(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼加熱室内の上方に燃焼手段が設けられ、加熱室内に頂部が閉じられ管状に形成された複数の反応管を垂直に配置し、その反応管の内部に同一軸上に内管が設けられ、反応管と内管との間に触媒が充填されている改質器において、前記内管の上端部に多孔性固体で構成された板状体を設け、その板状体は外周が反応管の内側に接するとともに内管の上端部に接するよう固定されており、内管と反応管との間に触媒が充填されており、反応管の下端に反応ガスの入口と出口とが設けられていることを特徴とする改質器。
【請求項２】
前記多孔性固体は耐熱金属金網が積層された構造体である請求項１の改質器。
【請求項３】
前記多孔性固体は発泡金属焼結体で構成されている請求項１の改質器。
【請求項４】
前記多孔性固体は発泡セラミックスで構成されている請求項１の改質器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼加熱室内の上方に燃焼手段が設けられ、加熱室内に頂部が閉じられている管状に形成された複数の反応管を垂直に配置し、その反応管の内部に同一軸上に内管が設けられ、反応管と内管との間に触媒が充填されている改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この様な改質器としては、例えば特開昭６１−２４２６３０号公報に示されている。この様な改質器を例えば図３で示すと、図３において、全体を符号１で示す改質器は、燃焼加熱室２の内側に２重管状に形成された反応管３を配置し、反応管外部から、加熱室２（の図３中上方）に配置された燃焼手段である燃焼バーナ６の高温燃焼ガスによる加熱を行う。
【０００３】
加熱と同時に、反応管３と内管４との間に充填されている触媒層１６において、該触媒層の下方の入口８から導入された炭化水素と蒸気とを反応させ、反応管３の頂部５でガスを反転させる。そして反応したガス（水素ガス）を、内管４の上方から下方に流過せしめて、出口１０から回収している。
なお図３において、符号９は触媒の飛散を防止するパンチングメタルを示している。
【０００４】
ここで、図３は従来の改質器の構造を模式的に示すものであり、上述した改質器の構成は、図４で詳細に示されている。
【０００５】
図３、図４で示す従来技術によれば、反応管３の頂部５は燃焼バーナ６から最も近い位置にあるため、頂部付近は反応管３のなかで最高温度に達する。そのため反応管３の耐久性確保のために、必要な処置を施さなければならなかった。
【０００６】
その様な反応管３の耐久性確保のための処置として、従来は、反応管３を耐熱金属製としたり、燃焼バーナ６を分割して加熱の平均化を図ったり、貴金属触媒を用いて反応温度を低下させ、さらに、反応管３と外部加熱流体或は反応管内壁と反応完了ガスの伝熱促進で局部加熱を抑制する等の技術が提案されている。
【０００７】
しかし、この様な提案はいずれも、加工が面倒であったり、コストが嵩み過ぎる等の問題を有している。
【０００８】
また、図５で示す様に、頂部５の空間に触媒１６を充填して吸熱反応を利用することも出来る。この場合、触媒層内の伝熱は、接触伝熱と触媒間の輻射伝熱によって支配される。しかし、反応管頂部に加えられた熱と反応管頂部に隙間なく充填された触媒層の伝熱効率は高くはなく、逆に熱抵抗となってしまい、反応管３の外壁温度を上昇させてしまう。
【０００９】
即ち、反応ガスの流れは触媒層内を分散して流れるため、頂部空間と近接する触媒を選択的に冷却するはずはなく、反応管内壁温度から反応ガス内管入り口９ａに向かって温度勾配を生じる。そのため、触媒層が熱抵抗となり、頂部反応管温度を上昇させる。なお、符号９ａはパンチングメタルを示す。
【００１０】
一方、触媒が頂部空間に充填されていない構造では、触媒は吹き飛んでしまう。その対策として、パンチングメタルの円盤リング９を設置させると（図６参照）、このリングと作動流体との伝熱が悪く、頂部５の内壁とは近接して対向しているため、輻射熱を反射・射出して大きな熱抵抗を生じる原因となる。
【００１１】
ここで触媒１６を、図７で示す様な適切な充填高さとなるまで充填すれば、反応ガスと触媒層の熱伝達と、反応管頂部内壁と触媒層上層部との輻射伝熱、とが促進されて、反応管３の頂部５が温度低下する効果が期待出来る。なお、適切な充填高さに触媒を充填した場合における熱の収支については、後述する。
【００１２】
しかし、触媒は時間の経過と共にその隙間体積が減少し、触媒の充填高さは次第に減少する。そのため、当初から触媒を「適切な充填高さ」にしたのでは、時間の経過と共に図６で示す様な状態となり、大きな熱抵抗を生じて、反応管温度が上昇してしまう。
これに対して、予め触媒の充填高さの経時変化を考慮して、初期の段階では頂部５を触媒１６で充満させる（図５参照）ことも可能である。しかし、図５に関して説明した通り、所定の時間が経過するまでは、反応管温度を上昇させることになってしまう。
従って、触媒を適切な充填高さにして、反応管温度を低下することは困難である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は構造簡単で、反応管頂部の温度を低下させ、反応管頂部の耐久性がよい改室器装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃焼加熱室内の上方に燃焼手段が設けられ、加熱室内に頂部が閉じられ管状に形成された複数の反応管を垂直に配置し、その反応管の内部に同一軸上に内管が設けられ、反応管と内管との間に触媒が充填されている改質器において、前記内管の上端部に多孔性固体で構成された板状体を設け、その板状体は外周が反応管の内側に接するとともに内管の上端部に接するよう固定されており、内管と反応管との間に触媒が充填されており、反応管の下端に反応ガスの入口と出口とが設けられている。
【００１５】
また、本発明によれば、前記多孔性固体は耐熱金属金網が積層された構造体である。
【００１６】
また、本発明によれば、前記多孔性固体は発泡金属焼結体であり、前記多孔性固体は発泡セラミックスであってもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図において、従来技術と同じ機能を有する部材には同じ符号を付して重複説明は省略する。
【００１８】
図１は本発明にかかる改質器装置の反応管３の要部である頂部付近の側断面を示し、図示しない下方は図３に示す従来技術と同一である。
【００１９】
反応管３の内部には反応管３と同心に内管４が設けられ、反応管３の上端にはドーム状に形成された頂部５が固着されている。
【００２０】
そして、内管４の上端部４ａには多孔性固体である耐熱鋼で構成された金網の積層材で円形に形成された板状体１５が取り付けられ、その板状体１５の外周は反応管３の内周に接するよう取り付けられている。
【００２１】
また、反応管３と内管４と板状体１５とで構成された円筒状のガス流路１６ａには触媒１６が充填されている。
【００２２】
ここで、符号１７は反応ガス流路出口、１８は内管４の入口をそれぞれ示している。
【００２３】
以下、図２を参照して、作用について説明する。
反応管３と内管４とで形成され、触媒１６が充填された反応ガス流路１６ａと、頂部空間５ａと、内管４とは、板状体１５により区画されている。その板状体１５は耐熱鋼の金網で積層された構造体で輻射伝熱特性に優れており、多孔性個体であるため流体が均一に透過する構造体である。反応管３の下端から触媒層１６を上昇した反応ガスは、反応ガス流路出口１７から板状体１５を透過して、頂部空間５ａに導入される（図１のＡ参照）。
【００２４】
そして、頂部空間５ａに溜った反応ガスは方向が変わり、図２の符号Ｂ、Ｃのように板状体１５を透過して内管４を下向きに流過する。
【００２５】
このとき、反応管３の頂部５の内壁より射出された輻射Ｆは、多孔性固体で構成されている板状体１５によって吸収されると同時に、効率良く通過中の反応ガスに熱交換されて伝達される。そのため、頂部空間５ａに熱の停滞がなく、頂部の熱抵抗が低減されたことになるため、反応管３の頂部５の温度を低下させることが可能となる。
【００２６】
さらに、板状体１５にＮｉを含有した金属を用いた場合、或いは適切な触媒を担持させることで反応の一部を負担させれば、板状体１５で吸熱反応が生じるため、板状体１５の温度が一層低下し、伝熱が促進される。
【００２７】
また、板状体１５を構成する多孔性固体は上記の耐熱鋼で構成された金網の積層部材に限定されるものでなく、発泡金属焼結体であってもよく、発泡セラミックスであってもよい。
【００２８】
ここで、図７、図８、図９を参照して、図示の実施形態の作用効果を説明する。
図７は適切な充填高さとなる様に触媒を充填した場合の熱の収支を示す。図７では示されていないバーナ等からの輻射熱をＥout 、反応管５表面で反射される熱をＥt2、反応管内部に伝達される熱をＥt1、触媒表面で反射される熱をＥc2、反応管５が吸収する熱量をΔＥとすれば、反応管５における熱のバランスは
0003938995.tif 000002
となる。
ここで、Ａｃは触媒表面積、ｈｃは触媒と反応ガスの熱伝達率、ｎｃは触媒相当密度、Δｔは触媒と反応ガスの有効温度差であり、
Δｔ＝（触媒の有効温度−反応ガスの有効温度）
である。
【００２９】
図８は上述した本発明の１実施形態における熱の収支を示す。ここで、図８で表示する符号は、図７で表示する符号に全て添字「´」が付されている。図８における熱のバランスは
0003938995.tif 000003
となる。
ここで、反応管外表面温度Ｔｔ＞Ｔ´ｔなので  Ｅ´t2＜Ｅt2  であり、
Ｅ´t1＜Ｅt1  であり、触媒表面温度Ｔｐ＜Ｔｃなので  Ｅp2＜＜Ｅt2  となる。そして、ΔＥ´とΔＥとは反応量が一定であるため略々等しいので
Δｔ´／Δｔ（＝ｈｃ・Ａｃ・ｎｃ／ｈ´ｃ・Ａ´ｃ・ｎ´ｃ）  は略々１となり、本発明の実施形態における触媒と反応ガスの有効温度差は、適切な充填高さとなった場合（図７）の触媒と反応ガスの有効温度差と概略等しくなる。換言すれば、本発明の実施形態では、触媒の熱抵抗等により触媒の有効温度が上昇したのではないことが理解される。
【００３０】
これに対して、図５で示す様に触媒が反応管全体に充填された場合（図９：符号には添字「″」が付されている）は、
0003938995.tif 000004
ここで、触媒内ではガスの流速が低く、接触抵抗が大きく、熱抵抗が増大するので、  ｈ″ｃ＜＜ｈｃ  となり、  触媒表面積は略々等しいので
Ａ″ｃ＝Ａｃ  であり、  触媒相当密度については  ｎ″ｃ＞ｎｃ  となり、反応量が一定であるため  ΔＥ″＝ΔＥ  である。ΔＥ″＝ΔＥ  ということは、  ｈ″ｃ・Ａ″ｃ・ｎ″ｃ・Δｔ″＝ｈｃ・Ａｃ・ｎｃ・Δｔ  となるので、Δｔ″／Δｔ＞１  となる。ここで、  Δｔ″＞Δｔ  は、触媒の熱抵抗等により、触媒の有効温度が上昇したことを意味している。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の作用効果を以下に列挙する。
（１）  高効率な輻射・熱交換特性によって伝熱を促進し、反応管頂部温度を低減する。
（２）  反応管頂部空間に触媒の沈降を予測した余分な空間を設ける必要がなく、装置全体を低く出来る。
（３）  構成部材が多孔性固体で構成され、構造簡単である。
（４）  多孔性固体は半径方向、周方向に温度分布を生じても機械的な反力が小さい構造であり、他の部材に影響が少ない。
（５）  反応管触媒層の沈降が生じても、輻射伝熱の低下はなく、常時一定した温度分布を維持でき、制御上の過度な調整作業が不用である。
（６）  したがって、反応管頂部の温度を低下し、反応を安定して維持でき、装置寿命の伸延を図ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す反応管頂部の側断面図。
【図２】図１の作用を説明する図。
【図３】従来技術の例を説明する図。
【図４】従来技術を詳細に示す図。
【図５】従来技術の問題点の例を示す図。
【図６】従来技術の問題点の他の例を示す図。
【図７】触媒を適切な充填高さに充填した場合の熱収支を示す図。
【図８】本発明の実施形態の熱収支を示す図。
【図９】触媒を反応管全体に充填した場合の熱収支を示す図。
【符号の説明】
１・・・改質器装置
２・・・燃焼加熱室
３・・・反応管
４・・・内管
５・・・頂部
５ａ・・・頂部空間
６・・・燃焼バーナ
８・・・反応ガス入口管
１０・・・反応ガス出口管
１５・・・板状体
１６・・・触媒
１７・・・反応ガス流路出口
１８・・・内管入口
【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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【図８】
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【図９】
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