JP5463475B2 - 反応装置、反応方法及び触媒ユニット - Google Patents
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Description
(1)反応装置
本発明に係る反応装置の一つの構成は、
入口及び出口を有する容器内部で流体を反応させる反応装置であって、
前記容器内部には少なくとも2以上の触媒層が配され、且つ、少なくとも1の触媒層間に1又は2以上の流体を混合する混合器が配され、
前記混合器は、複数の積層エレメントが積層される積層体と、当該積層体を挟んで対向配置される第1の板と第2の板とを備え、
前記積層エレメントは、複数の第1の貫通孔を有し、
前記第1の板は、前記容器内側形状よりも小さい外側形状を有し、
前記第2の板は、前記容器内側形状と略同一の外側形状を有し、外側面が前記容器内側面と略内接しており、且つ前記積層エレメントの少なくとも1つの第1の貫通孔に連通する貫通孔を有し、
前記積層体は、前記第1の貫通孔の一部又は全部が、隣接する積層エレメントの第1の貫通孔とその位置をずらせて部分的に重なり合うように配置され、且つ隣接する積層エレメントの第1の貫通孔との間で流体を積層エレメントの延在する方向に流通可能に連通するように配置されているものである(第1の技術的手段)。
流通するに際して流体は、当該第1の貫通孔から積層方向に連通する他の第1の貫通孔に流出し、又はその逆に積層方向に連通する他の第1の貫通孔から当該第1の貫通孔に流入することにより、連通する第1の貫通孔で流入及び流出を繰り返して混合される。
また、混合器を形成する積層エレメントの積層枚数を多くすることにより、流体の流れる積層エレメントが延在する方向への断面積が大きくなるので、より多くの流量の流体を混合し、反応させることができる。
なお、ここでいう積層エレメントの延在する方向とは、積層エレメントの積層方向に対して垂直方向をいう。
第1の技術的手段に係る反応装置において、
前記複数の積層エレメント、前記第1の板及び前記第2の板は、分解可能に固定されているものである(第2の技術的手段)。
第1又は第2のいずれか1の技術的手段に係る反応装置において、
前記積層エレメントは、前記第1の貫通孔より大きい第2の貫通孔を有し、且つ前記第2の貫通孔が積層方向に連通して前記積層体に中空部を形成するように配置されており、
前記第2の板の貫通孔が前記中空部を介して前記積層エレメントの少なくとも1つの第1の貫通孔に連通するように配置されているものである(第3の技術的手段)。
なお、ここでいう中空部とは、積層エレメントの第2の貫通孔が積層して形成される中空状の空間部をいう。
本発明に係る反応方法は、
第1乃至第3のいずれか1の技術的手段に係る反応装置による流体の反応方法であって、
前記混合器の上流に配された触媒層からの流体と1又は2以上の他の流体を前記混合器内部に流入させ、前記積層エレメントの延在する方向に前記第1の貫通孔を流通させ、前記混合器外部に流出させ、前記混合器の下流に配された触媒層に流入させるものである(第4の技術的手段)。
また、混合器を形成する積層エレメントの積層枚数を多くすることにより、流体の流れる積層エレメントが延在する方向への断面積が大きくなるので、より多くの流量の流体を混合し、反応させることができる。
本発明に係る触媒ユニットの一つの構成は、
触媒ユニットであって、
複数の触媒エレメントが積層される触媒体と、当該触媒体を挟んで対向配置される第1の板と第2の板とを備え、
前記触媒エレメントは、複数の第1の貫通孔を有し、
前記第2の板は、前記触媒エレメントの少なくとも1つの第1の貫通孔に連通する貫通孔を有し、
前記触媒エレメントは、前記第1の貫通孔の一部又は全部が、隣接する触媒エレメントの第1の貫通孔とその位置をずらせて部分的に重なり合うように配置され、且つ隣接する触媒エレメントの第1の貫通孔との間で流体を触媒エレメントの延在する方向に流通可能に連通するように配置されているものである(第5の技術的手段)。
流通するに際して流体は、当該第1の貫通孔から積層方向に連通する他の第1の貫通孔に流出し、又はその逆に積層方向に連通する他の第1の貫通孔から当該第1の貫通孔に流入することにより連通する第1の貫通孔で流入及び流出を繰り返し、混合され反応する。
また、触媒ユニットを形成する触媒エレメントの積層枚数を多くすることにより、流体の流れる触媒エレメントが延在する方向への断面積が大きくなるので、より多くの流量の流体を混合し、反応させることができる。
なお、ここでいう触媒エレメントの延在する方向とは、触媒エレメントの積層方向に対して垂直方向をいう。
第5の技術的手段に係る触媒ユニットにおいて、
前記複数の触媒エレメント、前記第1の板及び前記第2の板は、分解可能に固定されているものである(第6の技術的手段)。
第5又は第6のいずれか1の技術的手段に係る触媒ユニットにおいて、
前記触媒エレメントは、前記第1の貫通孔より大きい第2の貫通孔を有し、且つ前記第2の貫通孔が積層方向に連通して前記触媒体に中空部を形成するように配置されており、
前記第2の板の貫通孔が前記中空部を介して前記触媒エレメントの少なくとも1つの第1の貫通孔に連通するように配置されているものである(第7の技術的手段)。
なお、ここでいう中空部とは、触媒エレメントの第2の貫通孔が積層して形成される中空状の空間部をいう。
本発明に係る他の局面に従った反応装置の構成は、
第5乃至第7のいずれか1の技術的手段に係る触媒ユニットと、当該触媒ユニットを収容する入口及び出口を有する容器とを備える反応装置であって、
前記触媒ユニットにおける第1の板は、前記容器内側形状よりも小さい外側形状を有し、
前記触媒ユニットにおける第2の板は、前記容器内側形状と略同一の外側形状を有し、且つ当該第2の板の外側面が前記容器内側面と略内接しているものである(第8の技術的手段)。
本発明に係る他の局面に従った反応方法は、
第5乃至第7のいずれか1の技術的手段に係る触媒ユニットによる流体の反応方法であって、
流体を前記触媒ユニット内部に流入させ、前記触媒エレメントの延在する方向に前記第1の貫通孔を流通させ、前記触媒ユニット外部に流出させるものである(第9の技術的手段)。
また、触媒ユニットを形成する触媒エレメントの積層枚数を多くすることにより、流体の流れる触媒エレメントが延在する方向への断面積が大きくなるので、より多くの流量の流体を混合し、反応させることができる。
図1は実施形態1による反応装置5A内部を流体Aが流れる様子を示した断面図であり、図2(a)及び(b)は反応装置5Aに配された混合器1内部を流体が流れる様子を示した断面図である。図3は混合器1の構成部品を示す斜視図であり、図4は混合器1を形成する積層エレメント21a、21bが隣接する積層エレメント21a、21bと積層したときの第1の貫通孔22の重なり合いを示した平面図である。
なお、本実施形態1では、反応装置5Aは不均一系の発熱反応であるメタノール合成反応器として好適に使用することができ、例えば、入口51からは予熱された高温の原料ガス(流体A)が供給され、冷却ガス供給用ノズル7a〜7cからは予熱されていない低温の原料ガス(流体B1〜B3)が供給される。
第1の板3は円形状の板であって、積層エレメント21a、21bの外径と略同一の外径を有する。第2の板4は、略中央部に流体A及びBが流入する円形の貫通孔41を有する円形状の板であって、容器50の内径と略同一の外径を有する。
とは、各第1の貫通孔22から隣接する第1の貫通孔22に流体が流出する際の分散を、合流とは複数の第1の貫通孔22から隣接する第1の貫通孔22へ流体が流れ込むことによる合流を、反転とは第1の貫通孔22内部での流体の反転をいう。また、乱流とは流体の不規則な流れを、渦流は強い乱流に伴って発生する渦状の流れをいい、そして、それらの流れが衝突する。
また、積層エレメント21a、21b、第1の板3及び第2の板4を別々に製作することができるので、混合器1の製作が容易であり、且つ安価に製作することができる。
また、積層エレメント21の積層枚数を任意に選択して、混合器1の圧力損失を小さくすることが容易である。例えば、触媒層出口ガスA3は触媒層出口ガスA1に冷却ガスB1及びB2が加わっているため、混合器1cに流入するガス流量は混合器1aに流入するガス流量よりも多い。この場合に、混合器1cの積層エレメント21の積層枚数が混合器1aと同じであれば、混合器1cによる圧力損失が大きくなり、反応装置5A全体の圧力損失が大きくなる。しかし、混合器1cの積層エレメント21の積層枚数を混合器1aより多くして、混合器1cによる圧力損失を小さくすることが容易にできる。
積層エレメント21aのように内側部及び外側部に枠部25を具備するが、異なる内径および外径を有する積層エレメント21c及び21dを使用して混合器1を形成することもできる(図5、図6)。
例えば、図5に示すように、積層エレメント21cの外周形状及び内周形状を、隣接する積層エレメント21dの外周形状及び内周形状よりも大きくする。第2の貫通孔23が略中央部に略円形状に配されている点は上述した反応装置の実施形態1のものと同じであるが、本変形例1では、上端部の積層エレメント21cの第2の貫通孔23の内径は、隣接する第2の板4の貫通孔41の内径と略同一、且つ略同心であり、下端部の積層エレメント21dの外径は、隣接する第1の板3の外径と略同一、且つ略同心である。また、積層エレメント21c、21dの第1の貫通孔22の形状、配置は実施形態1と同様である。
このようにしても積層体2の内周部には積層エレメント21dの第1の貫通孔22が開放され、外周部にはエレメント21cの第1の貫通孔22が開放され、各々中空部24及び外側空間部28に連通するので、混合器1の作用及び効果を奏する。
積層エレメント21bのように内側部及び外側部に枠部25を具備しない複数の第1の貫通孔22が同一の位置に配置されている同一の積層エレメント21のみを使用して混合器1を形成することもできる。
例えば、図7(a)〜(d)に示すように、積層エレメント21の第1の貫通孔22を円形、正四角形、三角形、六角形等の多角形状としたものを、複数の第1の貫通孔22が半径方向及び円周方向に部分的に重なり合うように配置することができる。
積層エレメント21、第1の板3及び第2の板4の各々を各種形状の分割構造とすることができる。このため、混合装置の運転終了後の洗浄等のメンテナンスが容易になる。また、大型の混合器1であっても容易に製作することができ、容器50内部に容易に配することができる。
例えば、図1に示される反応装置5Aのように容器50が略円筒状であって積層エレメント21が環状の形状を有する場合には、図8に示すように、扇形形状の分割体26による分割構造としたものを容器50に配されたマンホール30から搬入することができる。
また、積層エレメント21を光触媒を担持したものとすることができる。これによれば、各板に付着した流体の残留物や異物を光触媒の作用により分解することができるので、混合装置の運転終了後の洗浄等のメンテナンスが容易になる。
図9は、反応装置の実施形態2による反応装置5B内部を流体Cが流れる様子を示した断面図である。反応装置5Bは図9に示すように、フランジ53を有する円筒状の容器50に、入口51及び出口52を有する外周円形状のフランジ54が着脱自在に装着している。反応装置5Bの内部には、触媒ユニット9Aが配されている。
第1の板3は円形状の板であって、触媒エレメント27a、27bの外径と略同一の外径を有する。第2の板4は、中央部に流体Cが流入する円形の貫通孔41を有する円形状の板であって、反応装置5Bの内径と略同一の外径を有する。
容器50の内周部と、第1触媒体8a及び第2触媒体8bの外周部との間には第1環状空間部55aが、並びに、第3触媒体8c及び第4触媒体8dの外周部との間には第2環状空間部55bが形成される。
各触媒体8a〜8dの両端部に対向配置されている第1の板3及び第2の板4により、両端部の触媒エレメント27a、27bの第1の貫通孔22は積層方向に閉じている。また、第1の板3の外径は、第2の板4の貫通孔41より大きい。そのため、触媒体8a〜8d内部の流体は、各触媒体8a〜8dの両端部の第1の貫通孔22から積層方向に流出することを妨げられ、触媒体8a〜8d内部を触媒エレメント27a、27bの延在する方向へ確実に流通する。
なお、本実施形態において、第1環状空間部55a又は第2環状空間部55bに他の流体を供給することにより、実施形態1による反応器5Aのように多段で反応させることもできる。
触媒エレメント27としては、触媒能を有する材料を触媒エレメント27の形状にしたもの、担体を触媒エレメント27の形状とし触媒活性成分を担持したもの、触媒エレメント27の形状を有するアルミニウムを陽極酸化して表面に触媒活性成分を担持したもの等が使用される。
図10は、反応装置の実施形態3による反応装置5C内部を流体Dが流れる様子を示した断面図である。反応装置5Cは図10に示すように、内部に触媒ユニット9Bが配され、触媒ユニット9Bを形成する各触媒体8a〜8dの触媒エレメント27a、27bの外径が容器50の内径と略同一である。他の構成は上記実施形態2における反応装置5Bと同様である。
本実施形態3は、触媒エレメント27a、27bの外径が容器50の内径と略同一であるため、触媒エレメント27a、27bの容器50の内部への設置が容易である。
図11は、反応装置の実施形態4による反応装置5D内部を流体Eが流れる様子を示した断面図であり、図12は、この反応装置5D内部に配設された触媒ユニット9Cを形成する触媒27cを示す斜視図である。
本実施形態4による反応装置5Dが実施形態3による反応装置5Cと異なるところは、反応装置5Dに配される複数の触媒エレメント27cが、図12に示すように、外側部に枠部25を有するとともに、中央部には第2の貫通孔23を設けずに第1の貫通孔22を全面に有していることである。また、第1の板3の外周形状は、当該板に重ね合わされた触媒27cの外周部付近の第1の貫通孔22が開放されるように、触媒エレメント27cよりも小径に形成されている。
この場合には、触媒エレメント27cの第1の貫通孔22は、半径方向及び円周方向に部分的に重なり合うように、その位置をずらせて配置され、第1の貫通孔22は触媒エレメント27cの延在する方向に連通させられる。
また、触媒エレメント27cの外径が容器50の内径と略同一であるため、触媒エレメント27cの容器50の内部への設置が容易である。
本実施形態4の反応装置5Dにおけるその他の構成及び作用効果は、上記実施形態3の反応装置5Cと同様である。
本発明に係る反応装置5は、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で変形して実施することができる。
また、容器50を略円筒状又は円筒状としているが、これに限定されるものではなく、例えば工場の排気ガス処理装置のように低い圧力で反応装置を使用する場合には矩形状でもよい。この場合、積層エレメント21、触媒エレメント27、第1の板3及び第2の板4の形状は、容器50の形状に対応して適宜設計変更される。
また、積層エレメント21の第2の貫通孔23を略円形状とし、第2の板4の貫通孔41を円形としているが、本発明は、これに限定されるものではなく、これらと同様な機能を果たす他の形状を採用し得る。また、積層エレメント21は第2の貫通孔23を略中央部に、第2の板4は貫通孔41を略中央部に有し、略同一径、略同心であるが、本発明はこれらと同様な機能を果たす他の形状を採用し得るものであって、これに限定されるものではない。
また、混合器1を、反応装置5B、5C又は5Dにおける触媒体8、第1の板3及び第2の板4のような組合せの構成にしてもよい。
例えば、複数の第1の貫通孔22が同一の位置に配置されている同一形状の積層エレメント21を使用して、複数の第1の貫通孔22が半径方向及び円周方向に部分的に重なり合うように、その位置をずらせて配置しても良い。
2 積層体
3 第1の板
4 第2の板
5A、5B、5C、5D 反応装置
9A、9B、9C 触媒ユニット
21、21a、21b、21c、21d 積層エレメント
22 (積層エレメント、又は触媒エレメントの)第1の貫通孔
23 (積層エレメント、又は触媒エレメントの)第2の貫通孔
24、24a、24b、24c、24d 中空部
27、27a、27b、27c 触媒エレメント
41 (第2の板の)貫通孔
55、55a、55b 環状空間部
A、B、C、D、E 流体
Claims (9)
- 入口及び出口を有する容器内部で流体を反応させる反応装置であって、
前記容器内部には少なくとも2以上の触媒層が配され、且つ、少なくとも1の触媒層間に1又は2以上の流体を混合する混合器が配され、
前記混合器は、複数の積層エレメントが積層される積層体と、当該積層体を挟んで対向配置される第1の板と第2の板とを備え、
前記積層エレメントは、複数の第1の貫通孔を有し、
前記第1の板は、前記容器内側形状よりも小さい外側形状を有し、
前記第2の板は、前記容器内側形状と略同一の外側形状を有し、外側面が前記容器内側面と略内接しており、且つ前記積層エレメントの少なくとも1つの第1の貫通孔に連通する貫通孔を有し、
前記積層体は、前記第1の貫通孔の一部又は全部が、隣接する積層エレメントの第1の貫通孔とその位置をずらせて部分的に重なり合うように配置され、且つ隣接する積層エレメントの第1の貫通孔との間で流体を積層エレメントの延在する方向に流通可能に連通するように配置されている反応装置。 - 請求項1に記載の反応装置において、
前記複数の積層エレメント、前記第1の板及び前記第2の板は、分解可能に固定されている反応装置。 - 請求項1又は2のいずれか1の請求項に記載の反応装置において、
前記積層エレメントは、前記第1の貫通孔より大きい第2の貫通孔を有し、且つ前記第2の貫通孔が積層方向に連通して前記積層体に中空部を形成するように配置されており、
前記第2の板の貫通孔が前記中空部を介して前記積層エレメントの少なくとも1つの第1の貫通孔に連通するように配置されている反応装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1の請求項に記載の反応装置による流体の反応方法であって、
前記混合器の上流に配された触媒層からの流体と1又は2以上の他の流体を前記混合器内部に流入させ、前記積層エレメントの延在する方向に前記第1の貫通孔を流通させ、前記混合器外部に流出させ、前記混合器の下流に配された触媒層に流入させる反応方法。 - 触媒ユニットであって、
複数の触媒エレメントが積層される触媒体と、当該触媒体を挟んで対向配置される第1の板と第2の板とを備え、
前記触媒エレメントは、複数の第1の貫通孔を有し、
前記第2の板は、前記触媒エレメントの少なくとも1つの第1の貫通孔に連通する貫通孔を有し、
前記触媒エレメントは、前記第1の貫通孔の一部又は全部が、隣接する触媒エレメントの第1の貫通孔とその位置をずらせて部分的に重なり合うように配置され、且つ隣接する触媒エレメントの第1の貫通孔との間で流体を触媒エレメントの延在する方向に流通可能に連通するように配置されている触媒ユニット。 - 請求項5に記載の触媒ユニットにおいて、
前記複数の触媒エレメント、前記第1の板及び前記第2の板は、分解可能に固定されている触媒ユニット。 - 請求項5又は6のいずれか1の請求項に記載の触媒ユニットにおいて、
前記触媒エレメントは、前記第1の貫通孔より大きい第2の貫通孔を有し、且つ前記第2の貫通孔が積層方向に連通して前記触媒体に中空部を形成するように配置されており、
前記第2の板の貫通孔が前記中空部を介して前記触媒エレメントの少なくとも1つの第1の貫通孔に連通するように配置されている触媒ユニット。 - 請求項5乃至7のいずれか1の請求項に記載の触媒ユニットと、当該触媒ユニットを収容する入口及び出口を有する容器とを備える反応装置であって、
前記触媒ユニットにおける第1の板は、前記容器内側形状よりも小さい外側形状を有し、
前記触媒ユニットにおける第2の板は、前記容器内側形状と略同一の外側形状を有し、且つ当該第2の板の外側面が前記容器内側面と略内接している反応装置。 - 請求項5乃至7のいずれか1の請求項に記載の触媒ユニットによる流体の反応方法であって、
流体を前記触媒ユニット内部に流入させ、前記触媒エレメントの延在する方向に前記第1の貫通孔を流通させ、前記触媒ユニット外部に流出させる反応方法。
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