(57)【要約】  触媒反応器（１０）は、各々、吸熱反応及び発熱反応のための、交互に配置された複数の第１及び第２流路（１６，１７）を備え、各々の流路は、反応を促進するための、取り外し可能な、流体透過性触媒インサート（２０，２２）を備える。流路は、反応器の一端面から延びる直線部分と、直線部分の端と反応器の少なくとも一端面とを連通するリンク部分とを備え、直線部分及びリンク部分には、少なくとも部分的にフィン構造（１５；１５ａ）が設けられている。リンク部分のフィン構造（１５ａ）は、穿孔が設けられ、穿孔（４０）が各々の直線部分（１７）と整列するようになっているが、反応器の端では、穿孔（４０）の各々は塞がれている。触媒インサートを消費したときに、塞ぎを取り外すことによって、触媒インサート（２０，２２）を流路（１６，１７）から押し出すことができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
小型触媒反応器であって、
交互に配置された、多数の第１流路及び第２流路を備え、
第１流路は、吸熱反応の反応物用の流路を提供し、吸熱反応を促進する、取り外し可能な流体透過性触媒構造を備え、
第２流路は、発熱反応の反応物用の流路を提供し、発熱反応を促進する、取り外し可能な流体透過性触媒構造を備え、
第１流路は、反応器の端面から延びる直線部分と、直線部分の端と、少なくとも反応器の一方の側とを連絡するリンク部分とを有し、
直線部分及びリンク部分は、少なくとも一部がフィン構造によって形成され、リンク部分のフィン構造には、各々の直線部分と整列した通路を形成する穿孔が設けられるように、
孔が穿設されており、各々の通路を塞ぐための手段が反応器の端に設けられている、反応器。
【請求項２】
第２流路は、反応器の反対側の端面から延びる直線部分と、直線部分の端と、少なくとも反応器の一方の側とを連絡するリンク部分とを有し、直線部分とリンク部分は、フィン構造によって形成され、リンク部分のフィン構造には、各々の直線部分と整列した通路を形成する穿孔が設けられるように、孔が穿設されており、各々の通路を塞ぐための手段が反応器の端に設けられている、請求項１に記載の反応器。
【請求項３】
流路は、鋸歯が形成され、平らなシートと交互にスタックされた薄い金属シートによって形成されている請求項１又は２に記載の反応器。
【請求項４】
通路を塞ぐための手段は、端部密封バーである、請求項１乃至３の何れか１項に記載の反応器。
【請求項５】
通路を塞ぐための手段は、反応器の外側に取り付けられた密封ストリップである、請求項１乃至３の何れか１項に記載の反応器。
【請求項６】
各々の穿孔の高さは、フィン構造の高さの少なくとも７５％である、請求項１乃至５の何れか１項に記載の反応器。
【請求項７】
各々の穿孔の高さは、その幅よりも大きい、請求項６に記載の反応器。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか１項に記載された触媒反応器から触媒インサートを取り除くための方法であって、
穿孔によって形成された通路から障害物を取り除くステップと、
通路に沿ってプランジャを挿入し、触媒を押し出すステップとを備える、方法。
【請求項９】
触媒反応器の流路から触媒インサートを取り除くための装置であって、
通路からインサートを押し出すための押し出し部材と、
押し出し部材を流路と整列させるように構成された少なくとも一つのアクチュエータとを備える装置。
【請求項１０】
交互に配置された、複数の第１流路と第２流路を備え、
第１流路は、吸熱反応の反応物用の流路を提供し、吸熱反応を促進する、取り外し可能な流体透過性触媒構造を備え、
第２流路は、発熱反応の反応物用の流路を提供し、発熱反応を促進する、取り外し可能な流体透過性触媒構造を備え、
第１流路は、反応器の端面から延びる直線部分と、直線部分の端と、少なくとも反応器の一方の側とを連絡するリンク部分とを有し、
第２流路は、反応器の反対側の端面から延びる直線部分と、直線部分の端と、少なくとも反応器の一方の側とを連絡するリンク部分とを有する、小型触媒反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも二つの化学反応、具体的には吸熱反応と発熱反応を行うための触媒反応器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＷＯ2005/102511号（GTL Microsystems AG）には、メタンを水蒸気と反応させて第１触媒反応器で一酸化炭素と水素を作りだし、作りだしたガス混合物を第２触媒反応器においてフィッシャートロプシュ合成のために使用するプラント及びプロセスが記載されている。吸熱性の改質反応は、典型的には、約８００℃の温度で行われ、必要な熱は、改質が行われている流路に隣接する流路での触媒燃焼によって提供され、触媒流路は、アルミナ支持体に、金属基板上にパラジウム、又はパラジウム／プラチナの薄いコーティングを施した触媒を収容している。
【０００３】
反応を効率的に行わせるためには、触媒と反応物とを良好に接触させることが重要である。このレベルの接触を容易にするために、触媒を、各々の反応流路内に設けられた一つまたはそれよりも多い箔上に供給する。箔は、流路をさらに分割し、触媒と反応物とを確実に接触させる。その上、反応器の効率は、燃焼流路と水蒸気メタン改質流路の間での熱移動の影響を受ける。暴走反応を避けるためには、燃焼流路と改質流路の温度特性が互いに相補的である必要がある。しかしながらこれを達成するためのシステムは、複雑である。反応器の寿命は、寿命が短い部品の影響を受け、この寿命が短い部品は、多くの場合、触媒である。箔に触媒を供給することは、箔を置き換えることができる利点をもたらし、これにより、反応器全体の寿命を延ばすことができる。しかしながら、触媒を担持している箔を抜き出すのは、反応器の構成に起因して容易ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような背景において、本発明は、上述の問題の全て又は一部を軽減するために考案された。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、小型触媒反応器であって、交互に配置された、多数の第１流路及び第２流路を備え、第１流路は、吸熱反応の反応物用の流路を提供し、吸熱反応を促進する、取り外し可能な流体透過性触媒構造を備え、第２流路は、発熱反応の反応物用の流路を提供し、発熱反応を促進する、取り外し可能な流体透過性触媒構造を備え、第１流路は、反応器の端面から延びる直線部分と、直線部分の端と、少なくとも反応器の一方の側とを連絡するリンク部分とを有し、直線部分及びリンク部分は、少なくとも一部がフィン構造によって形成され、リンク部分のフィン構造には、各々の直線部分と整列した通路を形成する穿孔が設けられるように、孔が穿設されており、各々の通路を塞ぐための手段が反応器の端に設けられている小型触媒反応器を提供する。
【０００６】
好ましくは、第２流路は、反応器の反対側の端面から延びる直線部分と、直線部分の端と、少なくとも反応器の一方の側とを連絡するリンク部分とを有し、直線部分とリンク部分は、フィン構造によって形成され、リンク部分のフィン構造には、各々の直線部分と整列した通路を形成する穿孔が設けられるように、孔が穿設されており、各々の通路を塞ぐための手段が反応器の端に設けられている。
【０００７】
触媒を流路に挿入するとき、直線部分に沿って触媒を容易に挿入することができる。触媒を消費し、触媒インサートを取り出す必要があるとき、塞ぐための手段を取り外した後、穿孔が、適当な押し出しロッドを用いて触媒インサートを直線部分に沿って流路から押し出すのを可能にする。穿孔は、フィン構造の高さの少なくとも７５％であり、押し出しロッドは、触媒インサートの高さの少なくとも７５％を押圧できる大きさとされる。
【０００８】
反応器は、積み重ねられたプレートを備え、具体的には、流路は、鋸歯付であり、平らなシートと交互に積み重ねられた薄い金属シートによって形成され、流路の端は、シールストリップによって形成される。要求される良好な熱接触を保証するために、第１のガス流路と第２のガス流路は、深さ１０ｍｍ乃至２ｍｍであるのがよく、好ましくは深さ６ｍｍ、より好ましくは３ｍｍ乃至５ｍｍであるのがよい。反応モジュールを形成する、積み重ねられたプレートは、例えば拡散接合、ろう付け、又は熱間静水圧圧縮成形によって互いに接合される。
【０００９】
好ましくは触媒インサートは、強度をもたらし、且つ伝導により熱伝達率を向上させる金属基板を有し、これによりホットスポットを防止する。典型的には、金属基板は、活性触媒材料が組み込まれたセラミックコーティングで覆われている。好ましくは、触媒インサート用の金属基板は、例えば、アルミニウム含有フェライト鋼（例えばFecralloy（登録商標））のような加熱されたときに酸化アルミニウムの粘着性表面コーティングを形成する合金鋼である。金属が空気中で加熱されると、合金の更なる酸化及び腐食を防止するアルミナの粘着性酸化コーティングを形成する。セラミックコーティングがアルミナの場合、これは、酸化コーティングを表面に接合させる。好ましくは、各々の触媒インサートは、流路を複数の平行なサブ流路にさらに分割し、各々のサブ流路内の表面に触媒材料が配置されるような形状を有している。基板は、波付き、ディンプル付き、又はひだ付きの箔、ワイヤーメッシュ、又はフェルトシートであるのがよく、好ましい基板は、例えば厚さ１００μｍ未満の、波付きの箔、又は波付きの箔と平らな箔を積み重ねたものである。このような材料は、触媒構造を流路から引っ張り出すことが出来なくならないように、破れにくい。
【００１０】
本発明を、例示目的で、添付図面を参照しながら、さらに、より具体的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】水蒸気／メタン改質に適した反応器ブロックの一部の断面図であり、明確にするために部品を分けている（この部分を図２の線１−１に示す）。
【図２】図１の組み立てられた反応器ブロックの平面図であり、流路を示す。
【図３】組み立て中の図１の反応器ブロックの一部の平面図である。図３ａは、図３の線３ａ−３ａの図である。
【図４】図３に示す反応器ブロックの修正の平面図である。
【図５】反応器ブロックから少なくとも一つの箔を取り出すための装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
水蒸気改質反応は、水蒸気とメタンを混合させ、高い温度で混合物を適当な触媒に接触させることで起こり、これにより水蒸気とメタンが反応して一酸化炭素と水素を形成する。水蒸気改質反応は吸熱を伴い、熱は、例えば炭化水素及び／又は水素と空気の混合物による触媒燃焼によって提供され、燃焼は、改質反応器内の隣接する流路で燃焼触媒が起こる。
【００１３】
図１を参照して、水蒸気改質反応器として使用するのに適した反応器１０を示し、触媒燃焼プロセス用の流路と、水蒸気メタン改質用の流路とを備える。反応器１０は、平面視で長方形である、積み重ねられたプレートを備え、各プレートは、インコネル６２５、インコロイ８００HT、又はヘインズHR120のような高温・耐腐食性合金で作られる。典型的に厚さ０．５乃至４ｍｍであり、この場合は厚さ１ｍｍの平らなプレート１２は、鋸歯付のプレート１４又は１５と交互に配置され、鋸歯が流路１６又は１７を形成する。鋸歯付のプレート１４及び１５は、交互にスタック内に配置される。鋸歯プレート１４及び１５の厚さは、典型的には０．２乃至３．５ｍｍであり、何れの場合も０．７５ｍｍである。鋸歯の高さは、典型的には２−１０ｍｍであり、この例では４ｍｍであり、同じ厚さの中実のバー１８が、側に沿って備えられている。燃焼流路１７を形成する鋸歯プレート１５では、鋸歯の波長は、連続するフィン又は帯が２５ｍｍ離れるように設定され、改質流路１６を形成する鋸歯プレート１４では、連続するフィンが１５ｍｍ離れるように設定されている。鋸歯プレート１４及び１５を、フィン構造と称する場合がある。
【００１４】
プレートのスタックは、典型的には拡散接合、ろう付け、又は熱間静水圧圧縮成形で組み立て且つ接合する。次いで、各々の流路１６及び１７に、各々の反応の触媒を担持する、対応する触媒インサート２０又は２２（図１には、それぞれ一つだけを示す）を挿入する。好ましくはインサート２０及び２２は、活性化した触媒材料を支持する金属基板及びセラミックコーティングを有し、金属基板は、薄い金属箔である。例えば、インサートは、流路１６又は１７内を占める、波付箔及び平らな箔又は一枚の波付箔２２のスタック２０を備え、各々の箔は、厚さ０．１ｍｍ未満、例えば５０μｍである。
【００１５】
図２を参照して、組み立てられた反応器１０を示す。水蒸気改質反応を経るガス混合物は、反応器１０の一端（図の上側）でヘッダ３０内に入り、反応器１０のほぼ全長に沿って真直ぐ延びる流路１６を辿る。流路１６は、反応器１０の他端に向けて９０度方向を変えて、反応器１０の他端（図の右下）の側にあるヘッダ３２に連結されており、この流路を、破線Sで示す。燃焼を経るガス混合物は、反応器１０の一端（図の左上）の側からヘッダ３４内に入り、９０度方向を変えて、反応器１０のほぼ全長に沿って真直ぐ延びる流路１７を通り、他端（図の下側）のヘッダ３６を通って放出され、この流路を、鎖線Cで示す。従って、この構成では、流れが並流するようになっており、流路１６及び１７の各々は、ほぼ全長において直線であり、ヘッダ３０又は３６を取り付ける前に触媒インサート２０及び２２を容易に挿入できるように、反応器１０の端においてヘッダ３０又は３６と連通する。流路１６及び１７における、互いに隣接する直線部分にだけ、触媒インサート２０及び２２を提供するのが好ましい。
【００１６】
図３を参照すると、組み立て中の反応器１０の一部の平面図を示し、鋸歯プレート１５が一端（図２及び３の上端）の近くにあるのを示す。鋸歯プレート１５のこの端は、４５度で切られており、一端が四角く切られ、且つ他短が４５度で切られた鋸歯プレートのリンク部分１５ａが、鋸歯プレート１５に対して接合されている。（図３に破線で示す）ヘッダ３０及び３２の組み立て及び取り付けが完了した後、リンク部分１５ａは、図２で鎖線Ｃで示すように、ヘッダ３２内に流れるガス混合物が９０度曲がり、反応器１０の長さに沿う流路１７に沿って流れるのを保証する。
【００１７】
このようにガス流れる方向を変更するために、他の多くの鋸歯プレートの部分の構成を使用できることが分かる。例えば、図４に示すように、流れる方向を変えるのに鋸歯プレート１５ｂ及び１５ｃの２つの三角部分を設けてもよい。変形として、鋸歯プレート１５の端を四角くに切り、弧状の鋸歯を提供するリンク部分（図示せず）を挿入してもよいが、これは、特別に成形された弧状の鋸歯を必要とする。鋸歯プレートリンク部分１５ａ又は１５ｂ及び１５ｃは、反応器１０を形成するときの接合工程の間、連続する平らなプレート１２がしっかりと圧縮されるのを保証する。これらのリンク部分１５ａ又は１５ｂ及び１５ｃを形成する鋸歯プレートのフィンは、ガスの流れる方向を変える。添付図面には示していない他の変形例では、ガス流の半分がヘッダ３４を通して供給され、ガス流の残りの半分が反対側にあるヘッダを通して供給されるように、反応器１０の同じ端に二つ、即ち反応器１０の各々の側に一つの入口ヘッダ３４があり対照に配置され、鋸歯付プレート１５の左側半分と右側半分とそれぞれ連通した二つのリンク部分がある。
【００１８】
燃焼流路Ｃの流れ方向がどのように変わるかについて説明した。反応器１０の他端での水蒸気メタン改質ガス混合物用の流路Ｓの方向の変化は、鋸歯付プレートのリンク部分の構成と同様のもので行われる。
【００１９】
リンク部分がどのような構成であっても、鋸歯付プレートのリンク部分１５ａ又は１５ｂ及び１５ｃのフィンには、鋸歯付プレート１５の流路１７の直線部分とほぼ整合した穿孔が設けられている。穿孔４０の各々は、（図５と共に説明する）プランジャ又は押し棒が流路１７にアクセスできるのに十分に大きく、適当に寸法決めされている。各穿孔は、例えばスロット形状をなし、フィンのほぼ全長にわたって延び、これらの位置は、図３及び４で小さい円で示されているが、この平面図では見えないことが分かる。断面３ａ−３ａに沿ってリンク部分１５ａの一部を示す図３ａに示すように、穿孔は、フィンのほぼ全高にわたって延びるが、これらは全て同じ高さに位置決めされており、この例では、図１から明らかなように、穿孔はフィンの中心線の上下に交互に配置されており、隣接する流路１７の中央は、鋸歯付プレート１５の厚さのために高さが異なる。この例では、穿孔は、幅広よりむしろ高さがあるものとして示しているが、変形例では、穿孔は、円形、長方形又は他の形状であり、穿孔を設けることにより、反応器の強度に不利益をもたらすことなく、流路１７への適切なアクセスを可能にする。流路１６からの水蒸気メタン加湿ガス混合物の方向を変える同様の構成の穿孔が、鋸歯付プレートのリンク部分に設けられている。全ての平行な流路において圧力がほぼ等しく、且つ整列した穿孔によって規定される通路は、バー１８によって反応器の端で塞がれているので、穿孔４０は、ガス流に対して著しい効果を有していないことが分かる。
【００２０】
例えば、触媒を消費しきったので触媒インサート２０及び２２を流路１６及び１７から取り除く必要があるとき、これは、反応器１０からヘッダ３０及び３６を取り外し、穿孔４０と一致させて、反応器１０の端において全てのバー１８に（破線で示す二つの）孔４２を穿設することで達成される。次いでプランジャを穿設した孔４２に挿入し、穿孔４０を通じて触媒インサート２０及び２２を流路１６及び１７から押し出す。触媒インサート２０及び２２は、流路の直線部分にあるだけなので、容易に押し出すことができる。触媒インサート２０及び２２は、流路１７の寸法に厳密に合うようになっており、薄い箔で作られているので、インサートを押し出すことは、インサートを引っ張り出そうとするよりも確実性が高い。次いで、バー１８の孔を塞ぐことだけによって、反応器１０に新しい触媒インサート２０及び２２を入れる準備が出来ることがわかる。孔４２を塞ぐのは、穿設された孔４２に栓を挿入し、且つ線を所定位置に溶接またはろう付けすることで達成される。変形として、穿設された全ての孔を塞ぐために、バー１８の外側に金属ストリップを固定してもよい。さらなる変形として、反応器１０の端にあるバー１８に、最初からこのような、穿孔４０と整列した孔４２を設け、孔４２を塞ぐためにバー１８の外側に金属ストリップを固定する。この場合、金属ストリップを機械的に取り外すだけで、プランジャを挿入して触媒インサートを押し出すことができる。
【００２１】
リンク部分のフィン構造の穿孔と同じ構成が、反応器１０の他端において、水蒸気メタン改質ガス混合物を搬送する流路１６に設けられ、改質触媒インサート２０を同じ方向に押すことができる。
【００２２】
図５は、反応器１０の流路１６，１７からインサート２０，２２を取り出すことができる装置５０を示す。装置５０は、支持体５２と、押し出し部材５４と、少なくとも一つのアクチュエータ５６と、ポジションセンサ５８と、コントローラ６０とを有する。
【００２３】
支持体５２は、インサートを取り出す反応器の近くに装置を位置させるように、様々な形態をとる。図示の支持体５２は、一つしか押し出し部材５４を有していない。しかしながら、一つまたはそれ以上の押し出し部材５４を一つの支持体５２に取り付けられることが分かる。この構成により、一つの支持体とコントローラ６０を備えることで、複数のインサートを同時に取り除くことができるので、効率を増す。
【００２４】
押し出し部材５４は、実質的に平らな端面６４を有する細長いロッド６２である。端面６４は、細長いロッド６２の断面よりも大きい。端面６４は、ロッド６２に固定された弾性プラスチック部材である。端面６４とロッド６２の間には、圧力センサ６６がある。センサ６６は、押し出し部材５４が加えている圧力を測定する。圧力センサ６６からのデータは、コントローラ６０に提供される。
【００２５】
押し出し部材５４は、一つまたはそれ以上のアクチュエータ５６によって動かされる。アクチュエータ５６は、反応器１０に対して押し出し部材５４を動かし、触媒インサートを反応流路から取り出すために、押し出し部材５４を反応流路内に挿入する。アクチュエータ５６は、押し出し部材５４を、反応器の側に沿った水平方向、及び垂直方向の二つの異なる平面内で動かす。
【００２６】
アクチュエータ５６は、コントローラ６０によって制御される。コントローラ６０は、押し出し部材５４の位置を示す位置センサ５８からデータを受け取る。位置センサ５８は、カメラ、ビデオカメラ、又はレーザ又は超音波技術を使用した他の適当な光学センサである。位置センサ５８から取得した情報に応じて、コントローラ６０は、押し出し部材５４が整列した、フィンの穿孔４０と対応するバー１８の孔によって規定される通路と整列するまで押し出し部材５４を押すようにアクチュエータ５６に指示する。押し出し部材５４が適切に整列したとき、押し出し部材は、孔４２及び穿孔４０を通って通路１７内に押され、触媒インサート２２を反応器１０から押し出す。
【００２７】
上述した反応器は例示であり、本発明の範囲内において幾つかの修正を行えることが分かる。具体的には、吸熱反応及び発熱反応は、上述のものと違う反応であってもよく、触媒材料は、行われる反応のために適当なものとすることができるのも明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３ａ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2012506311.tif 000009
2012506311.tif 000010