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JP2001009264A - 熱交換器様式反応器 - Google Patents

熱交換器様式反応器

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Publication number
JP2001009264A
JP2001009264A JP2000057257A JP2000057257A JP2001009264A JP 2001009264 A JP2001009264 A JP 2001009264A JP 2000057257 A JP2000057257 A JP 2000057257A JP 2000057257 A JP2000057257 A JP 2000057257A JP 2001009264 A JP2001009264 A JP 2001009264A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
tube
reactor
heat transfer
difference
reaction
Prior art date
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Pending
Application number
JP2000057257A
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English (en)
Inventor
Kenji Sakai
健二 酒井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyo Engineering Corp
Original Assignee
Toyo Engineering Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyo Engineering Corp filed Critical Toyo Engineering Corp
Priority to JP2000057257A priority Critical patent/JP2001009264A/ja
Priority to EP00106188A priority patent/EP1048343A3/en
Publication of JP2001009264A publication Critical patent/JP2001009264A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 管と管との間の熱膨張差および胴部と管との
間の熱膨張差を吸収しうる熱交換器形式反応器を提供す
る。 【解決手段】 触媒を包含する複数の管と、該管と熱伝
熱を行うための伝熱媒体を通す胴部と、上部および下部
管板とを有し、該管の上端は、該上部管板の上側に固定
された第１の伸縮継ぎ手を介して該上部管板に接続さ
れ、該管の下端は遊動しうる下部管板に直接固定され、
該下部管板とその下側に接続される内部鏡板とにより区
画され、かつ開口部を下部に有する遊動しうる空間が構
成され、該開口部は反応器外への管側出口に第２の伸縮
継ぎ手を介して接続された熱交換器型反応器。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は改良された熱交換器
形式反応器に関するものであり、詳しくは吸熱反応また
は発熱反応を実施するための改良された熱交換器形式反
応器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】種々の吸熱反応、例えば炭化水素の水蒸
気改質反応、または種々の発熱反応、例えばアンモニア
合成やメタノール合成反応を実施するための熱交換器形
式反応器は広く用いられている。このような反応器に求
められる条件は、（１）管内に触媒を包含しうる構造で
あること、（２）反応器の管と胴部との温度差に基づく
両者の熱膨張差を吸収できる構造であること、更に
（３）反応器の管内径の製作誤差、各管の触媒充填密度
の差、触媒活性の違い、管内を流れる反応ガスの偏流や
胴側を流れる熱伝達媒体の偏流などにより、各管の間で
反応条件や伝熱条件が異なって温度差が生じ、その結果
管と管との間に熱膨張差が生じるので、この熱膨張差に
対応できる構造であること等である。
【０００３】これらの要求に対しては、従来の熱交換器
形式反応器ではその形式の如何を問わず、これらの全て
を満足することはできない。
【０００４】例えば、管板を反応器内壁に固定した固定
管板形式の熱交換器形式反応器では、管内に触媒を包含
させる構造とすることは容易であるが、胴部と管、ある
いは管と管との間に生ずる熱膨張差に対応することはで
きない。
【０００５】管をＵ字管形式とした熱交換器形式反応器
は、上記の熱膨張差に対応するのは容易ではあるが、管
内に触媒を包含する構造とするのに困難がある。
【０００６】管板が遊動しうる遊動頭形式の熱交換器形
式反応器によれば、管内に触媒を包含する構造とするこ
とと、胴部と管との間の熱膨張差に対応することは容易
であるが、管と管との間に生じる熱膨張差に対応するこ
とができない。
【０００７】管を反応器内で束ねて構成する熱交換器形
式反応器の上端および下端に集合管を設けて管の熱膨張
差を吸収できるように各管と集合管とを曲り管でつなぐ
反応器もあるが、触媒を容易に充填または抜き出しでき
るような構造とすることには困難がある。
【０００８】図３に示す反応器は、さや管（バヨネット
管）を用いることにより、前記の３つの要求をすべて満
たすことが可能である。図３において、反応器１の内部
に設けた上部管板４に内挿管１４を接続する。下部管板
５には、下端が閉じたさや管１３を、内挿管１４を取り
囲むように取り付ける。内挿管１４の外壁とさや管１３
の内壁との空間には触媒が充填される。下部管板５、さ
や管１３の外壁および反応器１の内壁により構成される
空間からなる胴部には熱伝達媒体が胴部ノズル９から導
入され、胴部ノズル１０から排出され、さや管１３を通
る反応ガスと熱伝達を行う。反応ガスは管側入口１１か
ら供給され、さや管１３の触媒層をとおり、内挿管１４
を経て管側出口１２から排出される。
【０００９】上記のとおり、図３に示した熱交換器形式
反応器では、さや管１３の底部は固定されておらず、ま
た内挿管１４の下端も固定されていないので各管の間の
熱膨張差および胴部と管との間の熱膨張差は吸収しう
る。しかしながら、触媒の充填や抜き出しが容易ではな
く、反応前後の反応ガスが内挿管の内外を行き来するの
で熱損失が生じやすく、また運転開始や停止時の内挿管
１４とさや管１３との動きにより触媒が破損しやすく、
さらに反応器の直径が大きくなり構造が複雑となるため
に大型化には限界があるなど欠点が多い。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、反応
器の管と管との間および胴部と管との間の熱膨張差を吸
収することができ、かつ触媒の充填および抜き出しが容
易な熱交換器形式反応器を提供することにある。
【００１１】本発明のその他の目的は以下の記載から明
らかであろう。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、次
に記載された熱交換器形式反応器により達成される。
【００１３】上部および下部に、それぞれ管側入口およ
び出口を有し、かつ触媒を包含する複数の管の上端およ
び下端を、それぞれ接続するための上部および下部管板
を有し、該管の外壁、該上部および下部管板および反応
器内壁により区画される空間部からなり、上部および下
部にそれぞれ胴部開口を有する反応器胴部に熱伝達媒体
を通して該管内を通る反応流体と熱伝達を行うようなし
た熱交換器形式反応器であって、該管の上端を、反応器
内壁に固定された上部管板に設けられた第１の伸縮継ぎ
手を介して該上部管板に接続し、該管の下端を遊動しう
る下部管板に直接固定し、該下部管板とその下側に接続
される内部鏡板とにより区画され、かつ開口部を有する
空間部を構成し、該開口部を管側出口に第２の伸縮継ぎ
手を介して接続したことを特徴とする熱交換器形式反応
器。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明においては、第１の伸縮継
ぎ手は、好ましくは反応器の胴部の上部に固定された上
部管板の上側に、その下端が固定され、上端は管に接続
される。第１の伸縮継ぎ手は、複数の管の、管ごとに設
けられてそれぞれの管の熱膨張を吸収するので、前述し
たように各管の間に生じうる熱膨張差を吸収することが
できる。また、第１の伸縮継ぎ手は管の重量や圧力差に
よる荷重を支えうる強度を有することが必要である。
【００１５】第２の伸縮継ぎ手は、遊動しうる下部管板
とその下側に接続された内部鏡板により形成された空間
部の下部に設けられた開口部と、その上端が接続され、
下端は反応器の管側出口と接続される。この伸縮継ぎ手
は反応器胴部と管との間の熱膨張差を吸収する。
【００１６】第２の伸縮継ぎ手は、管からの反応流体と
接触するので、この反応流体が、例えば５００℃以上の
高温の場合は、この反応流体とこの継ぎ手との直接接触
および／または反応流体からの輻射熱を防ぐための手段
を設けるのが好ましい。この手段は、例えばこの継ぎ手
の動きを制限しないように継ぎ手の内側に設けられた耐
火物層であってもよい。
【００１７】本発明による熱交換器形式反応器は、種々
の吸熱反応または発熱反応を実施するために用いること
ができる。吸熱反応を用いる一例としては、天然ガス、
ナフサなどの炭化水素（反応流体）の水蒸気改質による
水素に富むガスの製造を挙げることができる。この際用
いられる熱伝達媒体としては、高温のプロセスガス、例
えば燃焼ガスを熱源として炭化水素を水蒸気改質して得
られる８３０〜８８０℃のような高温のプロセスガス、
または更にこれを部分酸化して得られる９００〜１１０
０℃のような高温のプロセスガス、あるいはこの水蒸気
改質の熱源として用いたのちの燃焼排ガス、あるいは燃
焼ガスそのものが用いられる。また、発熱反応を用いる
例としてはアンモニア合成またはメタノール合成を挙げ
ることができる。この際に用いられる熱伝達媒体として
は反応前の冷たい原料ガスなどの冷却媒体が用いられ
る。
【００１８】本発明を図１および２を参照して以下に詳
細に説明する。図１を参照して、通常は直立円筒形の反
応器１内の上部には上部管板４が、下部には下部管板が
設けられる。
【００１９】上部管板４は平板形状であっても、または
重量が大きい大型管束にも対応できるように、上方また
は下方向に向って球面状であってもよい。上部管板４
は、運転中の温度が、さほど高くならない場合には、直
接反応器に固定することができるが、運転温度が高く取
り付け部の熱応力が高い場合には、熱応力を緩和しうる
適切な手段を用いて反応器に固定することができる。
【００２０】下部管板５（上部管板４と同様の形状を有
する）は遊動しうるものであり、その下側に接続された
内部鏡板７とともに遊動しうる空間部８を形成する。空
間部８の下部には開口部１７が設けられている。
【００２１】管６は、その内部に触媒を包含している。
管６は、図１では１本づつ個別に垂直に置かれた直管が
示されているが、通常は、これを必要な反応処理量が得
られるように必要な数だけ束ねて管束とする。管束の上
端は、各管ごとに第１の伸縮継ぎ手２を介して上部管板
に接続される。
【００２２】第１の伸縮継ぎ手２は上部管板４の上側に
設けて直接高温に曝されないようにするのが好ましい。
しかしながら、発熱反応を実施し、熱伝達媒体が冷却媒
体の場合には、上部管板の下側に設けることもできる。
【００２３】上記管束の下端は下部管板５に直接接続さ
れる。空間部８の下部（内部鏡板７の下部）の開口部１
７に第２の継ぎ手３の上端が、管側出口１２にこの継ぎ
手の下端が接続され、空間部８の熱膨張による動きを拘
束しないようにする。管束の上端を上部管板４に接続し
たと同様に管束の下端に伸縮継ぎ手を介して接続するこ
とも考えられるが、伸縮継ぎ手が高温に曝されることと
なり、かつ反応器の胴部と管との間の熱膨張差を吸収す
るような設計が困難となるので本発明における接続が優
れている。
【００２４】このような構造とすることにより、管束は
上端および下端とも伸縮継ぎ手を介して反応器１に取り
付けられることになり、管束は反応器１に対して浮いた
状態となる。しかも第１の継ぎ手および第２の継ぎ手は
いずれも反応器の中で温度の最も低い場所に置くことが
できる。
【００２５】第１の伸縮継ぎ手２は管６のそれぞれの間
の熱膨張差を吸収しうる柔軟性と管束の全荷重と圧力差
による荷重を支える強度を必要とする。この継ぎ手は、
材料としては、通常の３０４や３１６のステインレス鋼
に加えてインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ 商品名）やイン
コロイ（Ｉｎｃｏｌｏｙ 商品名）などの高クロムニッ
ケル耐熱合金鋼を使用できるが、これにのみ限定される
ものでないことはいうまでもない。伸縮継ぎ手２の山の
数は１〜４が好ましいが、必ずしもこの数に限定される
ものではない。また、この伸縮継ぎ手の山と山のピッチ
も特に限定されるものではない。要するに、第１の伸縮
継ぎ手に要求される機能を果たすことができる条件を選
べば足りる。
【００２６】第２の伸縮継ぎ手３には反応器１の胴部と
管６との間の大きな熱膨張差を吸収しうる充分な柔軟性
が要求される。この継ぎ手は、材料としては、第１伸縮
継ぎ手と同様に、通常の３０４や３１６のステインレス
鋼に加えてインコネルやインコロイなどの高クロムニッ
ケル耐熱合金鋼などを使用できるが、これらにのみ限定
されるものでないことはいうまでもない。第２の伸縮継
ぎ手３の山の数は５〜１０が好ましいが、必ずしもこの
数に限定されるものではない。また、この伸縮継ぎ手の
山と山のピッチも特に限定されるものではない。要する
に、第２の伸縮継ぎ手に要求される機能を果たすことが
できる条件を選べば足りる。
【００２７】本発明においては、管束には管６内を流れ
る反応流体の圧力損失により生じる下方に押す力と、遊
動しうる空間部８の内外における圧力差により管の総断
面積と伸縮継ぎ手３の断面積との大小関係に応じて上方
または下方に押す力とが発生するが、第２の伸縮継ぎ手
３の内径を適切に選定することによって管束に働く力を
バランスさせ、伸縮継ぎ手２に不要な荷重が作用するこ
とを防ぐ設計が可能である。
【００２８】図２には、一枚板から成形して製作する、
第１の伸縮継ぎ手２の最も簡単な例を示すが、気密性を
保つことができ、かつ熱膨張差による管６のそれぞれの
長さの差を吸収しうる構造であれば、図２に示した構造
には限定されない。第１の伸縮継ぎ手２が設置される場
所は、周囲温度が比較的低く、かつ吸収すべき伸縮量は
予想される運転停止の回数に対して１０ｍｍ前後の値で
よく、管束や圧力差の重量を支えることや予想される運
転停止の回数を考慮しても十分に現実的な寸法で設計可
能である。
【００２９】第２の伸縮継ぎ手３は、設置場所における
周囲温度が比較的低く、また伸縮継ぎ手の設計において
設置場所による寸法上の制約が無いので、吸収すべき伸
縮量が１００ｍｍ程度と大きくても通常の仕様で設計可
能である。
【００３０】以下に第１および第２の伸縮継ぎ手の設計
例を示す。第１の伸縮継ぎ手の設計例 例１ 材質 ： 耐熱合金鋼 管外径 Ｄｔ： １１４ｍｍ 伸縮継ぎ手 外径 Ｄｏ： １５０ｍｍ 内径 Ｄｉ： １１６ｍｍ 板厚 ｔ： １ｍｍ ピッチ ｂ： ３０ｍｍ 山数 ｎ： ３ 伸縮継ぎ手の支持荷重： ２５０Ｋｇｆ （管荷重、触媒荷重、圧力差荷重） 伸縮継ぎ手の許容伸縮量： １０ｍｍ （設計運転停止繰り返し回数３００回として） 例２ 材質 ： 耐熱合金鋼 管外径 Ｄｔ： １４１ｍｍ 伸縮継ぎ手 外径 Ｄｏ： ２２０ｍｍ 内径 Ｄｉ： １５０ｍｍ 板厚 ｔ： ２ｍｍ ピッチ ｂ： ６０ｍｍ 山数 ｎ： ２ 伸縮継ぎ手の支持荷重： ４００Ｋｇｆ （管荷重、触媒荷重、圧力差荷重） 伸縮継ぎ手の許容伸縮量： １５ｍｍ （設計運転停止繰り返し回数３００回として）第２の伸縮継ぎ手の設計例 材質 ： 耐熱合金鋼 伸縮継ぎ手 外径 Ｄｏ： ７５０ｍｍ 内径 Ｄｉ： ６００ｍｍ 板厚 ｔ： ２ｍｍ ピッチ ｂ： ６０ｍｍ 山数 ｎ： ６ 伸縮継ぎ手の許容伸縮量： １２０ｍｍ （設計運転停止繰り返し回数３００回として） 反応器下部あるいは管には高温ガスを流すために必要に
応じて耐火物等の断熱材１６を胴内面に施す。第２の伸
縮継ぎ手３は必要に応じて高温ガスに曝されないように
図１に示したように断熱材１６により、熱をさえぎる構
造にすることが可能である。
【００３１】反応流体は反応器上部の管側入口１１から
反応器１内に供給され、触媒を充填した管６の内部を流
れ、その間に胴側開口９から導入され、胴部を流れ、胴
側開口１０から排出される熱伝達媒体と熱の伝達を行っ
て触媒の作用により反応が進行する。発熱反応の場合は
熱伝達媒体を胴側開口１０から導入し胴側開口９から排
出してもよい。反応を終了した反応生成物流は遊動しう
る空間部８を通って管側出口から反応器外に排出され
る。
【００３２】胴部を流れる熱伝達媒体との伝熱が不十分
な場合には、管６の外側にフィンを設けたり、あるいは
管６の外側に径が少し大きい管をかぶせ、その管と管６
との隙間に熱伝達媒体を流して伝達を促進することも可
能である。
【００３３】以上本発明を説明したが、本発明の主旨を
変えない限り、当業者に知られた種々の改変が可能であ
ることはもちろんである。
【００３４】
【発明の効果】本発明は以下に記載する効果を奏する。
【００３５】第一に、反応器胴部と管との熱膨張差を吸
収することができる。第二に、熱交換器形式反応器の特
性として、管内径の製作誤差、触媒充填密度の差、触媒
の活性の違い、管内を流れる反応流体の偏流や胴部を流
れる熱伝達媒体の偏流などによる反応や伝熱条件の差に
より、各管の反応条件、伝熱条件に相違が生じ、そのた
めに各管に温度差が生じても、この温度差による各管の
間の熱膨張差を吸収することができる。第三に、伸縮継
ぎ手の機能を２つに分けて管束の上端と下端に別々に、
かつ周囲温度の低い箇所に設置したので、伸縮継ぎ手の
信頼性が向上する。第四に、伸縮継ぎ手は大型反応器で
問題となる上部および下部管板の、圧力によるたわみに
より発生する管荷重を低減する。第五に、管は全て直管
であるから、触媒の充填および抜き出しが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の熱交換器形式反応器を示す模式
図である。
【図２】図２は本発明における第１の伸縮継ぎ手の構造
を示す模式図である。
【図３】図３は従来のさや管を用いる反応器を示す模式
図である。
【符号の説明】
１ 反応器 ２ 第１の伸縮継ぎ手 ３ 第２の伸縮継ぎ手 ４ 上部管板 ５ 下部管板 ６ 管 ７ 内部鏡板 ８ 空間部 ９、１０ 胴部開口 １１ 管側入口 １２ 管側出口 １３ さや管 １４ 内挿管 １５ 触媒 １６ 耐火物層 １７ 開口部

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 上部および下部に、それぞれ管側入口お
    よび出口を有し、かつ触媒を包含する複数の管の上端お
    よび下端を、それぞれ接続するための上部および下部管
    板を有し、該管の外壁、該上部および下部管板および反
    応器内壁により区画される空間部からなり、上部および
    下部にそれぞれ胴部開口を有する反応器胴部に熱伝達媒
    体を通して該管内を通る反応流体と熱伝達を行うような
    した熱交換器形式反応器であって、該管の上端を、反応
    器内壁に固定された上部管板に設けられた第１の伸縮継
    ぎ手を介して該上部管板に接続し、該管の下端を遊動し
    うる下部管板に直接固定し、該下部管板とその下側に接
    続される内部鏡板とにより区画され、かつ開口部を有す
    る空間部を構成し、該開口部を管側出口に第２の伸縮継
    ぎ手を介して接続したことを特徴とする熱交換器形式反
    応器。
  2. 【請求項２】 前記第１の伸縮継ぎ手は、下端が前記上
    部管板の上側に、また上端が前記管に固定され、前記管
    と管との間の熱膨張差を吸収し、かつ管の全重量および
    圧力差に耐える構造である請求項１に記載の反応器。
  3. 【請求項３】 前記第２の伸縮継ぎ手は、上端が前記開
    口部に、また下端が前記管側出口に固定され、前記胴部
    と前記管との間の熱膨張差を吸収する構造である請求項
    １に記載の反応器。
  4. 【請求項４】 前記第２の伸縮継ぎ手を前記開口部から
    の高温の反応流体からしゃへいするための手段を有する
    請求項１または３に記載の反応器。
  5. 【請求項５】 前記触媒を包含する管のなかで吸熱反応
    が行われ、前記熱伝達媒体が高温のプロセス・ガスまた
    は燃焼ガスから選ばれた加熱媒体である請求項１に記載
    の反応器。
  6. 【請求項６】 前記吸熱反応が炭化水素の水蒸気改質反
    応である請求項５に記載の反応器。
  7. 【請求項７】 前記触媒を包含する管のなかで発熱反応
    が行われ、前記熱伝達媒体が冷却媒体である請求項１に
    記載の反応器。
  8. 【請求項８】 前記発熱反応がアンモニアまたはメタノ
    ールの合成反応であり、前記冷却媒体が供給原料ガスで
    ある請求項７に記載の反応器。
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