Reforming unit

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、メタンおよび水蒸気を含有するガス流をＣＯ、ＣＯ ₂およびＨ ₂に改質する反応のための間接熱交換ゾーンを有するタイプのリフォーミング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】以下に示す説明と上述の請求項で、「メタン」とは、一般に、例えばメタンそれ自身または天然ガスおよびナフサのような液体および／または気体の炭化水素の混合物等の水素および炭素源である原材料を意味するものと定義する。

【０００３】アンモニアおよび／またはメタノール等の生成物の合成に不可欠な水素および炭素を得るためのメタン改質の分野で知られるとおり、可能な限り完全なメタンの改質反応を得ることと、エネルギー消費、および設備費、維持修繕費を抑制し、しかも容易に運転できる装置の実現を望む要求がさらにいっそう強くなってきている。

【０００４】上述の要求を満たすために、メタン改質反応のための熱交換ゾーンを有する交換器型のリフォーミング装置が当業界で提案されてきた。 この装置において、吸熱改質反応に必要な多量の熱は、この装置に供給される加熱ガスの流れを伴った間接熱交換によって供給される。

【０００５】特に、一次および一次リフォーミングより高い温度で行う二次リフォーミングと呼ばれる２つの別個のセクションでメタン改質反応が行われるアンモニア・プラントで、二次リフォーミングセクションから生じる熱い反応ガスを一次リフォーミングセクションの熱源として利用することが可能である。 一般に、交換器型リフォーミング装置は、たとえばＥＰ−Ａ０２９８５２５
に記載されているように、従来の１次リフォーマーに替わって、アンモニア、メタンまたは水素合成プロセスに関する従来の技術の状態において使用される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の装置は多くの点で優れているが、高い設備費を必要とする非常に複雑な構造となるなどの欠点を有する。 つまり、この装置は、
加熱ガス流とガス剤（メタンおよび水蒸気）との間に間接熱交換のためのブラインドエンドを有する外側管状エレメントからなる複数のバヨネット型の伝熱管、および反応生成物排出用の内側管からなる。

【０００７】容易に想像されるように、このタイプの構造は複雑で建設コストが高く、保守整備が困難であり、
大口径のリフォーミング装置が必要である。 さらに、改質反応は触媒型のものであるので、外側管状エレメントと内側の伝熱管で規定される環状空隙が触媒で均一に充填されており、その触媒を周期的に交換する必要がある。 内側の伝熱管が存在することによって、これらの操作は明らかに妨げられるか、もしくは少なくとも困難になる。

【０００８】また、バヨネット型の伝熱管の使用は、エネルギーの点からも下記の欠点を有する。 反応済ガス流と反応ガス流との間で著しく望ましくない熱交換が発生し、このような場合に、反応ガス流が極度に冷却されると、反応済ガスによって内側の伝熱管がメタルダスチング腐食を起こす可能性がある。 ＪＰ−Ａ−４１５４６０
１には、触媒を充填した複数の独立した伝熱管と、加熱ガスを通す外側からなる交換器型のリフォーミング装置が開示されている。

【０００９】上記伝熱管は、その端部が各管板に固定されており、リフォーミング装置に適切に固定されている。 バヨネット伝熱管と比較して、ＪＰ−Ａ−４１５４
６０１の熱交換管は、組み立ておよび操作は簡単であるが、改質反応の場合と同様に、高温で使用すると膨張できないという重大な欠点を有するので、熱交換管が亀裂、さらには破損し、反応ガスと加熱ガスが混ざって、
装置に損傷を与える可能性がある。

【００１０】したがって、このタイプの装置は、欠陥のある管を交換するために高い維持費が必要であるばかりでなく、最適で信頼できる長期運転を保証することもできない。 こられの欠点のため、先行技術による交換型リフォーミング装置は、当業界での必要性がこれまで以上に早急に感じられるにもかかわらず、これまでほとんど実施されていない。

【００１１】上記問題点を解決するために、本発明は、
実施が容易で信頼できるものであって、かつ、低い設備費と運転維持費、並びに低いエネルギー消費で、できる限り完全なメタン改質反応が得られるリフォーミング装置を提供するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段及び作用】上述の問題点は、本発明に係る、メタンおよび水蒸気をＣＯ、ＣＯ ₂
およびＨ ₂に変換するためのリフォーミング装置であって、間接熱交換ゾーンと前記間接熱交換ゾーンにメタンおよび水蒸気を含有するガス流を供給するためのゾーンを有する円筒形状の外側シェルと、前記間接熱交換ゾーンに加熱ガス流を前記変換の熱源として供給するために前記シェルに形成された開口部とを備え、リフォーミング触媒を含有し、かつ前記間接熱交換ゾーンの上下方向に配設され、前記供給ゾーンに連通する複数の遊動頭管と、前記遊動頭管の下流側に配置された、前記変換から得られるＣＯ、ＣＯ ₂ 、およびＨ ₂を含有するガス流を回収するチャンバーと、ＣＯ、ＣＯ ₂ 、およびＨ ₂を含有する前記ガス流を前記シェルから排出するために前記回収チャンバーに開口するダクトとを有することを特徴とするリフォーミング装置、によって解決される。

【００１３】以下の説明および上記請求項において、
「遊動頭部管」とは、構造的に移動（遊動）が可能で、
熱膨張を許容する少なくとも１つの端部（頭部）を有する伝熱管を意味するものと定義する。 本発明のリフォーミング装置は、間接熱交換のための触媒を含有する複数の伝熱管と連通する反応済ガスを回収するチャンバーと、前記ガスをシェルから排出させるためのダクトとを備える。

【００１４】これによって、全てのガスは改質反応後、
同一チャンバー内で回収され、一つのダクトによって排出される。 上記特徴をもつ構造によって、従来の装置のような欠点のない、信頼でき、組み立てが極めて簡単で、かつ、低コストで実施できるとともに、メタン改質反応に有効な交換型のリフォーミング装置を得ることができる。

【００１５】特に、メンテナンス作業および伝熱管への触媒の充填または交換が、互いに独立した複数の遊動頭管の存在によって容易になる。 さらに、反応済ガスは全て、一つのチャンバーに回収され、熱交換管と熱的に独立したダクトによってシェルから排出されるので、反応済ガスと反応ガスの間の望ましくない熱交換は効果的に抑制される。 その結果、排出用ダクトのメタルダスチング腐食を防止でき、 かつ、先行技術の装置よりも運転コストを下げることができる。

【００１６】本発明に係る装置の好ましい実施例によれば、排出用ダクトは、上記シェルと同軸上に配設され、
間接熱交換ゾーンおよび供給ゾーンを通り、回収チャンバーからシェルに設けられたガス流出開口部まで前記伝熱管と平行に配置されている。 これにより、上記各部品が受ける種々の熱応力、および異なる材料の使用により生じる装置の各部品の膨張を有効に補整する、非常に簡単でコンパクトな構造が得られる。

【００１７】特に、構造上、極めて簡便な装置を追求しながら、熱交換管と反応済ガスの排出用ダクトに対する種々の膨張率を適切に、かつ確実に補整することが可能である。 つまり、排出用ダクトを特殊な配置で設けることによって、供給ゾーンに対して互いに反対方向に膨張する熱交換管および排出用ダクトを具備する遊動型の回収チャンバーが得られる。

【００１８】これにより、材料によって異なる膨張率が原因で装置の機械的問題が生じず、一定の方法で相互に補整される。 この実施例において、上記ダクトと上記シェルの間と同様、上記供給ゾーンと上記熱交換ゾーンの間に配置される上記ダクトと管板の間に、反応ガスまたは反応済ガスの望ましくないバイパスを避けるとともに、上記装置に生じる種々の熱膨張率を許容するために、適切なガスシール手段が設けられる。

【００１９】本発明において、上記装置の正常運転を確実に行うためのガスシール手段は、最小限に抑えられており、上記排出用ダクト、上記管板および上記外部シェル間に集中して設けられる。 上記ガスシール手段は、容易に接近できるようにし、そのメンテナンスを簡易化し、かつ容易にするために、上記流出開口部の近傍に配列することが好ましい。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の特徴および利点を、添付の図面を参照して、限定的に解釈されない具体例を用いて以下の実施例において述べる。

【００２１】図１〜図３において、参照番号１は、メタンおよび水蒸気を含有するガス流の改質反応に使用される本発明によるリフォーミング装置を全体的に示す。 装置１は、円筒形状の外側シェル２と、前記シェルの断面全体に配設された間接熱交換ゾーン５内でシェル２を分割する管板３と、前記ゾーン５にメタンおよび水蒸気を含有するガス流を供給するためのゾーン４とからなる。
参照番号６で示される複数の遊動頭管は、管板３から上下方向に、間接熱交換ゾーン５に配置される。

【００２２】遊動頭管６は、公知タイプのリフォーミング触媒を収容するためのゾーン（図示せず）をその範囲内に有する。 さらに遊動頭管６は、ゾーン４と連通する第１の端部７と、改質反応から得られたＣＯ、ＣＯ ₂およびＨ ₂を含有するガス流を回収するためのチャンバー９と連通する第２の端部８とを有する。 参照番号１０
は、第２の端部８で遊動頭管６とチャンバー９との間に配置された管板を示す。

【００２３】シェル２には、改質反応の熱源である加熱ガスのそれぞれ流入口および流出口となる開口部１１および１２が間接熱交換ゾーン５に具備される。 開口部１
３および１４は、メタンおよび水蒸気を含有する反応ガスの流入口として、ＣＯ、ＣＯ ₂およびＨ ₂を含有する反応済ガスの流出口として、それぞれ、シェル２のゾーン４に設けられる。

【００２４】ダクト１５は、装置１から反応済ガスを排出するためにシェル２に設けられるのが好ましい。 ダクト１５は、チャンバー９およびガス流出開口部１４に連通している。 チャンバー９と反応済ガス排出用ダクト１
５とを複数の独立した遊動頭管６と組み合わせた特殊な構造によって、非常に簡易な機構で、組み立てを容易に実施でき、かつ、極めて信頼できる、エネルギーおよび改質反応の変換収率の点で有利な装置が確実に得られる。

【００２５】図１の実施例で、排出用ダクト１５は、シェル２と同軸上に配置され、かつ、間接熱交換ゾーン５
および供給ゾーン４を通って遊動頭管６と平行に配置される。 本発明の別の実施例（図示せず）において、ダクト１５は、チャンバー９から装置１の下側端部に至り、
流出口１４は、シェル２の同軸上でその下側端部に配設される。

【００２６】図１の実施例に関して、上記構成によると、熱交換面積を増加させることによって遊動頭管６の配置に有効なスペースをゾーン５に広くとることができる。 参照番号１６は、一般に、反応ガスまたは反応済ガスの望ましくないバイパスを避けるためのガスシール手段を示す。 装置１の最適で信頼できる運転を確保するために、この手段１６も、特に遊動頭管６およびダクト１
５の種々の熱膨張を許容する。

【００２７】ガスシール手段１６は、図１に示すように、ダクト１５と管板３との間、およびダクト１５とシェル２との間に配置される。 一方、図２の実施例では、
ダクト１５と管板３との間、および管板３とシェル２との間に配置される。 図１の実施例において、ガスシール手段１６は全て、その配置を簡易にするため、できる限り装置の内側に、装置１の一つの部材、すなわち、排出用ダクト１５に関係づけて配置される。

【００２８】ガスシール手段１６の保守作業を容易にするために、図２に示すように、反応済ガス流出開口部１
４の近傍に配置してもよい。 本発明の実施例によれば、
ガスシール手段１６は、管板３から開口部１４に配設される管板３の管状付属物１７に関係づけて配置される。
なお、ガスシール手段１６は、ラビリンス型、または圧縮リング型のものであり、好ましくは、圧縮リング型のものである。

【００２９】以下の説明において、「ラビリンスシール手段」とは、通常管状の二つの部材、すなわちオス部およびメス部の接合によって得られるシールと定義する。
オス部は凹凸状の外側面を有するので、接合すると、部材間に堅い隆起部分と空隙（ラビリンス）とを作り、ガスの通過を防止する。 以下の説明において、「圧縮リングシール手段」とは、接合されたオス部とメス部の間に配置された圧縮リングによって形成されてガスの通過を防止するシールと定義する。

【００３０】このタイプのシール手段１６によって、リフォーミング装置の場合と同様に、膨張率が継続的で大きくてもガスシールを確保して、確実に長続きする膨張補整が得られる。 図３は、図２のリフォーミング装置１
の要部拡大図であって、排出用ダクト１５と管板３の管状付属物１７との間の圧縮リング型のガスシール手段１
６を示す。

【００３１】シール手段１６は、好ましくは着脱可能な手段、例えばボルト（図示せず）等によって、排出用ダクト１５の端部２１に固定された円筒状部材２０の各溝１９に収納された複数の圧縮リング１８（好ましくは少なくとも２つ）からなる。 ダクト１５（オス）と付属物１７（メス）の間に存在する圧縮リング１８は、反応済ガスが熱交換ゾーン５を通過することを防ぐとともに、
付属物１７に沿って熱膨張するダクト１５を補整する。

【００３２】図１および図２の実施例中のリフォーミング装置１のガスシール手段１６は、図３に示すタイプのものが好ましい。 ラビリンスシールに関して、圧縮リングを使用すると、より有効なガスシール（ガスの漏洩がより少ない）、より大きな構造的柔軟性（オスとメスの間の間隙は、ラビリンスシールのものより１０倍ちかく大きくなる）、シール手段のより優れたコンパクト性（同等のシールより短い）等の優れた利点が得られる。

【００３３】このことは、リフォーミング装置１の組み立ておよび調整作業がより柔軟であり、異物の混入に寛容で、リスクを負うことが少なく、オスおよびメス部の損傷および／または狂いが生じた場合でさえ、ピストンリングシール手段が優れたガスシールを確保できることを意味する。 ピストンリングシール手段の使用は、一般に、吸熱または発熱化学反応を行うための装置、例えばアンモニアまたはメタノール合成反応器等にさえ、様々な熱膨張率を有する構造的に異なる部品の間におけるガスシールを確保する手段として普及している。

【００３４】図１および図２において、矢印Ｆ１およびＦ２は、それぞれメタンおよび水蒸気（反応ガス）を含有するガス流であって、間接熱交換用の高温ガス流のリフォーミング装置１における種々の経路を示す。 本発明によるリフォーミング装置の操作を以下に示す。 以下の説明で、温度の操作条件は、１次リフォーミング装置についてのものである。

【００３５】図１に関して、３００℃〜５００℃の温度に予め加熱されたメタンおよび水蒸気（反応ガス）を含有するガス流Ｆ１は、ガス流入開口部１３を通って装置１の供給ゾーン４に供給され、５００℃〜１０００℃の温度で改質反応のための遊動頭管６（管側）を通過する。 このために、遊動頭管６には適切に触媒が充填されている。

【００３６】改質反応は、ガス流入開口部１１を通って熱交換ゾーン５に供給された９００℃〜１１００℃の温度を有する高温ガス流Ｆ２から伝えられた熱によって可能になる。 高温ガス流Ｆ２は、遊動頭管６の外側（シェル側）を流れ、３００℃〜６００℃の温度でガス流出開口部１２を通ってシェル２から排出される。 特に、高温ガス流Ｆ２は、低温の反応ガス流Ｆ１に間接的に熱交換することによって反応熱を伝える。

【００３７】改質反応から得られたＣＯ、ＣＯ ₂およびＨ ₂を含有するガス流Ｆ１は、端部８を通って遊動頭管６から排出され、チャンバー９に回収され、５００℃〜
１０００℃の温度でダクト１５およびガス流出開口部１
４を通って装置１から排出される。

【００３８】

【発明の効果】上述したように、ガス流Ｆ１は、回収された後に、ダクト１５に流入すると、遊動頭管６を通過する反応ガスとは熱的に関係せず、したがって、反応済ガスと反応ガスとの間の望ましくない熱交換が避けられる。 さらに、装置１の各部品における材質に起因する膨張率（特に遊動頭管６およびダクト１５における）、および材料にかかる熱応力は、チャンバー９およびダクト１５の特有の構造およびシール手段１６の配置により効果的に補整されるので、各部品の動きを許容するととともに望ましくないガス漏れを防ぐ。

【００３９】このシール手段を使用しても、本発明による装置の構造の簡易性に悪影響を及ぼすことはない。 図１および図２の実施例において、熱交換ゾーン５の占有率を最適にするために、遊動頭管６は管束で配置されるのが望ましい。 さらに、有効な表面積を増やして、熱交換を改善するために、管束が適切な薄板２２を具備していること、および遊動頭管６がフィンを有している（図示せず）ことが好ましい。

【００４０】アンモニア合成法では、高温ガス流Ｆ２
は、２次リフォーミングセクションにおいて生起するガス流よりなることが好ましい。 上述したように、本発明によればさまざまな利点が得られ、特に、構造的に簡略で組み立てが容易で、改質メタンを低いエネルギー消費、低い運転維持費で具現する信頼できるリフォーミング装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるリフォーミング装置の縦断面図である。

【図２】本発明の好ましい実施の形態のよる図１の装置の変形例を示す部分縦断面図である。

【図３】図２の装置の要部を拡大した縦断面図である。

【符号の説明】

１ リフォーミング装置 ２ 外側シェル ３ 管板 ４ 供給ゾーン ５ 間接熱交換ゾーン ６ 遊動頭管 ７ 第１の端部 ９ チャンバー １３ ガス流入開口部 １４ 反応済ガス流入開口部 １５ 排出用ダクト １６ ガスシール手段