(57)【要約】      （修正有）【課題】プロセス流体に対して均一で効率良く熱エネルギーの授受が可能であり、種々の設備から排出される高温排流体を熱媒体として利用し、この高温排流体から効率良く熱エネルギーを回収する多管式熱交換器型反応装置を提供する。【解決手段】熱媒体の熱媒導入口１ａ及び熱媒排出口１ｂを有する反応器本体１と、この反応器本体内に配設され、プロセス流体の流体供給口２ａ及び流体取出口２ｂを有する多数の反応管２と、上記各反応管内に配置される管内熱交換部３ａ及び反応器本体内で各反応管から突出して熱媒体中に露出する管外熱交換部３ｂを有し、内部に作動流体が充填された多数のヒートパイプ３とを有し、上記反応器本体内に導入される熱媒体及び各ヒートパイプの管内熱交換部内の作動流体と各反応管内のプロセス流体とを熱交換させると共に、各ヒートパイプの管外熱交換部内の作動流体と各反応管外部の熱媒体とを熱交換させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体の熱媒導入口及び熱媒排出口を有する反応器本体と、この反応器本体内に配設され、プロセス流体の流体供給口及び流体取出口を有する多数の反応管と、上記各反応管内に配置される管内熱交換部及び反応器本体内で各反応管から突出して熱媒体中に露出する管外熱交換部を有し、内部に作動流体が充填された多数のヒートパイプとを有し、上記反応器本体内に導入される熱媒体及び各ヒートパイプの管内熱交換部内の作動流体と各反応管内のプロセス流体とを熱交換させると共に、各ヒートパイプの管外熱交換部内の作動流体と各反応管外部の熱媒体とを熱交換させることを特徴とする多管式熱交換器型反応装置。
【請求項２】
反応器本体内の熱媒体の流れと各反応管内のプロセス流体の流れとが互いに逆方向である請求項１に記載の多管式熱交換器型反応装置。
【請求項３】
反応器本体が、多数の反応管が配設された熱交換反応室と、この熱交換反応室の熱媒体上流側に位置し、流体取出口を有して多数の反応管内を通過したプロセス流体を集める流体回収室と、上記流体回収室の熱媒体上流側に位置し、熱媒導入口を有する熱媒分配室と、上記熱交換反応室の熱媒体下流側に位置し、流体供給口を有して多数の反応管内にプロセス流体を分配する流体分配室と、この流体分配室の熱媒体下流側に位置し、熱媒排出口を有する熱媒回収室とに区画されており、多数のヒートパイプの管外熱交換部が熱媒回収室内に露出している請求項１又は２に記載の多管式熱交換器型反応装置。
【請求項４】
水素を製造し、製造された水素を圧縮して水素消費機関に高圧水素を供給する高圧水素の供給システムにおいて、水素製造装置として用いられる多管式熱交換器型反応装置であり、熱媒体が高圧水素の供給システムで消費される電力の一部又は全部を賄う燃焼タービン発電装置から排出される高温排ガスであり、プロセス流体が水素製造用の流体反応物であり、反応管内には脱水素反応用又は水蒸気改質反応用の触媒が充填されている請求項１〜３のいずれかに記載の多管式熱交換器型反応装置。
【請求項５】
各反応管の伝熱面積（Ａｒ）とこの反応管内に配置される各ヒートパイプの管内伝熱部の伝熱面積（Ａｉ）との伝熱面積比（Ａｒ／Ａｉ）が１．５〜３の範囲内である請求項４に記載の多管式熱交換器型反応装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、反応物が流体（以下、「プロセス流体」という）であって比較的大量な熱エネルギーの授受を必要とする反応に用いられる多管式熱交換器型反応装置に係り、例えば、水素を製造し、製造された水素を圧縮して水素消費機関に高圧水素を供給する高圧水素の供給システムにおいて、水素製造装置として用いるのに好適な多管式熱交換器型反応装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、高圧水素の供給システムで用いられる水素製造装置については、水素供給体として用いられるケミカルハイドライドを脱水素触媒の存在下に脱水素反応させて水素を製造する反応装置や、軽質炭化水素、メタノール、ジメチルエーテル等を改質触媒の存在下に水蒸気改質反応させて水素を製造する反応装置等が用いられている。これら脱水素反応や水蒸気改質反応は、いずれもその反応に大量の熱エネルギーを必要とする吸熱反応であり、水素の製造に大量の熱エネルギーの供給を必要とする。
【０００３】
そこで、このような脱水素反応や水蒸気改質反応により水素を効率良く製造するためには、使用する反応装置に供給される反応物の流体、すなわちケミカルハイドライドや軽質炭化水素、メタノール、ジメチルエーテル等のプロセス流体が脱水素触媒や改質触媒等の触媒に接触する際に、効率良く熱エネルギーの供給を行う必要がある。
【０００４】
そこで、従来においても、このような水素製造装置において、反応に必要な熱エネルギーの供給に工夫をした反応装置が提案されており、例えば、燃焼反応用触媒床を有して気相状燃料を燃焼させる燃焼部と、水蒸気改質触媒床が充填されてメタノール等のプロセス流体が導入される改質反応部との間に、蒸発部が燃焼反応用触媒床中に、また、凝縮部が水蒸気改質触媒床中にそれぞれ位置するようにヒートパイプを配設し、このヒートパイプにより改質反応部で必要とする熱エネルギーの供給を行うようにしたもの（特許文献１）や、バーナ燃焼により生じた熱エネルギーを改質反応部に供給して水素リッチな改質ガスに改質する装置において、改質反応部の内部にプロセス流体の通液方向に沿って均温用のヒートパイプを配設したもの（特許文献２）等が知られている。
【０００５】
しかしながら、これらの水素製造装置においては、ヒートパイプの使用により、燃焼により生じた熱エネルギーを改質反応部に供給することはできても、例えば燃焼タービン発電装置等の関連設備や周辺設備から排出され、大量の熱エネルギーを保有する高温排ガスから、この熱エネルギーを回収して利用することはできない。
【０００６】
また、上記のようなヒートパイプを利用し、スチレンモノマーの製造やメタノール合成のように反応熱の除去を必要とする反応装置も知られており、例えば、反応器内部を、反応が行われる反応室と、この反応室に熱エネルギーを供給するための共熱室とに仕切り、これら反応室と共熱室との間に熱エネルギーの輸送を行うためのヒートパイプを配設したもの（特許文献３）等が知られている。
【０００７】
しかしながら、この反応装置においては、熱媒体として高温排ガスを用いることにより、高温排ガスから回収した熱エネルギーを反応室内に供給することはできても、例えば、高圧水素の供給システムで用いられて大量の熱エネルギーを均一にかつ効率良く供給することが求められる水素製造装置にはその応用が困難である。
【０００８】
【特許文献１】特開昭６３−１６２，５０３号公報
【特許文献２】特開昭６３−２４８，７０２号公報
【特許文献３】特開昭６０−１５３，９３４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者らは、水素製造装置のように、反応物が流体（プロセス流体）であって比較的大量な熱エネルギーの授受を必要とする反応に用いられる反応装置であり、このプロセス流体に対して均一で効率良く熱エネルギーの授受が可能であり、しかも、燃焼タービン発電装置、焼却炉等の関連設備や周辺設備から排出され、大量の熱エネルギーを保有する高温排流体を熱媒体として利用し、この高温排流体から効率良く熱エネルギーを回収することができる反応装置について鋭意検討した結果、反応器本体内に多数の反応管を配設し、これら各反応管には各反応管内に配置される管内熱交換部と反応器本体内で各反応管から突出して熱媒体中に露出する管外熱交換部とを有し、内部に作動流体が充填されたヒートパイプを配設し、反応器本体内に導入される熱媒体及び各ヒートパイプの管内熱交換部内の作動流体と各反応管内のプロセス流体とを熱交換させると共に、各ヒートパイプの管外熱交換部内の作動流体と各反応管外部の熱媒体とを熱交換させることにより、目的を達成できることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
従って、本発明の目的は、比較的大量な熱エネルギーの授受を必要とするプロセス流体の反応に用いられる反応装置であって、このプロセス流体に対して均一で効率良く熱エネルギーの授受が可能であり、しかも、種々の設備から排出される高温排流体を熱媒体として利用し、この高温排流体から効率良く熱エネルギーを回収することができ、特に高圧水素の供給システムで用いられる水素製造装置として有用な多管式熱交換器型反応装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、熱媒体の熱媒導入口及び熱媒排出口を有する反応器本体と、この反応器本体内に配設され、プロセス流体の流体供給口及び流体取出口を有する多数の反応管と、上記各反応管内に配置される管内熱交換部及び反応器本体内で各反応管から突出して熱媒体中に露出する管外熱交換部を有し、内部に作動流体が充填された多数のヒートパイプとを有し、上記反応器本体内に導入される熱媒体及び各ヒートパイプの管内熱交換部内の作動流体と各反応管内のプロセス流体とを熱交換させると共に、各ヒートパイプの管外熱交換部内の作動流体と各反応管外部の熱媒体とを熱交換させることを特徴とする多管式熱交換器型反応装置である。
【００１２】
本発明において、反応器本体内に導入される熱媒体と各反応管内のプロセス流体との間の熱交換を効率良く行わせるためには、好ましくは反応器本体内の熱媒体の流れと各反応管内のプロセス流体の流れとが互いに逆方向の流れになるように設計するのがよい。
【００１３】
また、上記反応器本体については、好ましくは、その内部を、多数の反応管が配設された熱交換反応室と、この熱交換反応室の熱媒体上流側に位置し、流体取出口を有して多数の反応管内を通過したプロセス流体を集める流体回収室と、上記流体回収室の熱媒体上流側に位置し、熱媒導入口を有する熱媒分配室と、上記熱交換反応室の熱媒体下流側に位置し、流体供給口を有して多数の反応管内にプロセス流体を分配する流体分配室と、この流体分配室の熱媒体下流側に位置し、熱媒排出口を有する熱媒回収室とに区画し、反応器本体の熱媒導入口からこの反応器本体内部の熱交換反応室に導入される熱媒体の流れを熱交換反応室内で均一にすると共に、各反応管の流体供給口からこの反応管内に導入されるプロセス流体についても各反応管が同じ条件になるようにする。
【００１４】
更に、各反応管内に配置される管内熱交換部と熱媒体中に露出する管外熱交換部とを有する各ヒートパイプについては、その管外熱交換部が各反応管の温度勾配を緩和する方向に突出して熱媒体中に露出していることが必要であり、これによって反応器本体内に導入される熱媒体は、反応器本体内の各反応管の外壁を介してプロセス流体と熱交換し、また、この反応管から突出する各ヒートパイプの管外熱交換部でその内部の作動流体と熱交換し、この作動流体と熱交換された熱エネルギーが作動流体により再び各反応管内に移送され、この反応管内でその内部からプロセス流体と熱交換する。このため、各反応管は、その長さ方向に関して比較的均一な温度となり、各反応管内でのプロセス流体の効率的な反応を達成することができる。
【００１５】
上記の各ヒートパイプについては、その内部に充填する作動流体、管内熱交換部の伝熱面積（Ａｉ）、管外熱交換部の面積（Ａｏ）等をどのように設計するかは、この多管式熱交換器型反応装置がどのような反応に用いられ、各反応管がどのように設計され、また、どのような熱媒体を用いて熱交換させるか等の種々の条件で異なり、目的に応じて設計され、決定される。
【００１６】
更に、上記の各反応管については、適用される反応の種類により、その内部、すなわち各反応管の内壁とこの反応管内に配置されたヒートパイプの管内熱交換部との間の間隙内に、反応に必要な触媒、例えば、反応が脱水素反応であれば所定の脱水素触媒を、また、反応が改質反応であれば所定の改質触媒を充填し、これによってこの触媒中に供給されるプロセス流体の反応が行われる。
【００１７】
本発明の多管式熱交換器型反応装置は、反応物が気体や液体等の流体であって、反応に比較的大量な熱エネルギーの授受を必要とする反応に好適に用いられる。そして、この反応が吸熱反応である場合には、熱媒体は熱エネルギーの供給体として用いられるので、高温の流体を熱媒体として用いることができ、関連設備や周辺設備から排出される高温排ガスを好適に用いることができる。また、上記の反応が反応熱の除去を必要とする発熱反応である場合には、熱媒体は反応熱の除熱に用いられるので、例えば、熱容量の大きいスチーム等が好適に用いられる。
【００１８】
また、本発明の多管式熱交換器型反応装置は、熱媒体が反応装置本体の一端側から導入されて他端側に排出される構成になっているので、垂直にも水平にも設置することができ、適用される反応の種類や設置場所の環境等に応じて任意に選択することができる。
【００１９】
従って、本発明の多管式熱交換器型反応装置は、水素を製造し、製造された水素を圧縮して水素消費機関に高圧水素を供給する高圧水素の供給システムで用いる水素製造装置、特に、消費電力の一部又は全部を賄う燃焼タービン発電装置を備えた高圧水素の供給システムであって、プロセス流体としてシクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、デカリン等の化学系水素貯蔵媒体（ケミカルハイドライド）や、メタノール、ジメチルエーテル、軽質炭化水素等からなる水素製造用の流体反応物が用いられ、また、反応管内には脱水素反応用又は水蒸気改質反応用の触媒が充填され、上記プロセス流体の脱水素反応や水蒸気改質反応により水素を製造するための水素製造装置として好適である。
【００２０】
すなわち、上記の燃焼タービン発電装置では、軽油、灯油、都市ガス、ＬＰＧ等の燃料が燃焼され、これによって５００℃以上の高温排ガスが発生するのに対して、例えば脱水素触媒の存在下にシクロヘキサン（ケミカルハイドライド）を脱水素して４００Ｎｍ３の水素を製造するためには脱水素反応の熱量として約１．２×１０６ｋｊの熱量を必要とし、同様に、デカリン（ケミカルハイドライド）の脱水素反応の場合には約１．１×１０６ｋｊの熱量を必要とし、また、水蒸気改質触媒の存在下にメタノール（プロセス流体）を改質させて４００Ｎｍ３の水素を製造するためには約０．７７×１０６ｋｊの熱量を必要とするので、これら脱水素反応や水蒸気改質反応で必要とする熱量の一部又は全部を上記の燃焼タービン発電装置の高温排ガスで賄うことができる。
【００２１】
そして、このように多管式熱交換器型反応装置を高圧水素の供給システムで用いる水素製造装置として用いる場合、各反応管内に充填された脱水素反応用又は水蒸気改質反応用の触媒の全体に亘ってできるだけ均一に熱エネルギーを供給する必要があることから、好ましくは、各反応管の外表面の面積〔すなわち、伝熱面積（Ａｒ）〕とこの反応管内に配置されるヒートパイプの管内伝熱部の面積〔すなわち、伝熱面積（Ａｉ）〕との伝熱面積比（Ａｒ／Ａｉ）が１．５以上３．０以下の範囲内、より好ましくは１．５以上２．０以下の範囲内に制御するのがよい。この伝熱面積比（Ａｒ／Ａｈ）が１．５より低いと機能発現が不十分であり、反対に、３．０より高くすると不経済である。
【００２２】
また、この多管式熱交換器型反応装置を水素製造装置として用いる場合、各反応管内に充填された脱水素反応用又は水蒸気改質反応用の触媒の全体に亘ってできるだけ均一に熱エネルギーを供給するために、好ましくは、各ヒートパイプについて、その管内熱交換部の伝熱面積（Ａｉ）と管外熱交換部の伝熱面積（Ａｏ）との伝熱面積比（Ａｉ／Ａｏ）が０．５以上１．５以下の範囲内、より好ましくは０．５以上１．０以下の範囲内に制御するのがよい。この伝熱面積比（Ａｉ／Ａｏ）が０．５より低いと機能発現が不十分であり、反対に、１．５より高くすると不経済である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示す実施例に基づいて、消費電力の一部又は全部を賄う燃焼タービン発電装置を備えた高圧水素の供給システムで用いる水素製造装置として好適な本発明の多管式熱交換器型反応装置の一例を具体的に説明する。
【００２４】
図１及び図２に示すように、この実施例に係る多管式熱交換器型反応装置（水素製造装置）は、水平に設置され、基本的には、その一端側に熱媒体として用いられる高温排ガスＧｗの熱媒導入口１ａを有すると共にその他端側に当該高温排ガスＧｗの熱媒排出口を有する反応器本体１と、この反応器本体１内に互いに平行に配設され、シクロヘキサンやデカリン等のケミカルハイドライドからなるプロセス流体Ｌｐの流体供給口２ａ及び流体取出口２ｂに連通する多数の反応管２と、上記各反応管２内に配置される管内熱交換部３ａ及び反応器本体１内で各反応管２から突出してこの反応管２より下流側の高温排ガスＧｗ中に露出する管外熱交換部３ｂを有し、内部に図示外の作動流体が充填された多数のヒートパイプ３とを有している。
【００２５】
この実施例において、上記の反応器本体１は、４枚の隔壁４ａ，４ｂ，６ａ，８ａにより、多数の反応管２が配設された熱交換反応室４と、この熱交換反応室４の高温排ガスＧｗ上流側に位置し、流体取出口２ｂを有して多数の反応管２内を通過したプロセス流体Ｌｐを集める流体回収室５と、上記流体回収室５の高温排ガスＧｗ上流側に位置し、熱媒導入口１ａを有する熱媒分配室６と、上記熱交換反応室４の高温排ガスＧｗ下流側に位置し、流体供給口２ａを有して多数の反応管２内にプロセス流体Ｌｐを分配する流体分配室７と、この流体分配室７の高温排ガスＧｗ下流側に位置し、熱媒排出口１ｂを有する熱媒回収室８とに区画されており、また、多数のヒートパイプ３の管外熱交換部３ｂが熱媒回収室８内を通過する高温排ガスＧｗ中に露出している。
【００２６】
また、上記熱交換反応室４内に配設される多数の反応管２は、図２に示されているように、熱伝導性、耐熱性、耐食性等に優れた両端開口のパイプで形成され、その一端が隔壁４ａに固定されていると共に流体分配室７内に向けて開口（９ａ）しており、また、その他端が隔壁４ｂに固定されていると共に流体回収室５内に向けて開口（９ｂ）しており、更に、その内部にはヒートパイプ３の管内熱交換部３ａとの間の間隙内に図示外の脱水素触媒が充填されている。
【００２７】
更に、この実施例において、熱媒分配室６の隔壁６ａとの隔壁４ｂとの間には、熱媒導入口１ａから熱媒分配室６内に導入された高温排ガスＧｗを、流体回収室５を貫通して、分配して内へ送り込むための多数の両端開口の貫通管１０が設けられており、また、の隔壁４ａと熱媒回収室８の隔壁８ａとの間には、内の高温排ガスＧｗを、流体分配室７を貫通して、熱媒回収室８内に送り込むための多数の両端開口の貫通管１１が設けられており、これによって、熱媒分配室６から内を経て熱媒回収室８内に流れる高温排ガスＧｗと流体分配室７から内の多数の反応管２を通過して流体回収室５内に流れるプロセス流体Ｌｐとが互いに直接に接触しないようになっている。
【００２８】
従って、この実施例の多管式熱交換器型反応装置よりなる水素製造装置においては、燃焼タービン発電装置から排出された高温排ガス（熱媒体）Ｇｗは、熱媒導入口１ａから熱媒分配室６内に導入され、この熱媒分配室６内で各貫通管１０に分配され、そして、これら各貫通管１０を内全体に均一に送り込まれ、次いで貫通管１１を介して熱媒回収室８内に入り、この熱媒回収室８内で集められてその熱媒排出口１ｂから排出される。
【００２９】
また、流体供給口２ａから流体分配室７内に供給されたプロセス流体Ｌｐは、この流体分配室７内で各反応管２に均一に分配され、これら各反応管２内で脱水素触媒と接触し、また、その際に各反応管２の外部を流れる高温排ガスＧｗと熱交換し、これによって脱水素されて水素を生成し、この生成した水素を含むプロセス流体として流体回収室５に回収され、流体取出口２ｂから外部に抜き出され、図示外の固液分離装置により固液分離されて製造された水素が得られる。
【００３０】
〔試験例〕
上記実施例に記載の多管式熱交換器型反応装置を下記の装置設計条件で試作し、この試作した多管式熱交換器型反応装置の４基を並列に水平設置して用い、下記の操作条件で操業試験を行った。
【００３１】
［装置設計条件］
▲１▼  反応管及びヒートパイプの本数：各々５７本
▲２▼  全触媒量：１．４３１ｍ３
▲３▼  全反応管の必要伝熱面積：２２０ｍ２
▲４▼  全反応管の伝熱面積（Ａｒ）：１４０．４ｍ２
▲５▼  全ヒートパイプの管内伝熱部の伝熱面積（Ａｉ）：７９．３ｍ２
▲６▼  全ヒートパイプの管外伝熱部の伝熱面積（Ａｏ）：７９．６ｍ２
【００３２】
上記実施例の多管式熱交換器型反応装置を用いて行った操業試験の結果、高温排ガスとプロセス流体との間の熱伝達が良好で、燃焼タービン発電装置から排出される高温排ガスの熱エネルギーを効率良く回収して利用し、水素を製造できることが確認された。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の多管式熱交換器型反応装置は、プロセス流体に対して均一で効率の良い熱エネルギーの授受が可能であり、しかも、種々の設備から排出される高温排流体を熱媒体として利用し、この高温排流体から効率良く熱エネルギーを回収することができるので、比較的大量な熱エネルギーの授受を必要とするプロセス流体の反応に用いる反応装置として好適に用いることができ、特に高圧水素の供給システムで用いられる水素製造装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施例に係る多管式熱交換器型反応装置の全体を示す縦断面説明図である。
【図２】図２は、図１の部分拡大説明図である。
【符号の説明】
１…反応器本体、１ａ…熱媒導入口、１ｂ…熱媒排出口、２…反応管、２ａ…流体供給口、２ｂ…流体取出口、３…ヒートパイプ、３ａ…管内熱交換部、３ｂ…管外熱交換部、４…熱交換反応室、５…流体回収室、６…熱媒分配室、７…流体分配室、８…熱媒回収室、４ａ，４ｂ，６ａ，８ａ…隔壁、９ａ，９ｂ…開口、１０，１１…貫通管、Ｇｗ…高温排ガス、Ｌｐ…プロセス流体。
【図１】
2004299924.tif 000003
【図２】
2004299924.tif 000004