特許 6897079 熱処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6897079

(24)【登録日】2021年6月14日

(45)【発行日】2021年6月30日

(54)【発明の名称】熱処理装置

(51)【国際特許分類】

   B01J 19/24 20060101AFI20210621BHJP

   F28F 1/00 20060101ALI20210621BHJP

   B01J 35/04 20060101ALI20210621BHJP

【ＦＩ】

   B01J19/24 Z

   F28F1/00 Z

   B01J35/04 311C

【請求項の数】8

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2016-238373(P2016-238373)

(22)【出願日】2016年12月8日

(65)【公開番号】特開2018-94460(P2018-94460A)

(43)【公開日】2018年6月21日

【審査請求日】2019年11月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】渋谷 秀志

(72)【発明者】

【氏名】坂倉 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】矢野 明久

(72)【発明者】

【氏名】秋田 隆仁

(72)【発明者】

【氏名】山本 大雅

(72)【発明者】

【氏名】岡 辰哉

(72)【発明者】

【氏名】宮嶋 俊二

(72)【発明者】

【氏名】武内 佑介

【審査官】 池田 周士郎

(56)【参考文献】

【文献】 実開平０５−０９０１５５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 国際公開第２０１４／１０９２３６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２０１６−５０８１１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２３６２１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２１５３３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／００８９３４６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１６−０４０２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２７２８４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｊ １９／００−１９／３２

Ｆ２８Ｆ １／００− １／４４

Ｂ０１Ｊ ３５／００−３５／１２

Ｆ２８Ｄ ７／００− ７／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１流体と第２流体とを流通させる熱処理装置であって、
前記第１流体を流通させる第１流路と、前記第２流体を流通させる第２流路とを含む熱交換部と、
前記第１流路に取り外し可能に設置された伝熱構造体と、
前記第１流路の入口側又は出口側に連設され、経過時間の基準条件となる前記第１流体の温度、流量又は組成を特定するための情報を取得する第１情報取得部と、
前記第１流路の出口側に連設され、前記経過時間ごとに前記第１流体の温度、流量又は組成を特定するための情報を取得する第２情報取得部と、
前記第１情報取得部及び前記第２情報取得部により取得された情報により特定された温度、流量又は組成に基づいて、前記経過時間に対する交換熱量、反応率又は収率を求め、該交換熱量、該反応率又は該収率に基づいて、前記伝熱構造体の使用寿命を予測する制御部と、
を有する熱処理装置。

【請求項2】

前記第１流体は、熱媒体であり、
前記伝熱構造体は、伝熱促進体である、
請求項１に記載の熱処理装置。

【請求項3】

前記第２情報取得部は、前記第１流路から排出された前記第１流体の温度を計測する第２温度計測部であり、
前記制御部は、
前記経過時間ごとに前記第２温度計測部が計測した温度を記憶し、
前記第２温度計測部が計測した温度に基づいて、前記経過時間ごとの前記交換熱量を求め、
前記経過時間と前記交換熱量との関係を示す第１近似式を求め、
前記第１近似式に、予め規定された、前記伝熱促進体の交換を要する時の前記交換熱量の閾置を適用することで、前記伝熱促進体の使用寿命を予測する、
請求項２に記載の熱処理装置。

【請求項4】

前記第１情報取得部は、前記第１流路に導入される前記第１流体の温度を計測する第１温度計測部と、前記第１流路に導入される前記第１流体の流量を計測する流量計測部とであり、
前記制御部は、前記第１温度計測部が計測した温度及び前記流量計測部が計測した流量に基づいて、前記基準条件が満たされていることを確認する、
請求項３に記載の熱処理装置。

【請求項5】

前記第１流体は、反応流体であり、
前記伝熱構造体は、触媒体である、
請求項１に記載の熱処理装置。

【請求項6】

前記第２情報取得部は、前記第１流路から排出された前記第１流体の組成を分析する組成分析部であり、
前記制御部は、
前記経過時間ごとに前記組成分析部が分析した組成を記憶し、
前記組成分析部が分析した組成に基づいて、前記経過時間ごとの前記反応率又は前記収率を求め、
前記経過時間と前記反応率又は前記収率との関係を示す第２近似式を求め、
前記第２近似式に、予め規定された、前記触媒体の交換を要する時の前記反応率又は前記収率の閾置を適用することで、前記触媒体の使用寿命を予測する、
請求項５に記載の熱処理装置。

【請求項7】

前記第１情報取得部は、前記第１流路から排出された前記第１流体の温度を計測する第３温度計測部であり、
前記制御部は、前記第３温度計測部が計測した温度に基づいて、前記基準条件が満たされていることを確認する、
請求項６に記載の熱処理装置。

【請求項8】

前記熱交換部は、伝熱体からなり、
前記第１流路及び前記第２流路は、前記伝熱体に形成されている溝又は貫通孔である、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱交換型の熱処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、熱交換型の熱処理装置として、反応体としての反応原料を含んだ気体又は液体の反応流体を、熱媒体を用いて加熱又は冷却することで、反応体の反応を進行させる反応装置がある。さらに、反応装置の１つとして、例えば、反応流体を流通させる反応流路を有する第１伝熱体と、熱媒体を流通させる熱媒体流路を有する第２伝熱体とが積層されている熱交換部を含む、いわゆる積層型の反応装置がある。

【0003】

積層型の反応装置では、熱交換性能を向上又は維持させるための伝熱構造体として、熱媒体流路には、熱媒体流路を流通する熱媒体と、熱媒体流路が形成されている第２伝熱体との間の伝熱を促進するための伝熱促進体が設置される場合がある。同様に、反応流路には、反応を促進させるための触媒体が設置される場合がある。ここで、伝熱促進体は、反応処理時には例えば高温環境に置かれることから、時間の経過に伴う劣化は避けられない。同様に、触媒体についても、反応処理が続ければ、触媒部分の減少は避けられない。すなわち、伝熱促進体及び触媒体には、それ以上使用すると本来の用途に適さなくなる状態、いわゆる使用寿命がある。

【0004】

ある装置を構成する要素の使用寿命への対処として、熱処理装置とは異なる産業装置ではあるが、特許文献１は、セラミックス焼結体の寿命を予測する装置を開示している。この装置では、焼結体の内部に導電回路が設置されており、この導電回路の抵抗値の変化に基づいて、焼結体の寿命が予測される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平６−１０２２２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来、上記のような伝熱促進体等を用いる熱処理装置では、伝熱促進体等の使用寿命を予測する方法又は装置が存在せず、多くの場合、作業者の経験に基づいておおよその時期に伝熱促進体等の交換が行われている。したがって、交換時期は作業者によって異なり、毎回最適な時期に交換されるとは限らない。例えば、ある作業者が早い時期に交換してしまうと、伝熱促進体等はその能力を余したまま廃棄されることになる。一方、別の作業者が遅い時期に交換してしまうと、熱処理装置の性能が低下して運転費用が増加するなど、経済的損失が生じ得る。

【0007】

これに対して、特許文献１に開示されている技術等を熱処理装置に適用することも考えられる。しかし、特許文献１の技術では、予測対象とされる物体に予め導電回路を設置しておく必要があり、予測対象自体の構造が複雑化する。その一方で、特許文献１で予測対象とされている物体は、伝熱促進体等のような消耗品としての伝熱構造体とはその位置づけが根本的に異なるため、特許文献１の技術をそのまま反応装置等の熱処理装置に適用することは難しい。

【0008】

そこで、本発明は、流路中に設置される熱交換性能を向上又は維持させるための伝熱構造体の使用寿命を予測するのに有利な熱処理装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一態様によれば、第１流体と第２流体とを流通させる熱処理装置であって、第１流体を流通させる第１流路と、第２流体を流通させる第２流路とを含む熱交換部と、第１流路に取り外し可能に設置された伝熱構造体と、第１流路の入口側又は出口側に連設され、経過時間の基準条件となる第１流体の温度、流量又は組成を特定するための情報を取得する第１情報取得部と、第１流路の出口側に連設され、経過時間ごとに第１流体の温度、流量又は組成を特定するための情報を取得する第２情報取得部と、第１情報取得部及び第２情報取得部により取得された情報により特定された温度、流量又は組成に基づいて、経過時間に対する交換熱量、反応率又は収率を求め、該交換熱量、該反応率又は該収率に基づいて、伝熱構造体の使用寿命を予測する制御部と、を有する。

【0010】

また、上記の熱処理装置において、第１流体は、熱媒体であり、伝熱構造体は、伝熱促進体であるものとしてもよい。このとき、第２情報取得部は、第１流路から排出された第１流体の温度を計測する第２温度計測部であり、制御部は、経過時間ごとに第２温度計測部が計測した温度を記憶し、第２温度計測部が計測した温度に基づいて、経過時間ごとの前記交換熱量を求め、経過時間と交換熱量との関係を示す第１近似式を求め、第１近似式に、予め規定された、伝熱促進体の交換を要する時の交換熱量の閾置を適用することで、伝熱促進体の使用寿命を予測するものとしてもよい。また、第１情報取得部は、第１流路に導入される第１流体の温度を計測する第１温度計測部と、第１流路に導入される第１流体の流量を計測する流量計測部とであり、制御部は、第１温度計測部が計測した温度及び流量計測部が計測した流量に基づいて、基準条件が満たされていることを確認するものとしてもよい。

【0011】

また、上記の熱処理装置において、第１流体は、反応流体であり、伝熱構造体は、触媒体であるものとしてもよい。このとき、第２情報取得部は、第１流路から排出された第１流体の組成を分析する組成分析部であり、制御部は、経過時間ごとに組成分析部が分析した組成を記憶し、組成分析部が分析した組成に基づいて、経過時間ごとの反応率又は収率を求め、経過時間と反応率又は収率との関係を示す第２近似式を求め、第２近似式に、予め規定された、触媒体の交換を要する時の反応率又は収率の閾置を適用することで、触媒体の使用寿命を予測するものとしてもよい。また、第１情報取得部は、第１流路から排出された第１流体の温度を計測する第３温度計測部であり、制御部は、第３温度計測部が計測した温度に基づいて、基準条件が満たされていることを確認するものとしてもよい。

【0012】

さらに、上記の熱処理装置において、熱交換部は、伝熱体からなり、第１流路及び第２流路は、伝熱体に形成されている溝又は貫通孔であるものとしてもよい。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、流路中に設置される熱交換性能を向上又は維持させるための伝熱構造体の使用寿命を予測するのに有利な熱処理装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の第１実施形態に係る反応装置の第２流路に関する構成を示す図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る反応装置の第１流路に関する構成を示す図である。

【図3】反応部の構成を示す側面図である。

【図4】反応部における第１伝熱体を含む部位の構成及び形状を示す平面図である。

【図5】反応部における第２伝熱体を含む部位の構成及び形状を示す平面図である。

【図6】反応部における各流路の形状及び配置等を示す断面図である。

【図7】伝熱促進体の使用寿命の予測に用いられる近似曲線を例示するグラフである。

【図8】触媒体の使用寿命の予測に用いられる近似曲線を例示するグラフである。

【図9】本発明の第２実施形態に係る反応装置の第１流路に関する構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ここで、各実施形態に示す寸法、材料、その他、具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。また、実質的に同一の機能及び構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、本発明に直接関係のない要素については、図示を省略する。さらに、以下の各図では、鉛直方向にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内において、後述する第１及び第２流路の反応領域の延設方向にＹ軸を取り、かつ、Ｙ軸に垂直な方向にＸ軸を取る。

【0016】

また、各実施形態で例示する熱処理装置は、第１流体と第２流体との熱交換を利用し、反応体としての反応原料を含んだ気体又は液体の反応流体を加熱又は冷却することで、反応体の反応を進行させる反応装置であるものとする。また、各実施形態では、第１流体として反応流体を想定し、第２流体として熱媒体を想定する。より具体的には、以下で詳説する反応部１０１に供給される反応流体を原料ガスＭとし、生成物を含み、反応処理後に反応部１０１から排出される第３流体を反応ガスＰとする。一方、熱媒体ＨＣは、加熱流体であって、反応部１０１に供給される加熱流体を加熱ガスＨＣ１とし、反応部１０１から排出される加熱流体を加熱排ガスＨＣ２とする。

【0017】

（第１実施形態）
図１及び図２は、本発明の第１実施形態に係る反応装置１００の構成を示す概略図である。特に、図１では、以下で詳説する熱交換部３に含まれる第２流路３１に連通する加熱ガスＨＣ１又は加熱排ガスＨＣ２の流通配管に関連する構成を示す。一方、図２では、熱交換部３に含まれる第１流路１７に連通する原料ガスＭ又は反応ガスＰの流通配管に関連する構成を示す。反応装置１００は、反応部１０１と、それぞれ不図示であるが、反応部１０１に原料ガスＭを供給する第１ガス供給部と、反応部１０１に加熱ガスＨＣ１を供給する第２ガス供給部１０２とを有する。

【0018】

図３は、反応部１０１の構成を示す側面図である。反応部１０１は、原料ガスＭから生成物を生成する反応処理を行うものであり、本体部としての熱交換部３を備える。

【0019】

熱交換部３は、反応流体が流通する反応流路を有する複数の第１伝熱体７と、熱媒体が流通する熱媒体流路を有する複数の第２伝熱体９と、蓋体３９とを含み、反応流体と熱媒体とが互いに反対方向に流れる対向流型の構造を有する。第１伝熱体７、第２伝熱体９及び蓋体３９は、それぞれ、耐熱性を有する熱伝導性素材で形成された平板状部材である。

【0020】

図４は、図３におけるＡ−Ａ部に対応した、第１伝熱体７を含む部位の構成及び形状を示す平面図である。第１伝熱体７は、反応領域を含む反応流路としての複数の第１流路１７を有する。第１流路１７は、その中間部分を反応領域とし、後述の第２伝熱体９内の第２流路を流通する熱媒体から供給された熱を受容して原料ガスＭを反応させ、生成物を生成する。第１流路１７は、それぞれ、Ｚ方向の上方を開として、第１伝熱体７の一方の第１側面で開放され、原料ガスＭが導入される第１導入口２０から、Ｙ方向に沿って他方の第２側面の直前まで直線状に伸び、流路断面を矩形とした溝である。これらの第１流路１７は、Ｘ方向に等間隔に配設されている。なお、図１及び図２では、説明の簡略化のために、反応部１０１に含まれる熱交換部３内に第１流路１７を１つのみ示している。

【0021】

第１伝熱体７は、第１基部１１と、２つの第１側壁１３と、複数の第１中間壁１５と、第１隔壁１９とを含む。第１基部１１は、第１伝熱体７のＸＹ平面全体を網羅する矩形板状の壁部である。第１側壁１３は、第１基部１１のＺ方向に垂直な主表面の片面上で、第１流路１７の延伸方向の左右端にそれぞれ設けられる壁部である。複数の第１中間壁１５は、第１基部１１の主表面の片面上で、２つの第１側壁１３に挟まれ、それぞれ、第１側壁１３と並列に、かつ、等間隔で設けられる壁部である。また、第１隔壁１９は、第１基部１１の主表面の片面上の第２側面側で、第１流路１７の延設方向に対して垂直方向となるＸ方向に沿って設けられる。第１流路１７が第２側面まで延伸すると、加熱ガスＨＣ１が導入されている後述の第２空間Ｓ２に突き当たる。そこで、第１隔壁１９は、複数の第１流路１７を流通してきた加熱ガスＨＣ１の進行方向を変化させる。さらに、第１側壁１３、第１中間壁１５及び第１隔壁１９の各壁部のＺ方向の高さは、同一である。

【0022】

また、第１伝熱体７は、第１隔壁１９の内側面に沿って延設された第１連絡流路２３を有する。第１連絡流路２３は、すべての第１流路１７に連通するとともに、一方の端部が第１側壁１３の一方に設けられた、生成物を第１伝熱体７の外部に排出するための第１排出口２１に連通する。なお、ここでは、流路の形状を説明するために、第１流路１７とは別に、第１連絡流路２３を示している。しかし、第１連絡流路２３は、原料ガスＭ及び生成物を流通させるという流路の機能としては、第１流路１７の一種であり、特別な差異はない。また、第１排出口２１から排出される反応ガスＰには、第１流路１７内で生成された生成物が含まれるが、反応に用いられなかった原料ガスＭも含まれる場合もある。

【0023】

図５は、図３におけるＢ−Ｂ部に対応した、第２伝熱体９を含む部位の構成及び形状を示す平面図である。第２伝熱体９は、熱媒体流路としての複数の第２流路３１を有する。第２流路３１は、加熱ガスＨＣ１から供給された熱を、外部すなわち第１伝熱体７に向けて供給する。第２流路３１は、それぞれ、Ｚ方向の上方を開として、第２伝熱体９の一方の第１側面で開放され、加熱ガスＨＣ１が導入される第２導入口３０から、Ｙ方向に沿って他方の第２側面の直前まで直線状に伸び、流路断面を矩形とした溝である。ただし、第２伝熱体９でいう第１側面は、第１伝熱体７でいう第１側面とは、Ｙ方向で反対となる。これらの第２流路３１も、第１流路１７と同様に、Ｘ方向に等間隔に配設されている。なお、図１及び図２では、説明の簡略化のために、反応部１０１に含まれる熱交換部３内に第２流路３１を１つのみ示している。

【0024】

第２伝熱体９は、第２基部２５と、２つの第２側壁２７と、複数の第２中間壁２９と、第２隔壁３３とを含む。第２基部２５は、第２伝熱体９のＸＹ平面全体を網羅する矩形板状の壁部である。第２側壁２７は、第２基部２５のＺ方向に垂直な主表面の片面上で、第２流路３１の延伸方向の左右端にそれぞれ設けられる壁部である。複数の第２中間壁２９は、第２基部２５の主表面の片面上で、２つの第２側壁２７に挟まれ、それぞれ、第２側壁２７と並列に、かつ、等間隔で設けられる壁部である。また、第２隔壁３３は、第２基部２５の主表面の片面上の第２側面側で、第２流路３１の延設方向に対して垂直方向となるＸ方向に沿って設けられる。第２流路３１が第２側面まで延伸すると、原料ガスＭが導入されている後述の第１空間Ｓ１に突き当たる。そこで、第２隔壁３３は、複数の第２流路３１を流通してきた加熱ガスＨＣ１の進行方向を変化させる。さらに、第２側壁２７、第２中間壁２９及び第２隔壁３３の各壁部のＺ方向の高さは、同一である。

【0025】

また、第２伝熱体９は、第２隔壁３３の内側面に沿って延設された第２連絡流路３７を有する。第２連絡流路３７は、すべての第２流路３１に連通するとともに、一方の端部が第２側壁２７の一方に設けられた、加熱排ガスＨＣ２を第２伝熱体９の外部に排出するための第２排出口３５に連通する。

【0026】

図６は、図３におけるＣ−Ｃ部に対応した、第１伝熱体７の第１流路１７及び第２伝熱体９の第２流路３１の形状及び配置を示す熱交換部３の断面図である。Ｚ方向の最上部を蓋体３９とし、蓋体３９の下方に向かって第２伝熱体９と第１伝熱体７とを交互に積層し接合することで、接合体又は積層体としての熱交換部３が形成される。このとき、第１流路１７と第２流路３１とは、第１基部１１又は第２基部２５を介して非接触で隣り合う。熱交換部３の組み立ての際には、各部材間をＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接や拡散接合等のような接合方法を利用して固着させることで、各部材間の接触不良に起因する伝熱性の低下等が抑止される。

【0027】

熱交換部３を構成する各要素の熱伝導性素材としては、鉄系合金やニッケル合金等の耐熱性金属が好適である。具体的には、ステンレス綱等の鉄系合金、インコネル６２５（登録商標）、インコネル６１７（登録商標）、Ｈａｙｎｅｓ２３０（登録商標）等のニッケル合金のような耐熱合金が挙げられる。これらの熱伝導性素材は、第１流路１７での反応進行や熱媒体として使用し得る流体に対する耐久性又は耐食性を有するので好ましいが、これらに限定されるものではない。また、鉄系メッキ鋼や、フッ素樹脂等の耐熱樹脂で被覆した金属、又は、カーボングラファイト等でもよい。

【0028】

なお、熱交換部３は、少なくとも１つの第１伝熱体７と第２伝熱体９との一対の組で構成可能である。ただし、熱交換性能を向上させる観点から、伝熱体の数は、各図に例示しているように多い方が望ましい。また、１つの第１伝熱体７に形成される第１流路１７、及び、１つの第２伝熱体９に形成される第２流路３１の数も、特に限定されるものではなく、熱交換部３の設計条件や伝熱効率などを考慮して適宜変更可能である。さらに、熱交換部３からの放熱を抑制して熱損失を抑えるために、ハウジング又は断熱材で熱交換部３の周囲を覆う構成としてもよい。

【0029】

また、第１流路１７には、反応を促進させるための触媒体４１を、取り出し可能に設置してもよい。触媒体４１は、第１流路１７に設置されていない状態に比べて、熱交換部３による熱交換性能を向上又は維持させる伝熱構造体の１つである。触媒体４１に含まれる触媒は、化学反応の進行促進に有効な活性金属を主成分として有し、反応部１０１で遂行する合成反応に基づいて、反応促進に適したものが適宜選択される。触媒成分である活性金属としては、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）等が挙げられ、１種、又は、反応促進に有効である限り、複数種を組み合わせて使用してもよい。触媒体４１は、例えば、触媒を構造材に担持することにより調製される。構造材は、耐熱性の金属から、成形加工が可能で、触媒の担持が可能なものが選択される。構造体、すなわち触媒体４１の形状は、反応流体との接触面積を増加させるために、断面が波状に丸く湾曲したコルゲート板状やギザギザに屈曲した形状などがあり得る。耐熱性の金属としては、Ｆｅ（鉄）、Ｃｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）等の金属の１種又は複数種を主成分とする耐熱合金がある。例えば、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ（登録商標）等の耐熱合金製の薄板状構造材を成形加工して触媒体４１を構成してもよい。触媒の担持方法としては、表面修飾等によって構造材上に直接担持する方法や、担体を用いて間接的に担持する方法などがあり、実用的には、担体を用いた触媒の担持が容易である。担体は、反応部１０１で実施する反応を考慮して、反応の進行を阻害せず耐久性を有する材料であって、使用する触媒を良好に担持し得るものが適宜選択される。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）等の金属酸化物が挙げられ、１種又は複数種を選択して担体として使用することができる。担体を用いた担持方法としては、例えば、成形した構造材の表面に触媒と担体との混合物層を形成する方式や、担体層を形成した後に表面修飾等によって触媒を担持させる方式などが挙げられる。

【0030】

さらに、第２流路３１には、熱媒体との接触面積を増加させて熱媒体と第２伝熱体９との間の伝熱を促進するための伝熱促進体４３を、取り出し可能に設置してもよい。伝熱促進体４３も、第２流路３１に設置されていない状態に比べて、熱交換部３による熱交換性能を向上又は維持させる伝熱構造体の１つである。伝熱促進体４３は、いわゆる伝熱フィンであり、第２伝熱体９との接触面積を確保するために、コルゲート板状とし得る。また、伝熱促進体４３を構成する熱伝導性素材としては、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、鉄系メッキ鋼等の金属が挙げられる。

【0031】

さらに、反応部１０１は、反応流体導入部４５及び生成物排出部４９と、熱媒体導入部５３及び熱媒体排出部５７とを備える。

【0032】

反応流体導入部４５は、凹状に湾曲した筐体であり、複数の第１流路１７の第１導入口２０が開放されている熱交換部３の側面を覆い、熱交換部３との間に第１空間Ｓ１を形成する。反応流体導入部４５は、熱交換部３に対して着脱可能又は開閉可能に設置される。この着脱等により、例えば、作業者が第１流路１７に対する触媒体４１の挿入や抜き出しを行うことができる。また、反応流体導入部４５は、不図示の第１ガス供給部から原料ガスＭを導入する第１導入配管４７を有する。第１導入配管４７は、熱交換部３の側面に対して中心、具体的にはＸＺ平面上の中心に位置し、複数の第１導入口２０の開口方向と同一方向に連接されている。このような構成により、１箇所から導入された原料ガスＭは、複数の第１導入口２０のそれぞれに分配される。

【0033】

生成物排出部４９は、１つの開放面を有する箱状の筐体であり、第１伝熱体７の第１排出口２１に開放面が合うように、熱交換部３の第３側面に設置される。また、生成物排出部４９は、その壁部の１箇所に、生成物を含む反応ガスＰを反応部１０１の外部へ排出する第１排出配管５１を有する。第１排出配管５１は、不図示であるが、反応ガスＰに対して後処理等を行う別の処理器に接続されている。このような構成により、複数の第１排出口２１のそれぞれから排出された反応ガスＰは、１箇所の第１排出配管５１を通じて回収される。

【0034】

熱媒体導入部５３は、反応流体導入部４５と同様に、凹状に湾曲した筐体であり、複数の第２流路３１の第２導入口３０が開放されている熱交換部３の側面を覆い、熱交換部３との間に第２空間Ｓ２を形成する。熱媒体導入部５３は、熱交換部３に対して着脱可能又は開閉可能に設置される。この着脱等により、例えば、作業者が第２流路３１に対する伝熱促進体４３の挿入や抜き出しを行うことができる。また、熱媒体導入部５３は、第２ガス供給部１０２から加熱ガスＨＣ１を導入する第２導入配管５５を有する。第２導入配管５５は、熱交換部３の側面に対して中心、具体的にはＸＺ平面上の中心に位置し、複数の第２導入口３０の開口方向と同一方向に連接されている。このような構成により、１箇所から導入された加熱ガスＨＣ１は、複数の第２導入口３０のそれぞれに分配される。

【0035】

熱媒体排出部５７は、生成物排出部４９と同様に、１つの開放面を有する箱状の筐体であり、第２伝熱体９の第２排出口３５に開放面が合うように、熱交換部３の第３側面に設置される。また、熱媒体排出部５７は、その壁部の１箇所に、加熱排ガスＨＣ２を反応部１０１の外部へ排出する第２排出配管５９を有する。第２排出配管５９は、不図示であるが、加熱排ガスＨＣ２を再利用するための別の処理器に接続されている。このような構成により、複数の第２排出口３５のそれぞれから排出された加熱排ガスＨＣ２は、１箇所の第２排出配管５９通じて回収される。

【0036】

熱交換部３は、液−液型熱交換器、気−気型熱交換器及び気−液型熱交換器のいずれとしても使用可能であり、反応部１０１に供給する反応流体及び熱媒体は、気体及び液体のいずれであってもよい。また、反応部１０１は、吸熱反応や発熱反応など様々な熱的反応による化学合成を可能とする。そのような熱的反応による合成として、例えば、式（１）で示すメタンの水蒸気改質反応、式（２）で示すメタンのドライリフォーミング反応のような吸熱反応、式（３）で示すシフト反応、式（４）で示すメタネーション反応、式（５）で示すフィッシャー−トロプシュ（Fischer tropsch）合成反応等の発熱反応による合成がある。なお、これらの反応における反応流体は、気体状である。

【0037】

ＣＨ₄ ＋ Ｈ₂Ｏ → ３Ｈ₂ ＋ ＣＯ ・・・（１）
ＣＨ₄ ＋ ＣＯ₂ → ２Ｈ₂ ＋ ２ＣＯ ・・・（２）
ＣＯ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂ ・・・（３）
ＣＯ ＋ ３Ｈ₂ → ＣＨ₄ ＋ Ｈ₂Ｏ ・・・（４）
（２ｎ＋１）Ｈ₂ ＋ ｎＣＯ → Ｃ_nＨ_2n+2 ＋ ｎＨ₂Ｏ ・・・（５）

【0038】

一方、熱媒体としては、反応部１０１の構成素材を腐食させない物質が好適であり、本実施形態のように加熱ガスである場合には、燃焼ガス、加熱空気等の気体状物質が使用できる。なお、例えば、水、油等の液状物質であってもよい。ただし、熱媒体として気体状物質を使用すると、液体媒体を使用する場合と比較して、取り扱いが容易である。

【0039】

また、反応装置１００の構成要素として、不図示の第１ガス供給部は、第１導入配管４７に連設され、反応部１０１内の第１流路１７に向けて原料ガスＭを供給する。以下、第１導入配管４７を通過する、反応部１０１への導入前の原料ガスＭの温度を「Ｔｅ１」と表記する。

【0040】

また、不図示の第２ガス供給部は、第２導入配管５５に連設され、反応部１０１内の第２流路３１に向けて加熱ガスＨＣ１を供給する。第２ガス供給部は、例えば、加熱ガスＨＣ１が燃焼ガスである場合には、燃料と空気とを適宜混合させて燃焼ガスを生成する燃焼器を備える。

【0041】

また、図１に示すように、反応装置１００は、それぞれ第２導入配管５５に設置され、管内を流れる加熱ガスＨＣ１の温度を計測する第１温度計測部７０と、加熱ガスＨＣ１の流量を計測する流量計測部７１とを含む。以下、第１温度計測部７０が計測した、第２導入配管５５を通過する反応部１０１への導入前の加熱ガスＨＣ１の温度を「Ｔｅ３」と表記する。また、このとき流量計測部７１が計測した、加熱ガスＨＣ１の流量を「Ｆ」と表記する。

【0042】

また、反応装置１００は、第２排出配管５９に設置され、管内を流れる加熱排ガスＨＣ２の温度を計測する第２温度計測部７２を含む。以下、第２温度計測部７２が計測した加熱排ガスＨＣ２の温度を「Ｔｅ４」と表記する。

【0043】

また、図２に示すように、反応装置１００は、それぞれ第１排出配管５１に設置され、管内を流れる反応ガスＰの温度を計測する第３温度計測部７３と、反応ガスＰの組成を分析する組成分析部７４とを含む。以下、第３温度計測部７３が計測した反応ガスＰの温度を「Ｔｅ２」と表記し、このときの反応率を「ｒ」と表記する。

【0044】

組成分析部７４は、例えばガスクロマトグラフである。ガスクロマトグラフは、クロマトグラフィー手法により化合物の同定や定量を行う分析機器である。ガスクロマトグラフは、固定相と移動相とが気体である場合に適用可能であるので、本実施形態のように反応ガスＰに含まれる生成物の組成分析には好適である。

【0045】

さらに、反応装置１００は、反応装置１００の全般の動作を制御する制御部１０３を有する。特に本実施形態では、制御部１０３は、第１温度計測部７０と、第２温度計測部７２と、第３温度計測部７３と、流量計測部７１と、組成分析部７４とに、それぞれ電気的に接続されている。そして、制御部１０３は、下記のように、伝熱促進体４３及び触媒体４１の使用寿命を予測する。

【0046】

次に、本実施形態による作用について説明する。

【0047】

まず、第１の作用として、図１等を参照し、伝熱促進体４３の使用寿命の予測について説明する。制御部１０３は、第１温度計測部７０、流量計測部７１及び第２温度計測部７２のそれぞれから得られた温度又は流量に関する情報に基づいて、伝熱促進体４３の使用寿命を予測する。まず、作業者は、伝熱促進体４３の使用寿命の予測を制御部１０３に開始させるに際し、予測のための経時計測の基準とする条件を規定する。本実施形態では、一例として、加熱ガスＨＣ１の温度Ｔｅ３を８７５（°Ｃ）、加熱ガスＨＣ１の流量Ｆを３９６００（ｋｇ／ｈ）、比熱Ｃ_ｐを１．２（ｋＪ／（ｋｇ・°C））と規定し、この規定条件を経時計測のための基準条件とする。

【0048】

次に、制御部１０３は、反応装置１００を運転状態とし、第１温度計測部７０から温度に関する情報を取得し、加熱ガスＨＣ１の温度Ｔｅ３が、予め規定された上記の温度になっていることを確認する。また、制御部１０３は、流量計測部７１から流量に関する情報を取得し、加熱ガスＨＣ１の流量Ｆが、予め規定された上記の流量になっていることを確認する。すなわち、伝熱促進体４３の使用寿命を予測する場合には、第１温度計測部７０と、流量計測部７１とが、経過時間の基準条件となる情報を取得する第１情報取得部に相当する。

【0049】

次に、制御部１０３は、基準条件が満たされていることを確認した後、反応処理を行う通常運転を開始する。そして、制御部１０３は、運転開始から、例えば、５００，４０００，８０００，１２０００及び１６０００（時間）経過したときに、その都度、第２温度計測部７２から加熱排ガスＨＣ２の温度に関する情報を取得し、そのときの温度Ｔｅ４を記憶する。すなわち、伝熱促進体４３の使用寿命を予測する場合には、第２温度計測部７２が、経過時間ごとに情報を取得する第２情報取得部に相当する。そして、各経過時間で計測された温度Ｔｅ４は、それぞれ、６０９．８，６１２．０，６１１．１，６１７．４及び６１９．０（°Ｃ）である。

【0050】

次に、制御部１０３は、計測された加熱排ガスＨＣ２の温度Ｔｅ４に基づいて、そのときの交換熱量ｑを求める。交換熱量ｑは、式（６）を用いて求めることができる。

【0051】

ｑ＝ｗ・Ｃ_ｐ・ΔＴ ・・・（６）
ただし、ｗは質量流量であり、Ｃ_ｐは比熱であり、ΔＴは、加熱ガスＨＣ１の温度Ｔｅ３と加熱排ガスＨＣ２の温度Ｔｅ４との差である。

【0052】

式（６）より得られた各経過時間での交換熱量ｑは、それぞれ、３５０１，３４７２，３４８３，３４００及び３３７９（ｋＷ）である。そして、制御部１０３は、これらの値を用いて、経過時間ｔと交換熱量ｑとの関係を示す近似式を求める。ここで得られた近似式は、式（７）で表される。

【0053】

【数1】

【0054】

図７は、この場合の経過時間ｔ（ｈ）と交換熱量ｑ（ｋW）との関係を示すグラフである。図７では、各経過時間ｔでの交換熱量ｑを計測値として記載するとともに、それらの値を用いて求められた式（８）を近似曲線として記載している。

【0055】

ここで、伝熱促進体４３の交換を要する時の交換熱量ｑの閾置を、例えば３３００（ｋＷ）と規定する。この閾値は、予め作業者により規定されるものであり、制御部１０３に記憶されている。そして、制御部１０３は、この閾値を式（７）に適用し、図７に示すように、このときの時間ｔ_１を求める。この例では、得られた時間ｔ_１は、２０８３３時間となり、この時間が、反応装置１００を予め規定された条件の下で反応処理を行わせた場合の伝熱促進体４３の使用寿命となる。なお、作業者は、この場合の使用寿命を認識することで、例えば、反応装置１００が現時点で１６０００時間運転していたとすると、伝熱促進体４３の残りの使用可能時間が４８３３時間であると推測することができる。

【0056】

次に、第２の作用として、図２等を参照し、触媒体４１の使用寿命の予測について説明する。制御部１０３は、第３温度計測部７３から得られた温度に関する情報、及び、組成分析部７４で分析された反応ガスＰ中の生成物の組成に基づいて、触媒体４１の使用寿命を予測する。まず、作業者は、触媒体４１の使用寿命の予測を制御部１０３に開始させるに際し、予測のための経時計測の基準とする条件を規定する。本実施形態では、一例として、反応ガスＰの温度Ｔｅ２を８５０（°Ｃ）と規定し、この規定条件を経時計測のための基準条件とする。

【0057】

次に、制御部１０３は、反応装置１００を運転状態とし、第３温度計測部７３から温度に関する情報を取得し、反応ガスＰの温度Ｔｅ２が、予め規定された上記の温度になっていることを確認する。すなわち、触媒体４１の使用寿命を予測する場合には、第３温度計測部７３が、経過時間の基準条件となる情報を取得する第１情報取得部に相当する。

【0058】

次に、制御部１０３は、基準条件が満たされていることを確認した後、反応処理を行う通常運転を開始する。そして、制御部１０３は、運転開始から、例えば、５００，４０００，８０００，１２０００及び１６０００（時間）経過したときに、その都度、組成分析部７４に、反応ガスＰの組成を分析させ、それらの情報を記憶する。すなわち、触媒体４１の使用寿命を予測する場合には、組成分析部７４が、経過時間ごとに情報を取得する第２情報取得部に相当する。そして、[表１]は、各経過時間で特定された反応ガスＰの組成を示す表である。

【0059】

【表1】

【0060】

次に、制御部１０３は、特定された反応ガスＰの組成に基づいて、そのときの反応率ｒを求める。ここで、反応率とは、一般的な反応装置でいう反応率と異なるところはなく、原料ガスＭに含まれる原料の量に対する、反応ガスＰに生成物として含まれる原料、すなわち実際に生成物を生成するための反応に用いられた原料の量をいう。この反応率を本実施形態に適合させると、本実施形態における反応率ｒは、式（８）で表される。なお、反応率は、反応の種類により異なるものであり、例えば、複数の反応が同時に行われる場合には、それら反応の選択率を踏まえて求められた収率等を考慮し、適宜決定される。

【0061】

反応率＝（ＣＯ濃度＋ＣＯ_２濃度）／（ＣＯ濃度＋ＣＯ_２濃度＋ＣＨ_４濃度）×１００
・・・（８）
式（８）より得られた各経過時間での反応率ｒは、それぞれ、８６．０、８４．６、８５．１、８４．１及び８２．５（％）となる。そして、制御部１０３は、これらの値を用いて、経過時間ｔと反応率ｒとの関係を示す近似式を求める。ここで得られた近似式は、式（９）で表される。

【0062】

【数2】

【0063】

図８は、この場合の経過時間ｔ（ｈ）と反応率ｒ（％）との関係を示すグラフである。図８では、各経過時間ｔでの反応率ｒを計測値として記載するとともに、それらの値を用いて求められた式（９）を近似曲線として記載している。

【0064】

ここで、触媒体４１の交換を要する時の反応率ｒの閾置を、例えば８０（％）と規定する。この閾値は、予め作業者により規定されるものであり、制御部１０３に記憶されている。そして、制御部１０３は、この閾値を式（９）に適用し、図８に示すように、このときの時間ｔ_２を求める。この例では、得られた時間ｔ_２は、２２７３８時間となり、この時間が、反応装置１００を予め規定された条件の下で反応処理を行わせた場合の触媒体４１の使用寿命となる。なお、作業者は、この場合の使用寿命を認識することで、例えば、反応装置１００が現時点で１６０００時間運転していたとすると、触媒体４１の残りの使用可能時間が６７３８時間であると推測することができる。

【0065】

次に、本実施形態による効果について説明する。

【0066】

まず、本実施形態に係る熱処理装置は、第１流体と第２流体とを流通させる熱処理装置であって、第１流体を流通させる第１流路と、第２流体を流通させる第２流路とを含む熱交換部３と、第１流路に取り外し可能に設置され、設置された伝熱構造体と、第１流路の入口側又は出口側に連設され、経過時間の基準条件となる第１流体の温度、流量又は組成を特定するための情報を取得する第１情報取得部と、第１流路の出口側に連設され、経過時間ごとに第１流体の温度、流量又は組成を特定するための情報を取得する第２情報取得部と、第１情報取得部及び第２情報取得部により取得された情報により特定された温度、流量又は組成に基づいて、経過時間に対する交換熱量、反応率又は収率を求め、該交換熱量、該反応率又は該収率に基づいて、伝熱構造体の使用寿命を予測する制御部１０３と、を有する。

【0067】

ここでいう第１流体又は第２流体に対応する流体が具体的に何であるかは、適用される熱処理装置の種類と、使用寿命の予測対象である伝熱構造体が何であるかとにより変化する。まず、適用される熱処理装置が、上記の例示のとおり反応装置１００であると想定する。このとき、予測対象の伝熱構造体が伝熱促進体４３である場合、第１流体は、伝熱促進体４３に接触する熱媒体であり、第２流体は反応流体である。一方、予測対象の伝熱構造体が触媒体４１である場合、第１流体は、触媒体４１に接触する反応流体であり、第２流体は熱媒体である。なお、反応装置の種類によっては、第１流体が反応流体であっても、第２流体も反応流体である場合もあり得る。

【0068】

また、ここでいう第１流路及び第２流路についても、第１流体及び第２流体の位置づけに伴い、上記の例示のとおり第１流路１７及び第２流路３１である場合の他、これらの符号が逆になる場合もある。また、本発明の熱処理装置は、第１流体及び第２流体の双方を熱媒体とする熱交換器にも適用可能である。すなわち、予測対象の伝熱構造体は、第１流路及び第２流路の双方に設置されている伝熱促進体となる場合もあり得る。

【0069】

さらに、ここでいう第１流路の入口側又は出口側についても、第１流路が、触媒体４１が設置される第１流路１７である場合には、第１流路の入口側が第１導入配管４７に相当し、出口側が第１排出配管５１に相当する。一方、第１流路が、伝熱促進体４３が設置される第２流路３１である場合には、第１流路の入口側が第２導入配管５５に相当し、出口側が第２排出配管５９に相当する。

【0070】

反応装置１００のような熱処理装置には、熱交換部３内の流路に、経過の時間に伴って劣化し、いずれかのタイミングで交換を余儀なくされる伝熱構造体が設置されている。本実施形態に係る熱処理装置によれば、ある条件で実際に使用された伝熱構造体の経過時間に対する交換熱量、反応率又は収率に基づいて、作業者にとって最も効率的な交換タイミングの指標となる伝熱構造体の使用寿命を予測することができる。したがって、その後の同一条件での熱処理では、作業者は、最も効率的な交換タイミングで伝熱構造体を交換することができる。すなわち、実際に伝熱構造体を交換したタイミングが最も効率的な交換タイミングからずれたことに起因して熱処理装置の性能が低下し、運転費用が増加するなどの経済的損失を、極力減らすことができる。また、本実施形態に係る熱処理装置によれば、第１情報取得部や第２情報取得部を用いることで伝熱構造体の使用寿命の予測が可能であるので、熱処理装置の構成を大きく改変する必要もなく、また、伝熱構造体自体に手を加える必要もない。したがって、熱処理装置自体のコストも極力抑えることができる。

【0071】

また、本実施形態に係る熱処理装置では、第１流体は、熱媒体であり、伝熱構造体は、伝熱促進体４３である。

【0072】

本実施形態に係る熱処理装置によれば、第１流体と伝熱構造体とがそのような条件である場合に、好適に上記の効果を奏することができる。

【0073】

また、本実施形態に係る熱処理装置では、第２情報取得部は、第１流路から排出された第１流体の温度を計測する第２温度計測部７２であり、制御部１０３は、経過時間ごとに第２温度計測部７２が計測した温度を記憶し、第２温度計測部７２が計測した温度に基づいて、経過時間ごとの交換熱量を求め、経過時間と交換熱量との関係を示す第１近似式を求め、第１近似式に、予め規定された、伝熱促進体４３の交換を要する時の交換熱量の閾置を適用することで、伝熱促進体４３の使用寿命を予測する。

【0074】

ここで、第１近似式は、例えば、上記の式（７）に相当する。

【0075】

本実施形態に係る熱処理装置によれば、特に伝熱促進体４３の使用寿命を可能な限り正確に予測することができる。

【0076】

また、本実施形態に係る熱処理装置では、第１情報取得部は、第１流路に導入される第１流体の温度を計測する第１温度計測部７０と、第１流路に導入される第１流体の流量を計測する流量計測部７１とであり、制御部１０３は、第１温度計測部７０が計測した温度及び流量計測部７１が計測した流量に基づいて、基準条件が満たされていることを確認する。

【0077】

本実施形態に係る熱処理装置によれば、特に伝熱促進体４３の使用寿命を予測するに際して、制御部１０３は、第１温度計測部７０等を用いて基準条件が満たされていることを確認するので、予測精度を向上させることができる。

【0078】

また、本実施形態に係る熱処理装置では、第１流体は、反応流体であり、伝熱構造体は、触媒体４１である。

【0079】

本実施形態に係る熱処理装置によれば、第１流体と伝熱構造体とがそのような条件である場合に、好適に上記の効果を奏することができる。

【0080】

また、本実施形態に係る熱処理装置では、第２情報取得部は、第１流路から排出された第１流体の組成を分析する組成分析部７４であり、制御部１０３は、経過時間ごとに前記組成分析部７４が分析した組成を記憶し、組成分析部７４が分析した組成に基づいて、経過時間ごとの反応率又は収率を求め、経過時間と反応率又は収率との関係を示す第２近似式を求め、第２近似式に、予め規定された、触媒体４１の交換を要する時の反応率又は収率の閾置を適用することで、触媒体４１の使用寿命を予測する。

【0081】

ここで、第２近似式は、例えば、上記の式（９）に相当する。

【0082】

本実施形態に係る熱処理装置によれば、特に触媒体４１の使用寿命を可能な限り正確に予測することができる。

【0083】

また、本実施形態に係る熱処理装置では、第１情報取得部は、第１流路から排出された第１流体の温度を計測する第３温度計測部７３であり、制御部は、第３温度計測部７３が計測した温度に基づいて、基準条件が満たされていることを確認する。

【0084】

本実施形態に係る熱処理装置によれば、特に触媒体４１の使用寿命を予測するに際して、制御部１０３は、第３温度計測部７３を用いて基準条件が満たされていることを確認するので、予測精度を向上させることができる。

【0085】

また、本実施形態に係る熱処理装置では、熱交換部３は、伝熱体からなり、第１流路及び第２流路は、伝熱体に形成されている溝又は貫通孔である。

【0086】

ここで、本実施形態では、熱交換部３は、例えば、第１流体が流通する第１流路１７を有する第１伝熱体７と、第２流体が流通する第２流路３１を有する第２伝熱体９との２種類の伝熱体が積層されたものである。このような構成の伝熱体では、製作の容易性の観点から、各流路の形状をそれぞれ溝とすることが望ましい。

【0087】

一方、本発明は、このような構成の伝熱体からなる熱交換部３だけに適用されるものではない。例えば、熱交換部３を構成する伝熱体が１つの直方体で、伝熱体が、第１流体が流通する複数の第１流路と、第２流体が流通する複数の第２流路との双方を有する場合にも、本発明は適用可能である。この場合、各流路は、それぞれ貫通孔となる。

【0088】

本実施形態に係る熱処理装置によれば、特に、熱交換部３が、１つの直方体である伝熱体、又は、複数の伝熱体が直接的に積層されて一体化された積層型のいずれかで構成される反応装置において、上記効果を奏することができる。

【0089】

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る熱処理装置について説明する。上記の第１実施形態に係る熱処理装置として例示した反応装置１００は、１つの熱交換部３のみを有する反応部１０１を備える。しかし、本発明は、このように熱交換部を１つのみ有する反応装置だけではなく、それぞれ独立した複数の熱交換部を有する反応装置にも適用可能である。

【0090】

図９は、本発明の第２実施形態に係る反応装置２００の構成を示す概略図である。特に図９では、反応装置２００は、一例として３つの熱交換部３Ａ〜３Ｃを含むものとする。また、図９では、熱交換部３Ａ〜３Ｃのそれぞれに含まれる第１流路１７に連通する原料ガスＭ又は反応ガスＰの流通配管に関連する構成を示す。すなわち、ここでは、３つの熱交換部３Ａ〜３Ｃにそれぞれ設置される触媒体４１の使用寿命をそれぞれ予測する場合について例示する。なお、図９では、このような主旨から、熱交換部３Ａ〜３Ｃのそれぞれに含まれている各第２流路と、各第２流路のそれぞれに連通する熱媒体の流路配管の記載を省略している。

【0091】

反応装置２００は、熱交換部３Ａ〜３Ｃのうちの１つをそれぞれ有する３つの反応部２０１Ａ〜２０１Ｃを備える。それに伴い、第１導入配管４７は、各反応部２０１Ａ〜２０１Ｃのいずれかに連接するように分岐する３つの導入分岐部、すなわち、第１導入分岐部４７Ａ〜第３導入分岐部４７Ｃを含む。同様に、第１排出配管５１は、各反応部２０１Ａ〜２０１Ｃのいずれかに連接するように分岐する３つの排出分岐部、すなわち、第１排出分岐部５１Ａ〜第３排出分岐部５１Ｃを含む。なお、各反応部２０１Ａ〜２０１Ｃの構成は、第１実施形態における反応部１０１の構成と同様と考えてよい。

【0092】

まず、反応部２０１Ａに関して、反応装置２００は、それぞれ第１導入分岐部４７Ａに設置され、管内を流れる原料ガスＭの流量を計測する第１流量計測部８０と、原料ガスＭの組成を分析する第１組成分析部８１とを含む。また、反応装置２００は、第１導入分岐部４７Ａにおける第１組成分析部８１と反応部２０１Ａとの間に設置され、原料ガスＭの流量を調整可能とする第１流量調整弁９２を含む。一方、反応装置２００は、それぞれ第１排出分岐部５１Ａに設置され、管内を流れる反応ガスＰの温度を計測する第１温度計測部８２と、反応ガスＰの組成を分析する第２組成分析部８３とを含む。

【0093】

同様に、反応部２０１Ｂに関して、反応装置２００は、それぞれ第２導入分岐部４７Ｂに設置され、管内を流れる原料ガスＭの流量を計測する第２流量計測部８４と、原料ガスＭの組成を分析する第３組成分析部８５とを含む。また、反応装置２００は、第２導入分岐部４７Ｂにおける第３組成分析部８５と反応部２０１Ｂとの間に設置され、原料ガスＭの流量を調整可能とする第２流量調整弁９３を含む。一方、反応装置２００は、それぞれ第２排出分岐部５１Ｂに設置され、管内を流れる反応ガスＰの温度を計測する第２温度計測部８６と、反応ガスＰの組成を分析する第４組成分析部８７とを含む。

【0094】

同様に、反応部２０１Ｃに関して、反応装置２００は、それぞれ第３導入分岐部４７Ｃに設置され、管内を流れる原料ガスＭの流量を計測する第３流量計測部８８と、原料ガスＭの組成を分析する第５組成分析部８９とを含む。また、反応装置２００は、第３導入分岐部４７Ｃにおける第５組成分析部８９と反応部２０１Ｃとの間に設置され、原料ガスＭの流量を調整可能とする第３流量調整弁９４を含む。一方、反応装置２００は、それぞれ第３排出分岐部５１Ｃに設置され、管内を流れる反応ガスＰの温度を計測する第３温度計測部９０と、反応ガスＰの組成を分析する第６組成分析部９１とを含む。

【0095】

ここで、各流量調整弁９２〜９４は、それぞれ、例えば電磁弁であり、後述する制御部２０３からの信号に基づいて、開の程度を可変とする。なお、本実施形態において採用される各流量計測部８０，８４，８８、各温度計測部８２，８６，９０及び各組成分析部８１，８３，８５，８７，８９，９１の構成は、第１実施形態において採用されるものと同様である。

【0096】

さらに、反応装置２００は、反応装置２００の全般の動作を制御する制御部２０３を有する。特に本実施形態では、制御部２０３は、各流量計測部８０，８４，８８、各温度計測部８２，８６，９０、各組成分析部８１，８３，８５，８７，８９，９１、及び、各流量調整弁９２〜９４のすべてに、それぞれ電気的に接続されている。

【0097】

そして、制御部２０３は、各熱交換部３に含まれる触媒体４１の使用寿命をそれぞれ独立して予測する。このとき、熱交換部３ごとに触媒体４１の使用寿命を予測する基本的な作用は、第１実施形態において第２の作用として明示したものと同様である。ただし、本実施形態の場合には、上流側では１本であった第１導入配管４７が途中から３つの導入分岐部４７Ａ〜４７Ｃに分岐する。したがって、制御部２０３は、各導入分岐部４７Ａ〜４７Ｃにおいて流通する原料ガスＭの組成を具体的に特定し、各排出分岐部５１Ａ〜Ｃに設置されている各組成分析部８３，８７，９１による反応ガスＰの組成を分析する際に新たに基準とする必要がある。

【0098】

また、反応装置２００には、各流量調整弁９２〜９４が備えられている。これにより、制御部２０３は、予測した使用寿命の結果に基づいて、各流量調整弁９２〜９４により各原料ガスＰの流量を調整して、各反応部２０１Ａ〜２０１Ｃでの負荷を調整することができる。このように負荷を調整することで、各熱交換部３における触媒体４１の使用寿命をある程度合わせることができる。また、制御部２０３は、各流量計測部８０，８４，８８が計測した流量に基づいて、各導入分岐部４７Ａ〜４７Ｃを流通する各原料ガスＰの現状の流量を認識したり、各原料ガスＰの流量が所望の流量になっているかを確認したりすることができる。

【0099】

このように、本実施形態に係る反応装置２００によれば、触媒体４１が、それぞれ独立した複数の熱交換器３に設置されている場合でも、それぞれ独立して、第１実施形態で例示したような触媒体４１の使用寿命を予測することができる。

【0100】

なお、本実施形態では、触媒体４１の使用寿命の予測を例示したが、同様に、伝熱促進体４３の使用寿命の予測も可能である。また、反応装置２００における反応部２０１すなわち熱交換部３の設置数を３つとしたが、２つでもよいし、４つ以上でもよい。

【0101】

（他の実施形態）
第１実施形態では、伝熱促進体４３及び触媒体４１の双方の使用寿命を予測し得る構成を例示した。しかし、反応装置１００は、そのうちのいずれか一方の使用寿命の予測のみを採用するものであってもよい。この点、第２実施形態に係る反応装置２００についても同様である。

【0102】

また、上記の各実施形態では、発熱反応による反応処理を行う反応装置１００，２００を例示したが、吸熱反応による反応処理にも適用可能である。すなわち、第２流体は、加熱流体に限らず、冷却流体であってもよい。

【0103】

また、上記の各実施形態では、反応ガスＰの組成を分析する組成分析部７４等として、ガスクロマトグラフを例示した。しかし、組成分析部７４等は、これに限らず、例えば、酸素分析計やメタン分析計など特定のガス分析計を採用して、反応ガス中の特定の気体の濃度をそれぞれ分析する構成としてもよい。

【0104】

また、上記の各実施形態では、制御部１０３は、第２情報取得部に相当する温度計測部や組成分析部から、所定の経過時間ごとに情報を取得し記憶するものとした。しかし、制御部１０３は、第２情報取得部からの情報を、このように断続的に取得し記憶するのみならず、連続的に取得して記憶し続け、所定の経過時間になったら、そのときの情報を抽出して構造体の使用寿命の予測に用いるものとしてもよい。

【0105】

また、上記の各実施形態では、熱交換部３が、第１流路１７を流通する第１流体と、第２流路３１を流通する第２流体とが互いに反対方向に流れる対向流型であるものとしたが、互いに同方向に流れる並流型であってもよい。すなわち、本発明では、第１流体と第２流体とが流れる方向について、なんら限定するものではない。

【0106】

また、上記の各実施形態では、熱交換部３を構成する第１伝熱体７と第２伝熱体９とがＺ方向すなわち鉛直方向に積層されるものとしているが、本発明は、これに限らない。例えば、熱交換部３を構成するこれらの伝熱体が、それぞれ接合された状態でＺ方向に立設するような、いわゆる横置きとして使用されるものであってもよい。

【0107】

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

【符号の説明】

【0108】

３ 熱交換部
１７ 第１流路
３１ 第２流路
４１ 触媒体
４３ 伝熱促進体
５１ 第１排出配管
５５ 第２導入配管
５９ 第２排出配管
７０ 第１温度計測部
７１ 第１流量計測部
７２ 第２温度計測部
７３ 第３温度計測部
７４ 組成分析部
１００ 反応装置
１０３ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】