(57)【要約】【課題】本発明は、装置のコンパクト化及び反応の効率化を図り、簡単な作業で迅速に不具合を有する反応管のユニットのみを部分的に交換でき、コストを低減させながら高純度の水素を製造することが可能な水素製造装置を提供することにある。【解決手段】本発明の水素製造装置１は、水素７のみを透過する金属膜９を用いた水素透過管１０と、水蒸気改質反応を行う改質触媒とを組み込んだ複数の反応管２によって１つの反応管ユニット３を形成すると共に、反応管ユニット３を複数配置することによって反応器４を構成し、反応器４の一端側の下部に加熱部５を設ける一方、反応器４の他端側の上部に原料供給及び水素回収用のヘッダ部６を設けている。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素のみを透過する金属膜を用いた水素透過管と、水蒸気改質反応を行う改質触媒とを組み込んだ複数の反応管によって１つのユニットを形成すると共に、該ユニットを複数配置することによって反応器を構成し、該反応器の一端側に加熱部を設ける一方、前記反応器の他端側に原料供給及び水素回収用のヘッダ部を設けたことを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記加熱部は、前記反応器の下部に設けられ、前記ヘッダ部は、前記反応器の最上部に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記加熱部は、前記反応器の上部に設けられ、前記ヘッダ部は、前記反応器の最下部に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記加熱部は、高温の燃焼ガスを製造する燃焼室として構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記反応器の前記加熱部に、別個に設けた燃焼装置からの高温の燃焼ガスを供給することを特徴とする請求項１または２に記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記反応管は、一定の間隔を置いて並列に設けられ、前記反応管同士及びユニット端板の間には、前記燃焼室からの燃焼ガスを流すための補強部材で構成した流路がそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項４に記載の水素製造装置。
【請求項７】
前記ユニットの上端部にフランジ状の支持構造体を設け、該支持構造体によりケーシング内にユニットを設置して前記反応器を構成し、さらに前記ユニットのケーシング上端部にはフランジが設けられていると共に、前記ユニットと前記ヘッダ部との間には自重落下可能なプレートが設けられ、前記フランジにて前記プレートの外周を支持することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項８】
前記ユニットのケーシング上端部にはフランジが設けられていると共に、前記ユニットと前記ヘッダ部との間には断熱材を収納した自重落下可能な矩形容器が設けられ、組込み時において、前記断熱材が前記容器と前記ヘッダ部との間で圧縮された状態で、ヘッダ部への燃焼ガスの流入を防止したことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高純度の水素が得られる水素製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、水素製造装置では、メタンやメタノールなどの炭化水素や含酸素炭化水素からなる原料ガスと水蒸気を供給し、この原料ガスから水蒸気改質反応によって主に水素と二酸化炭素を生成すると共に、水素を選択的に分離して回収するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３２０２４４０号公報
【０００４】
図１２及び図１３は、従来の水素製造装置の一例を示している。この水素製造装置５１は、上部を閉じた外筒５２と、その内側に順次配設された中筒５３及び内筒５４とを備えており、これら中筒５３及び内筒５４間に形成される環状空間５５の上部は閉塞されている。環状空間５５内には、水素のみを透過する金属膜を有する複数本のメンブレン管５６が円周方向に一定の間隔を置いて挿入配置されていると共に、粒子状あるいは板状に成形した改質触媒５７が充填されている。また、内筒５４の内側の空間部は、供給された空気５８と燃料５９を燃焼バーナ６０によって燃焼させ、高温の燃焼ガスを製造する燃焼室６１となっている。
【０００５】
このような水素製造装置５１では、燃焼バーナ６０による燃焼室６１の加熱状態で、軽質炭化水素またはメタノールガスと水蒸気との混合ガスからなるプロセスフィードガス（都市ガス、プロセス蒸気）６２が環状空間５５の下部側方から供給されると、プロセスフィードガス６２は改質触媒５７の中を流れ、高温下で水素６３に転化する。生成された水素６３は、金属膜により選択的に分離され、メンブレン管５６内に収集されて水素出口６４から抜き出して回収されることになる。また、改質触媒５７を通過した未反応の原料ガスや二酸化炭素６５は、図示しないオフガス出口より系外に排出されている。さらに、燃焼室６１で製造された燃焼ガス６６は、外筒５２の上部などを経て燃焼ガス出口６７から外部に排出されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の水素製造装置５１においては、構造上、燃焼室６１が大きくなるため、装置のコンパクト化が困難であり、大きな設置面積を要する大規模な水素製造装置に適さないという不具合があった。また、メンブレン管５６及び改質触媒５７を収納した環状空間５５への伝熱は、輻射伝熱が主体となるので、伝熱効率が悪かった。しかも、伝熱面となる環状空間５５部の内面及び外面の面積が小さいので、更に伝熱効率が悪かった。
一方、従来の水素製造装置５１においては、一体化構造である環状空間５５内のメンブレン管５６に亀裂が生じたり、あるいは改質触媒５７が劣化した場合に、性能が低下することになり、得られた水素６３の純度が悪くなる。この場合、不具合の生じたメンブレン管５６のガス抜出し部を遮断するか、あるいは他のメンブレン管５６及び改質触媒５７に問題はなくても、内筒及び中筒を取外して全体を交換する必要が生じ、コスト高を招くという不具合があった。
【０００７】
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、装置のコンパクト化及び反応の効率化を図り、簡単な作業で迅速に不具合を有する反応管のユニットのみを部分的に交換でき、コストを低減させながら高純度の水素を製造することが可能な水素製造装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明においては、水素のみを透過する金属膜を用いた水素透過管と、水蒸気改質反応を行う改質触媒とを組み込んだ複数の反応管によって１つのユニットを形成すると共に、該ユニットを複数配置することによって反応器を構成し、該反応器の一端側に加熱部を設ける一方、前記反応器の他端側に原料供給及び水素回収用のヘッダ部を設けている。
【０００９】
また、本発明において、前記加熱部は、前記反応器の下部に設けられ、前記ヘッダ部は、前記反応器の最上部に設置されていることが好ましい。
さらに、本発明において、前記加熱部は、高温の燃焼ガスを製造する燃焼室として構成されていることが好ましい。
そして、本発明において、前記反応管は、一定の間隔を置いて並列に設けられ、前記反応管同士及びユニット端板の間には、前記燃焼室からの燃焼ガスを流すための補強部材で構成された流路がそれぞれ配置されていることが好ましい。
【００１０】
また、本発明において、前記ユニットの上端部にフランジ状の支持構造体を設け、該支持構造体によりユニットをケーシング内に設置して前記反応器が構成されていることが好ましく、さらにケーシング上端部にはフランジが設けられていると共に、前記ユニットと前記ヘッダ部との間には自重落下可能なプレートが設けられ、前記フランジにて前記プレートの外周を支持することが好ましい。
さらに、本発明において、前記ユニットのケーシング上端部にはフランジが設けられていると共に、前記ユニットと前記ヘッダ部との間には断熱材を収納した自重落下可能な矩形容器が設けられ、組込み時において、前記断熱材が前記容器と前記ヘッダ部との間で圧縮された状態で、ヘッダ部への燃焼ガスの流入を防止するようにした構造が好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の水素製造装置を図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。ここで、図１は本発明の実施形態に係る水素製造装置であって、加熱部が下部に設けられたタイプを示す概略正面図、図２は図１のＡ−Ａ線矢視図、図３は図１のＢ−Ｂ線矢視図、図４は図１のＣ−Ｃ線矢視図、図５は本発明の実施形態に係る水素製造装置の反応器を構成する１つのユニットを断面で示す平面図、図６は図５のユニットであって、ヘッダ部を取外した状態で示す側面図、図７は図５のユニットであって、ヘッダ部を取付けた状態で示す側面図、図８は本発明の実施形態に係る水素製造装置の反応器の支持構造体を示す概念図である。
【００１２】
本発明の実施形態の水素製造装置１では、図１〜図４に示す如く、軸方向に配列した複数（本実施形態では６個）の反応管２によって１つの反応管ユニット３が形成されていると共に、この反応管ユニット３を縦横に複数（本実施形態では９列×２行の１８個）にわたり配置することによって反応器４が構成され、かつ当該反応器４の一端側の下部には加熱部５が設けられている一方、反応器４の他端側の最上部には原料供給及び水素回収用のヘッダ部６が設けられており、高純度の水素７が製造できるようになっている。
【００１３】
上記反応管２は、図５〜図７に示す如く、水平断面が長方形である有底の角型筒状（円筒状でも良い）に形成されており、一対の端板８ａ及び側板８ｂからなるボックス状のユニット枠８内に一定の間隔を置いて並列に設けて収納することにより、１つの反応管ユニット３を形成するように構成されている。そして、これら反応管２には、水素７のみを透過する金属膜９を用いた水素透過管１０と、水蒸気改質反応を行う改質触媒の成形板触媒（例えば、波板触媒）及び粒状予備触媒と、プロセスガス（炭化水素またはメタノールガスと水蒸気との混合ガス）１２を供給する原料供給管１３と、製造した製品水素７を取り出す水素抜出管１４と、未反応のプロセスガス１２や二酸化炭素などのオフガス１５を排出するオフガス管１６とが組み込まれている。
しかも、成形板触媒は、図示しないが金属膜９との間隔を適切に保持して水素透過管１０の外側に設けられ、当該水素透過管１０の全長さ方向に沿って配置されている。また、粒状予備触媒は、加熱部が設置されている側の水素透過管１０の先端側空間部に充填配置されており、加熱部５の高熱にて予めプロセスガス１２の一部を水素７に転化させ、その際の吸熱によって水素透過管１０の局部加熱を防止し、内部の温度を均一に保持するように構成されている。
【００１４】
上記原料供給管１３は、水素透過管１０に沿って配置されており、その先端部は粒状予備触媒の充填箇所に開口され、その基端部はヘッダ部６の第１メインパイプ１７及び第１連結パイプ１８などを介して図外のプロセスガス供給源に接続されている。また、上記水素抜出管１４の先端部は、水素透過管１０のそれぞれに連通して配置され、その基端部はヘッダ部６の第２メインパイプ１９及び第２連結パイプ２０などを介して図外の水素回収系に接続されている。さらに、上記オフガス管１６の先端部は、反応管２に連通して配置され、その基端部はヘッダ部６の第１メインパイプ１７などを介して図外のオフガス回収系に接続されている。しかも、各反応管ユニット３の原料供給管１３、水素抜出管１４及びオフガス管１６は、ヘッダ部６の第１メインパイプ１７及び第２メインパイプ１９に対して、適宜手段で切り離し可能に構成されている。なお、第１メインパイプ１７及び第２メインパイプ１９は、反応管ユニット３の交換作業が容易となるように、平面視で略コ字状に組み付けられて反応器４の上方周囲の外側に配置されている。
【００１５】
これら原料供給管１３、オフガス管１６は、反応管ユニット３とヘッダ部６との間で真直な２重管として配置することができ、溶接箇所が少なくて製作容易な交換ユニットとすることができる。また、反応管ユニット３及びヘッダ部６の両支持部は、互いに近傍に配置され、かつ両者間で接続される各配管は可撓性を有する部材で構成されており、これによって発停時の熱変形量を軽減及び吸収するようになっている。
【００１６】
一方、上記隣接する反応管２同士の間、及び反応管２とユニット枠８の端板８ａとの隙間には、図６及び図７に示す如く、後述の燃焼室からの燃焼ガスを流す流路を兼ねた複数個の補強部材２１が配設されており、これら補強部材２１によってユニット枠８を含む反応管ユニット３の強度が増大すると共に、伝熱面積が大きくなるように構成されている。このため、補強部材２１は、水平断面が角型の筒状に形成されている。
ユニットの上端部には、フランジ状の支持構造体を有し、該支持構造体を用いてユニットをケーシング内に設置することで反応器４が構成されている。さらに上記ユニットケーシング３５の上端部両側には、図８に示す如く、上方へ延びるフランジ２２が設けられている。また、反応管ユニット３とヘッダ部６との間には、自重落下可能なプレート２３が水平方向に沿って設けられている。プレート２３は、フランジ２２にて外周縁部下面を支持することによって構成されており、後述の燃焼室からの燃焼ガスがフランジ２２とプレート２３との係合及び圧接作用によって燃焼ガス流路以外の箇所から漏れないようなっている。すなわち、反応管ユニット３を挿入するだけで燃焼ガスの流路遮断と遮温が可能となり、発停時における熱変形の際にも変形に対応してプレート２３が自重昇降して機能保持するようにしている。
【００１７】
上記加熱部５は、高温の燃焼ガス２４を製造する燃焼室２５として構成されている。このため、燃焼室２５の底面には、複数本の燃焼バーナ２６が並列的に配設されており、これら燃焼バーナ２６により、供給された空気及び燃料（図示せず）の炭化水素を燃焼させて燃焼ガス２４を製造し、燃焼ガス２４が上昇して補強部材２１の内部を流れ、上方位置の反応器４の各反応管ユニット３に対流して加熱し、吸熱反応を促進するように構成されている。燃焼ガス２４は、上昇して反応器４を通過した後、外側を折り返して下部側方に設けた燃焼ガス出口２７から外部に排出されるようになっている。
なお、燃焼室２５は、反応器４の下部に一体に設ける必要はなく、別個に設けた燃焼室で製造した燃焼ガス２４を加熱部３に導くような構造にしても良い。また、燃焼バーナ２６としては、ラインバーナ、高流速バーナ等、各種バーナを使用することが可能である。さらに、反応管ユニット３間の隙間と対応した下方位置には、図１に示す如く、燃焼ガス２４の乱流を抑える整流板２８をそれぞれ設けても良い。
【００１８】
本発明の実施形態に係る水素製造装置１では、燃焼室２５の燃焼バーナ２６にて燃焼ガス２４を製造することにより加熱部５を加熱する。この高温状態で、プロセスガス１２をヘッダ部６の第１メインパイプ１７及び第１連結パイプ１８、原料供給管１３を介して上方から供給すると、プロセスガス１２は粒状予備触媒及び成形板触媒の中を流れ、反応管ユニット３の各反応管２の表面から燃焼ガス２４の熱により吸熱反応が進行し、水素７と、一酸化炭素及び二酸化炭素のオフガス１５と水を生成する。そして、生成された水素７のみが金属膜９により選択的に分離され、金属膜９を透過して水素透過管１０の内部に収集されて流れ、水素抜出管１４からヘッダ部６の第２メインパイプ１９及び第２連結パイプ２０を介して回収され、純度の高い水素７が得られることになる。
なお、粒状予備触媒及び成形板触媒を通過したオフガス１５は、オフガス管１６及びヘッダ部６の第１メインパイプ１７などを介して系外に排出される。さらに、加熱部５の燃焼室２５で製造された燃焼ガス２４は、反応管２の間などの隙間に設けられた補強部材２１の内部を経て燃焼ガス出口２７から外部に排出される。
【００１９】
本発明の実施形態に係る水素製造装置１では、複数の反応管２で形成した反応管ユニット３を縦横に複数列にわたって配置することにより反応器４が構成され、反応器４の下部に加熱部５が設けられていると共に、反応器４の上部に原料供給及び水素回収用の配管からなるヘッダ部６が設けられており、反応管ユニット３とヘッダ部６とが分離可能な構造になっているため、性能低下が発生した場合に、不良の反応管ユニット３のみを短時間で交換することができ、反応器全体を交換するのに比べてコストを低減させ、高純度の水素７を得ることができる。
また、本実施形態の水素製造装置１は、複数の燃焼バーナ２６を配置した燃焼室２５からなる加熱部５が反応器４の下部に設けられ、ヘッダ部６が反応器４の最上部に設置されているため、反応管ユニット３の組立及び交換時の開放箇所が最少で済む上、作業性向上を図ることができる。しかも、本実施形態の水素製造装置１では、隣接する反応管２同士の間、並びに反応管２とユニット枠８の端板８ａとの隙間に燃焼ガス２４の流路を兼ねた角型筒状などの補強部材２１が配設されているため、反応管ユニット３の小型軽量化を図ることができる。
【００２０】
以上、本発明の実施形態につき述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
【００２１】
例えば、本実施形態の反応器４の支持構造体としては、図８に示すプレート２３に代えて、図９に示すような自重落下可能である矩形容器３３を用いても良い。この矩形容器３３は、反応管ユニット３とヘッダ部６との間に設けられ、内部には断熱材３４が所定量にわたり収納されている。この支持構造体では、組込み時において、断熱材３４が反応管ユニット３の自重により図９（ａ）に示す状態から図９（ｂ）に示す状態に、矩形容器３３とヘッダ部６との間で圧縮される（圧縮量Ｆ）と、矩形容器３３がユニットケーシング３５のフランジ２２にて支持されることになるため、両者間だけでなく給排気配管部の隙間も無くなって、遮蔽効果を向上させることができる。
また、本発明は、既述の実施形態と異なり、図１０及び図１１に示す如く、加熱部５を反応器４の上部に設ける一方、ヘッダ６を反応器４の下部に設けた水素製造装置３１に適用することもできる。
【００２２】
【発明の効果】
上述の如く、本発明に係る水素製造装置は、水素のみを透過する金属膜を用いた水素透過管と、水蒸気改質反応を行う改質触媒とを組み込んだ複数の反応管によって１つのユニットを形成すると共に、該ユニットを複数配置することによって反応器を構成し、該反応器の一端側に加熱部を設ける一方、前記反応器の他端側に原料供給及び水素回収用のヘッダ部を設けているので、装置のコンパクト化及び反応の効率化を図り、簡単な作業で迅速に不具合を有する反応管のユニットのみを部分的に交換でき、従来のように反応管の全体を交換する必要がなく、コストを低減させながら高純度の水素を大量に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る水素製造装置であって、加熱部が下部に設けられたタイプを示す概略正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線矢視図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線矢視図である。
【図４】図１のＣ−Ｃ線矢視図である。
【図５】本発明の実施形態に係る水素製造装置の反応器を構成する１つのユニットを断面で示す平面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る水素製造装置の反応器を構成する１つのユニットであって、ヘッダ部を取外した状態で示す側面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る水素製造装置の反応器を構成する１つのユニットであって、ヘッダ部を取付けた状態で示す側面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る水素製造装置の反応器の支持構造体を示す概念図である。
【図９】本発明の実施形態に係る水素製造装置の反応器の支持部の変形例であって、（ａ）は断熱材の圧縮前の状態を示す概念図、（ｂ）は断熱材の圧縮状態を示す概念図である。
【図１０】本発明の実施形態の他の変形例に係る水素製造装置であって、加熱部が上部に設けられたタイプを示す概略正面図である。
【図１１】本発明の実施形態の他の変形例に係る水素製造装置であって、加熱部が上部に設けられたタイプを示す概略側面図である。
【図１２】従来の水素製造装置を一部を破断して示す概略斜視図である。
【図１３】図１２におけるＤ部を拡大して示す斜視図である。
【符号の説明】
１，３１  水素製造装置
２  反応管
３  反応管ユニット
４  反応器
５  加熱部
６  ヘッダ部
７  水素ガス
８  ユニット枠
９  金属膜
１０  水素透過管
１１ａ  成形板触媒
１１ｂ  粒状予備触媒
１２  プロセスガス
１３  原料供給管
１４  水素抜出管
１５  オフガス
１６  オフガス管
１７，１９  メインパイプ
１８，２０  連結パイプ
２１  補強部材
２２  フランジ
２３  プレート
２４  燃焼ガス
２５  燃焼室
２６  燃焼バーナ
２７  燃焼ガス出口
３３  矩形容器
３４  断熱材
３５  ユニットケーシング
【図１】
2004352526.tif 000003
【図２】
2004352526.tif 000004
【図３】
2004352526.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004352526.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004352526.tif 000011
【図１０】
2004352526.tif 000012
【図１１】
2004352526.tif 000013
【図１２】
2004352526.tif 000014
【図１３】
2004352526.tif 000015