００７】
触媒を有する反応室内の反応の動的応答挙動を改良する目的を考慮して、特許文献２は、媒体にアクセス可能であり、必要な触媒を有する有効断面が、媒体それ自体の圧力の影響を受ける方法をも開示している。反応器内、または反応器へのダクト内に配置されるピストンが、ここでは媒体によって、および媒体内の圧力により、バネに対して押し付けられて、有効断面を多少開口させる。
【０００８】
上述の２つの方法または対応する装置によって、上述の特許文献２の記述によれば、一般に改質油（ガソリン）となるメタノールすなわち媒体の転化は、コントロール、調節およびアクチュエータシステムに投入される費用の多少によって影響を受ける。
【０００９】
特に自熱プロセスの役割を果たすフラッシュバックに関する冒頭で記述した問題は、２つの上述の文献では認識されていない。
【００１０】
本発明の目的は、反応室に流入する混合気のフラッシュバックを回避する方法を提供し、特にその方法を実行するために使用する反応器を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この目的は、流入混合気の発生体積の少なくとも大部分で、混合気の流速が混合気の燃焼速度よりも大きくなるように、貫流される断面積を流入混合気の体積に応じて入口開口部と反応室の間の領域で変化させることで達成される。
【００１２】
混合気が先に流入してすでに反応すなわち燃焼している要素に流入する流速ｖよりも混合気の燃焼速度ｖｂｒが大きい場合にのみフラッシュバックが起こるので、混合分配ゾーン内の流速を十分高くすることでフラッシュバックを回避できる。
【００１３】
要求される負荷状態への適合は、通常では、送り込まれる混合気の体積流を変化させることによって行うこのような反応器で実行される。貫流される断面積が、最大流速ｖｍａｘが全負荷で起こるように構成される場合、燃焼速度ｖｂｒは通常、最大速度の３０％〜５０％程度の大きさとなることが分かる、そうでなければ、無駄に高い圧力損失がより高い負荷範囲で発生することとなるからであり、これは、「過剰に」小さな断面積の結果として、動作に重要である。但し、これは、予想される負荷の広がりの５０％〜７０％のみを、残りの３０％〜５０％では冒頭で記述した欠点であるフラッシュバックの危険があるので、反応器に対して使用することをも意味する。
【００１４】
本発明による方法を利用すると、連続の法則に従って予め定義した流量を有する反応室の上流の領域の、貫流される断面積を変化させることによって、燃焼速度ｖｂｒよりも高い流速ｖをそれぞれの場合で設定することが特に有利に可能となる。このようにして、前よりも負荷の広がりの大部分を使用することが可能となる。このように使用される反応器の負荷の広がりの全範囲で、フラッシュバックを確実に起こさないようにすることも可能となる。熱エネルギーの解放は、それが望まれるところ、特に反応室それ自体の中で正確に起こるようにできる。したがって、反応室を理想的動作条件下で使用でき、所望組成および所望温度レベルを再現可能に反応室の出力で達成できるようにする。
【００１５】
フラッシュバックの結果として望ましくない領域における熱エネルギーの解放についての、冒頭で記述したこれらの問題に加えて、不都合な副産物の形成も抽出物の転化中のフラッシュバックが原因で起こる。これらの副産物、つまり炭素を含有する抽出物の場合では煤煙が、堆積することになり、反応器の動作の方法に悪影響を及ぼす。それらは、例えば触媒、センサ、機械的に動かされる可動部品などに蓄積し、それらの機能を損なう。但し、フラッシュバックを防止することによって、副産物のこの形成や関連した不都合な帰結を回避することもできる。
【００１６】
本発明による一つの非常に有利な展開例によれば、少なくとも反応室を有する反応器のコールドスタートの場合、貫流される断面積は、流入混合気の体積が増加するとその流れの中心から増加する。
【００１７】
断面が流れの中心から開くということで、反応室に流入する中心流が、たとえ小体積流であっても達成される。反応室内の中心に発生する熱は、特に反応室が、例えば、キャリヤ材料上に配置される触媒をもって構成され、キャリヤ材料内の熱が熱伝導で放熱する場合、反応室の周囲領域に分配される。本発明のこの改良例によって、一方では、負荷の急上昇の場合に連続的に動作させ、他方では、コールドスタート挙動を改善、特に「常態」動作相により速やかに移行させることが可能となる。コールドスタートに必要な時間の短縮は、熱伝導によって外部に放熱される熱が反応室の周囲領域を加熱し、その結果、全くまたは少なくともほんの少ししか熱が、全負荷以下の少なくとも全ての負荷範囲内で、失われないということで達成される。
【００１８】
反応器が代わりに、高い動的要求のない安定状態動作相、および／または熱損失が、発生される生成物の品質におおきな悪影響を及ぼすことなく許容される動作相にある場合、本発明の１つの非常に好ましい改良例によれば、長期的に見れば、反応器の領域の全てが、少なくともほぼ同じ時間で流入混合気と接触するように、貫流される断面積を変化させることも可能である。
【００１９】
反応器のローディングはゆえに、特に反応器が、例えば触媒を有する場合、長時間平均にわたって補償されるので、熟成プロセスは反応器全体にわたって均一に分配される。ゆえに、反応器の有効寿命を延ばすことができる。
【００２０】
本発明による方法を実行するための反応器は、流れの方向に順番に、抽出物の入口開口部、混合気分配ゾーン、および反応ゾーンを有し、貫流される断面積を変化させる装置は、混合気分配ゾーン内に配備される。
【００２１】
本発明による方法は、このような反応器の実施形態で理想的に実施できる。ここでは、断面積を変化させる装置が混合気分配ゾーン内で優勢な条件、例えば、高温度、アグレッシブ抽出物等の下で必須機能を確実に達成できる限りそれらがどのように実施されるかが実質的に重要となる。これらの装置は、連続的に活動する装置として、例えば光学では公知であるような、例えば、虹彩絞のような方法で、実施される。
【００２２】
これに代わるものとして、混合気分配ゾーン内の断面積を変化させる装置は、反応器の１つの非常に好ましい要素によれば、混合気分配ゾーンが複数のセグメントに分割され、少なくともそれらの数セグメントの流入開口部を少なくとも部分的に閉じることができるように実施される。
【００２３】
非常にロバストに実施できるこの設計は、例えば、温度や媒体の攻撃性に関して、好ましくない条件下でも高度の耐故障性を有する装置を作動させるのに足る方法を可能にする。さらに、対応する内蔵要素、ディフューザ等によって混合気分配ゾーン内で達成される流れの選択的影響は、区分化により比較的低体積流でも、まず第一に、完全に維持されるか、または達成される。必要ならば、上述の効果は、前記体積流に対するセグメント形状の改良によってそれぞれの予め定義された体積流に適合させることができる。流入量は、ゆえに、流速に関してだけでなく流れの形成に関しても適切に最適化される。特に、流れの中に十分高い流速が存在しないデッドゾーンを回避することがここでは可能となる。その結果、一方では、抽出物の望ましくない転化、および他方では、形成される副産物の堆積を、特に都合良くこれらのデッドゾーン内で回避できる。
【００２４】
本発明による方法の、および上述の反応器の１つの特に有利な使用は、燃料電池、特に補助電力ユニットの燃料電池を作動させるための水素含有気体を発生させるために、少なくとも酸素、水、特に蒸気、および炭化水素含有化合物、好ましくはガソリンまたはディーゼルを含む抽出混合気の自熱的改質である。
【００２５】
燃料電池用の気体発生システムでこのように使用する場合、上述の利点は、最大可能負荷の広がり、および堅牢且つ確実に動作する設計に関して特に有利なものとなる。燃料電池が移動システム、例えば自動車等で使用される場合、すでに記述の利点は、堅牢性、複雑さ、重量、および動作の動的方法に関する自動車構成要素から生じる基本的要求に関して特に有利となる。
【００２６】
少なくとも反応室を有する反応器のコールドスタートの場合、貫流される断面積は、流入混合気の体積が増加すると流れの中心から増加する、本発明による方法の改良例も、移動システムではコールドスタートは非常に頻繁に起こるゆえに、コールドスタート挙動の改良が全システム内の決定的な改良につながるので、このようなシステムで、この特定の場合の用途で非常に都合良く使用できる。
【００２７】
本発明の他の有利な改良例は他の従属請求項から、および図を参照して以下で例示される典型的実施形態から明らかとなる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は、ここで自熱的改質器として作動するようにした反応器１を例示し、本発明をこの例をもって説明を行うだけのものであり、自熱的改質器の特定の用途の場合に限定するものではない。
【００２９】
水素含有気体を発生させるための自熱的改質器としてのその実施形態によれば、反応器１は、キャリヤ構造体３上に、以下では触媒キャリヤ３と称される接触反応活性材料を収容する反応室２を有する。反応器１に流入する抽出物Ａ、例えば空気、水素およびガソリンまたはディーゼルは、入口開口部４を通過して、必要な場合、抽出物Ａが完全に混合される混合気分配ゾーン５に至り、尚も恐らく液状のまま存在する成分は気化され、適切であれば、過熱される。さらに、抽出物Ａは、それらが可能な限り均一且つ均質に反応室に流入するように、混合気分配ゾーン５によって、例えば１つまたはそれ以上のディフューザによって分配される。
【００３０】
触媒キャリヤ３を備えている反応室２は、混合気分配ゾーン５から入って来る抽出物が最初にそれを通過して流れる１つの発熱反応ゾーン６と、流動方向に沿ってその発熱反応ゾーン６の後に続く１つの吸熱反応ゾーン７との２つの異なるゾーンに分割できる。さらに、混合気分配ゾーン５は、原則的にここでは点線で示されている装置を有し、その装置については後に詳述する。
【００３１】
図１を参照するに、多数の温度分布Ｔを反応器１の全長ｘに対して追加的にプロットしている。一定の温度分布Ｔｍｉｎ（図中のＴ最小）は、抽出物Ａから得られた改質油が反応室２を出て行くときそれが少なくとも保持していなければならない温度を示す。この温度Ｔｍｉｎは、次の構成要素、例えば気体精製装置、シフトステージ等で決まる。温度分布Ｔ１は、最良可能レベルの効率、ゆえに最低可能入口温度Ｔｉで反応室２の出口においてこの温度Ｔｍｉｎに達するのが理想である。入口温度Ｔｉにする温度分布Ｔ１の場合、抽出物Ａは、発熱反応ゾーン６内での反応中にそれらに含まれる熱エネルギーＱ１を解放する。次に吸熱反応ゾーン７の領域を冷却する体積流は、吸熱反応ゾーン７の、つまり反応室２の出力において、温度Ｔｍｉｎよりも高いか、またはそれに等しい温度Ｔ１ａに達する。
【００３２】
但し、抽出物Ａの可燃混合気は、もうすでに混合気分配ゾーン５内に存在するので、すでに冒頭で説明したように、高温触媒キャリヤ３で開始されるフラッシュバックを、反応室２から、熱エネルギーの解放と組み合わせて、抽出物Ａの少なくとも部分的転化をもたらす混合気分配ゾーン５の領域内で起こさせることが可能である。温度分布Ｔ２はゆえに典型的に起こる。
【００３３】
温度分布Ｔ２は同入口温度Ｔｉで開始する。但し、抽出物Ａに含まれ、その絶対値でＱ１に相当する熱エネルギー量Ｑ２の解放は、ゆえに混合気分配ゾーン５の領域内でもうすでに起こっている。但し、エネルギーＱ２のこの早期解放の結果、前記エネルギーＱ２は、反応室２の領域には存在しない。反応室２から出て来る体積流の結果として生じる出口温度Ｔ２ａは、ゆえに必須温度Ｔｍｉｎよりも低い。これに加えて、一般に、使用された抽出物Ａの転化についての低下もあるので、次の構成要素内で改質油を生成するためにはさらなる費用の増大が伴う。
【００３４】
それにも関わらず、十分に高い出口温度が尚も達成されるためには、温度分布Ｔ２は、より高温度に向かって、上向きにシフトされる。但し、その結果生じる温度分布Ｔ３は、より高い入口温度Ｔｉ’を必要とし、ゆえに反応器１の効率が減少する。
【００３５】
図２は、反応室２の流入の領域内の流速ｖと、反応する材料の必須転化または抽出物Ａの体積量を表す負荷Ｌの間の依存関係を例示する図表である。流速ｖおよび負荷Ｌの両方とも、最大流速ｖｍａｘの、および全負荷Ｌｍａｘのそれぞれ起こる値に標準化され、パーセント表示される。
【００３６】
フラッシュバックの結果として、または一定の状況下で、抽出物Ａの自然発火の結果として、上述の望ましくないエネルギーの解放は、冒頭で記述したように、抽出物Ａの流速ｖが燃焼速度ｖｂｒよりも小さい場合のみ起こる。図２の図表では、燃焼速度ｖｂｒは、ゆえに最大流速ｖｍａｘの４０％に設定される。流速ｖと負荷Ｌの間の関係は、点線の曲線９で与えられる。一定値ｖｂｒとの交点１０から、効率に関して最適化され、信頼できる反応器１の動作モードは、全負荷Ｌｍａｘの４０％と１００％の間の負荷の広がりのみで可能と読み取ることができる。
【００３７】
フラッシュバックの問題を低減し、最適化された効率を伴う、つまりＴ１に類似する温度分布を有する、負荷の広がりのより大部分を使用できるようにするために、装置８が反応器１の混合気分配ゾーン５内に提供される。これらの装置８は、流入抽出物Ａの体積流に応じて混合気分配ゾーン５の領域の、貫流される断面積を変化させるために使用されるので、可変流速ｖを連続の法則に従って設定できる。その結果、反応室２への入口前のその領域、ここでは特に入口開口部４と反応室２の間の領域の流速ｖは、前記流速ｖが負荷の広がりの最大可能領域にわたり燃焼速度ｖｂｒよりも大きくなるように測定されるか、または抽出物Ａを調整するための予め定義された値から理想的に生じる、抽出物Ａの体積流に応じて設定される。ここでは、できるだけ転化の特性を示す予め定義された値の全てまたはそれらの幾つかが、計量、例えば燃料の計量のために使用される。流速ｖの適合は、ここでは、通常、少なくとも全負荷の場合に、反応室２の全断面にわたり、抽出物Ａを分配するために流路断面積の拡大が提供されるので、混合気分配ゾーン５のまさにこの領域においては非常に重要となる。フラッシュバックに関わる問題は、ゆえに、本質的に反応室２の上流のこの領域に集中する。
【００３８】
図３は、反応器１の回転対称構造の半分の断面図で、反応器１の混合気分配ゾーン５の領域内の装置８の可能な改良例を示す。装置８は、ここでは混合気分配ゾーン５をセグメント１１に分割する複数の環状壁から構成される。環状ダクト１１１をここに形成するこれらのセグメント１１は、前記セグメント１１の入口断面積１２に対応する環状カバー要素１３によって閉じられる。混合気分配ゾーン５内の貫流される断面積は、ゆえに多数の段階で解放または閉鎖される。当然、少なくとも２つのこのようなセグメント１１は、所望方法の動作を確保するために必要である。最大数は、負荷の広がりによるだけでなく、構造的空間と、混合気分配ゾーン５内にそれを通る流れがある断面積によって決定される。
【００３９】
典型的実施形態のこの用途の場合、５本の環状ダクト１１１とそれらに対応する４本の環状カバー要素１３とが選択されている。負荷Ｌが上昇して個々の環状ダクト１１１が連続的に開口したとするとその結果生じる流速ｖの曲線は、図２の一点破線の曲線１４で例示される。全負荷Ｌｍａｘのほぼ８％まで達した後、流速ｖの全てが燃焼速度ｖｂｒよりも上となる。ほぼ理想的動作条件下で使用される負荷の広がりの領域は、ゆえに８％〜１００％の間である。これは、曲線９によって説明された設計への顕著な改良となる。
【００４０】
図３の装置８の設計は、ここでは、抽出物Ａの流入混合気の分配が混合気分配ゾーン５内で達せられること示す。この目的ために、上述の理由で、貫流される断面積は、流れ分配装置１５の使用によってディフューザのように触媒キャリヤ３の方向に拡がる。セグメント１１の構造は、入口断面積１２のそれぞれが入口断面積１２の合計の、ゆえに貫流される有効断面の特定領域を有するように選択される。各セグメント１１はまた、その入口断面積１２が入口断面積１２の合計について有したものと同じ割合の出口断面積１６の合計を有する出口断面積１６を有する。貫流される断面積の拡大、つまりディフューザによって生成される流体効果は、ゆえに各セグメント１１に伝達されるので、触媒キャリヤ３上への匹敵する流れが、抽出物Ａの体積流や、閉じているかまたは開いているセグメント１１の数に関係なく常に達成される。
【００４１】
本明細書に提案される典型的実施形態によれば、環状カバー要素１３は、共通キャリヤ１７上に互いに固定して配置される。非常に頑丈であり且つ混合気分配ゾーン５内の予想される攻撃的な条件下でも高耐故障性をも有するこの設計では、環状カバー要素１３は、それらがそれぞれ共に移動され、配置により予め定義された通りにプロセス中に連続的に個々の環状ダクト１１１を開くか、または貫流される断面積を個々のダクト１１１の方向に連続的に拡大するようにキャリヤ１７上に配置される。理論的にも考えられる全かぶせ要素１３の移動の代わりに、それぞれの場合で個々に且つ互いに独立しているので、共通キャリヤ１７が非常に頑丈な設計となる。キャリヤ１７それ自体は、抽出物Ａの主流の方向に移動される。これは、前記流れに対する横方向の移動と比べて滑り面の汚染に関してより好ましい。さらに、互いに移動されることになる可動部分は、摩擦が増大し、ゆえに作動させるのに必要な力も増大する流体圧によって互いに押し付けられない。キャリヤ１７のドライバは、キャリヤ１７が対応する長さを有するように構成されている場合、または適当な伝動要素、例えばプッシュ−プルロッドがある場合、非常に僅かに反応器１の外側に向かって移動される。その状況は、ガイドおよびシールに匹敵する。その設計は、ゆえに、入口開口部４の領域、および混合気分配ゾーン５の領域に行きわたる抽出物Ａの温度および攻撃性に関する条件から独立して実施されるので、密閉や誘導だけでなくコントロールおよび／または調節も、適切に高度の信頼度で、しかも容易且つ費用効果的に実行される。
【００４２】
個々のセグメント１１の開閉は、互いに近接しているセグメント１１が連続的に開くか、または閉じるようになっている環状カバー要素１３の配置によって実行される。これは、触媒キャリヤ３の領域に新たな流入がある領域、あるいは流入がもはや存在しない領域がそれぞれの場合で互いに直ぐ隣り合うこととなる。それらは、ゆえに互いに作用し合い、熱エネルギーを極めて容易に交換できるので、反応器１の動作がより均一となる、ゆえに所望の転化に関する改良となる。
【００４３】
特に、反応器１のコールドスタートの場合、これは、内側から外側への個々のセグメント１１の連続的開口を通じて中心に位置する領域１８内の触媒キャリヤ３上への流入が、最初にあると非常に好都合に使用される。触媒キャリヤ３内の全方向に起こる熱伝導の結果として、熱は最初この第１に使用された中心領域１８から周囲領域全体に伝わる。周囲領域への流入が、近接セグメント１１を開口することによって抽出物Ａの増加体積流を通じて解放される場合、この領域はもうすでに予備加熱されているので、触媒活性材料が、非常に早くその動作温度に達するか、または恐らくもうすでにそれに達している。抽出物Ａの転化は非常に早く開始し、反応器１をコールドスタートさせるのに要する時間が低減される。加えて、部分負荷の全条件下で、熱損失を常に構成する反応室２の領域から周囲に出て行く熱の伝達は、回避されるか、または少なくともかなり低減されるので、反応器１の効率もゆえに増大する。
【００４４】
図４は、装置８の代替実施形態を例示する。ここでも、混合気分配ゾーン５は、個々のセグメント１１に分割される。これらは、中心領域内に配置される中心ダクト１１２の回りの同心環状ダクト１１１として実施される。入口開口部４の領域内の、図４で断面が入口開口部４と混合気分配ゾーン５の間の接合部にもう一度例示されているセグメント１１も、流れの方向に開く領域としてここでは実施される。上述した要件、および好ましい改良例は、環状カバー要素１３のこれらを除き、ここでは同じように適用する。図４および典型的実施形態の以下の図についての参照記号は、構成要素および／または断面の匹敵する動作方法があるときには図３のこれらと同じように使用する。
【００４５】
環状カバー要素１３の代わりに、図４による改良例による装置８は、シース１９およびニードル２０を有する。上述断面図で示された図４の線Ｖ−Ｖについての断面図であるこれらは、図５に示されている。装置についての上述の機能的原理はここでは変わらない。但し、シース１９およびニードル２０を有する構造の結果として、それぞれ個々のセグメント１１またはその入口断面積１２は、開いているかまたは閉じているか選択的である。ニードル２０およびシース１９は、この目的のために抽出物Ａの流れの方向に移動される。ドライブも、ニードル２０および／またはシース１９が対応する長さであると考えられる場合、ここでは反応器１の外側に向かって極めて容易に移動される。その状況はガイドおよびシールに匹敵する。その設計もまた、従ってここでは、入口開口部４の領域および混合気分配ゾーン５の領域に行きわたる抽出物Ａの温度および攻撃性に関する条件から独立して実施される。
【００４６】
入口開口部４の全範囲にわたっての抽出物Ａの交換を確実にする、ゆえに、所望の順序でセグメント１１を開閉することができる可能性を提供するために、ニードル２０と、ニードルから最も遠くに離れて配置されるシースとの間に配置される少なくともシース１９は、開口部２１を有すべきである。ドリル加工穴、窓などとして実施されても良く、一定の状況下では、シース１９の最大可能領域をも構成するこれらの開口部２１によって、入口開口部４の断面積全体にわたっての抽出物Ａの交換を確実にすることが可能となる。ニードル２０が構造体から後方に案内される場合、それが、一定の状況下では、例示されるように、適切であり、すなわちここでは必要であり、シース１９の最外部も開口部２１を有する場合、例えば、ニードル２０に対して直角をなす入口開口部４への体積流で使用することが可能となる。
【００４７】
個々のセグメント１１の開口および／または閉口中の動作方法は、ゆえに、装置８の設計ゆえに機械的仕様に配慮する必要もなく、反応器１の要求、ここでは特に、反応室２の、すなわち触媒キャリヤ３のこれらに自在に適合される。コールドスタート挙動の最適化、および熟成プロセスの最適化等のために冒頭で記述した動作方法の利用は、ゆえに、極めて容易且つ柔軟に可能となる。
【００４８】
さらに、図４および５で説明したような設計によって、混合気分配ゾーン５の領域内の抽出物の流れのデッドゾーンを回避するか、または少なくともそれらを低減することが可能となる。冒頭で記述したような、ガソリンまたは特にディーゼルの自熱的改質中の副産物、例えば、煤煙の形成は、ゆえに理想的に防止される。ゆえに、機構の汚染、特に煤煙で触媒活性材料の表面が被覆されるのが防止される。従って、反応器１の有効寿命や改質油の品質だけでなく反応器１の動作信頼性を高めることが可能となる。
【００４９】
図６は、装置８の他の代替実施形態を例示する。ここでもまた、混合気分配ゾーン５は、個々のセグメント１１に分割される。これらのセグメント１１は、ここでは円形断面形状を有する混合気分配ゾーン５を三分円の形状の３つの線領域１１３に分割する分割壁によって形成される。入口開口部４の領域内の、図６で断面が入口開口部４と混合気分配ゾーン５の間の接合部にもう一度例示されているセグメント１１も、流れの方向に開く領域としてここでは実施される。入口開口部４と混合気分配ゾーン５の間の領域内の、各線領域１１３は入口開口部２２を有する。上述の入口断面積１２とそれらの機能がほぼ対応するこれらの入口開口部２２は、順に閉じられるので、個々の線領域１１３は個々に且つ互いに独立して開閉される。
【００５０】
理論上、開くまたは閉じるための任意の所望方法が可能であるが、流入開口部２２がそれぞれニードル２３によって閉口および／または開口される、図７で概略的に例示された解決法を採用するのが特に望ましい。ニードル２３の操作だけでなく動作方法や支持装置／ガイドも、ニードル２０およびシース１９に対して上述したものと同じである。
【００５１】
装置の実施形態の全ては、反応器１内の、上述し特に図３の範囲内で全般的に議論した好ましい可能性も網羅する。さらに、他の装置８を形成するために、様々な典型的実施形態からの個々の特徴についての適切な組合せの全てが考えられる。これらも、同様に反応器１を機能および動作させる好ましい方法を実現し、また、本発明の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】反応器の全長ｘにわたる予想される温度分布Ｔだけでなく自熱的改質器として作動される反応器を示す図。
【図２】負荷Ｌに応じて反応室へ流入する領域の流速ｖの線図。
【図３】貫流される断面積を変化させる装置を備えた反応器の予想される改良例を示す図。
【図４】貫流される断面積を変化させる装置を備えた反応器の代替改良例の図。
【図５】図４の実施形態の線Ｖ−Ｖについての断面図。
【図６】貫流される断面積を変化させる装置を備えた反応器の他の代替改良例の図。
【図７】図６の実施形態の線ＶＩＩ−ＶＩＩについての断面図。
【符号の説明】
１　反応器
２　反応室
３　キャリヤ構造体
４　入口開口部
５　混合気分配ゾーン
６　発熱反応ゾーン
７　吸熱反応ゾーン
８　装置
９　点線曲線
１０　交点
１１　セグメント
１２　流入開口部／入口断面積
１３　環状カバー要素
１４　破線曲線
１５　流れ分配装置
１６　出口断面積
１７　キャリヤ
１８　領域
１９　シース
２０　ニードル
２１　開口部
２２　流入開口部／入口断面積
２３　ニードル
１１１　環状ダクト
１１２　円形中心ダクト
１１３　線領域
【図１】
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【図２】
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【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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