(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸熱反応物ガスを空気と可燃性燃料ガスの燃焼によって加熱し、それによって前記反応物ガスが吸熱生成物を形成する、吸熱反応を実施するための装置であって、
ａ）容器（１０２）、
ｂ）容器の中にある複数の金属反応管（１１０）、該金属反応管は、前記吸熱反応を行うための反応流路を集合的に構成する複数の別々の反応流路を含み、前記容器は、その内部にあって前記反応管の外側に構成された燃焼流路を含み、前記反応流路及び前記燃焼流路は、前記燃焼流路中の熱を前記反応流路に伝えることができるように互いに熱的に連通しており、
ｃ）前記燃焼流路は、燃料ガスと空気の燃焼によって熱を発生させるための燃焼帯域（１１６）を含み、
ｄ）前記反応物ガスを前記反応流路の中へ流入させるための第１供給手段（１２６）、及び吸熱生成ガスを前記反応流路から取り出すための第１取出手段（１３０）、
ｅ）空気及び燃料ガスの混合物を点火器なしに着火させるために前記燃焼帯域に達する前に、空気と燃料ガスをそれらの自然発火温度以上に加熱して前記燃焼帯域の各々に別々に供給するようになった第２供給手段（１３６）（１４６）、
ｆ）燃焼ガスを燃焼流路から取り出すための第２取出手段（１５６）を有する、装置。
【請求項２】
第２供給手段は、各管について燃料ガス供給流路（１５０）及び空気供給路（１４０）を構成し、各管について関連した空気供給路と燃料ガス供給流路は同心である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記燃焼帯域は、吸熱生成ガス及び燃焼ガスの両方が容器を出る前に冷却されるように第１取出手段と第２取出手段から十分遠くに配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記吸熱反応管は吸熱反応触媒を収容している、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項５】
前記装置が、固定管板を有するシェル及び管熱交換器の形態をなしている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記反応管がそれらのそれぞれの端の中間で支持されていない、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記反応管は本質的に真っ直ぐでかつ本質的に平行である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
吸熱反応物を空気と可燃性燃料ガスの燃焼によって加熱し、それによって前記反応物を吸熱生成物に変換する、吸熱反応を実施するための方法であって、
ａ）容器（１０２）、
ｂ）容器の中にある複数の金属反応管（１１０）、該金属反応管は、前記吸熱反応を行うための反応流路を集合的に構成する複数の別々の反応流路を含み、前記容器は、その内部にあって前記反応管の外側に構成された燃焼流路を含み、前記反応流路及び前記燃焼流路は、前記燃焼流路中の熱を前記反応流路に伝えることができるように互いに熱的に連通しており、
ｃ）前記燃焼流路は、燃料ガスと空気の燃焼によって熱を発生させるための燃焼帯域（１１６）を含み、
ｄ）前記反応物ガスを前記反応流路の中へ流入させるための第１供給手段（１２６）、及び吸熱生成ガスを前記反応流路から取り出すための第１取出手段（１３０）、
ｅ）空気及び燃料ガスの混合物を点火器なしに着火させるために前記燃焼帯域に達する前に、空気と燃料ガスをそれらの自然発火温度以上に加熱して前記燃焼帯域の各々に別々に供給するようになった第２供給手段（１３６）（１４６）、
ｆ）燃焼ガスを燃焼流路から取り出すための第２取出手段（１５６）を有する、吸熱反応装置で吸熱反応を実施するための方法において、
ｉ）第１供給手段を経て前記反応ガスを前記反応流路に沿って流れさせ、
ii）第２供給手段を経て前記空気及び前記燃料ガスを燃焼帯域の各々に別々に供給し、前記燃料ガスと前記空気が前記燃焼帯域に達する前にそれらの自然発火温度以上に加熱され、前記空気と燃料ガスが自然発火し且つ燃焼して、燃焼流路内に熱を生じさせ、熱は前記反応流路に伝えられ、それによって前記吸熱反応を生じさせ、
iii）第１取出手段を経て吸熱生成ガスを反応流路から取り出し、
iv）第２取出手段を経て燃焼ガスを前記燃焼流路から取り出す、ことを含む方法。
【請求項９】
前記反応管は吸熱反応触媒を収容している、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記吸熱反応物はガス状炭化水素と蒸気の混合物であり、それによって前記吸熱生成物は合成ガスである、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記ガス状炭化水素はメタンである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
吸熱反応物は８００乃至１０００℃の範囲内の温度まで加熱される、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記反応流路内の圧力は少なくとも１０気圧である、請求項８又は９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は、蒸気メタン改質、エタンからエチレンへの熱分解等のような種々の吸熱反応を実施するための吸熱反応装置又は吸熱反応炉に関する。吸熱反応を進めるために、セラミック燃焼管と、このセラミック燃焼管の内側の燃料供給管とからなる熱源が炉の内側に位置決めされている。燃料供給管、燃焼管にそれぞれ別々に供給された燃料及び空気は、燃焼管の中で混合し、着火し、そして燃焼して熱を発する。吸熱反応物は燃焼管の外側で炉の内部に供給され、そこで反応物は、燃焼管の内側に生じた熱により反応する。
【０００２】
このましい態様では、一方では吸熱反応物と生成ガス（以下「反応ガス」）及び他方では、燃焼燃料、空気及び燃焼生成ガス（以下「燃焼ガス」）が炉の中を向流で流れる。この手段により、別々に供給された燃焼燃料と空気を、合流せさる前に自然発火温度以上に加熱することができ、これにより、炉の設計を著しく簡単化させることができる。
【０００３】
この設計は多くの利点を有する。セラミック燃焼管は、多くの吸熱反応において遭遇する非常に高い温度に、殆どの金属よりも良く耐えることができる。セラミック燃焼管はまた、燃焼管の両端を締め付けるような機械的手段によるか、吸熱反応が起こる燃焼管の外表面に加えられる圧力を増大させることによるかの何れかにより、外側から加えられる圧縮応力で強くされ、それ故に薄くされる。
【０００４】
不幸にして、セラミック管は、特にセラミック管が厚すぎる場合に、多くの適用において余りにも大きな熱応力を表す。長くて薄く、多数の管を近接して詰める必要のある大容積の適用に適するセラミック管は作るのが難しい。セラミックはまた一般的には脆く、潜在的な信頼性の問題となる。
従って、本発明の目的は、セラミックの代わりに、金属管を採用し、特に、多数の管を近接して詰める必要のある大容量の適用において、大変高い吸熱反応温度で使用することができる改良吸熱反応装置を提供することにある。
【０００５】
【発明の概要】
本発明のこの目的及びその他の目的は、本発明の次の構成によって達成される。即ち、本発明による吸熱反応炉は、燃料と空気の自然発火によって熱を発生させるための熱発生手段を備えた１つ又はそれ以上の金属反応管の内側で吸熱反応を行わせるように設計されている。一方では、反応ガスの流路及び他方では、燃焼ガスの流路は、空気と燃焼燃料が、合流する前にそれらの自然発火温度以上に別々に加熱されるように、かつまたあらゆる生成ガスが、炉を出る前に十分に冷却されるように構成される。
【０００６】
この構成では、反応管の内壁温度と外壁温度は、たとえ燃焼ガスの炎温度が大変高いレベルに達したとしても、許容できる低レベルに維持される。このことにより、セラミックではなく金属管を使用することができる。また、燃焼ガスの自然発火は、燃焼を開始し及び又は安定化する別々の点火装置及び又は炎ホルダーの必要性を除去する。これらの特徴は、大型の多管式改質炉に特に有効である。というのは、これらの特徴により、反応管を密に詰めることができ、かつまた作動しない点火装置を補修するのに必要とされるコスト高を招く休止時間及び修理を除去するからである。
【０００７】
【実施例】
本発明を特に、以下の好ましい実施例を参照して説明する。
図１に示すように、全体を１００で示す本発明の反応装置は、膨張継手１０３をもった細長い容器１０２を有し、該容器は、第１端部即ちヘッド１０４及び第２端部即ちヘッド１０６と、断熱部１０７と、内部１０８とを構成する。常温始動のために、反応器を自然発火温度以上に予熱するために、流入する空気を５５０℃程度の温度に予熱する外部バーナ（図示せず）が用いられる。このバーナは燃料の点火に続いて遮断される。
【０００８】
内部１０８内には吸熱反応管１１０があり、この吸熱反応管は、例えば溶接（図示せず）のような適当なシールによって端板又は「管板」１０９及び１１１に固着されている。図１からわかるように、管板１０９、１１１は容器１０２の壁に強固に固着されているから、管板は、容器内で、管板を取り付ける該容器の部分に対して軸線方向に移動しない。これは、当該技術において「固定管板設計」として知られている。その上、ここに説明する特定の実施例では、種々の圧縮荷重による管の横移動、それ故に座屈を防止するために在来の設計で用いられているような、容器の内部のシエル側に、反応管１１０を中間位置（即ち反応管の両端の中間位置）で支持するロッドまたはバッフルのような支持構造はない。
【０００９】
反応管１１０の内側は吸熱反応を行うための吸熱反応流路を構成し、反応管１１０の外側容積は燃焼を行うための燃焼流路を構成する。反応管１１０には適当な正常と大きさの吸熱反応触媒１１２が充填されている。図示した実施例では、触媒１１２は直径ほぼ５mmの球からなる。熱伝達を助長し、これによって反応管１１０の熱劣化を減ずるために、燃焼帯域１１６に続く吸熱触媒１１４は粒径がより小さく、例えば直径３mmである。不活性物質１２２及び１２４が、これまた熱伝達を良くするために吸熱触媒１１２／１１４の両側に設けられている。
【００１０】
ヘッド１０４と管板１０９は一緒になって、流入口１２８から吸熱反応物の供給を受けるための流入マニホールド１２６を構成する。ヘッド１０６と管板１１１は一緒になって、流出口１３２から吸熱生成物を排出するための流出マニホールド１３０を構成する。
空気ヘッダ１３４は管板１１１とともに、流入口１３８から空気を受け入れるための空気マニホールド１３６を構成する。反応管１１０と同心の空気管１４０が、空気を環状部１４２を経て燃焼帯域１１６へ供給するための空気マニホールド１３６と連通する。燃料ヘッダー１４４は空気ヘッダーとともに、燃料流入口１４８からガス状燃料を受け入れるための燃料マニホールド１４６を構成する。反応管１１０及び空気管１４０と同心の燃料管１５０が、燃料を燃料環状部１５２を経て燃焼帯域１１６に供給するための燃料マニホールド１４６と連通する。燃焼ガスヘッダー１５４は管板１０９と一緒になって、容器の内部１０８で行われる燃料と空気の燃焼によって発生した燃焼ガスを、反応管１１０とこれと同心の排出管１６０とによって形成された燃焼ガス環状部１６２及び燃焼ガス流出口１５８を通して排出するための燃焼ガスマニホールド１５６を構成する。図１に示すように、空気管１４０と燃料管１５０は、燃焼帯域１１６が容器１０２の内部に置かれ、以下に更に述べるように、吸熱生成ガスと燃焼生成ガスの両方を容器から出る前に相当に冷却させるべく、反応及び燃焼ガス流出口から十分に間隔を隔てるように配列される。
【００１１】
操作中、一旦定常状態に達すると、メタンと水蒸気との混合物のような吸熱反応物は流入口１２８に供給され、吸熱反応物は流出口１３２から取り出され、燃料と空気は、燃料流入口１４８、空気流入口１３８にそれぞれ供給され、燃焼ガスは燃焼流出口１５８から取り出される。このことは、反応管１１０の中を流れる反応ガスと容器１０２の内部を流れる燃焼ガスとの間に向流を確立する。種々の反応物及び生成物の流量と種々の管の大きさ及び形状は、空気と燃料が燃焼帯域１１６の中で混合されるとき、空気と燃料がそれらの自然発火温度に或いはそれ以上になるように選択される。このことにより、空気と燃料は混合し、グロープラグ、スパークプラグ等のような別の点火器の必要なしに着火し、そして燃焼する。吸熱反応物ガスと燃焼ガスの向流はまた、反応管の壁の両側で反応物ガスと燃焼ガスとの間の熱伝達を良くする傾向がある。このことは、熱スポットを最小にし、管の寿命をより長くする。
【００１２】
この有利な効果を図２に示す。図２は、種々の処理ガス及び図１の装置の反応管１１０の管壁面の温度を示すグラフである。図２において、横軸は、燃焼帯域１１６の出発点としてゼロを取って目盛った燃焼帯域１１６からの距離を表し、縦軸は、種々のガス及び管壁の温度を表す。この図で、１６４は吸熱反応物の温度を示し、１６６は吸熱生成物の温度を示し、１６８は燃料の温度を示し、１７０は空気の温度を示し、１７２は炎の温度を示し、１７４は燃焼ガスの温度を示し、１７８は反応管の外壁の温度を示し、１８０は反応管の内壁の温度を示す。１８２は不活性物質と吸熱触媒１１２との境界を示し、１８４は燃料／空気混合物の自然発火温度を示す。
【００１３】
図からわかるように、たとえ燃焼しているガスの炎温度が大変高いレベルに達したとしても、反応管１１０の内外管壁は比較的低く、これによりこれらの管の寿命を著しく長くし、セラミックではなく金属管を高温の適用において使用することができる。同時に、装置を出る種々のガス、即ち吸熱生成ガスと燃焼ガスの両方が合理的な温度まで冷却され、炉の中では、燃焼ガスが自然発火温度以上に加熱され、同時に、所望な吸熱反応を進めるのに十分な熱が吸熱反応物に与えられる。また、セラミック管で時々経験される高い熱応力の問題が回避された。
【００１４】
本発明による反応装置は、理想的には、ガス状炭化水素、特にメタンの蒸気改質による合成ガスの商業生産のような大規模な操作に適する。蒸気改質反応は例えば８００乃至１０００℃、好ましくは８７０乃至９２０℃のようなより高い温度で有利であり、合成ガス、例えばメタノール合成物及びフイッシャーートロップシャ合成物の殆ど下流の用途は、例えば少なくとも１０気圧、好ましくは２０乃至６０気圧、もっと好ましくは３０乃至５０気圧のような高圧で有利ある。従って、このタイプの反応を実施するとき、少なくともシェル側で、これらの高圧及び高温で操作するのが望ましい。
【００１５】
これらの高温及び高圧で操作すべき大型の炉に用いられる大口径の反応管は、これらの管がこのような高温に耐えるのに必要とされるセラミック又は高価な金属合金で作られようと、大変厚い壁を要求し、内部温度の不良を表す。反応管はまた大変高価である。従って、これらの高温及び高圧で蒸気改質を行うのに用いられる大型の炉は、経済的になるように多数の長い、小径のぎっした詰まった管で作られなければならない。本発明により、多数の小径管をぎっしり詰めることを可能にする。というのは、管が金属であり、反応が管の中で起こり、燃焼ガスの自然発火が、安定な燃焼炎を確保する点火器及び又は炎保持器の必要を除去するからである。好ましいけれども本発明の必須の特徴ではない管支持構造物が、シェル側で容器の中にはない。
【００１６】
これについて、本発明の装置を、高温処理が下流に続く第１工程としてメタンの改質を伴う一体の処理におけるように、管側が大気圧より高い圧力で操作するときには、管を張力状態に保つ。これは、管側の圧力が、ヘッド１０４及び１０６、それ故に流入マニホールド１２６及び流出マニホールド１３０を押しはなそうとする軸方向力を生じさせるからであり、また更に、膨張継手１０３が、容器１０２の壁が相殺引っ張り力を出さないようにするからである。管の張力は、本発明のこの実施例の重要な特徴である。何故ならば、特に経済的な操作に必要であるように長くて細い管が用いられるときに、管には圧縮強度が比較的なく、従って軸線方向又は横方向の可なりの圧縮荷重が管を座屈や歪みによって使用できなくするからである。しかしながら、管の張力は管に強度を加えて座屈の問題を回避し、これにより管をより薄くし、それ故により安価にすることができる。
【００１７】
その上、殆どの吸熱反応において遭遇する高温で、管は当然クリープ、即ち主として軸線方向に高温変形を受ける。例えば、長さほぼ２５フィートの管は、代表的なメタン改質ではほぼ３インチの延びを受ける。管の軸線方向のクリープ変形により、管は、軸方向荷重をあらゆる管の中で均一に自動的に分布させる。これは、在来の固定管板シエル及び管式熱交換器とは全く異なる。この交換器では、管板の反りにより、管の軸方向荷重を管板にわたって相当に変化させる。管にわたる均一な軸方向荷重のこの自動分布は、これが先行技術の設計において起こったような不相応に高い軸方向荷重を受けた管の早期の破損を回避するから、全体として、装置の寿命をより長くする。
【００１８】
かくして、好ましい実施例では、本発明は、それぞれ内径対長さの比が５０対１，０００、好ましくは１５０対５００、もっと好ましくは２５０対３５０である燃焼管を少なくとも１００、好ましくは少なくとも５００、もっと好ましくは少なくとも１，０００又は５，０００すら有する燃焼炉を提供する。
特に、本発明は、理想的には、それぞれ長さ対内径の比が少なくとも１００である燃焼管を少なくとも１００本有する大容量で高能力の炉の設計に適する。このような炉は高温（少なくとも８５０℃）及び高圧（少なくとも１０気圧）の操作に適している。もっと好ましい炉では、それぞれ長さ対内径の比が少なくとも２００である燃焼管を少なくとも５００本有する。大容量の操作に適したもっと好ましい炉では、それぞれ長さ対内径の比が少なくとも２５０である管を少なくとも１，０００本有する。これらの後者の炉は、高圧、例えば少なくとも約５００psi 及び高温、少なくとも約８７５℃で行われる大容量操作に特に適している。
【００１９】
特定の適用について本発明による炉の最良の設計と操作条件の決定は以下に述べるように、多くのファクターで決まる。例えば、蒸気ーメタン改質（及びここで興味のある他の吸熱反応の殆ど）は高温で且つ低圧で行われる。しかしながら、生成合成ガスに対する殆どの適用では、合成ガスが高圧であることを必要とする。合成ガスを圧縮する圧縮器の使用では、資本とエネルギーの両方に大変費用がかかる。
【００２０】
本発明では、約６０気圧までの任意所望の圧力で合成ガスを製造することができる。好ましい圧力は、生成ガスのその後の用途に必要とされる最低の圧力であり、これは、先行技術の構成において必要とされた合成ガスの圧縮機を完全に除去することができることを意味する。
燃焼流路内の空気、可燃性燃料及び燃焼生成物の圧力は周囲温度でよい。しかしながら、吸熱反応が高圧で行われる場合には、燃焼ガスの圧力をより高い圧力、例えば２乃至１０気圧又はそれ以上に維持することが望ましい。というのは、これは、反応管の応力を減じ、かくして反応管をより薄くすることができる。
【００２１】
反応管の好ましい内径対長さの比は、特定の用途で、選択された実施例、所望の到達温度、及び許容可能なガス圧力降下によって決まる。例えば、図１の実施例では、２５０乃至３５０の長さ／内径比を採用するのが好ましい。
反応管の好ましい内径は、経済的な理由から、比較的小さく、例えば５乃至５０mm、好ましくは１５乃至３０mmであるが、任意の内径の管を使用してもよい。同じ温度及び圧力差について小径は大径よりも壁が薄くてよく、それ故に安価になる。しかし、管が細ずぎれば、管の数は大変多くなり、コストが再び上昇する。また、大変小さい直径は触媒詰め込みの問題を引き起こし、熱伝達を局部的に不良にする。大口径の管は不利な放射温度勾配を表す。
【００２２】
多管設計の場合には、好ましい管分離距離は大変短い。好ましくは、隣接した管群（即ち、供給管１５０、空気管１４０及び反応管１１０）間の中心線の間隔は供給管１５０の外径の１．２５倍である。短い距離は容器の大きさをより小さくする。また、金属の代わりにセラミック又は他の材料で作られた管を本発明に使用してもよい。しかしながら、長さ対直径の比を大きくすることができること、延性、溶接によるシールの容易さ、信頼性、低コスト及び熱応力抵抗ために、金属管の方がセラミック管よりもよい。
【００２３】
好ましい管の数を決定する際、特に大量の処理ガスを処理するようになった工業処理では、単一の大変大型の反応器と小型の多反応器との間で選択をしなければならない。一般的には、単一の反応器に数千以上の管を使用する際には全体のコストの利点がない。好ましい最小管数は、ガスの所要産出量を処理するのに必要とされる数である。内径０．８インチの反応管を持つ図１の実施例を使用すると、一例では、管当たり合成ガスの産出は約２．７kgーモル／一時間であった。
【００２４】
本発明の反応炉に用いられる好ましい金属合金は、高い耐熱強度（クリープ及びクリープ破壊抵抗）及び高い酸化抵抗と高い処理ガス腐食抵抗を持たなければならない。代表的な用途に適した合金の中に、種々の耐熱ニッケル合金がある。例えば、本発明の反応炉がメタンの蒸気改質に用いられるならば、インデイアナ州ココモのハイネス  インターナショナル社から入手できるハイネス２３０（登録商標）（Cr２２％、W １４％、Mo2 ％、残部Ｎｉ）のようなクローム、タングステン、及びモリブデンを含有するニッケル合金が好ましい。所望ならば、金属管は、金属ダスト及びその他の科学的破壊を防ぐのに適当な被覆を備えてもよい。このような被覆は当業界で周知であり、アロナイジイング（alonizing)は特殊な例である。
【００２５】
好ましいピーク処理温度は、選ばれる圧力、管材料、供給混合物の組成、及び外部処理の要求で決まる。選ばれた条件下で満足な管寿命を与える最高温度で操作することがしばしば望ましい。これらの場合には、金属管を約８５０℃乃至１０００℃の範囲で操作するのが好ましい。他の場合には、優れた処理熱平衡及び全体のコストの節約が上述した温度よりも幾分低い温度で得られる。その場合、金属管に対する好ましいピーク処理温度は約８７５乃至９２５℃である。
【００２６】
本発明の特に好ましい実施例では、反応炉は、定常状態の操作の間、燃料と空気を燃焼帯域で混合する前に加熱する温度と最大吸熱反応温度との差、即ち図２に温度差Δで指示した温度差は２００℃以下である。好ましくは、この温度差は５０乃至１００℃である。普通のガス状燃料の殆どは空気で約４００乃至４５０℃の温度で自然発火し、それ故に、ここで関心のある殆どの吸熱反応がほぼ８５０℃乃至９５０℃で起こるから、これは、この好ましい実施例による正常な操作では、空気とガス状燃料が、燃焼帯域１１６で合流する前に、自然発火温度以上まで（４００乃至５００℃）加熱されることを意味する。この大きな加熱は、吸熱生成ガスの大きな冷却をもたらす。
【００２７】
同じ方法で、燃焼生成ガスが、炉を出る前に著しく冷却されるように炉を設計し且つ操作することが望ましい。炉の適切な設計と操作によって、燃焼ガスと吸熱生成ガスの両方が例えば５００℃以下の適度の温度で確実に炉をでることが可能である。これは、高い熱効率と連結配管及び機器の適度の温度とをもたらす。
本発明は、軽質炭化水素、特にメタン、エタン、及び天然ガスの蒸気改質、エタン及びプロパンのようなアルカンからそれらの対応するアルカン、エチレン及びプロピレンへの熱分解等のような種々の異なる吸熱反応を行うのに用いることができる。このような処理は当業界では周知である。
【００２８】
これらの処理の内のあるものは、触媒なしに行うことができ、他のものは適当な触媒を必要とし、或いは通常はこれを使用する。触媒を使用する場合には、触媒は、ここに遭遇する高い床温度で長時間にわたって十分な活性を維持すべきである。触媒は、その上の床重量を支えるのに十分に強くなければならない。触媒は、管の間の空間を適当に満たすのに十分小さいが、床の中の圧力降下を満足な値まで最小にするのに十分大きい粒径を持つべきである。触媒は、高温度に長く曝されるとき、過度に其自体にまたは管に焼結結合すべきではない。アルミナ上の適当な形態のニッケルはありうる１つの候補であるが、他の触媒も適当であると報告されている。
【００２９】
水素の生産では、高温シフト触媒及び又は低温シフト触媒を、反応器内において、処理ガスが冷える帯域に選択的におくことができ、これにより、COの殆どを過剰のH2O と反応させてH2と副産物としてCOを形成する( 所謂「水ーガスシフト」反応) 。
本発明をもっと完全に示すために、次の過程の例を提供する。
【００３０】
例
以下に示す組成の供給物を３５０℃でかつ示した圧力及び流量で図１の装置に供給する。生成ガスの組成をほぼ８９３℃及び５２２psiaで化学的な熱力学平衡にもとずいて計算した。生成ガスの温度は４９０℃である。空気の流量は１２０℃及び１３１psiaで２１３９kmol/hr である。燃料ガスは８２％のH2、残部数種類の他のガスを含有する。
【００３１】
燃料及び空気の予熱温度はほぼ８５０℃であり、排気温度は約４９５℃である。
0003834069.tif 000002
これは、メタンから合成ガスへの高変換が望ましい高圧でかつ又多くの商業的に入手可能な耐熱合金に順応するのに十分低い温度で達成しうることを示している。これは、本発明の炉がセラミック管てはなく金属管で作られていること、及びこれらの金属管が、高圧でメタンから合成ガスへの高変換を行うのに用いられるとしても、長い寿命を与えることを意味する。
【００３２】
多くの変形を上述の発明の好ましい実施例に対して行うことができる。例えば、所望ならば、ガス状燃料流路と空気流路を切り換えてもよい。また、これらの流路は図示のように反応管と同心の環状路である必要はないが、燃料と空気を、燃焼帯域で合流する前に、自然発火温度以上に別々に加熱させるどんな構成でもよい。また、炉の内部の１つ又はそれ以上の熱発生装置から、吸熱反応を進めるのに十分な熱が供給されるならば、反応管毎に別々の熱発生装置を必要としない。更に、一方では、燃焼ガス、他方では、吸熱反応ガスを、所望ならば、向流方向にではなく、同じ方向に流すようにしてもよい。
【００３３】
更に他の変形が可能である。例えば、処理流体流は、ガス、沸騰液、液体、または細かい固形物を含有するスラリーを含む多くの異なる種類のものでよい。ガスから液体へのへ凝縮は反応器の最も低温帯域で起こるのが望ましい。更に、始動について冷えた反応器の予熱を電気抵抗加熱器以外の装置で行ってもよい。例えば、高温燃焼ガスを反応器の補給ノズルから導入し、所望な領域の中を循環させてもよい。また、多くの異なる種類の断熱を圧力容器に中に用いてもよい。更に、管の外側の燃焼ガスの最大の温度は、燃料組成及び燃料の流量と空気の流量を調節することによって変えることができる。空気流量を化学量論割合以上に漸次ますことにより、最大の局部温度は漸次低くなる。燃料への蒸気の添加はまた最大温度を減ずることができる。
【００３４】
最後に、合成ガスがアンモニア合成に望まれるならば、生成合成ガスが所望な割合のH2対N2（通常は３対１）を含有するように、適当な割合（通常は少量）の圧縮空気を天然ガス及び蒸気に添加るのがよい。この空気添加は、加熱中、触媒床の中で反応するが、床の中で過剰な局部的温度上昇を生じないように十分少ない。全体の反応は吸熱のままである。アンモニア合成ガスを作るためのこの方法は、空気自体は別として、酸素の添加を必要としない。これは、空気から酸素を分離することを必要とするある処理に対する望ましいコスト節約である。
【００３５】
このようなあらゆる変形は本発明の範囲合いに含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の改質装置の縦断面図である。
【図２】定常状態の操作に於けるときの反応物ガス及び燃焼ガス並びに図１の装置の反応管壁の温度のグラフである。
【符号の説明】
１００  反応装置
１０２  容器
１１０  反応管
１１６  燃焼帯域
１３６  空気マニホールド
１４６  燃料マニホールド
１５６  燃焼ガスマニホールド
【図１】
0003834069.tif 000003
【図２】
0003834069.tif 000004