特許 6899786 弁機構のリーク率の測定方法、及び触媒反応装置

(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】6899786

(24)【登録日】2021年6月17日

(45)【発行日】2021年7月7日

(54)【発明の名称】弁機構のリーク率の測定方法、及び触媒反応装置

(51)【国際特許分類】

   B01J 8/02 20060101AFI20210628BHJP

   B01J 8/00 20060101ALI20210628BHJP

   G01M 3/00 20060101ALI20210628BHJP

【ＦＩ】

   B01J8/02 Z

   B01J8/00 A

   G01M3/00 Z

【請求項の数】6

【全頁数】35

(21)【出願番号】特願2018-22988(P2018-22988)

(22)【出願日】2018年2月13日

(65)【公開番号】特開2019-136660(P2019-136660A)

(43)【公開日】2019年8月22日

【審査請求日】2020年9月23日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２５年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「環境調和型製鉄プロセス技術開発（ＳＴＥＰ２）」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000001258

【氏名又は名称】ＪＦＥスチール株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(73)【特許権者】

【識別番号】306022513

【氏名又は名称】日鉄エンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100134359

【弁理士】

【氏名又は名称】勝俣 智夫

(74)【代理人】

【識別番号】100188592

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 洋

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 信明

(72)【発明者】

【氏名】堂野前 等

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 公仁

(72)【発明者】

【氏名】中尾 憲治

【審査官】 松井 一泰

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１７−０５６３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１８１０７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−１８０７４８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｊ ８／００ー ８／４６

Ｂ０１Ｊ ２１／００− ３８／７４

Ｃ０１Ｂ ３／００− ６／３４

Ｇ０１Ｍ ３／００ー ３／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

触媒反応装置内に並列に複数配置された弁機構のリーク率を測定する弁機構のリーク率の測定方法であって、
前記触媒反応装置は、
並列にｎ台配置され、原料流体を固定床である触媒層で処理する触媒反応器、全ての前記触媒反応器に流体を供給するための集合管である流入集合管、前記触媒反応器毎に設けられ、前記触媒反応器内に流体を流通させる開放状態、および前記触媒反応器への流体の流通を遮断する閉止状態のいずれかに互いに独立して設定可能な前記弁機構、全ての前記触媒反応器から流出する流体を集めて下流に流出させるための集合管である流出集合管、全ての前記触媒反応器の触媒層内にそれぞれ設けられ、触媒層温度Ｔ_ｉを計測する触媒層温度計、および前記流入集合管の流体温度である流入温度を計測する流入温度計を備え、炉温調整可能な加熱炉内に配置される加熱炉内装置と、
前記流入集合管に供給する流体を予熱する流体予熱装置と、
前記流入集合管に供給する流体を原料流体と非反応性流体との間で切り替えるための流体切り替え装置と、
前記流入集合管を通過する流量を測定する流量計と、
前記流入集合管と前記流出集合管との間の差圧を測定する差圧計測装置と、を備え、
前記リーク率の測定方法は、
全ての前記弁機構を開放状態として前記流入集合管に非反応性流体が通過するように前記流体切り替え装置を設定する第１の操作と、
前記流入温度計が所定の流入温度を示すように前記流体予熱装置を調整する第２の操作と、
前記ｎ台中の所定のｎ_ｃ台の触媒反応器に対応する前記弁機構を閉止状態とした後、定常状態となるまで操業状態を維持し、前記定常状態における前記差圧△Ｐ_３、および前記ｎ_ｃ台の触媒反応器の触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉを記録し、
ｋ_ｉ＝α_１・Ｑ_ｃ３，ｉ・（△Ｐ_３）^−１／２
Ｑ_ｃ３，ｉ：閉止状態での弁機構のリーク流量
α_１：モデル定数
なる式で定義されるｉ番目の弁機構のリーク率ｋ_ｉを、前記触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉを用いた関数として算出する第３の操作と、を含むことを特徴とする弁機構のリーク率の測定方法。

【請求項2】

前記加熱炉内装置は、更に、前記加熱炉の炉温を計測する炉温温度計を備え、
前記第３の操作では、
更に、前記加熱炉の炉温Ｔ_ｆを記録し、
前記閉止状態での弁機構のリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを、
Ｑ_ｃ３，ｉ＝ａ_１・（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｃ３，ｉ）
ａ_１：モデル係数
なる式により算出することを特徴とする、請求項１に記載の弁機構のリーク率の測定方法。

【請求項3】

前記加熱炉内装置は、更に、前記加熱炉の炉温を計測する炉温温度計を備え、
前記第２の操作では、
前記所定の流入温度である流入温度Ｔ_ｉｎ２を記録すると共に、
ｉ番目の前記触媒反応器の前記触媒層温度Ｔ_ｉが定常状態となるまで操業状態を維持し、定常状態での前記触媒層温度Ｔ_ｉを触媒層温度Ｔ_２，ｉとして記録し、
前記第３の操作では、
更に、前記加熱炉の炉温Ｔ_ｆを記録し、
ｋ_ｉ＝ａ_２Ｌｎ［（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｉｎ２）／（Ｔ_ｆ−Ｔ_２，ｉ）］
／Ｌｎ［（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｉｎ２）／（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｃ３，ｉ）］
ａ_２：モデル係数
なる式を用いてリーク率ｋ_ｉを算出することを特徴とする、請求項１に記載の弁機構のリーク率の測定方法。

【請求項4】

前記第２の操作では、
前記所定の流入温度である流入温度Ｔ_ｉｎ２を記録すると共に、
前記第３の操作では、
前記流入温度計が前記流入温度Ｔ_ｉｎ２とは異なる流入温度Ｔ_ｉｎ４示すように前記流体予熱装置を調整し、前記触媒層温度Ｔ_ｉが定常状態となるまで操業状態を維持し、定常状態での前記触媒層温度Ｔ_ｉを触媒層温度Ｔ_ｃ４，ｉとして記録し、
前記閉止状態での弁機構のリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを、
Ｑ_ｃ３，ｉ＝−β_ｉ／Ｌｎ［（Ｔ_ｃ４，ｉ−Ｔ_ｃ３，ｉ）／（Ｔ_ｉｎ４−Ｔ_ｉｎ２）］
β_ｉ：モデル係数
なる式を用いて算出することを特徴とする、請求項１に記載の弁機構のリーク率の測定方法。

【請求項5】

前記原料流体は炭化水素を含むことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の弁機構のリーク率の測定方法。

【請求項6】

並列に複数配置された弁機構のリーク率を測定する触媒反応装置であって、
並列にｎ台配置され、原料流体を固定床である触媒層で処理する触媒反応器、全ての前記触媒反応器に流体を供給するための集合管である流入集合管、前記触媒反応器毎に設けられ、前記触媒反応器内に流体を流通させる開放状態、および前記触媒反応器への流体の流通を遮断する閉止状態のいずれかに互いに独立して設定可能な前記弁機構、全ての前記触媒反応器から流出する流体を集めて下流に流出させるための集合管である流出集合管、全ての前記触媒反応器の触媒層内にそれぞれ設けられ、触媒層温度Ｔ_ｉを計測する触媒層温度計、および前記流入集合管の流体温度である流入温度を計測する流入温度計を備え、炉温調整可能な加熱炉内に配置される加熱炉内装置と、
前記流入集合管に供給する流体を予熱する流体予熱装置と、
前記流入集合管に供給する流体を原料流体と非反応性流体との間で切り替えるための流体切り替え装置と、
前記流入集合管を通過する流量を測定する流量計と、
前記流入集合管と前記流出集合管との間の差圧を測定する差圧計測装置と、を備え、
更に、
全ての前記弁機構を開放状態として前記流入集合管に非反応性流体が通過するように前記流体切り替え装置を設定する第１の手段と、
前記流入温度計が所定の流入温度を示すように前記流体予熱装置を調整する第２の手段と、
前記ｎ台中の所定のｎ_ｃ台の触媒反応器に対応する前記弁機構を閉止状態とした後、定常状態となるまで操業状態を維持し、前記定常状態における前記差圧△Ｐ_３、および前記ｎ_ｃ台の触媒反応器の触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉを記録し、
ｋ_ｉ＝α_１・Ｑ_ｃ３，ｉ・（△Ｐ_３）^−１／２
Ｑ_ｃ３，ｉ：閉止状態での弁機構のリーク流量
α_１：モデル定数
なる式で定義されるｉ番目の弁機構のリーク率ｋ_ｉを、前記触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉを用いた関数として算出する第３の手段と、を実行させる弁機構リーク率測定装置を備える、ことを特徴とする触媒反応装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、触媒反応器を好適な反応条件で運転させるための操業方法及びこれに用いられる装置に関し、特に触媒反応器に設けられる弁機構のリーク率の測定方法、及び触媒反応装置に関する。

【背景技術】

【0002】

外部から触媒反応器を加熱することで触媒反応に要する反応熱を触媒反応器に供給する外熱式触媒反応器では、加熱面積を十分に確保するために、触媒を固定床として充填した細管を触媒反応器として加熱炉内で並列に複数配置することが一般に行われる。並列に設けられた個々の触媒反応器は、共通の流入集合管と共通の流出集合管に接続される場合が多い。さらに、様々な操業上の目的のために、各触媒反応器には、各触媒反応器への原料ガスの流れを互いに独立して遮断、あるいは開放するための弁機構が設けられる場合がある。特許文献１、２には、このような触媒反応器の一例が記載されている。

【0003】

ところで、弁機構が高温（例：８００℃）に曝される場合、弁機構を構成する弾性材料には、高温下でも良好な封止性が求められる。しかし、このような弾性材料を得ることは困難であった。このため、弁機構が高温（例：８００℃）に曝される場合、弁機構が閉止状態（原料ガスの流通を遮断している状態）となっていても、リークが生じることがあった。

【0004】

弁機構のリーク性を評価するパラメータとして、弁機構を開放状態（原料ガスを流通させる状態）とした際に弁機構を流通する流体の流量と、弁機構を閉止状態とした際に弁機構を流通する流体の流量（つまり、リーク流量）との比であるリーク率が一般に用いられる。リーク率は、例えば、非特許文献１等の規格において、次の式で定義される。
［最大漏れ量（許容リーク流量）］＝ｋ・［定格弁容量］
ｋ：リーク率

【0005】

ここで、リーク率ｋは、リーククラスに対応した定数であり、例えば、リーククラスＩＩの場合、ｋ＝５×１０^−３である。また、定格弁容量には、しばしばＣｖ値が用いられる。設計の実務上、Ｃｖ値に対するｋは、一般に次の数式（１）で表現される。

【0006】

【数1】

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１７−５６３７５号公報

【特許文献2】特開２０１６−１５９２６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

リーク率ｋを操業中に正確に求めることは、以下の理由で重要である。例えば、特定の触媒反応器のみを整備するため、その触媒反応器の弁機構の下流側を大気（または加熱炉内）に開放する場合がある。この場合に弁機構のリーク率が過大であれば、弁機構から多くの原料ガスがリークする。そして、原料ガスが燃焼性を有し、かつ、原料ガスが大気と混合して爆発限界を超える条件である場合、発火する可能性がある。もしリーク率が確実に爆発限界を満足しない条件であることが明らかではない場合、安全性を確保するために、他の触媒を含めて原料ガスの供給を停止する必要がある。この場合、操業の効率が損なわれる。従って、このような操業の場合、リーク率の測定および管理が重要である。

【0009】

あるいは、特定の触媒反応器を、他の全ての触媒反応器が何らかの理由で閉塞した場合（例えば、触媒反応の副生成物で閉塞した場合）に開放するためのバイパス管として使用する場合がある。この場合、バイパス管用の触媒反応器には、触媒を充填しないか、少量の充填に留めることになる。また、バイパス管用の触媒反応器にも弁機構が設けられる。通常の操業時には、この弁機構を閉止状態として他の全ての触媒反応器に大半の原料ガスが通気するように設定する。もし、この弁機構のリーク率が過大であった場合、この弁機構を閉止状態としても、多くの原料ガスがこの弁機構をリークしてしまう。弁機構をリークした原料ガスはほとんど改質されていない。この結果、流出集合管から流出される改質ガス中に、ほとんど改質されていない原料ガスが多く含まれることになる。したがって、改質性能が低下する問題を生じる。この場合、もし、弁機構のリーク率を正確に把握することができれば、整備を行うことによって弁機構のリーク率を改善するという判断を簡単に下すことができる。

【0010】

あるいは、触媒の経時劣化による触媒反応装置全体での改質性能の変化を安定化させるために、以下の操業を行う場合がある。すなわち、使用済み触媒の新触媒への交換後、操業の初期には一部の触媒反応器の弁機構を閉止状態として原料ガスの通気による触媒劣化から保護する一方で、他の触媒反応器の弁機構を開放状態とする。これにより、他の触媒反応器を用いて原料ガスの改質を行う。その後、操業の継続につれて他の触媒反応器での改質性能が経時劣化によって低下した時点で、閉止状態としていた一部の触媒反応器の弁機構を開放する。これにより、新たに開放された触媒反応器における比較的高い改質能力を用いて触媒反応を継続する。これにより、触媒反応装置全体での改質性能の低下を改善することができる。以上のような装置において、弁機構のリーク率が過大であれば、閉止状態とされた弁機構に対応する触媒反応器にも、触媒充填後の早い段階から多くの原料ガスが流通する。この結果、これらの触媒反応器においても触媒充填後の早い段階から触媒劣化が生じるので、所望の改質性能安定化効果を得ることができない可能性がある。もし、弁機構のリーク率を正確に把握することができれば、整備を行うことによって弁機構のリーク率を改善するという判断を簡単に下すことができる。

【0011】

単独の触媒反応器からなる触媒反応装置においては、数式（１）における差圧△Ｐおよびリーク流量Ｑ_ｃを容易に測定できる。例えば、非高温部である供給側に弁機構を設け、この弁機構の△ＰおよびＱ_ｃを測定すれば良い。したがって、リーク率ｋを求めることは困難ではない。しかし、特許文献１、２に開示されるような複数の触媒反応器が並列に配置されるとともに各触媒反応器が弁機構を独立に備える触媒反応装置では、リーク率を求めることは容易ではない。これらの触媒反応器のうち、一部の触媒反応器の弁機構のみ閉止状態とした場合、この弁機構を通気できなくなった原料ガスは、他の触媒反応器（すなわち、弁機構が開放状態とされた触媒反応器）に容易に流路を変更することができる。このため、差圧△Ｐ（この場合の差圧は、流入集合管内のガス圧と流出集合管内のガス圧との差圧となる）の変化はそもそも小さい。

【0012】

さらに、閉止状態とされた弁機構におけるリーク流量が開放状態とされた弁機構を通気するガス流量に比べて十分に小さい場合、閉止状態とされた弁機構におけるリーク流量によって変化する差圧△Ｐの量は、測定精度上、検出不可能な場合が多い。なお、閉止状態とされた各弁機構でのリーク流量を把握する方法として、触媒反応器に微小な流速を検出可能な流量センサ、例えば、カルマン渦流速計やコリオリ流速計等の流量センサを直接、配置することが考えられる。しかし、触媒反応器は高温に維持されることが多い。したがって、センサの耐熱性上、このような計測は困難である。したがって、リーク率ｋの把握は容易ではなかった。

【0013】

もし、非常に高精度な圧力センサを用いることができ、かつ、触媒反応器の弁機構での圧力−流量特性も正確に知られているのであれば、差圧△Ｐの変化から閉止状態の弁機構でのリーク流量を測定できる可能性はある。しかし、例えば、原料ガスが炭化水素を含有するガスであり、触媒反応が水蒸気改質反応であり、かつ生成ガス（改質ガス）が合成ガスとなる場合、操業中に副反応である炭化水素の接触分解反応によってコーク（固体の炭素または炭化水素）が生成する。そして、コークが触媒層（即ち、固定床）内に徐々に堆積して触媒層でのガスの通気を妨げることによって、触媒反応器における圧力−流量特性が刻々と変化する。したがって、このような条件下では、上記の方法で弁機構のリーク流量を求めることはできない。また、極めて高精度の圧力計を用いることは、経済合理性の観点から現実的でない。

【0014】

あるいは、触媒反応器ごとにオリフィス式流速計（配管中にオリフィスを設け、その前後での圧力差を検出して流速に換算する原理のもの）を設け、この流速計の差圧検出器を触媒反応器の低温部分（原料ガスの入側）に設置する方法も考えられる。この方法では、流量計のコストを削減しつつ、リーク流量を測定できる可能性がある。しかし、触媒反応器内の流速は、通過するガスと触媒との接触時間を確保するため、通常、極めて小さいもの、例えば、数十ｃｍ／ｓ程度に設定されることが多い。このため、オリフィス前後で生じる差圧は極めて微小なものとなり、計測誤差が大きくなるか、あるいは、高価な精密差圧計を多数配置する必要がある。したがって、経済合理性の観点から現実的でない。

【0015】

このように、複数の触媒反応器が並列に配置されるとともに各触媒反応器が弁機構を独立に備える場合、閉止状態とされた一部の弁機構のリーク流量およびリーク率を簡易に検知することができなかった。

【0016】

一方、熱電対等の温度計測装置を各触媒反応器に設置することは、技術的な困難が比較的少ないため、操業管理および設備保護を目的として一般に行われている。触媒反応器の温度、具体的には触媒層の温度を触媒反応器用の弁機構のリーク率測定に用いることができれば、安価にリーク率を測定できることになる。しかし、このような提案は従来なされていなかった。

【0017】

そこで、本発明では、加熱炉内に複数並列に配置される触媒反応器を備える触媒反応装置において、個々の触媒反応器に高価な計測装置を設けることなく、安価、かつ、簡易に弁機構のリーク率をオンラインで測定する技術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】

【0018】

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、触媒反応装置内に並列に複数配置された弁機構のリーク率を測定する弁機構のリーク率の測定方法であって、前記触媒反応装置は、並列にｎ台配置され、原料流体を固定床である触媒層で処理する触媒反応器、全ての前記触媒反応器に流体を供給するための集合管である流入集合管、前記触媒反応器毎に設けられ、前記触媒反応器内に流体を流通させる開放状態、および前記触媒反応器への流体の流通を遮断する閉止状態のいずれかに互いに独立して設定可能な前記弁機構、全ての前記触媒反応器から流出する流体を集めて下流に流出させるための集合管である流出集合管、全ての前記触媒反応器の触媒層内にそれぞれ設けられ、触媒層温度Ｔ_ｉを計測する触媒層温度計、および前記流入集合管の流体温度である流入温度を計測する流入温度計を備え、炉温調整可能な加熱炉内に配置される加熱炉内装置と、前記流入集合管に供給する流体を予熱する流体予熱装置と、前記流入集合管に供給する流体を原料流体と非反応性流体との間で切り替えるための流体切り替え装置と、前記流入集合管を通過する流量を測定する流量計と、前記流入集合管と前記流出集合管との間の差圧を測定する差圧計測装置と、を備え、前記リーク率の測定方法は、全ての前記弁機構を開放状態として前記流入集合管に非反応性流体が通過するように前記流体切り替え装置を設定する第１の操作と、前記流入温度計が所定の流入温度を示すように前記流体予熱装置を調整する第２の操作と、前記ｎ台中の所定のｎ_ｃ台の触媒反応器に対応する前記弁機構を閉止状態とした後、定常状態となるまで操業状態を維持し、前記定常状態における前記差圧△Ｐ_３、および前記ｎ_ｃ台の触媒反応器の触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉを記録し、
ｋ_ｉ＝α_１・Ｑ_ｃ３，ｉ・（△Ｐ_３）^−１／２
Ｑ_ｃ３，ｉ：閉止状態での弁機構のリーク流量
α_１：モデル定数
なる式で定義されるｉ番目の弁機構のリーク率ｋ_ｉを、前記触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉを用いた関数として算出する第３の操作と、を含むことを特徴とする弁機構のリーク率の測定方法が提供される。

【0019】

ここで、加熱炉内装置は、更に、前記加熱炉の炉温を計測する炉温温度計を備え、前記第３の操作では、更に、前記加熱炉の炉温Ｔ_ｆを記録し、前記閉止状態での弁機構のリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを、
Ｑ_ｃ３，ｉ＝ａ_１・（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｃ３，ｉ）
ａ_１：モデル係数
なる式により算出してもよい。

【0020】

また、加熱炉内装置は、更に、前記加熱炉の炉温を計測する炉温温度計を備え、前記第２の操作では、前記所定の流入温度である流入温度Ｔ_ｉｎ２を記録すると共に、ｉ番目の前記触媒反応器の前記触媒層温度Ｔ_ｉが定常状態となるまで操業状態を維持し、定常状態での前記触媒層温度Ｔ_ｉを触媒層温度Ｔ_２，ｉとして記録し、前記第３の操作では、更に、前記加熱炉の炉温Ｔ_ｆを記録し、
ｋ_ｉ＝ａ_２Ｌｎ［（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｉｎ２）／（Ｔ_ｆ−Ｔ_２，ｉ）］
／Ｌｎ［（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｉｎ２）／（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｃ３，ｉ）］
ａ_２：モデル係数
なる式を用いてリーク率ｋ_ｉを算出してもよい。

【0021】

また、前記第２の操作では、前記所定の流入温度である流入温度Ｔ_ｉｎ２を記録すると共に、前記第３の操作では、前記流入温度計が前記流入温度Ｔ_ｉｎ２とは異なる流入温度Ｔ_ｉｎ４示すように前記流体予熱装置を調整し、前記触媒層温度Ｔ_ｉが定常状態となるまで操業状態を維持し、定常状態での前記触媒層温度Ｔ_ｉを触媒層温度Ｔ_ｃ４，ｉとして記録し、前記閉止状態での弁機構のリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを、
Ｑ_ｃ３，ｉ＝−β_ｉ／Ｌｎ［（Ｔ_ｃ４，ｉ−Ｔ_ｃ３，ｉ）／（Ｔ_ｉｎ４−Ｔ_ｉｎ２）］
β_ｉ：モデル係数
なる式を用いて算出してもよい。

【0022】

原料流体は炭化水素を含んでいてもよい。

【0023】

本発明の他の観点によれば、並列に複数配置された弁機構のリーク率を測定する触媒反応装置であって、並列にｎ台配置され、原料流体を固定床である触媒層で処理する触媒反応器、全ての前記触媒反応器に流体を供給するための集合管である流入集合管、前記触媒反応器毎に設けられ、前記触媒反応器内に流体を流通させる開放状態、および前記触媒反応器への流体の流通を遮断する閉止状態のいずれかに互いに独立して設定可能な前記弁機構、全ての前記触媒反応器から流出する流体を集めて下流に流出させるための集合管である流出集合管、全ての前記触媒反応器の触媒層内にそれぞれ設けられ、触媒層温度Ｔ_ｉを計測する触媒層温度計、および前記流入集合管の流体温度である流入温度を計測する流入温度計を備え、炉温調整可能な加熱炉内に配置される加熱炉内装置と、前記流入集合管に供給する流体を予熱する流体予熱装置と、前記流入集合管に供給する流体を原料流体と非反応性流体との間で切り替えるための流体切り替え装置と、前記流入集合管を通過する流量を測定する流量計と、前記流入集合管と前記流出集合管との間の差圧を測定する差圧計測装置と、を備え、更に、全ての前記弁機構を開放状態として前記流入集合管に非反応性流体が通過するように前記流体切り替え装置を設定する第１の手段と、前記流入温度計が所定の流入温度を示すように前記流体予熱装置を調整する第２の手段と、前記ｎ台中の所定のｎ_ｃ台の触媒反応器に対応する前記弁機構を閉止状態とした後、定常状態となるまで操業状態を維持し、前記定常状態における前記差圧△Ｐ_３、および前記ｎ_ｃ台の触媒反応器の触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉを記録し、
ｋ_ｉ＝α_１・Ｑ_ｃ３，ｉ・（△Ｐ_３）^−１／２
Ｑ_ｃ３，ｉ：閉止状態での弁機構のリーク流量
α_１：モデル定数
なる式で定義されるｉ番目の弁機構のリーク率ｋ_ｉを、前記触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉを用いた関数として算出する第３の手段と、を実行させる弁機構リーク率測定装置を備える、ことを特徴とする触媒反応装置が提供される。

【0024】

本発明が対象とする系では、弁機構前後での圧力変化は、弁機構の前後での絶対圧力に比べて十分に小さく、温度変化も比較的小さい。上記数式（１）におけるＤは、設計上、固定値であり、ζ_ｏｐは、数値解析等によって、容易に求めることのできる固定値である。さらに、弁機構を流れる流体を非圧縮性流体とし（後述するように、当該流体は実際に非圧縮性流体とみなせる場合がほとんどである）、固定値化できるものをモデル定数にまとめると、上記数式（１）は、次の数式（２）に簡略化できる。
ｋ＝α_１・Ｑ_ｃ・（△Ｐ）^１／２ （２）
α_１：モデル定数

【0025】

この数式を、並列に設けられた複数の触媒反応器のうち、ｉ番目の触媒反応器の弁機構に適用すると、以下の数式（３）が得られる。以下、添え字ｉは、触媒反応器番号を意味するものとする。△Ｐの添え字３は、上記第３の操作で得られる値であることを意味する。添え字ｃは、個々の触媒反応器において閉止状態であることを意味する。
ｋ_ｉ＝α_１・Ｑ_ｃ３，ｉ・（△Ｐ_３）^１／２ （３）
Ｑ_ｃ３，ｉ：閉止状態での弁機構のリーク流量

【0026】

なお、本発明におけるリーク率は、Ｃｖ値に対応するものに限定されるものではない。つまり、触媒反応器の用途に応じて任意の基準差圧（弁機構前後での差圧）を適宜設定し、この条件下での閉止状態時のリーク流量と開放状態時の流量（基準流量）との比をリーク率として用いることができる。このようにして求めたリーク率は、当業者にとっては自明な簡単な工学的知識に基づく演算によって容易にＣｖ値に対応する値に変換することもできる。

【0027】

（本発明の特徴）
本発明に係る触媒反応装置では、加熱炉内に複数の触媒反応器が並列に配列されており、かつ、各触媒反応器に弁機構が設けられている。したがって、弁機構は、触媒反応装置内に並列に複数配置されている。本発明の第１の特徴は、これらの触媒反応器の温度分布の変化、具体的には、触媒反応器内に設置される触媒層の温度分布の変化という比較的容易な測定によって、個々の弁機構のリーク率をオンラインで容易に測定可能なことである。

【0028】

原料流体は、炭化水素を含有する場合もありうる。この場合、原料流体を改質する際に触媒反応器内でコークが多量に堆積するので、触媒反応器自体の通気抵抗係数が操業中に刻々と変化する。本発明の第２の特徴は、このような系においても、触媒層の温度分布の変化および差圧△Ｐ_３に基づいて、弁機構のリーク率を弁機構毎に独立に測定することができ、測定精度がより高い。

【0029】

本発明者は、触媒反応器内でのコーク堆積によって生じる圧力損失係数（抵抗係数）ηの変化が触媒反応器における熱貫流率ｈと一意の関係を持つことを見出した。本発明の第３の特徴は、抵抗係数ηと熱貫流率ｈとの関係に基づいて、リーク率を測定することである。

【0030】

（ηとｈの関係）
ここで、触媒反応器における抵抗係数ηと、熱貫流率ｈとの相関について説明する。本発明者は、抵抗係数ηと、熱貫流率ｈに比例するモデル定数β（具体的な内容は後述する）との間に一意の関係があることを見出した。本発明者は、η／η_０とβ／β_０の関係を特定の触媒反応装置にて調査した。ここで、触媒層にコーク堆積のない状態を添え字０で表す。この結果、本発明者は、両者の間に図３に示すような関係があることを見出した。図３の横軸、縦軸はいずれも対数軸である。図３に示すように、η／η_０とβ／β_０との間には正の相関がある。

【0031】

本発明者は、この理由を以下のように考えている。即ち、触媒層内にコークの堆積のない初期の状態に比べて、コークの堆積を生じると触媒反応器内で熱が伝わり易くなる。コークの主成分は、熱伝導率の比較的高い物質である固体カーボンであり、触媒粒子間および触媒粒子と反応器内壁管の隙間をコークが埋める。したがって、主にコーク経由の熱伝導によって触媒層中の伝熱が担われる。コークの堆積量が多くなると（すなわち、抵抗係数が大きくなると）、熱貫流率ｈ、すなわちモデル定数βの値も大きくなる。このため、図３に示す関係が得られると考えられる。

【0032】

図３の関係は、形式的に次の式で表現できる。モデル定数ａ_ｉの値は、図３の例では０．４２となる。この相関を用いたリーク率ｋ_ｉの具体的な算出方法は後述する。
β_ｉ＝β_０，ｉ・（η_ｉ／η_０，ｉ）^ａｉ
ａ_ｉ：モデル定数

【発明の効果】

【0033】

以上説明したように本発明によれば、加熱炉内に複数並列に配置される弁機構のリーク率を、触媒反応器内の温度を測定することで簡易に算出することができる。したがって、個々の触媒反応器に高価な計測装置を設けることなく、安価、かつ、簡易に弁機構のリーク率をオンラインで測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】本発明の第１〜第４の実施形態で使用される触媒反応装置１の全体構成を示す説明図である。

【図2】加熱炉内装置の概略構成を示す説明図である。

【図3】抵抗係数ηとモデル定数βとの相関を示すグラフである。

【図4】（ａ）は触媒反応器の内部構成を示す側断面図である。（ｂ）は触媒保持器の構成を示す平面図である。（ｃ）は（ａ）のＡＡ側断面図である。

【図5】（ａ）は触媒反応器の外観を示す側面図である。（ｂ）〜（ｄ）は（ａ）のＡＡ側断面図である。

【図6】（ａ）触媒保持器を下方から見たときの形状を示す平面図である。（ｂ）は触媒保持器及びその周辺構造を示す側断面図である。

【図7】（ａ）弁座及び弁体等を下方から見たときの形状を示す平面図である。（ｂ）は弁座及び弁体等を示す側断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0035】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

【0036】

＜１．第１の実施形態＞
（１．全体構成）
まず、図１〜図２に基づいて、第１の実施形態に係る触媒反応装置１の全体構成を説明する。触媒反応装置１は、流体切り替え装置１１０と、ガス予熱装置１１１と、加熱炉内装置Ａ１と、冷却装置１１７と、流量調整装置１１８と、ブロワ１１９とを備える。

【0037】

加熱炉内装置Ａ１は、加熱区間Ａ内に設けられており、流入集合管１０１と、流量計１１２と、流入圧力計１１３と、流入温度計１１４と、複数の（図１の例ではｎ台。ｎは３以上の整数）の触媒反応器２と、触媒反応器２毎に設けられる触媒層内堆積物除去装置３と、触媒反応器２毎に設けられる弁機構４と、触媒反応器２毎に設けられる触媒層温度計１１５と、流出集合管１０２と、流出圧力計１１６とを備える。

【0038】

加熱炉内装置Ａ１は、図示しない加熱炉によって加熱される。このような加熱炉としては、例えば、炉内にガスバーナを多数配置した直火式加熱炉を用いることができる。加熱炉内で触媒反応器２あるいは配管の存在しない代表点に炉温を計測する温度計（炉温温度計）が設置される。そして、ガスバーナの燃焼量を制御することによって、この温度計の実測値が目標値に一致するように、炉温の調整がなされる。

【0039】

したがって、加熱炉内装置Ａ１を構成する触媒反応器２は、加熱炉（すなわち、外部）から加熱される。これにより、触媒反応に要する反応熱が触媒反応器２に供給される。したがって、触媒反応器２は、外熱式触媒反応器となっている。触媒反応器２は、加熱区間Ａ内に並列に複数（図１の例ではＮ個）配置されている。触媒反応器２は、直管内に触媒が充填された構成を有しており、触媒は、触媒層として直管内に固定床として固定されている。また、直管下部に触媒落下防止用の網等が設けられている。直管の一端が入側、反対端が出側とされる。そして、入側から原料ガスが導入され、原料ガスが触媒層（固定床）を通過する際に触媒反応が生じる。触媒反応後の原料ガス、すなわち改質ガスは、出側から流出される。加熱炉内装置Ａ１の詳細な構成については後述する。

【0040】

流体切り替え装置１１０は、原料流体供給装置１００、非反応性流体供給装置２００、および流入集合管１０１に接続されている。流体切り替え装置１１０は、流入集合管１０１に供給するガスを原料流体供給装置１００から供給される原料ガスと非反応性流体供給装置２００から供給される非反応性ガスとの間で切り替える装置である。流体切り替え装置１１０としては、例えば、上流側の２つのポートが原料流体供給装置１００（より具体的には、原料流体供給装置１００から伸びる配管）と非反応性流体供給装置２００（より具体的には、非反応性流体供給装置２００から伸びる配管）とにそれぞれ接続され、下流側のポートが流入集合管１０１に接続される構造の三方弁を用いることができる。

【0041】

原料流体供給装置１００は、原料ガスを触媒反応器２に供給する装置であり、例えばガスホルダやガス発生炉等である。原料ガスは、後述する触媒層内の触媒反応によって改質されるガスである。第１の実施形態および後述する他の実施形態が対象とする触媒反応は、特に制限されない。一例として、触媒反応は、操業中に触媒層の流通抵抗が大きく変化しうるものであってもよい。この場合、原料ガスの例としては、天然ガス、ナフサ、コークス炉ガス等、あるいは、タールを含む石炭乾留ガス等の炭化水素を含有するガスが挙げられる。原料ガスが炭化水素を含む場合、原料ガスは、触媒層によって水蒸気改質される。改質された原料ガス、すなわち改質ガスは、反応流体回収装置３００に回収される。

【0042】

この際、副反応である炭化水素の接触分解反応によって副生成物であるコークが生成されることがある。触媒層内で生成したコークは、徐々に触媒層（固定床）中の触媒間の空間に堆積するので、操業中に触媒層の流通抵抗（この場合は、通気抵抗）が増大する。さらに、第１の実施形態および後述する他の実施形態が対象とする触媒反応は、熱伝導率が触媒のものに比べて少なくとも著しくは小さくはない副生成物が生成されるものであってもよい。コークは、このような熱伝導率条件を満たす副生成物の一例である。以下、説明の便宜のために、副生成物がコークである場合を一例として説明するが、副生成物がコークに限られないことは勿論である。

【0043】

なお、水蒸気改質の反応性を確保するために、触媒層の温度、すなわち触媒層温度は、例えば７００℃以上といった高温に設定され、全ての触媒反応器２においてこの触媒層温度条件を満足するように加熱炉の炉温Ｔ_ｆが調整される。以下、ｉ番目の触媒反応器２の触媒層温度を「触媒層温度Ｔ_ｉ」とも称する。

【0044】

非反応性流体供給装置２００は、非反応性ガスを触媒反応器２に供給する装置であり、例えばガスホルダ等が挙げられる。非反応性ガスは、触媒層温度に加熱された触媒によって化学反応を生じないガスである。このような化学反応としては、例えば、上記の原料ガスの水蒸気改質反応が挙げられる。さらに、第１の実施形態および後述の各実施形態では、操業の便宜のために、非反応性ガスは、例えば、触媒反応器２の昇温時などに触媒反応器２に単独で通気されることがある。もし、昇温途中の触媒反応器２に原料ガスを供給した場合、改質反応が生じず、原料ガスを無駄に消費することになるとともに、温度条件次第では、凝縮性のガス（例えば、タールガス）が凝縮して触媒反応器２を閉止させる可能性がある。このような現象を防止するために原料ガスの代わりに触媒反応器２に非反応性ガスを通気させてもよい。この場合、非反応性ガスは、少なくとも常温から触媒反応温度の範囲において安定な物質であり、かつ、触媒との間に顕著な反応を生じないものである必要がある。上記の各条件を満たす非反応性ガスは、アルゴン等の不活性ガスや窒素ガス等が該当する。なお、第１の実施形態および後述する他の実施形態では、触媒反応装置１内を流通する流体（例えば原料ガス、非反応性ガス、改質ガス）を全て気体としたが、液体であっても一向に問題はない。

【0045】

ガス予熱装置１１１は、流入集合管１０１に導入される原料ガスまたは非反応性ガスを予熱する装置である。原料ガスまたは非反応性ガスは、予熱された後に触媒反応器２に導入される。ガス予熱装置１１１は、流入集合管１０１の一方の端部、すなわち単管の流入管１０１ａに設けられる。ガス予熱装置１１１は、例えば熱交換器である。ガス予熱装置１１１は、管路の壁面が直接加熱される加熱管であってもよい。なお、流入集合管１０１と原料流体供給装置１００との間には、ブロワ等の流体搬送装置等を適宜設けても良い。

【0046】

流入集合管１０１は、全ての触媒反応器２に流体、例えば原料ガスまたは非反応性ガスを供給するための単一の集合管である。流入集合管１０１の一方の端部は単管の流入管１０１ａとなっており、流入管１０１ａは、流体切り替え装置１１０に接続されている。他方の端部は複数の（Ｎ本の）流入分岐管１０１ｂとなっており、各流入分岐管１０１ｂに触媒反応器２の入側の端部が接続されている。流入管１０１ａと流入分岐管１０１ｂとは連結管１０１ｃによって連結されている。

【0047】

触媒反応器２は、固定床である触媒層を内蔵した直管状の装置であり、加熱区間Ａ内に並列に複数配置されている。触媒反応器２の入側の端部は流入集合管１０１の流入分岐管１０１ｂに連結され、出側の端部は流出集合管１０２の流出分岐管１０２ｂに連結されている。触媒反応器２は、触媒層を用いた触媒反応により原料ガスを改質する。そして、触媒反応器２は、改質後の原料ガス、すなわち改質ガスを流出集合管１０２に排出する。触媒反応器２の詳細な構成については後述する。

【0048】

触媒層内堆積物除去装置３は、触媒反応器２毎に設けられ、触媒層内に堆積したコーク等の副生成物、すなわち堆積物を操業中に除去する。触媒層内堆積物除去装置３は、互いに独立して駆動することができる。触媒層内堆積物除去装置３の具体例は後述するが、例えば特許文献１、２に開示された装置を特に制限なく使用することができる。なお、触媒層内堆積物除去装置３は省略されてもよい。例えば、原料ガスの改質によって堆積物が生成しない場合、あるいは、堆積物が生成して触媒層の通気抵抗を上昇させる場合であってもその堆積量が触媒反応器の閉塞にまでは至りえない場合には触媒層内堆積物除去装置３は省略されてもよい。

【0049】

弁機構４は、触媒反応器２毎に設けられる。すなわち、弁機構４は、触媒反応装置１内に並列に複数配置される。弁機構４は、具体的には、流入分岐管１０１ｂに設けられる。弁機構４は、後述する流出分岐管１０２ｂに設けられても良いし、触媒反応器２内に設けられても良い。弁機構４は、触媒反応器２内に原料ガス等を流通させる開放状態、および触媒反応器２への原料ガス等の流通を遮断する閉止状態のいずれかに互いに独立して設定可能となっている。

【0050】

弁機構４の例としては、特許文献１、２に挙げられる高温弁が挙げられる。このような高温弁（例えば、特許文献１に挙げられる弁座および弁体）においては、閉止状態の部材間のシール（例えば、弁体−弁座間のシール）は、比較的小さな力で押しつけられた金属間の接触によるものである。したがって、部材間に僅かな隙間の生じることが避けられない。もし、各部材（例えば、弁体および弁座）に弾性変形量の大きい材料を用いることができれば高温弁のシールを飛躍的に向上させることができるものの、７００℃以上といった高温で大きな変形に耐えうる工業的な弾性材料は存在しない。したがって、第１の実施形態および後述の各実施形態が対象とする弁機構４では、リークは常に発生する。このような前提のもとにリーク率を適正に管理することを考えることが実用的である。

【0051】

流出集合管１０２は、全ての触媒反応器２から流出する流体、例えば改質ガスまたは非反応性ガスを集めて下流に流出させるための単一の集合管である。流出集合管１０２の一方の端部は複数の（Ｎ本の）流出分岐管１０２ｂとなっており、各流出分岐管１０２ｂに触媒反応器２の出側の端部が接続されている。流出集合管１０２の他方の端部は単管の流出管１０２ａとなっている。流出管１０２ａと流出分岐管１０２ｂとは連結管１０２ｃによって連結されている。流出管１０２ａは、冷却装置１１７、流量調整装置１１８、およびブロワ１１９を介して反応流体回収装置３００に接続されている。したがって、流出集合管１０２から流出された改質ガスは、冷却装置１１７、流量調整装置１１８、およびブロワ１１９を通って反応流体回収装置３００で回収される。反応流体回収装置３００は、例えば、ガスホルダ等で構成される。

【0052】

流量計１１２は、加熱区間Ａ内の流入管１０１ａに設けられ、流入集合管１０１内の流量Ｑ_Ｔを測定する。流量Ｑ_Ｔは、各触媒反応器２に導入されるガスの総量となる。流量計１１２としては、例えば、オリフィスを用いた装置が挙げられる。具体的には、オリフィスが流入管１０１ａ内に設けられる。そして、流量計１１２は、オリフィス前後の差圧からベルヌイの原理に基づいて流速を測定し、その値を流量Ｑ_Ｔに換算する。詳細は後述するが、第１の実施形態および後述の各実施形態では、流量Ｑ_Ｔとして、非反応性ガスの流量を使用する。したがって、流量計１１２は、非反応性流体供給装置２００の流出口に設けられても良い。本実施形態の装置系においては、ガス温度が場所や時刻によって変動するので、流量Ｑ_Ｔを、例えば、標準状態での流量に換算して用いることができる。

【0053】

流入温度計１１４は、例えば連結管１０１ｃ内に設けられ、流入集合管１０１内のガス温度、すなわち流入温度Ｔ_ｉｎを測定する。触媒層温度計１１５は、触媒反応器２毎に設けられ、触媒層内の温度、すなわち触媒層温度Ｔ_ｉを測定する。これらの温度計には熱電対を用いることができる。この場合、例えば、温度検出部を連結管１０１ｃあるいは触媒反応器２内に挿入し、連結管１０１ｃの管壁あるいは触媒反応器２の管壁を貫通して信号線を加熱炉外に引き出す。そして、加熱炉外に設けられた温度変換器に信号線を接続させる。温度変換器は、温度を計測および記録する。なお、触媒層温度計１１５の温度検出部は、触媒層の中心部に配置されることが好ましいが、設計上の便宜があれば、触媒層内のより下流側、触媒層の下方の触媒反応器内空間、または、触媒層と触媒反応器２の容器外壁面とで挟まれる空間に設けられても良い。

【0054】

流入圧力計１１３は、例えば、加熱区間Ａ内の流入管１０１ａに設けられ、流入集合管１０１内のガス圧を測定する。流出圧力計１１６は、加熱区間Ａ内の流出管１０２ａに設けられ、流出集合管１０２内のガス圧を測定する。これらは、差圧計測装置を構成する。これらの圧力計を実現する方法としては、例えば、流入管１０１ａと流出管１０２ａにそれぞれ圧力導管を設けて圧力導管の端部を加熱炉外に引き出し、この端部に市販のダイヤフラム型圧力計を接続する等すればよい。

【0055】

触媒反応装置１に含まれるこれらの計測機は、工業的な外熱式触媒反応器２に関する技術分野では、操業管理のために標準的に設置されている場合が多いものである。

【0056】

冷却装置１１７は、改質ガス中の凝縮成分（例えばタール等）を除去するとともに、改質ガスを後段の流量調整装置１１８、及び反応流体回収装置３００に供給可能な温度（例：８０℃未満）まで冷却する。冷却装置１１７の具体例としては、熱交換器やスクラバが挙げられる。冷却された改質ガスは、流量調整装置１１８を通ってブロワ１１９に導入される。

【0057】

流量調整装置１１８は、全ての流入分岐管１０１ｂ内の原料ガスの流量を合計した原料ガス流量が目標値となるように調整する装置である。流量調整装置１１８は、例えば、改質ガスの流量を調整する弁であり、電動モータやエアシリンダ等の駆動装置を備える。流量調整弁には市販のものを用いることができる。

【0058】

ブロワ１１９は、冷却装置１１７によって冷却された改質ガスを反応流体回収装置３００に供給する（送風する）。ブロワ１１９も特に制限されず、市販のターボ式・容積式のブロワであってもよい。ブロワ１１９および流量調整装置１１８の設定値を調整することで、原料ガス流量が目標値となるように調整することができる。

【0059】

触媒反応装置１は、工業的に実用化されているものであり、例えば、炭化水素（例えば、天然ガス）の水蒸気改質用の外熱式触媒反応装置で使用される一般的な材質や構造によって実現される。

【0060】

（２．触媒反応器の具体例）
触媒反応器２としては、例えば特許文献１、２に開示されたものを特に制限なく使用することができる。以下、触媒反応器２の具体例を幾つか説明する。なお、以下に説明する例では、触媒反応器２内に触媒層内堆積物除去装置３が組み込まれている。

【0061】

（２−１．第１の例）
まず、図４に基づいて、触媒反応器２の第１の例について説明する。第１の例は、特許文献１の第１の実施形態に開示された触媒反応器に相当する。したがって、ここに開示されていないパラメータについては、適宜特許文献１に開示されたパラメータを適用することができる。

【0062】

図４に示すように、第１の例に係る触媒反応器２は、反応容器４０と、流入路４１と、流出路４２と、触媒層４３と、触媒保持器４４と、心棒４８と、駆動装置４９とを備える。触媒保持器４４は、互いに平行に配置された複数のロッド４４ａと、ロッド４４ａの端部間を連結するロッド固定具４４ｂとを備える。これらのうち、触媒保持器４４、心棒４８、および駆動装置４９によって触媒層内堆積物除去装置３が実現される。この例では、弁機構４は流入分岐管１０１ｂ内に設けられてもよい。

【0063】

（反応容器の形状）
反応容器４０は、上下両端に開口を有し、これらの開口間に触媒を収納できるものであればどのような形状でもよい。上方の開口は、流入路４１に通じており、触媒反応用の原料ガスの反応容器４０への流入口に当たるものである。下方の開口は、流出路４２に通じており、改質ガスの反応容器４０からの流出口に当たるものである。反応容器４０は、例えば、円筒状、角型ダクト状などの形状であることができる。以下では、角型ダクト状の反応容器を例に説明する。

【0064】

第１の例に係る触媒反応器２の説明において、「容器の中心軸」とは、容器の水平断面の図心を鉛直方向に連ねたものと定義する。「反応容器の厚み」は、水平断面における反応容器の長さのうちの最小の長さに相当し、「反応容器の幅」は、水平平面における反応容器の長さのうちの最大の長さに相当する。容器が円筒の場合には、容器の「幅」および「厚」を「直径」と置き換えればよい。

【0065】

（触媒保持器）
触媒保持器４４は、反応容器４０内で触媒層４３を触媒層４３の下面全体で保持するとともに、通気性を有する。触媒保持器４４には、網、パンチングメタル、複数の棒を用いて棒の間に空間を生じるように水平方向に各棒を互いに平行に並べて棒の両端を固定したもの等を用いることができる。図４に示した触媒保持器４４は、複数のロッド４４ａの両端をロッド固定具４４ｂで固定して作製したものの例である。

【0066】

（触媒層の駆動機構）
本発明では、触媒保持器４４を昇降させることによってその上の触媒層４３を反応容器４０内で昇降させる。そのために、反応容器４０には触媒保持器４４を昇降させる駆動装置４９が装備される。駆動装置４９には、エアシリンダ、ラックピニオン等の歯車を利用した昇降装置などの、一般的な駆動機構を用いることができる。触媒保持器４４は、心棒４８を用いて駆動装置４９に結合される。駆動装置４９を作動させると、保持器４４の全体が反応容器４０の軸線（反応容器４０の中心軸）に沿って移動して、触媒層４３の全体をやはり反応容器４０の軸線に沿って上下に移動させる。

【0067】

少なくとも心棒４８の触媒保持器４４側の一部は反応容器４０、または、流入路４１、流出路４２の内側に存在する必要がある。駆動装置４９は、反応容器４０の外部に設けることができる。反応容器４０を例えば加熱炉などの加熱装置（図示せず）内に配置する場合には、駆動装置４９を加熱装置外に設けることもできる。この場合、市販の昇降装置を使える一方で、心棒４８が反応容器４０を貫通する部分を高温用パッキン等で封止する必要がある。

【0068】

駆動装置４９全体を、図４に示したように反応容器４０内に設ける場合には、駆動装置４９を、例えば反応容器４０内の高温や腐食性物質から保護するために、耐熱・耐食性のものとする必要がある。これは、一例として、駆動装置４９のエアシリンダ全体をハステロイ（登録商標）等の耐熱合金製とすることによって実現できる。この場合、エアシリンダへの供給エア配管（図示せず）は反応容器４０を貫通するが、この部分は非可動部なので、配管を全周溶接するなどして封止を図ればよい。

【0069】

（触媒層の昇降）
触媒保持器４４の上面全体に触媒を充填して触媒層を形成する。このように形成された触媒層の側面は、反応容器４０の内壁面に常に接触し続ける。触媒保持器を上昇させると触媒層には上向きに力が与えられ、触媒層側面では反応容器内壁面からの下向きの摩擦力を生じる。この結果、触媒層内では、壁面近傍の触媒では壁面の拘束が大きいために上方への移動量が触媒保持器の上昇量よりも平均的に小さくなるとともに、この部分での触媒粒子の充填率は上昇する。一方、壁面から遠い、触媒層の中心部では壁面の拘束がより弱いので、触媒層の上方への移動量は比較的大きく、この部分での触媒粒子の充填率の上昇はより小さい。この結果、触媒保持器の上昇中には、壁面近傍から中心にかけて触媒層のせん断変形を生じ、触媒層のいたるところで触媒粒子間の相対変位が発生する。この相対変位によって触媒粒子間の空間が変形するので、この空間に堆積していた副生コーク（すなわち、副生成物）は、破砕され、押し出されて触媒層外に排出されうる。このように、触媒保持器の上昇によって触媒層の平均充填率は上昇する。

【0070】

これに対して、触媒保持器の下降時には、触媒層の平均充填率は昇降開始前のレベルまで低下する。これは、触媒保持器の下降時には、壁面の拘束によって、下方の触媒層から順に徐々に落下するため触媒層の下降中には触媒粒子間の平均距離が増大し、この触媒間の位置関係の一部が触媒層の下降完了後まで維持されるため、触媒層の充填率が低下する。また、触媒層下降時の充填率の低下にともなう触媒粒子間隔の増大に伴って、粒子間に堆積した副生コークが移動して触媒外に排出されうる。この結果、触媒層の昇降を繰り返しても充填率が上昇し続けて最密充填に至ることはなく、長期間に渡ってコーク除去を継続できる。このように、触媒層の昇降操作によって、触媒層内に堆積したコークを除去することができる。また、この手法において触媒層からコークを除去するための原理は、触媒粒子間の空間を変形させることであるので、触媒層の昇降速度は必ずしも大きい必要はない。１０ｍｍ／ｓ程度の昇降速度で充分な効果が得られる。また、粒子間の相対変位量も粒子の寸法程度（例えば、１０ｍｍ）でよい。

【0071】

（流入路、流出路）
流入路４１は、流入分岐管１０１ｂに連結されている。したがって、流入路４１には原料ガスが導入される。図４中の矢印Ｐ１は原料ガスの流れを示す（触媒層中で下降流の場合）。流出路４２は、流出分岐管１０２ｂが連結されている。流出路４２には、改質ガスが導入される。その後、改質ガスは、流出分岐管１０２ｂを通って冷却装置１１７に導入される。

【0072】

（触媒層）
触媒層４３は、触媒粒子が反応容器４０内で触媒保持器４４上に充填して積層されることで形成される。触媒粒子は、原料ガスの改質の触媒となるものであり、原料ガスは、触媒粒子に接触した際に改質される。例えば、触媒粒子上で触媒反応が起こることで、原料ガス中の水蒸気とタールガスが改質されて一酸化炭素ガスと水素ガスとコークが生じる。

【0073】

触媒層４３を構成する触媒粒子は、原料ガスを改質（例えば、水蒸気改質やクラッキング）できる触媒であれば、どのようなものであってもよい。例えば、原料ガスが炭化水素を含む場合、触媒粒子としては、Ｎｉ−アルミナ系触媒、Ｎｉ−マグネシア−アルミナ系触媒等を用いることができる。

【0074】

（２−２．第２の例）
つぎに、図５〜図７に基づいて、触媒反応器２の第２の例について説明する。第２の例は、特許文献１の第２の実施形態に開示された触媒反応器に相当する。したがって、ここに開示されていないパラメータについては、適宜特許文献１に開示されたパラメータを適用することができる。

【0075】

触媒反応器２は、反応容器１０と、流入路１１と、流出路１２と、触媒層１３と、触媒保持器１４と、弁座１５と、通気孔１６と、弁体１７と、心棒１８と、断熱材１９と、連結管２０と、駆動装置２１とを備える。弁座１５、通気孔１６、弁体１７、及び心棒１８は、弁機構４として機能する。また、触媒保持器１４、心棒１８、連結管２０、および駆動装置２１によって触媒層内堆積物除去装置３が実現される。また、弁座１５および弁体１７により弁機構４が実現される。

【0076】

（反応容器）
反応容器１０は、触媒層１３と、触媒保持器１４と、弁座１５と、通気孔１６と、弁体１７と、心棒１８とを収容する円筒形状の部材である。反応容器１０の形状を円筒形状とすることで、高温下でも半径方向（長さ方向に垂直な方向）の歪みが生じにくい。もちろん、設計上の便宜等の理由により、反応容器１０の形状を他の形状としてもよい。例えば、反応容器１０は、水平断面が正多角形となる角筒形状、水平断面が楕円となる楕円筒形状であってもよい。

【0077】

（流入路）
流入路１１は、反応容器１０の上端で反応容器１０に連結されている。すなわち、反応容器１０の上端には通気孔１１ａが形成されており、この通気孔１１ａを介して流入路１１と反応容器１０とが連結されている。流入路１１は、流入分岐管１０１ｂに連結されており、原料流体供給装置１００から発生した原料ガスを反応容器１０内に導入する。矢印Ｐ１は、原料ガスの流動方向を示す。

【0078】

（流出路）
流出路１２は、反応容器１０の下端で反応容器１０に連結されている。すなわち、反応容器１０の下端には通気孔１２ａが形成されており、この通気孔１２ａを介して流出路１２と反応容器１０とが連結されている。流出路１２は、流出分岐管１０２ｂに連結されており、反応容器１０内で生成した改質ガスを粉塵回収器６に導入する。矢印Ｐ２は、改質ガスの流動方向を示す。

【0079】

流入路１１及び流出路１２は、触媒反応器２の側方に配置されているので、触媒反応器２を上下に貫通する心棒１８との干渉を回避できる。ここで、各触媒反応器２の流入路１１及び流出路１２を触媒反応器２間で共有することで、触媒反応器２同士を並列接続してもよい。

【0080】

（触媒層）
触媒層１３は、反応容器１０内に設けられる。触媒層１３は、触媒粒子が反応容器１０内で触媒保持器１４上に充填して積層されることで形成される。触媒粒子は、原料ガスの改質の触媒となるものであり、原料ガスは、触媒粒子に接触した際に改質される。例えば、触媒粒子上で触媒反応が起こることで、原料ガス中の水蒸気とタールガスが改質されて一酸化炭素ガスと水素ガスとコークが生じる。

【0081】

また、触媒層１３は、反応容器１０の内壁面に接触している。このため、触媒層１３の昇降時には、壁面摩擦の効果によって触媒層１３の上部は下部に遅れて下降する。したがって、触媒層１３の充填率が一時的に低下する。この際、触媒粒子間の平均的な間隙が拡大するため、触媒層の静止時には除去ガスが通過しにくい部位（例：触媒保持器直上の触媒粒子等）にも除去ガスが到達し、そこでの副生成物を除去できる。

【0082】

また、触媒層１３は、反応容器１０内で３層形成されている。そして、各層の触媒層１３が触媒保持器１４によって保持される。このように触媒層１３を多層構造とすることで、各触媒保持器１４に掛かる荷重を低減することができる。もちろん、触媒層１３の層数は３層に限られない。

【0083】

触媒層１３を構成する触媒粒子は、原料ガスを改質（例えば、水蒸気改質やクラッキング）できる触媒であれば、どのようなものであってもよい。例えば、原料ガスが炭化水素を含む場合、触媒粒子としては、Ｎｉ−アルミナ系触媒、Ｎｉ−マグネシア−アルミナ系触媒等を用いることができる。また、触媒粒子の大きさは、後述する触媒保持器１４の通気孔１４ｃを通過しない程度の大きさであればよい。

【0084】

（触媒保持器）
触媒保持器１４は、触媒層１３を保持する部材であり、触媒層１３毎に設けられる。触媒保持器１４は、後述する心棒１８に固定され、心棒１８と一体となって昇降する。

【0085】

触媒保持器１４は、反応容器１０内で触媒層１３を触媒層１３の下面全体で保持するとともに、通気性を有する。具体的には、触媒保持器１４は、触媒粒子の落下を防ぎつつ、各種ガス（原料ガス及び改質ガス）を流通させる構造を有する必要がある。具体的には、触媒保持器１４は、図６に示すように、複数のリング状部材１４ａと、リング状部材１４ａ同士を連結する連結部材１４ｂとを備える。各リング状部材１４ａは、互いに直径が異なっており、連結部材１４ｂ上に同心円状に配置される。ここで、各リング状部材１４ａの中心点は、心棒１８の中心軸上に配置される。また、リング状部材１４ａの断面（周方向に垂直な断面）形状は特に制限されないが、強度の観点から矩形であることが好ましい。また、リング状部材１４ａ間には、通気孔１４ｃが形成される。各種ガス及び副生成物は、この通気孔１４ｃを通過する。

【0086】

連結部材１４ｂは、リング状部材１４ａ同士を連結するとともに、これらを心棒１８に固定させる。すなわち、連結部材１４ｂは、心棒１８から放射状に伸びる部材となっている。連結部材１４ｂの断面（長さ方向に垂直な断面）形状も矩形であることが好ましい。リング状部材１４ａ及び連結部材１４ｂの断面積を大きくすることで、触媒保持器１４の強度を大きくすることができる。触媒保持器１４は、例えば、反応容器１０の水平断面形状と同じ形状に加工された網、パンチングメタル等であってもよい。

【0087】

触媒保持器１４は、常温及び触媒反応の温度まで加熱された時のいずれにおいても、耐熱・耐腐食性・曲げやせん断に対する強度および靭性を備えた金属材料で構成されることが好ましい。このような金属材料の例として、ステンレス鋼、ハステロイ（登録商標）やインコネル（登録商標）等のニッケル合金、チタン、チタン合金等を挙げることができる。

【0088】

（弁座、通気孔）
次に、弁座１５は、図７に示すように、反応容器１０の内壁面に設けられている。弁座１５は、反応容器１０内の空間を水平方向に仕切る部材である。また、弁座１５の中心部分には、弁座１５を上下に貫通する通気孔１６が形成されている。心棒１８は通気孔１６を貫通しており、原料ガスは、この通気孔１６を通過することができる。すなわち、通気孔１６の直径は、心棒１８の直径よりも大きい。また、弁座１５の下端面には、略円錐形状の切り欠きが形成されている。したがって、弁座１５の下端面には凹形状が形成されている。弁座１５の材質は触媒保持器１４の材質と同様であればよい。

【0089】

（弁体）
弁体１７は、心棒１８と一体となって昇降する部材であり、円錐台形形状となっている。弁体１７は、心棒１８と一体となって昇降することで、通気孔１６を開放、または閉止することができる。例えば、弁体１７は、図７（ｂ）の実線で示される位置（この位置は後述する開放位置１８ａに相当する）に存在する場合に、通気孔１６を開放する。この場合、原料ガスは、通気孔１６を通って触媒層１３に到達することができる。一方、弁体１７は、図７（ｂ）の二点鎖線で示される位置（この位置は後述する閉止位置１８ｂに相当する）に存在する場合に、通気孔１６を閉止する。この場合、弁座１５及び弁体１７によって流入路１１と反応容器１０内の触媒層１３とが遮断されるので、原料ガスは触媒層１３に到達することができない。すなわち、原料ガスの反応容器１０への流通が遮断される。弁体１７の材質は触媒保持器１４の材質と同様であればよい。

【0090】

なお、図７（ａ）の破線１７ｄは、通気孔１６を閉止した弁体１７の上端部を示し、破線１７ｅ及び図７（ｂ）中の直線１７ｂは、通気孔１６を閉止した弁体１７と弁座１５との接触線を示す。この接触線は円形となる。

【0091】

このように、弁座１５及び弁体１７のいずれも軸対称形状（接触線１７ｂが円形）となっている。このため、原料ガスの遮断性をより高めることができる。尚、設計上の便宜の理由等から、接触線１７ｂが楕円形等のなめらかで角を持たない形状であってもよい。この場合、弁座１５の水平断面形状及び弁体１７の切り欠きの水平断面形状を楕円形等にすればよい。

【0092】

（心棒）
心棒１８は、反応容器１０内を上下に伸びる円柱または円筒形状の部材（すなわち、丸棒または円管）である。心棒１８には、触媒保持器１４及び弁体１７が固定されており、触媒保持器１４及び弁体１７とともに昇降する。また、心棒１８の上端部は、断熱材１９を介して駆動装置２１に連結されている。心棒１８は、駆動装置２１によって昇降する。具体的には、心棒１８は、図５（ｂ）に示すように、弁体１７が通気孔１６を開放する開放位置１８ａと、図５（ｃ）に示すように、弁体１７が通気孔１６を閉止する閉止位置１８ｂとの間を昇降する。

【0093】

さらに、心棒１８は、副生成物の除去時には、図５（ｄ）に示す中間位置１８ｃと図５（ｂ）に示す開放位置１８ａとの間で昇降することが可能となっている。中間位置１８ｃは、開放位置１８ａと閉止位置１８ｂとの間に設定される。図５に示す例では、中間位置１８ｃは、開放位置１８ａと閉止位置１８ｂとの中点に中間位置１８ｃが設定されるが、他の位置に中間位置１８ｃが設定されても良いことはもちろんである。

【0094】

中間位置の設定方法は特に制限されないが、例えば上述したエアシリンダ中の中間位置に相当する位置にリミットスイッチを設ける方法等が挙げられる。より具体的には、このようなリミットスイッチを有する３ポジション式のエアシリンダを駆動装置２１として用いれば良い。また、複数の２ポジション型エアシリンダを直列に結合することで、３ポジション式のエアシリンダを実現してもよい。なお、中間位置の数は複数であってもよい。この場合、駆動装置２１のポジション数は中間位置の数に応じて増大する。

【0095】

駆動装置２１は、図示しない増速装置による制御により、原料ガスの遮断時には心棒１８を閉止位置１８ｂで停止させ、原料ガスの改質時には、心棒１８を開放位置１８ａで停止させる。さらに、駆動装置２１は、副生成物の除去時には、心棒１８を中間位置１８ｃと開放位置１８ａとの間を昇降させる。駆動装置２１の制御は、図示しない反応器群制御装置によって行われる。これにより、本実施形態では、原料ガスの流通を遮断させることなく触媒層１３を昇降させることができる。すなわち、本実施形態では、心棒１８を中間位置１８ｃと開放位置１８ａとの間で昇降させる。

【0096】

上記のように、心棒１８が開放位置１８ａ（または中間位置１８ｃ）にある場合に、弁体１７は弁座１５と非接触であり、通気孔１６が開放される。この場合、原料ガスが触媒反応器２内に導入される。また、心棒１８が閉止位置１８ｂにある場合に、弁体１７は弁座１５と接触し、通気孔１６が閉塞する。この場合、原料ガスは触媒反応器２から遮断される。そして、心棒１８が開放位置１８ａ（または中間位置１８ｃ）にある際に、弁機構４は開放状態となり、心棒１８が閉止位置１８ｂにある際に、弁機構４は閉止状態となる。

【0097】

断熱材１９は、心棒１８の熱が駆動装置２１に伝わりにくくするために設けられる部材である。断熱材１９は、反応容器１０の上端面１０ａを貫通し、連結管２０内に伸びている。そして、断熱材１９は、連結管２０内で駆動装置２１の駆動棒２１ａと連結されている。なお、断熱材１９の下端部は、心棒１８の昇降時に反応容器１０内に配置される。これにより、心棒１８の昇降中であっても、心棒１８の熱が駆動装置２１に伝わりにくくなる。断熱材１９は、例えばセラミックス等で構成される。なお、断熱材１９の構造としては、フランジ間に断熱材を挟む構造や、単に複数の金属板を軸方向に多数重ねる構造としてもよい。後者の場合、金属板間の接触熱抵抗を利用して軸方向の熱流束を抑制することができる。断熱材１９は、高温用パッキンであってもよい。

【0098】

（連結管及び駆動装置）
連結管２０は、反応容器１０と駆動装置２１とを連結する管状部材である。駆動装置２１は、心棒１８を開放位置１８ａ、閉止位置１８ｂ、中間位置１８ｃとの間で昇降させる部材であり、駆動棒２１ａと、シリンダ２２と、ピストン２３とを備える。したがって、駆動装置２１はいわゆる３ポジション型のエアシリンダを利用した昇降装置となっている。駆動棒２１ａは、断熱材１９を介して心棒１８に連結されている。シリンダ２２は、ピストン２３が収納される部材であり、ピストン２３は、シリンダ２２内に供給されるガスによってシリンダ２２内を昇降する。ピストン２３には、駆動棒２１ａが連結される。駆動棒２１ａは、ピストン２３と連動して昇降する。これにより、駆動装置２１は、心棒１８を昇降させる。なお、ピストン２３がシリンダ２２の下端に到達した際に、心棒１８は開放位置１８ａに到達し、ピストン２３がシリンダ２２の上端に達した際に、心棒１８は閉止位置１８ｂに到達する。中間位置では１８ｃでは、シリンダ上下の圧力をバランスさせて開放位置と閉止位置間での所定の停止位置にシリンダを維持する。もちろん、駆動装置２１は心棒１８を上述した態様で昇降させることができればよいので、駆動機構はエアシリンダに限定されない。例えば、駆動装置２１の駆動機構は、ラックピニオン等であってもよい。

【0099】

駆動装置２１は、図５に示されるように、反応容器１０の外部に設けられる。さらに、駆動装置２１は、加熱装置（反応容器１０等を加熱する装置）内に配置されてもよい。この場合、駆動装置２１を高温や腐食性物質から保護するために、駆動装置２１を耐熱・耐食性が高い材質で構成することが好ましい。例えば、駆動装置２１のエアシリンダ全体をハステロイ（登録商標）等の耐熱合金で構成してもよい。この場合、エアシリンダにガスを供給する配管（図示せず）は反応容器１０を貫通するが、この部分は非可動部なので、配管を全周溶接するなどして封止を図ればよい。なお、心棒１８の上昇時に、触媒保持器１４の一部が触媒層１３に食い込んで自由落下しえなくなる場合があるので、駆動装置２１は心棒１８の上昇時だけでなく下降時も駆動されることが好ましい。なお、駆動装置２１は、図示しない反応器群制御装置による制御によって駆動する。

【0100】

第２の例では、複数の触媒反応器２のうち、いずれかの触媒反応器２の弁機構４を選択的に閉止状態とすることができる。たとえば、いずれか１つの触媒反応器２の弁機構４を開放状態とし、残りの触媒反応器２の弁機構４を閉止状態とすることができる。これにより、特定の触媒反応器２に大きな流量の原料ガスを流通させることができ、この触媒反応器２内の副生成物を容易に除去することができる。

【0101】

（３．弁機構のリーク率の測定方法）
つぎに、弁機構４のリーク率の測定方法を説明する。リーク率の測定方法は、第１〜第３の操作で構成される。リーク率の測定方法は、原料ガスを改質ガスに改質する通常の（正規の）操業中の任意のタイミングで行われれば良い。

【0102】

（３−１．第１の操作）
第１の操作では、全ての弁機構４を開放状態とするとともに、流体切り替え装置１１０を操作して非反応性ガスを流入集合管１０１に供給する。これにより、全ての触媒反応器２に非反応性ガスを通過させる。この際の流入温度が第１の流入温度Ｔ_ｉｎ１となるようにガス予熱装置１１１を調整する。同時に、流入集合管１０１の流量Ｑ_Ｔおよび各々の触媒反応器２の触媒層温度計１１５にて測定された触媒層温度Ｔ_１,ｉを記録する（添え字ｉは触媒反応器の番号、添え字１は第１の操作時、後述する添え字２は第２の操作時を示す。添え字３は第３の操作時を示す。添え字の意味は以下同様である。）。ここで、本操作に要する時間を節約するために、流入温度Ｔ_ｉｎ１は、正規の触媒反応操業時の炉温条件で実現される流入温度、または、この温度に近い温度であることが好ましい。流入温度Ｔ_ｉｎ１は、初期温度である。

【0103】

（３−２．第２の操作）
第２の操作では、ガス予熱装置１１１を調整して、流入温度を上記の第１の流入温度Ｔ_ｉｎ１とは異なる第２の流入温度Ｔ_ｉｎ２（所定の流入温度）に設定する。このときの各々の触媒反応器２の触媒層温度計１１５にて計測された触媒層温度Ｔ_２,ｉを記録する。流入温度Ｔ_ｉｎ２は、流入温度Ｔ_ｉｎ１より高くても低くてもどちらでもよいが、少なくとも炉温Ｔ_ｆと十分な差異（すなわち、後述するリーク率が算出できる程度の差異。例えば１０℃程度）が与えられていることが好ましい。本実施形態においては、Ｔ_ｉｎ１がＴ_ｆから十分異なる場合には、Ｔ_ｉｎ２は、Ｔ_ｉｎ１と同じ温度であってもよい。

【0104】

（３−３．第３の操作）
第３の操作は、測定操作と、リーク率算出操作とに区分される。測定操作では、以下の操作を行う。

【0105】

（３−３−１．測定操作）
測定操作では、ｎ台の弁機構４のうち、所定のｎ_ｃ台の触媒反応器２に対応する弁機構４を閉止状態とした後（ここでは仮に、ｉ＝１〜ｎ_ｃを閉止、ｎ_ｃ＋１〜ｎを開放したものとする）、触媒反応装置１が定常状態となるまで操業条件を維持する。ここで、定常状態とは、少なくとも、全ての触媒反応器２内の触媒層温度が一定となり、かつ、流入集合管１０１内のガス圧と流出集合管１０２内のガス圧との差圧が一定となる状態を意味する。

【0106】

ついで、定常状態における上記差圧△Ｐ_３、炉温Ｔ_ｆ、閉止状態とした弁機構４に対応する触媒反応器２の触媒層温度Ｔ_ｃ３、ｉを記録する。なお、第１〜本測定操作の期間を通じて流量Ｑ_Ｔは、一定となるように制御される。測定操作が完了した後は、正規の触媒反応の操業に復帰させてよい。

【0107】

（３−３−２．リーク率の算出操作）
次に、リーク率の算出操作について説明する。第１の実施形態に係る触媒反応装置１では、弁機構４前後での圧力変化は、弁機構４の前後での絶対圧力に比べて十分に小さく、温度変化も比較的小さい。上記数式（１）におけるＤは、設計上、固定値であり、ζ_ｏｐは、数値解析等によって、容易に求めることのできる固定値である。さらに、流量Ｑ_Ｔを一定とし、固定値化できるものをモデル定数にまとめると、上記数式（１）は、次の式に簡略化できる。
ｋ＝α_１・Ｑ_ｃ・（△Ｐ）^１／２ （２）
α_１：モデル定数

【0108】

この数式を、ｉ番目の触媒反応器２（以下、「触媒反応器ｉ」とも称する）に対応する弁機構４（以下、「弁機構ｉ」とも称する）に適用すると、以下の数式（３）が得られる。
ｋ_ｉ＝α_１・Ｑ_ｃ３，ｉ・（△Ｐ_３）^１／２ （３）
Ｑ_ｃ３，ｉ：閉止状態での弁機構ｉのリーク流量

【0109】

ここで、α_１は、閉止状態となった弁機構ｉの圧力損失係数（抵抗係数）に比例する定数に相当する。差圧△Ｐ_３は、上記の測定操作で測定された値を用いれば良い。したがって、リーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを求めることができれば、弁機構ｉのリーク率ｋ_ｉを求めることができる。しかし、前述のように、リーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを直接に測定することは困難である。

【0110】

そこで、本第１の実施形態および後述の各実施形態では、リーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを上記測定操作で測定した触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉの関数として算出する。本第１の実施形態においては、この関数を次の数式（４）とする。なお、第１の実施形態および後述の他の実施形態において、温度の単位は℃とする。

【0111】

Ｑ_ｃ３，ｉ＝ｆｕｎｃ（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｃ３，ｉ） （４）
ｆｕｎｃ（）：（）内を独立変数とした関数

【0112】

数式（４）の意味するところを説明する。流入集合管１０１から触媒反応器ｉまでの間を通過する非反応性ガスの流れ方向に沿った伝熱を以下のようにモデル化する。まず、流入集合管１０１から触媒反応器ｉまでの間の管路およびこれに続く触媒反応器ｉ内のガス流れ方向の座標をｘ、その始点（ｘ＝０）を流入集合管１０１内の流入温度計測点（この点での温度を流入温度Ｔ_ｉｎとする）、その終点を触媒反応器ｉの触媒層温度計測点（ｘ＝Ｘ_ｉ、この点での温度を触媒層温度Ｔ_ｉとする）、炉温をＴ_ｆ、位置ｘにおける管路内代表温度（例えば、断面平均温度）を管路温度Ｔと定義する。

【0113】

上記第２の操作によって非反応性ガスの流入温度Ｔ_ｉｎ２は、炉温Ｔ_ｆに対して十分な差異が与えられる。各触媒反応器２での触媒層温度計測点に至るまでの管路系（具体的には、流入温度の計測点から触媒層温度の計測点までの管路系）は、炉温Ｔ_ｆによって加熱されるので、もし、この管路系内でのガス流量が０であれば、管路系内のガス温度は、理想的には炉温Ｔ_ｆとなる。この状態は、上記測定操作によって閉止状態とされた弁機構ｉにおいて、リーク率が０の状態に対応する。尚、触媒反応器の軸方向伝熱等の影響によってガス流量が０であっても定常状態で触媒層温度Ｔ_ｉが炉温Ｔ_ｆと厳密には一致しない値Ｔ_ｆ’である場合には、上記の式中のＴ_ｆをＴ_ｆ’と置き換えることによってモデルの高精度化を図ることができる。Ｔ_ｆ’の求め方としては、例えば、供給ガス流量を０とした試験を行ってこの試験の定常状態でのＴ_ｉのＴ_ｆからの差△Ｔ_ｆを予め求めておき、次に、実操業において測定されたＴ_ｆにこの△Ｔ_ｆを加えた値をＴ_ｆ’として使用することができる。

【0114】

しかし、実際の弁機構ｉでは必ずリークが存在するので、この弁機構ｉのリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉ、すなわち管路系を流れるガスの流量は、０より大きな値となる。

【0115】

ここで、管路内局所での非反応性ガスには、Ｔ_ｆとＴとの温度差に基づいて、管路、触媒反応器の壁面、および触媒層を通じて伝熱がなされるものとし、熱流束ｑ’’は、単位管長当たり次の数式（５）で表現されるものとする。
ｑ’’＝ｈＬ（Ｔ_ｆ−Ｔ） （５）

【0116】

ここで、ｈは、熱貫流率であり、一般には位置ｘの関数である。簡便のため、本第１の実施形態では、特定の触媒反応器ｉにおいて、少なくとも第１の操作〜測定操作の期間ではｈを一定値と仮定する。この熱流束によって管路および触媒反応器ｉ内の温度Ｔ（非反応性ガスの温度）は、この区間でガス流れを非圧縮性流体とみなした場合、流れ方向に進むにつれて昇温する。その結果、管路系内でのガス温度は下流に進むにつれて流入温度Ｔ_ｉｎ２から炉温Ｔ_ｆに近づき、各触媒反応器ｉでの触媒層温度計測点での触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉは、一般に流入温度Ｔ_ｉｎ２と炉温Ｔ_ｆの中間の温度になる。リーク流量Ｑ_ｃ３，ｉが大きいほど、管路系を貫流する炉からの熱伝導に対するガスの持ち込み顕熱の影響が増すため、触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉは、流入温度Ｔ_ｉｎ２により近い値となる。そして、その昇温率は、熱バランスから次の数式（６）で表わすことができる。
ρＣｐＱ_ｃ３，ｉｄＴ／ｄｘ＝ｈＬ（Ｔ_ｆ−Ｔ） （６）
ｈ：熱貫流率（Ｗ／（ｍ^２・Ｋ））
Ｌ：配管の周長（ｍ）
ρ：非反応性ガスの密度（ｋｇ／ｍ^３）
Ｃｐ：非反応性ガスの比熱（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））
Ｑ_ｃ３，ｉ：触媒反応器ｉにおける非反応性ガスのリーク流量（ｍ^３／ｓ）

【0117】

触媒反応装置１全体で原料ガスの圧力変化が大きく、原料ガスが非圧縮性流体ではない場合であっても、この区間に関しては一般に流量変化および密度変化を大きく設定する必要性が小さいので、原料ガスを実質的に非圧縮性流体とみなせる場合が多い（一般に、密度変化が１０％以下の場合には非圧縮性流体として扱うことができるといわれている）。したがって、ここでも非反応性ガスを非圧縮性気体とみなせることになる。

【0118】

流入集合管１０１から触媒反応器２までの温度変化は、比較的小さいものとし、かつ、ρ、Ｃｐ、Ｑ_ｃ３，ｉを一定としてこの微分方程式を解くと、以下の数式（７）が得られる。

【0119】

Ｑ_ｃ３，ｉ＝（ｈ_ｉＬＸ_ｉ／ρＣｐ）／Ｌｎ［（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｉｎ２）／（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｃ３，ｉ）］ （７）
ただし、Ｔ＝Ｔ_ｉｎ２（ｘ＝０）、Ｔ＝Ｔ_ｃ３，ｉ（ｘ＝Ｘ_ｉ）

【0120】

したがって、第１の実施形態では、数式（４）は数式（７）で示されることになる。定数ｈ_ｉ、Ｘ_ｉ、ρ、Ｃｐ等を予め測定等によって求めておき、これらの測定値と、流入温度Ｔ_ｉｎ２および炉温Ｔ_ｆを数式（７）に適用することで、リーク流量Ｑ_ｃ３，ｉが算出される。さらに、このリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを数式（３）に適用することで、弁機構ｉのリーク率ｋ_ｉが算出される。具体的にこれらの定数を求める方法としては、例えば、ρおよびＣｐに関しては、想定されるガス組成および温度における値をこのガスを構成する純物質の公開熱物性データベースから得られる値を組み合わせて求める。Ｘ_ｉには、例えば、図面上の配管の長さを用いることができる。ｈ_ｉに関しては、例えば、後述の特殊な試験を行って触媒反応器内の流量を直接に求め、さらに、予め定めたＸ_ｉ、ρ、Ｃｐの定数値とともに数式（７）に代入してｈ_ｉを求めればよい。ｈ_ｉは操業中に刻々と変化しうる値であるので、操業中の平均値等の代表値を定数として用いることができる。

【0121】

あるいは、（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｃ３，ｉ）の範囲は、操業中に大きく変動しないことを前提に線形近似を行うと、以下の数式（７’）が得られる。
Ｑ_ｃ３，ｉ＝ａ_１・（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｃ３，ｉ） （７’）
ａ_１：モデル係数

【0122】

したがって、数式（７’）を用いてリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを算出しても良い。この場合、モデル定数ａ_１を予め特定しておく必要がある。モデル定数ａ_１は、各触媒反応器２に対応する管路系の伝熱特性、例えば、管路径、管路長、管路外壁の熱貫流率、並びに、触媒反応器内の触媒の伝熱特性等によって決まる係数である。これらの伝熱特性値を個別に正確に求めることは、モデルを汎用化するうえで有益であるものの、相応の手間と費用を要する。

【0123】

そこで、操業条件の変動範囲が限定的な系においては、何らかの特殊な試験（例えば、使い捨ての流量計を特定の触媒反応器２に設置して、熱間での閉止状態時のリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを測る等）を１度実施して単一のモデル定数であるａ_１を直接求めてもよい。つまり、使い捨ての流量計を用いてリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを求める一方で、上述した第１〜第３の操作を行う。そして、数式（７’）、リーク流量Ｑ_ｃ３，ｉ、炉温Ｔｆ、および触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉに基づいて、モデル定数ａ_１を算出すれば良い。このモデル定数ａ_１を全触媒反応器２の代表値として以降の操業に適用することで、所要精度を満足しつつ、モデル定数調整の手間と費用を削減できる。なお、使い捨ての流量計としては、例えばオリフィス式流量計等が挙げられる。上述したように、オリフィス前後で生じる差圧は極めて微小なものとなるため、流量計にはある程度の精度が求められる。ただし、１度限りの使用になるので、流量計の使用によるコスト増は抑えられる。

【0124】

また、モデル定数ａ_１の伝熱特性は、一般的に触媒反応器２毎に異なることが多い（例えば、流入集合管１０１と触媒反応器２間の距離（より具体的には、Ｘ_ｉの値）は、触媒反応器２ごとに異なる設計とすることが多い）。従ってモデル定数ａ_１もモデル定数ａ_１，ｉ等のように触媒反応器２毎に個別に算出してもよい。

【0125】

第１の実施形態によれば、まず、リーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉの関数として算出する。ついで、このリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを数式（３）に適用することで、リーク率ｋ_ｉを算出する。したがって、触媒反応器ｉ内に設置される触媒層の温度分布の変化（つまり、触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉの変化）という比較的容易な測定によって、個々の弁機構４のリーク率ｋ_ｉをオンラインで容易に測定することができる。そして、触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉは、熱電対等の温度計測装置によって安価かつ簡易に測定可能である。したがって、個々の触媒反応器ｉに高価な計測装置を設けることなく、安価、かつ、簡易に弁機構ｉのリーク率ｋ_ｉをオンラインで測定することができる。

【0126】

上述した第１〜第３の操作は、作業者によって人為的に行われても良いし、図１に示す弁機構リーク率測定装置１０００によって行われても良い。弁機構リーク率測定装置１０００は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク、通信装置等のハードウェア構成を有する。ＲＯＭには、上記第１の操作〜第３の操作を行う第１の手段〜第３の手段を実現可能なプログラムが記録されており、ＣＰＵは、このプログラムを読み出して実行する。これにより、第１〜第３の手段が実現される。通信装置は、加熱炉内装置Ａ１内に設けられた各計測機器（例えば流量計１１２、流入圧力計１１３等）から送信される測定値を受信する。測定値はＣＰＵによる演算に使用される。通信装置は、ＣＰＵが生成した各種の制御信号を各駆動装置（例えば、流体切り替え装置１１０、ガス予熱装置１１１、触媒層内堆積物除去装置３等）に送信する。これらの駆動装置は、制御信号に基づいて駆動する。第１〜第３の操作が人為的に行われる場合、弁機構リーク率測定装置１０００は省略されてもよい。

【0127】

＜２．第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、上記の第２〜第３の操作が第１の実施形態と異なる。これ以外の点は第１の実施形態と同様である。そこで、第２〜第３の操作について説明する。

【0128】

（２−１．第２の操作）
第２の操作では、ガス予熱装置１１１を調整して、流入温度を上記の第１の流入温度Ｔ_ｉｎ１とは異なる第２の流入温度Ｔ_ｉｎ２に設定する。ついで、触媒反応装置１が定常状態となるまで待機する。この間、炉温Ｔ_ｆは一定に保持する。そして、触媒反応装置１が定常状態となった後、触媒層温度Ｔ_２，ｉを記録する。さらに、差圧△Ｐ_２（すなわち、流入集合管１０２内のガス圧と流出集合管１０３内のガス圧との差）を測定する。

【0129】

（２−２．第３の操作）
第３の操作のうち、リーク率の算出操作が第１の実施形態と異なる。そこで、リーク率の算出操作について説明する。第１の実施形態で示した数式（７）をガス流量Ｑ_２，ｉ（この場合、ガス流量Ｑ_２，ｉは、開放状態におけるガス流量を意味する）に適用すると、以下の数式（８）が得られる。

【0130】

Ｑ_２，ｉ＝（ｈ_ｉＬＸ_ｉ／ρＣｐ）／Ｌｎ［（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｉｎ２）／（Ｔ_ｆ−Ｔ_２，ｉ）］ （８）

【0131】

したがって、ガス流量Ｑ_２，ｉとリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉの比は、次の数式（９）で示される。
Ｑ_ｃ３，ｉ／Ｑ_２，ｉ＝Ｌｎ［（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｉｎ２）／（Ｔ_ｆ−Ｔ_２，ｉ）］
／Ｌｎ［（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｉｎ２）／（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｃ３，ｉ）］ （９）

【0132】

リーク率ｋ_ｉは、弁機構４の前後に差圧（基準差圧）を与えた場合の開放状態時のガス流量（基準流量）と閉止状態時のリーク流量との比である。したがって、ガス流量Ｑ_２，ｉおよびリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを測定した際の差圧が同一になるように補正を行えば、Ｑ_ｃ３，ｉ／Ｑ_２，ｉからリーク率ｋ_ｉを求めることができる。即ち、リーク率ｋ_ｉは、以下の数式（１０）で示される。

【0133】

ｋ_ｉ＝ａ_２Ｑ_ｃ３，ｉ／Ｑ_２，ｉ
＝ａ_２Ｌｎ［（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｉｎ２）／（Ｔ_ｆ−Ｔ_２，ｉ）］
／Ｌｎ［（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｉｎ２）／（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｃ３，ｉ）］ （１０）
ａ_２：モデル定数

【0134】

ここで、モデル定数ａ_２は圧力補正項であり、差圧△Ｐ_２、△Ｐ_３が弁機構４前後の絶対圧に比べて十分に小さい場合には、例えば、以下の数式（１１）で示される。
ａ_２＝（△Ｐ_２／△Ｐ_３）^１／２ （１１）

【0135】

したがって、数式（１０）は、以下の数式（１０’）に置き換えられる。基準流量は第２の操作時におけるガス流量Ｑ_２，ｉとなる。
ｋ_ｉ＝Ｌｎ［（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｉｎ２）／（Ｔ_ｆ−Ｔ_２，ｉ）］
／Ｌｎ［（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｉｎ２）／（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｃ３，ｉ）］
＊（△Ｐ_２／△Ｐ_３）^１／２ （１０’）

【0136】

したがって、数式（１０’）および上述した各測定値に基づいて、リーク率ｋ_ｉが算出される。第２の実施形態の利点は、弁機構４が開放状態となる際に通気抵抗が変化する系（例えば、触媒層内にコーク等の副生成物が堆積する系）において、弁機構４の開放状態での通気抵抗の変化の影響を考慮してリーク率ｋ_ｉを算出できることである。

【0137】

したがって、第２の実施形態は、原料ガスの改質時にコーク等が副生し、副生成物が触媒層の通気抵抗を刻々と変化させる触媒反応装置系において、特に有益である。なぜならば、このような系においては、仮にリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉが測定できたとしても、弁機構４の封止性の劣化によるリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉの増加と触媒層の通気抵抗の増大によるリーク流量の低下を定量的に切り分けることが困難であり、弁機構４の性能劣化（リーク率の増大）を評価し難いからである。つまり、実際はリーク率ｋ_ｉが増大しているにもかかわらず、触媒層の通気抵抗の増大によってリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉが見かけ上低下する可能性がある。第２の実施形態は、このような通気抵抗の増大を考慮してリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを算出することができる。

【0138】

第２の実施形態の別の利点は、リーク率ｋ_ｉの算出に当たって、ρ、Ｃｐ、ｈ_ｉ、Ｘ_ｉといった伝熱特性値を必要としないことである。これらの値を熱間で正確に求めるためには、手間と費用を必要とする。

【0139】

なお、コーク等の副生成物による通気抵抗の影響がなく、かつ弁機構４が開放状態となっている際の通気性をもとに弁機構４のリーク率を求める必要がある場合には、例えば、次のようにすればよい。上述した第１および第２の操作を実施する時期をコーク等の副生成物が十分に堆積する前の操業の初期の段階とし、ここで上記の必要なデータを測定しておく。第３の操作は、コークが堆積した後も含めた任意のタイムングで実施すればよい。第２と第３の操作の間の期間には特に制約はなく、この期間に改質操業を行ってもよい。但し、この期間に改質操業を行う場合には、第３の操作の前に第１および第２の操作のうち、少なくとも非反応性ガスの供給と流入温度の変更の操作を改めて実施する必要がある（データを記録する必要はない。第１および第２の操作時にデータを記録しているからである）。

【0140】

＜３．第３の実施形態＞
第３の実施形態では、第３の操作が上述した第１の実施形態と異なる。これ以外の点は第１の実施形態と同様である。そこで、以下、第３の操作について説明する。

【0141】

（３−１．第３の操作の概要）
第３の操作では、流入温度Ｔ_ｉｎを流入温度Ｔ_ｉｎ１、Ｔ_ｉｎ２のいずれとも異なる流入温度Ｔ_ｉｎ４（なお、ここでは説明の便宜上添字に４を使用する）に設定し、触媒反応装置１が定常状態となるまで待機する。そして、この時の触媒反応器ｉの触媒層温度Ｔ_ｃ４，ｉを記録し、以下の数式（１２）に基づいて、リーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを算出する。その後は、第１の実施形態と同様にリーク率ｋ_ｉを算出する。
Ｑ_ｃ３，ｉ＝ｆｕｎｃ（Ｔ_ｃ４，ｉ−Ｔ_ｃ３，ｉ） （１２）

【0142】

（３−２．測定操作）
測定操作では、まず、第１の実施形態と同様の操作を行うことで、定常状態における上記差圧△Ｐ_３、炉温Ｔ_ｆ、閉止状態とした弁機構４に対応する触媒反応器２の触媒層温度Ｔ_ｃ３、ｉを記録する。

【0143】

ついで、流入温度Ｔ_ｉｎを流入温度Ｔ_ｉｎ１、Ｔ_ｉｎ２のいずれとも異なる流入温度Ｔ_ｉｎ４に設定し、触媒反応装置１が定常状態となるまで待機する。そして、この時の触媒層温度Ｔ_ｃ４，ｉを記録する。なお、第１〜本測定操作の期間を通じて流量Ｑ_Ｔは、一定となるように制御される。測定操作が完了した後は、正規の触媒反応の操業に復帰させてよい。

【0144】

（３−３．リーク率の算出操作）
リーク率の算出操作では、測定操作によって得られた測定データを用いて、各触媒反応器２でのリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを以下の手順で算出する。まず、触媒反応器ｉにおいて、以下の数式（１３）によって定義されるモデル定数β_ｉを導入する。各パラメータの単位を考慮すると、モデル定数β_ｉは、流量と同等の単位（ｍ^３／ｓ）を有する。
β_ｉ＝ｈＬＸ_ｉ／（ρＣ_ｐ） （１３）
ｈ：熱貫流率（Ｗ／（ｍ^２・Ｋ））
Ｌ：配管の周長（ｍ）
ρ：ガスの密度（ｋｇ／ｍ^３）
Ｃｐ：ガスの比熱（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））
Ｘ_ｉ：流入管から触媒反応器間の配管の長さ（ｍ）、具体的には、流入集合管１０１内の流入温度計測点から触媒反応器ｉの触媒層温度計測点までの距離

【0145】

数式（１３）は、上述した数式（６）によって得られるものである。すなわち、流入集合管１０１から触媒反応器２までの温度変化は、比較的小さいものとし、かつ、ρ、Ｃｐ、Ｑ_ｃ３，ｉを一定としてこの微分方程式を解くと、検討対象とする流路の終点である触媒層温度計測点（ｘ＝Ｘ_i）での触媒層温度Ｔ_ｉは、次の数式（１４）で表される。
Ｔ_ｉ＝Ｔ_ｆ−（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｉｎ）ｅｘｐ［−ｈＬＸ_ｉ／（ρＣｐＱ_ｃ３，ｉ）］ （１４）
Ｘ_ｉ：触媒反応器ｉにおける触媒層温度計測点のｘ座標
但し、Ｔ＝Ｔ_ｉｎ（ｘ＝０）
Ｔ＝Ｔ_ｉ（ｘ＝Ｘ_ｉ）

【0146】

ここで、数式（１４）において、ｈＬＸ_ｉ／（ρＣｐ）をβ_ｉと定義する。これにより、モデル定数β_ｉが得られる。さらに、数式（１４）はβ_ｉを用いて以下のように表される。
Ｔ_ｉ＝Ｔ_ｆ−（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｉｎ）ｅｘｐ［−β_ｉ／Ｑ_ｃ３，ｉ）］ （１５）

【0147】

そして、上記の操作で得られた流入温度Ｔ_ｉｎ２、Ｔ_ｉｎ４、触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉ、Ｔ_ｃ４，ｉを数式（１５）に代入すると、以下の数式（１５−１）、（１５−２）が得られる。
Ｔ_ｃ３，ｉ＝Ｔ_ｆ−（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｉｎ２）ｅｘｐ［−β_ｉ／Ｑ_ｃ３，ｉ）］ （１５−１）
Ｔ_ｃ４，ｉ＝Ｔ_ｆ−（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｉｎ４）ｅｘｐ［−β_ｉ／Ｑ_ｃ３，ｉ）］ （１５−２）

【0148】

数式（１５−２）から数式（１５−１）を減じ、さらにリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉについて整理すると、以下の数式（１６）が得られる。
Ｑ_ｃ３，ｉ＝−β_ｉ／Ｌｎ［（Ｔ_ｃ４，ｉ−Ｔ_ｃ３，ｉ）／（Ｔ_ｉｎ４−Ｔ_ｉｎ２）］ （１６）

【0149】

したがって、リーク率の算出操作では、数式（１６）を用いて、触媒反応器ｉにおけるリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを算出する。その後、第１の実施形態と同様の処理により、リーク率ｋ_ｉを算出する。

【0150】

ここで、モデル定数β_ｉは数式（１３）で定義されるものの、β_ｉを求めるために数式（１３）右辺の物性値および伝熱特性値を個別に求めて数式（１３）に代入する必要は必ずしもない。

【0151】

第３の実施形態では、数式（１６）で用いるβ_ｉには固定値を用いる。β_ｉの値を決める方法は、例えば、以下の試験（以下、この試験を「βｉ算出用試験」とも称する）で求められる。具体的には、予め流れの抵抗係数が既知の抵抗体、例えば、触媒層に比べて十分に抵抗係数の高いオリフィスを各触媒反応器２に装着した状態で第１の操作〜測定操作を行う。これにより、触媒反応器ｉにおいて上述した流入温度Ｔ_ｉｎ２、Ｔ_ｉｎ４、触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉ、Ｔ_ｃ４，ｉを測定する。さらに、触媒層温度Ｔ_ｃ３、ｉの測定時にオリフィス前後の差圧を測定する。差圧の測定には、上述した各圧力計と同様の圧力計を用いれば良い。この差圧により、触媒反応器ｉでの流量配分を計算できる。なお、上述したように、触媒反応器内の流速は、通過するガスと触媒との接触時間を確保するため、通常、極めて小さいもの、例えば、数十ｃｍ／ｓ程度に設定されることが多い。一方、弁を閉止した触媒反応器においては、流速は、通常、数ｃｍ／ｓ以下とより小さなものである。もし、触媒反応装置内の触媒反応器において弁開と弁閉の触媒反応器が混在する場合には、大半のガスが弁開の触媒反応器を通過することになり、実質的に弁開の触媒反応器の圧力損失係数のみに基づいて触媒反応器前後での差圧（全触媒反応器において共通）が決定されることになる。なぜならば、弁開の触媒反応器を流れる流量は、ほぼ、［供給流量］／［弁開の触媒反応器数］の値で一定となり、弁閉での触媒反応器でのリーク流量が少々、変化したとしても弁開の触媒反応器に流れる流量に対する流量変化の比率が微小なため、差圧の変化も小さく、リーク流量変化の定量的な測定が困難だからである。そこで、βｉ算出用試験においては、想定される弁閉時の抵抗係数に相当する抵抗係数を有するオリフィスを全ての触媒反応器に対して設置することが考えられる。この場合、各触媒反応器の平均流量は、弁閉時のリーク流量相当となり、供給流量と圧力差を測定することによって、弁閉時の流量−圧力損失−系内温度差の関係を求めることができる。この流量配分と、流量Ｑ_Ｔとに基づいて、リーク流量Ｑ_ｃ３、ｉを算出できる。そして、流入温度Ｔ_ｉｎ２、Ｔ_ｉｎ４、触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉ、Ｔ_ｃ４，ｉ、リーク流量Ｑ_ｃ３，ｉ、および数式（１６）に基づいて、モデル定数β_ｉの値を決定できる。このようにして求めたβ_ｉを実操業で用いればよい。なお、β_ｉは、全ての触媒反応器２に対して求めても良いし、いずれかの触媒反応器２に対してのみ求め、これを他の触媒反応器２に適用しても良い。また、図３からも明らかな通り、β_ｉは正規の操業中に時々刻々と変動するものである。したがって、β_ｉを任意のタイミングで更新することが好ましい。

【0152】

＜４．第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態は、リーク率の算出操作が第３の実施形態とは異なる。これ以外の点は第３の実施形態と同様である。そこで、ここでは、リーク率の算出操作について説明する。

【0153】

第４の実施形態では、触媒反応器ｉにおける抵抗係数η_ｉを次の数式（１７）で定義する。
η_ｉ＝△Ｐ／Ｑ_ｉ^２ （１７）

【0154】

ここで、△Ｐは、流入集合管と流出集合管との間の差圧、すなわち圧力損失であり、Ｑ_ｉは触媒反応器ｉにおけるガス流量である。したがって、触媒反応器ｉにおける弁機構４が閉止状態となる場合、ガス流量Ｑ_ｉはリーク流量Ｑ_ｃ３、ｉとなる。

【0155】

上述したように、本発明者らは、この抵抗係数η_ｉとモデル定数β_ｉ間に正の相関のあることを見出した。この相関の物理的意味は、抵抗係数η_ｉの値の増大とモデル定数β_ｉの値の増大は、ともに触媒層内におけるコーク堆積量の増大によって引き起こされることによるものである。具体的には、触媒層の中にコークが堆積すると、堆積コークによって触媒層内の流路が実質的に狭くなるので、リーク流量Ｑ_ｃ３，iが減少する。その一方で、圧力損失△Ｐはほとんど変動しない。上述したように、第３の実施形態に係る触媒反応装置１では、複数の触媒反応器２が並列に配置されている。この場合、いずれかの触媒反応器ｉが閉止したとしても、触媒反応の触媒層を通過できなくなったガスが他の触媒反応器２に容易に迂回する。このため、閉止した触媒層の入側と出側の差圧はあまり変化せず、閉止した触媒反応器ｉでのリーク流量Ｑ_ｃ３，iが低下する。このため、触媒反応器ｉのリーク流量Ｑ_ｃ３，iが減少するが、圧力損失△Ｐはほとんど変動しない。このため、数式（１７）から抵抗係数η_ｉの値が増大する。

【0156】

一方、コークの熱伝導率は空間を満たす原料ガス、改質ガスあるいは触媒粒子の熱伝導率よりも一般に大きいので、触媒層内の触媒粒子間の空間中にコーク粉が堆積すると、堆積コーク粉を通じて触媒層内で熱が伝わりやすくなり、触媒層の熱伝導率が増大する。数式（１３）における熱貫流率ｈは、触媒層内を流れるガスの触媒粒子表面での熱伝導、触媒層の熱伝導、触媒反応器外壁の熱伝導、および加熱炉内ガスの触媒反応器外壁上での熱伝導を総合した伝熱性を示す係数である。これらの伝熱の各要素のうち、いずれかの伝熱が促進されると、熱貫流率ｈの値は増大する。従って、堆積コーク粉の増大によって触媒層の熱伝導率が増大すると、熱貫流率ｈが増大し、数式（１３）から、β_ｉが増大する。

【0157】

そこで、第４の実施形態では、上記の抵抗係数η_ｉとモデル定数β_ｉとの関係を次の数式（１８）でモデル化する。
β_ｉ＝β_０，ｉ・（η_ｉ/η_０，ｉ）^ai （１８）
β_０，ｉ：β_ｉの初期値
ａ_ｉ：モデル定数（ａ_ｉ≧０）

【0158】

数式（１７）のη_ｉをη_３，ｉとした上で、数式（１７）を数式（１８）に代入すると、次の数式（１９）が得られる。

【0159】

【数2】

【0160】

この数式（１９）を数式（１６）に代入してリーク流量Ｑ_ｃ３，iについて整理すると次の数式（２０）が得られる。

【0161】

【数3】

【0162】

したがって、リーク率の算出操作では、数式（２０）に基づいて、触媒反応器ｉのリーク流量Ｑ_ｃ３，iを算出する。その後、第３の実施形態と同様の方法を用いてリーク率ｋ_ｉを算出する。

【0163】

ここで、モデル定数ａｉ、モデル定数の初期値β_０，ｉ、抵抗係数の初期値η_０，ｉは、第３の実施形態のβｉ算出用試験と同様に求められる。すなわち、コーク堆積の無い状態（正規の操業を開始する前の状態）で、β_ｉ算出用試験を行う。これにより、モデル定数の初期値β_０，ｉが算出される。さらに、差圧△Ｐ_３、リーク流量Ｑ_ｃ３，ｉから抵抗係数の初期値η_０，ｉも算出される。その後、正規の操業を行っている間の任意のタイミングでβ_ｉ算出用試験を行う。これにより、モデル定数β_ｉが算出される。また、モデル定数β_ｉを算出した際の差圧△Ｐ_３、リーク流量Ｑ_ｃ３，ｉから抵抗係数η_ｉが算出される。そして、得られた値を、横軸をηｉ／η_０，ｉの対数軸、縦軸をβｉ／β_０，ｉの対数軸とした平面上にプロットし、各点の近似直線を最小二乗法等により算出する。そして、この近似直線の傾きをモデル定数ａｉとすればよい。モデル定数ａｉは、触媒反応器２毎に適用しても良いし、いずれかの触媒反応器２に対して算出されたモデル定数ａｉを他の触媒反応器２に流用しても良い。

【0164】

第４の実施形態では、以下の効果が得られる。モデル定数β_ｉは、図３からも明らかな通り、時々刻々と変動するものである。したがって、第３の実施形態において、精度良くリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを算出しようとした場合には、頻繁にモデル定数β_ｉを更新する必要がある。さらに、モデル定数β_ｉは、操業条件によっても変動しうる。しかし、モデル定数β_ｉの算出には手間がかかる。これに対し、数式（２０）は、時々刻々と変動するβ_ｉを考慮した数式となっている。したがって、モデル定数ａｉさえ算出してしまえば、後は時々刻々と変動するモデル定数β_ｉを考慮してリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを算出できるので、より容易かつ高精度にリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを算出することができる。

【実施例】

【0165】

＜１．実施例１＞
実施例１では、７本の触媒反応器２を有する（すなわち、Ｎ＝７の）触媒反応装置１を準備した。そして、原料ガスとしてタールを含有したコークス炉ガスを各触媒反応器ｉに供給し、加熱炉温度を約８００℃に維持した正規の操業条件で改質操業を行った。その後、供給ガスを非反応性ガスである窒素ガスに切り替え、窒素ガスを４０Ｎｍ^３／ｈの流量で各触媒反応器２に供給するとともに、炉温Ｔ_ｆを７８０℃に設定した（第１の操作）。

【0166】

ついで、ガス予熱装置１１１を調整して、窒素ガスの流入温度Ｔ_ｉｎ２の目標値を７５０℃に設定した。その後、触媒反応装置１が定常状態となるまで待機した（第２の操作）。ついで、３番目および４番目の触媒反応器２（ｉ＝３、４）に対応する弁機構４を閉止状態とし、触媒反応装置１が定常状態となるまで待機した。触媒反応装置１が定常状態となった後、触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉを記録した（測定操作）。触媒層温度（触媒反応器温度）Ｔ_ｃ３，ｉは表１に示すものであった。この一連の操作の間、流入集合管内のガス圧と流出集合管内のガス圧との差圧△Ｐ_３は、流入圧力計１１３および流出圧力計１１６の検出精度の範囲内で一定であり、その値は、６１Ｐａであった。

【0167】

【表1】

【0168】

ついで、第１の実施形態に記載されたリーク率の算出操作により３番目、４番目の触媒反応器２のリーク率ｋ_ｉを算出した。具体的には、数式（７’）に基づいて、リーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを算出した。ここで、モデル係数ａ_１の値には、上述した方法により事前に測定した値である３×１０^−４を用いた。そして、算出されたリーク流量Ｑ_ｃ３，ｉを数式（３）に適用することで、リーク率ｋｉを算出した。ここで、モデル定数α_１の値には、事前に調査して調整した値である０．４を用いた。なお、弁機構４の開放状態時の基準流量を定義する際の圧力、すなわち基準圧力を１ｋＰａとした。結果を表２に示す。

【0169】

【表2】

【0170】

＜２．実施例２＞
実施例２では、第２の実施形態に記載されたリーク率の算出操作により３番目、４番目の触媒反応器２のリーク率ｋ_ｉを算出した。具体的には、以下に示す操作以外は実施例１と同様の処理を行った。第２の操作では、流量温度Ｔ_ｉｎ２の目標値を７９０℃に設定し、触媒反応装置１が定常状態となるまで待機した。また、触媒反応装置１が定常状態となった後、３番目および４番目の触媒反応器２（ｉ＝３、４）の触媒層温度Ｔ_２，ｉを記録した。測定操作では、３番目および４番目の触媒反応器２に対応する弁機構４を閉止状態とし、触媒反応装置１が定常状態となるまで待機した。触媒反応装置１が定常状態となった後、触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉを記録した。表３に触媒層温度Ｔ_２，ｉ、Ｔ_ｃ３，ｉ、流入温度Ｔ_ｉｎ２、炉温Ｔ_ｆを示す。以上の操作を行っている間、流入集合管内のガス圧と流出集合管内のガス圧との差圧（つまり、差圧△Ｐ_２、△Ｐ_３）は、流入圧力計１１３および流出圧力計１１６の検出精度の範囲内で一定であり、２９Ｐａであった。

【0171】

【表3】

【0172】

ついで、数式（１０’）に基づいて、リーク率ｋ_ｉを算出した。ここで、モデル定数ａ２は、（△Ｐ_２／△Ｐ_３）^１／２＝１とした。リーク率ｋ_ｉの算出に直接は使用されないが、ここでの基準流量は、差圧△Ｐ_２＝２９Ｐａにおける触媒反応器２のガス流量Ｑ_２，ｉとなる。結果を表４に示す。

【0173】

【表4】

【0174】

＜３．実施例３＞
実施例３では、第３の実施形態に記載されたリーク率の算出操作により３番目、４番目の触媒反応器２のリーク率ｋ_ｉを算出した。具体的には、以下に示す操作以外は実施例１と同様の処理を行った。

【0175】

具体的には、原料ガスとしてタールを含有したコークス炉ガスを各触媒反応器２に供給し、加熱炉温度を約８００℃に維持した正規の操業条件で改質操業を行った。その後、供給ガスを非反応性ガスである窒素ガスに切り替え、８００℃に予熱した窒素ガスを４０Ｎｍ^３／ｈの流量で各触媒反応器２に供給した（第１の操作）。

【0176】

ついで、ガス予熱装置１１１を調整して、窒素ガスの流入温度Ｔ_ｉｎ２の目標値を７５０℃に設定した（第２の操作）。

【0177】

ついで、３番目の触媒反応器２（ｉ＝３）に対応する弁機構４を閉止状態とし、触媒反応装置１が定常状態となるまで待機した。触媒反応装置１が定常状態となった後、３番目の触媒反応器２の触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉを記録した。ついで、ガス予熱装置１１１を調整して、窒素ガスの流入温度Ｔ_ｉｎ４の目標値を７１０℃に設定し、触媒反応装置１が定常状態となるまで待機した。触媒反応装置１が定常状態となった後、３番目の触媒反応器２の触媒層温度Ｔ_ｃ４，ｉを記録した。流入温度Ｔ_ｉｎ２、Ｔ_ｉｎ４、触媒層温度Ｔ_ｃ３，ｉ、Ｔ_ｃ４，ｉを表５に示す。なお、これら一連の操作の間、流入集合管内のガス圧と流出集合管内のガス圧との差圧は、流入圧力計１１３および流出圧力計１１６の検出精度の範囲内で一定であり、２５Ｐａであった。

【0178】

【表5】

【0179】

ついで、数式（１６）に基づいて、３番目の触媒反応器２のリーク流量ｋ_ｉを算出した。具体的には、モデル定数β_ｉをβｉ算出用試験により算出した。βｉ算出用試験は、３番目の触媒反応器２にコークが堆積されていない状態で行った。この結果、モデル定数β_ｉは６．７となった。そして、この値と、数式（１６）に基づいて、リーク流量Ｑ_ｃ３，ｉ（触媒反応器流量Ｑ_ｉ）算出したところ、１．３Ｎｍ^３／ｈとなった。ついで、数式（３）に基づいて、リーク率ｋ_ｉを算出したところ、リーク率ｋ_ｉは４．７×１０^−３と算出された。結果を表６に示す。表６には、モデル定数β_ｉ、リーク流量Ｑ_ｃ３，ｉも併せて示す。

【0180】

【表6】

【0181】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【符号の説明】

【0182】

１ 触媒反応装置
２ 触媒反応器
３ 触媒層内堆積物除去装置
４ 弁機構
１０、４０ 反応容器
１１、４１ 流入路
１２、４２ 流出路
１３、４３ 触媒層
１４、４４ 触媒保持器
１５ 弁座
１６ 通気孔
１７ 弁体
１８、４８ 心棒
２１、４９ 駆動装置
１０１ 流入集合管
１０２ 流出集合管
１１０ 流体切り替え装置
１１１ ガス予熱装置
１１２ 流量計
１１３ 流入圧力計
１１４ 流入温度計
１１５ 触媒層温度計
１１６ 流出圧力計

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】