JP6919274B2 - 触媒反応器 - Google Patents

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Description

本発明は、触媒反応を遂行する触媒反応器に関する。
触媒反応器は、反応流体の流路（以下、反応側流路と称する）と、反応側流路内に設置された触媒構造体或いは反応側流路の内面に担持された触媒と備えており、触媒反応により反応流体の改質、加熱、冷却、他の物質との熱交換等を行う装置である。触媒反応器における反応場を一定に保った上で反応流体の流路の断面積を小さくすると、単位体積当たりの反応流体と触媒の接触面積（比表面積）が向上する。そのため、伝熱効率を高め、反応速度や収率を向上させることができる。特許文献１及び特許文献２には、上述の関連技術が示されている。
特開２００２−１４３６７５号公報 特開２０１４−１５１２４５号公報
反応側流路に触媒構造体が設置される触媒反応器では、長時間の稼働によって触媒構造体が反応側流路の内面に固着する場合がある。特に触媒反応が高温で進む場合や発熱を伴う場合は、反応側流路の材質や触媒の相互拡散により、触媒構造体の固着が促進されてしまう。触媒構造体が反応側流路に固着した場合、触媒構造体の取出しが困難になる。特に、コンパクトリアクタやマイクロリアクタと呼ばれる触媒反応器では、反応側流路の断面積が数ｍｍ２程度であるため、触媒構造体の寸法に対する反応側流路の内面の接触面積が比較的大きい。従って、このような触媒反応器では固着した触媒構造体の取出しが一層困難になる。
また、反応側流路に触媒構造体が設置される触媒反応器では、触媒構造体と反応側流路の内面との間に所定のクリアランス（間隙）が設けられる。クリアランスは、反応側流路と触媒構造体の摩擦を低減して触媒構造体の挿入や取出しを容易にする。クリアランスは、触媒構造体の挿入や取出しに不可欠である。しかしながら、その一方で、反応流体を触媒に反応しないまま流通させてしまう空間でもある。つまり、クリアランスは触媒反応器の反応性能を低下させる要因の１つである。
本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、触媒構造体の挿入や取出しを容易しつつ、過大なクリアランスが不要な触媒反応器の提供を目的とする。
本発明の一態様は触媒反応器であって、反応流体が流れる反応側流路と、前記反応側流路内に着脱可能に収容される触媒構造体と、前記反応側流路の内面と前記触媒構造体の間に位置する共に、前記反応側流路の延伸方向から見て、前記反応側流路の前記内面の両角部あるいは前記触媒構造体の両側の端面と一体に形成され、前記反応側流路の延伸方向に延伸し、且つ、前記反応側流路の前記内面と前記触媒構造体との間に間隙を形成する高さをもつ突出部と、を備え、前記突出部は、前記触媒構造体の前記端面から前記端面と平行且つ前記反応側流路の前記内面に向けて突出して前記反応側流路の前記内面と当接する、或いは前記反応側流路の前記角部から互いに間隔を置きつつ前記触媒構造体に向けて突出して前記触媒構造体の前記端面と当接することを要旨とする。
前記突出部は反応流体の流通方向に複数に分割されていてもよい。前記突出部の高さは、前記間隙が前記反応側流路の流通空間の高さの５％〜２０％となるように設定されていてもよい。
本発明によれば、触媒構造体の挿入や取出しを容易しつつ、過大なクリアランスが不要な触媒反応器を提供することができる。
本発明の第１実施形態に係る触媒反応器の斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る触媒反応器の断面図である。 本発明の第１実施形態に係る触媒構造体の側面図である。 本発明の第１実施形態に係る触媒構造体の変形例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る触媒反応器の断面図である。
以下、本発明の実施形態に係る触媒反応器について添付図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は本発明の第１実施形態に係る触媒反応器の斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係る触媒反応器は、反応側流路１０と、複数の触媒構造体２０とを備えている。なお、図中のＸ、Ｙ、Ｚ方向（軸）は互いに直交しているものとする。
反応側流路１０は筒状の構造を有し、反応対象としての気体或いは液体である反応流体の流通空間１１を形成する。流通空間１１はＺ方向に直交する矩形の断面を有する。図１に示すように、流通空間１１はＺ方向に延伸し、反応流体の流通方向を規定する。即ち、反応流体は流入口１２から流入し、Ｚ方向に流れた後、流出口１３から流出する。本実施形態において、流通空間１１はＺ方向に直交する矩形の断面を有する。この矩形のＹ方向の長さ（高さ）はｈ１であり、Ｘ方向の長さ（幅）はｗ１である。
反応側流路１０の材料は、金属材料（例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ等）、ニッケル（Ｎｉ）基合金（インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ヘインズ（登録商標））等の耐熱金属）である。反応側流路１０の構造は、これらの何れの材料を用いて予め一体的に形成されてもよく、互いに別体の部材を溶接等で接合して形成されてもよい。
反応側流路１０は互いに平行に複数設けられてもよい。また、反応側流路１０に隣接して熱媒体の流路（図示せず）（以下、熱媒側流路と称する）が設けられていてもよい。熱媒側流路（図示せず）の熱媒体は、反応側流路１０内の反応流体が発生した熱を吸収する、あるいは、反応側流路１０内の反応流体に熱を付与する。即ち、熱媒側流路（図示せず）は反応側流路１０との間で熱交換を行い、反応流体の反応に応じて反応側流路１０を（間接的に反応流体を）冷却または加熱する。
図２は本実施形態に係る触媒反応器の断面図である。触媒構造体２０は反応側流路１０に対して別体として形成され、反応側流路１０内に着脱可能に収容される。触媒構造体２０は触媒を担持した波板によって構成され、箱体状の外形を有する。
反応側流路１０の流通空間１１と同様に、触媒構造体２０の外形もＺ方向に直交する矩形の断面を有する。触媒構造体２０のＹ方向の長さ（高さ）はｈ２であり、Ｘ方向の長さ（幅）はｗ２である。これらの値は、流通空間１１内の触媒構造体２０の滑動（着脱）を許容するように、流通空間１１のＹ方向の長さ（高さ）ｈ１やＸ方向の長さ（幅）ｗ１よりも小さな値に設定されている。
触媒構造体２０は上述の外形を含めた全体の構造を規定する基材２１と、基材２１の表面に形成された触媒層２２とを有する。基材２１は、流通空間１１をＺ方向に延伸する複数の空間に区画する構造を有し、例えば図２に示すように、Z方向に起伏する波板によって構成される。
基材２１は、流通空間１１を上述の複数の空間に仕切る複数の仕切部２３と、仕切部２３の縁部を連結する連結部２４とを有する。仕切部２３と連結部２４は一体的に形成され、全体として波板を構成する。例えば、各仕切部２３はＹ−Ｚ平面に平行に設けられ、各連結部２４はＸ方向に沿って仕切部２３を跨ぎながら交互に位置し、隣接する２つの仕切部２３を連結する。なお、連結部２４は平面（図２参照）でもよく、曲面（図４参照）でもよい。
図２に示すように、触媒構造体２０は突出部２５を含んでいる。突出部２５は、触媒構造体２０に延伸方向（即ちＺ方向）から見て基材２１の両側に端部に設けられる。突出部２５は、反応側流路１０の内面１４に向けて突出し、且つ、Ｚ方向に延伸している。突出部２５は触媒構造体２０と一体的に形成される。従って、突出部２５は少なくとも基材２１によって構成される。なお、触媒層２２がこの基材２１上に形成されてもよい。
突出部２５はＹ方向における長さ（高さ）ｈ３を有し、Ｙ方向における反応側流路１０の内面１４と触媒構造体２０との間に、２箇所の長さ（高さ）ｈ３が等しいクリアランス（間隙）ｇを形成する。つまり、触媒構造体２０のＸ方向における両端の高さは、当該両端以外の部分の高さよりも高い。なお、長さｈ３は、触媒構造体２０が自重によって撓んだ場合でも触媒構造体２０の内面１４に接触しない値に設定されている。また、長さ（高さ）ｈ３は、クリアランスｇが、流通空間１１のＹ方向の長さ（高さ）ｈ１の５％〜２０％となるように設定されている。クリアランスｇがこのような値を有するため、触媒構造体２０に接触することなく（換言すれば、触媒構造体２０と反応することなく）反応側流路１０を通過してしまう反応流体の量（割合）を減少させることができる。
基材２１の材質は、Ｆｅ（鉄）、Ｃｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｙ（イットリウム）を主成分とする耐熱合金、例えば、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ（登録商標）等の金属である。触媒層２２の担体は、触媒反応器で遂行する反応によって適宜選択される。担体は、例えば、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＴｉＯ２（チタニア）、ＺｒＯ２（ジルコニア）、ＣｅＯ２（セリア）、ＳｉＯ２（シリカ）の群から選択される１または複数である。触媒層２２の触媒（活性金属）は、触媒反応器で遂行する反応によって適宜選択される。触媒は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）の群から選択される１または複数である。
上述の通り、突出部２５はＹ方向における反応側流路１０の内面１４と触媒構造体２０との間に２箇所のクリアランスｇを形成する。また、突出部２５は、触媒構造体２０と同じ材料によって構成された板状部材である。従って、突出部２５は、反応側流路１０の内面１４に対して線接触している。よって、反応側流路１０の内面１４と触媒構造体２０との間の摩擦が低減する。また、加熱によって触媒構造体２０が反応側流路１０に固着することを防止できるので、反応側流路１０からの触媒構造体２０の取出しが容易になる。
突出部２５は、触媒構造体２０を反応側流路１０の内面１４から離隔する。この離隔により、内面１４に接触していた触媒層２２が反応流体に露出する。つまり、突出部２５は、クリアランスｇを過剰に増加させることなく、触媒構造体２０と反応流体との接触面積（接触頻度、反応頻度）を増加させ、触媒反応器の反応性能を向上させることができる。
図３は、本実施形態に係る触媒構造体２０の側面図である。図３に示すように、突出部２５はＺ方向（反応流体の流通方向、触媒構造体２０の延伸方向）に複数に分割されていてもよい。換言すれば、突出部２５はＺ方向に間隔を置いて点在していてもよい。突出部２５が複数に分割されている場合、反応側流路１０の内面１４と触媒構造体２０との間の摩擦を更に低減させることでき、反応側流路１０への触媒構造体２０の固着を防止できる。
図４は、本実施形態に係る触媒構造体２０の変形例を示す図である。上述の通り、触媒構造体２０は湾曲した連結部２４を有してもよい。また、同様に突出部２５も内面１４と線接触する湾曲面を有していてもよい。突出部２５が湾曲している場合も、反応側流路１０の内面１４と触媒構造体２０との間の摩擦を更に低減させることでき、反応側流路１０への触媒構造体２０の固着を防止できる。
図５は、本発明の第２実施形態に係る触媒反応器の断面図である。第２実施形態において第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図５に示すように第２実施形態では、突出部２５の代わりに、突出部１５が反応側流路１０の内面１４に形成される。突出部１５は、Ｙ方向において同一の高さに位置する流通空間１１の２つの角に、反応側流路１０の内面１４と一体的に形成される。突出部１５は、触媒構造体２０に向けて突出し、第１実施形態の突出部２５と同じく、第２実施形態の突出部１５はＹ方向における長さ（高さ）ｈ３を有する。突出部１５は、Ｘ方向における触媒構造体２０の両端に当接し、反応側流路１０の内面１４と触媒構造体２０との間にクリアランス（間隙）ｇを形成する。換言すれば、触媒構造体２０の両端は突出部１５上に載置され、クリアランス（間隙）ｇだけ内面１４から離隔している。第１実施形態と同じく、第２実施形態でも長さ（高さ）ｈ３は、クリアランスｇが、流通空間１１のＹ方向の長さ（高さ）ｈ１の５％〜２０％となるように設定されている。
第２実施形態でも第1実施形態と同様の効果が得られる。即ち、触媒構造体２０の端部は突出部１５に対して線接触している。よって、反応側流路１０の内面１４と触媒構造体２０との間の摩擦が低減する。また、加熱によって触媒構造体２０が反応側流路１０に固着することを防止できるので、反応側流路１０からの触媒構造体２０の取出しが容易になる。また、クリアランスｇを過剰に増加させることなく、触媒構造体２０と反応流体との接触面積（接触頻度、反応頻度）を増加させ、触媒反応器の反応性能を向上させることができる。
なお、仕切部２３及び連結部２４の少なくとも一方には、ＸＹ平面と平行なスリットや孔が形成されていてもよい。また、触媒構造体２０はＺ方向に沿って複数に分割されていてもよい。この場合、各触媒構造体２０の波形状の位相が、Ｘ方向において互いにずれていてもよい。
本発明は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
１０…反応側流路、１１…流通空間、１２…流入口、１３…流出口、１４…内面、１５…突出部、２０…触媒構造体、２１…基材、２２…触媒層、２３…仕切部、２４…連結部、２５…突出部、ｇ…クリアランス

Claims (3)

  1. 反応流体が流れる反応側流路と、
    前記反応側流路内に着脱可能に収容される触媒構造体と、
    前記反応側流路の内面と前記触媒構造体の間に位置する共に、前記反応側流路の延伸方向から見て、前記反応側流路の前記内面の両角部あるいは前記触媒構造体の両側の端面と一体に形成され、前記反応側流路の延伸方向に延伸し、且つ、前記反応側流路の前記内面と前記触媒構造体との間に間隙を形成する高さをもつ突出部と、
    を備え、
    前記突出部は、前記触媒構造体の前記端面から前記端面と平行且つ前記反応側流路の前記内面に向けて突出して前記反応側流路の前記内面と当接する、或いは前記反応側流路の前記角部から互いに間隔を置きつつ前記触媒構造体に向けて突出して前記触媒構造体の前記端面と当接する触媒反応器。
  2. 前記突出部は反応流体の流通方向に複数に分割されている請求項１に記載の触媒反応器。
  3. 前記突出部の高さは、前記間隙が前記反応側流路の流通空間の高さの５％〜２０％となるように設定されている請求項１又は２に記載の触媒反応器。
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