誘導加熱化学反応器

私たちは20年以上の経験があります。 誘導加熱 誘導加熱は、プロセスへ直接取り込まれ、必要な場所を正確に加熱する電気の利便性をすべて具現化したものです。誘導加熱は、熱源を必要とするあらゆる容器や配管システムに適用できます。

誘導は、他の手段では得られない多くの利点を提供し、周囲への大きな熱の放出がないため、プラントの生産効率が向上し、運転条件が改善されます。このシステムは、危険区域での合成樹脂製造のような、綿密に制御された反応プロセスに特に適しています。

それぞれの 誘導加熱容器 各お客様の特定のニーズと要件に特注で対応し、異なるヒートアップ率で様々なサイズを提供しています。私たちのエンジニアは、カスタムメイドの熱交換器を開発した長年の経験があります。 誘導加熱システム ヒーターは、さまざまな産業で幅広い用途に使用されています。ヒーターは、プロセスの正確な要件に合わせて設計され、当社工場内または現場で容器に素早く取り付けられるように構成されています。

独自のメリット

- 誘導コイルと加熱された容器壁との物理的接触はない。
- 迅速なスタートアップとシャットダウン。熱慣性なし。
- 低熱損失
- オーバーシュートのない精密な製品および容器壁の温度制御。
- 高エネルギー入力。自動制御またはマイクロプロセッサー制御に最適
- 安全な危険区域またはライン電圧での標準的な工業運転。
- 高効率で無公害の均一加熱。
- 低ランニングコスト。
- 低温または高温での作業。
- シンプルでフレキシブルな操作性。
- 最低限のメンテナンス。
- 一貫した製品品質。
- ヒーターは容器に内蔵され、必要な床面積は最小となる。

誘導加熱コイル設計 は、現在使用されているほとんどの形状や形状の金属容器やタンクに適合します。直径数センチから長さ数メートルのものまで。軟鋼、クラッド軟鋼、ソリッドステンレス鋼、非鉄容器の加熱が可能です。一般に、最小肉厚6mmを推奨します。

ユニットの定格設計は1KWから1500KWまで。誘導加熱システムでは、電力密度の入力に制限はありません。存在する制限は、製品、プロセス、または容器壁材料の冶金的特性の最大熱吸収容量によって課されます。

誘導加熱は、プロセスへ直接取り込まれ、必要な場所で正確に熱に変換される電気の利便性のすべてを具現化します。加熱は製品に接する容器壁で直接行われ、熱損失が極めて少ないため、システムは非常に効率的です（最大90%）。

誘導加熱は、他の手段では得られない多くの利点を提供し、周囲への熱の大幅な放出がないため、プラントの生産効率が向上し、運転条件が改善される。

誘導加熱を使用する代表的な産業

- リアクターとケトル
- 接着剤と特殊コーティング
- 化学、ガス、石油
- 食品加工
- 冶金および金属仕上げ

- 溶接の予熱
- コーティング
- 金型加熱
- フィッティング＆アンフィッティング
- サーマル・アセンブリ
- 食品乾燥
- パイプライン流体加熱
- タンクと容器の加熱と断熱

HLQ誘導インラインヒーターは、以下のような用途に使用できます：

- 化学および食品加工用の空気およびガス加熱
- プロセスオイルと食用油のホットオイル加熱
- 気化と過熱インスタントスチーム昇温、低温・高圧（100 barで800℃まで）

これまでのベッセルと連続ヒーターのプロジェクトには、以下のようなものがある：

反応器およびケトル、オートクレーブ、プロセス容器、貯蔵および沈殿タンク、バス、バットおよびスチルポット、圧力容器、蒸気発生器および過熱器、熱交換器、回転ドラム、パイプ、二重燃料加熱容器

これまでのインライン・ヒーター・プロジェクトは以下の通り：

高圧過熱蒸気ヒーター、再生空気ヒーター、潤滑油ヒーター、食用油・食用油ヒーター、窒素、窒素アルゴン、触媒リッチガス（CRG）ヒーターを含むガスヒーター。

誘導加熱 誘導加熱とは、交流磁界を印加してサセプタと呼ばれる材料に渦電流と呼ばれる電流を誘導し、それによってサセプタを加熱することにより、導電性材料を選択的に加熱する非接触加熱方法である。誘導加熱は、冶金産業において金属の加熱、例えば溶解、精錬、熱処理、溶接、はんだ付けなどの目的で長年使用されてきました。誘導加熱は、50Hzという低い交流電力線の周波数から数十MHzの周波数まで、幅広い周波数で行われている。

ある誘導周波数において、誘導磁場の加熱効率は、対象物により長い伝導経路が存在する場合に増加する。大きな固形物は低い周波数で加熱できるが、小さな物体は高い周波数を必要とする。所定の大きさの被加熱物の場合、周波数が低すぎると、誘導場のエネルギーが被加熱物に所望の強さの渦電流を発生させないため、非効率的な加熱となる。一方、周波数が高すぎると、誘導場のエネルギーが対象物に浸透せず、渦電流が表面またはその近傍にしか誘導されないため、不均一な加熱となる。しかし、ガス透過性金属構造物の誘導加熱は、従来技術では知られていない。

気相触媒反応の先行技術プロセスでは、反応ガス分子が触媒表面と最大限接触するために、触媒が高い表面積を有することが要求される。先行技術のプロセスでは、必要な表面積を達成するために、多孔質の触媒材料か、適切に担持された多数の小さな触媒粒子を使用するのが一般的である。これらの先行技術のプロセスは、触媒に必要な熱を供給するために、伝導、輻射、対流に依存している。化学反応の良好な選択性を達成するためには、反応物のすべての部分が均一な温度と触媒環境を経験する必要がある。吸熱反応の場合、熱の供給速度は触媒層の全容積にわたって可能な限り均一である必要がある。伝導、対流、輻射のいずれも、必要な熱供給速度と均一性を提供する能力において、本質的に限界がある。

GB特許2210286（GB'286）は、典型的な先行技術であり、導電性でない小さな触媒粒子を金属担体に取り付けるか、触媒をドーピングして導電性にすることを教示している。金属担体またはドーピング材料は誘導加熱され、その結果触媒が加熱される。本特許は、触媒層の中心を通る強磁性コアの使用を教示している。強磁性コアの好ましい材料はケイ素鉄である。約600℃までの反応には有用であるが、GB特許2210286の装置は高温では厳しい制限を受ける。強磁性コアの透磁率は高温になると著しく低下する。エリクソン（Erickson, C. J., "Handbook of Heating for Industry", pp 84-85）によれば、鉄の透磁率は600℃で低下し始め、750℃までには効果的に低下する。GB特許2210286の装置では、触媒層の磁場は強磁性コアの透磁率に依存するため、このような装置では触媒を750℃を超える温度まで効果的に加熱することはできず、ましてやHCNの製造に必要な1000℃以上には達しない。

GB特許2210286号の装置も、HCNの調製には化学的に適さないと考えられている。HCNはアンモニアと炭化水素ガスを反応させることで製造される。鉄は高温でアンモニアの分解を引き起こすことが知られている。GB'286の反応チャンバー内の強磁性コアおよび触媒担体に存在する鉄は、アンモニアの分解を引き起こし、アンモニアと炭化水素との所望の反応を促進するどころか、HCNを形成するのを阻害すると考えられる。

シアン化水素(HCN)は、化学工業や鉱業において多くの用途を持つ重要な化学物質である。例えば、HCNはアジポニトリル、アセトンシアノヒドリン、シアン化ナトリウムの製造原料であり、農薬、農産物、キレート剤、動物飼料の製造中間体でもある。HCNは26℃で沸騰する毒性の高い液体であるため、厳しい包装・輸送規制の対象となっている。用途によっては、大規模なHCN製造施設から離れた遠隔地でHCNを必要とする場合もある。このような場所へのHCNの輸送には大きな危険が伴う。使用する場所でHCNを製造すれば、輸送、貯蔵、取り扱いで発生する危険を避けることができる。先行技術のプロセスを用いた小規模なHCNのオンサイト生産は、経済的に実現不可能である。しかし、本発明のプロセスおよび装置を用いれば、小規模および大規模のHCNの現場生産は、技術的にも経済的にも可能である。

HCNは、水素、窒素、炭素を含む化合物を、触媒の有無にかかわらず高温で結合させると生成される。例えば、HCNは通常、アンモニアと炭化水素の反応によって製造されるが、この反応は非常に吸熱的である。HCNを製造する3つの商業的プロセスは、BMA（Blausaure aus Methan und Ammoniak）、Andrussow、Shawiniganプロセスである。これらのプロセスは、熱の発生と移動の方法、および触媒の使用の有無によって区別することができる。

Andrussowプロセスは、反応器容積内での炭化水素ガスと酸素の燃焼により発生する熱を利用して反応熱を供給する。BMAプロセスは、外部燃焼プロセスによって発生する熱を利用して反応器壁の外面を加熱し、それによって反応器壁の内面が加熱され、反応熱が得られる。Shawiniganプロセスは、流動床内の電極を流れる電流を利用して反応熱を供給する。

Andrussowプロセスでは、天然ガス（メタンを多く含む炭化水素ガス混合物）、アンモニア、酸素または空気の混合物を白金触媒の存在下で反応させる。触媒は通常、何層もの白金／ロジウムワイヤーガーゼからなる。酸素の量は、反応物の部分燃焼によって、反応物を1000℃を超える運転温度まで予熱するのに十分なエネルギーと、HCNの生成に必要な反応熱を供給するような量である。反応生成物は、HCN、H2、H2O、CO、CO2、微量の高級亜硝酸塩であり、これらは分離されなければならない。

BMAプロセスでは、アンモニアとメタンの混合物が、高温耐火物でできた無孔セラミック管内を流れる。各管の内側は白金粒子で内張りまたはコーティングされている。管は高温炉に入れられ、外部から加熱される。熱はセラミック壁を通して、壁と一体化した触媒表面に伝導される。反応物は触媒と接触するため、反応は通常1300℃で行われる。反応温度が高いこと、反応熱が大きいこと、反応温度以下で触媒表面のコーキングが起こり触媒が失活することから、必要な熱流束は大きい。各チューブの直径は通常約1″であるため、生産要件を満たすには大量のチューブが必要となる。反応生成物はHCNと水素である。

シャウィニガン・プロセスでは、プロパンとアンモニアからなる混合物の反応に必要なエネルギーは、無触媒のコークス粒子の流動床中に浸漬された電極間を流れる電流によって供給される。シャウィニガン・プロセスでは、触媒を使用せず、酸素や空気も使用しないため、通常1500℃を超える非常に高い温度で反応を行わなければならない。

上記に開示したように、HCNは、白金族金属触媒の存在下、NH3とCH4またはC3H8のような炭化水素ガスとの反応によって製造され得ることが知られているが、特に小規模生産のためのHCN製造の経済性を改善するように、そのようなプロセスおよび関連するものの効率を改善する必要性が依然として存在する。特に、使用する貴金属触媒の量と比較してHCN生産速度を最大化しながら、エネルギー使用とアンモニアブレイクスルーを最小化することが重要である。さらに、触媒は、コーキングのような望ましくない反応を促進することによって、HCNの製造に有害な影響を及ぼしてはならない。さらに、このプロセスで使用される触媒の活性と寿命を向上させることが望まれている。重要なことは、HCNの製造における投資の大部分が白金族触媒に費やされていることである。本発明は、従来技術のように間接的に触媒を加熱するのではなく、直接触媒を加熱するので、これらの望みを達成することができる。

前述したように、比較的低い周波数の誘導加熱は、比較的長い電気伝導経路を持つ対象物に対して、高い出力レベルで熱供給の均一性を良好にすることが知られている。吸熱性気相触媒反応に反応エネルギーを供給する場合、熱は最小限のエネルギー損失で触媒に直接供給される必要がある。高表面積でガス透過性の触媒塊に均一かつ効率的に熱を供給するという要求は、誘導加熱の能力と相反するように思われる。本発明は、触媒が新規な構造形態を有する反応器構成で得られた予想外の結果に基づいている。この構造形態は、以下の特徴を兼ね備えている：1）効果的に長い電気伝導経路長を有し、触媒の均一な直接誘導加熱を効率的に促進すること、2）高い表面積を有する触媒であること、これらの特徴が協同して吸熱化学反応を促進する。反応室内に鉄が全くないため、NH3と炭化水素ガスの反応によるHCNの生成が容易になる。

誘導加熱電力計算

例大気圧原子炉
材質304ステンレス鋼
寸法2m(直径)*3m(高さ)
肉厚：8mm
原子炉重量：約1000kg
体積：7メートル³
液体材料重量：7トン
液体材料の比熱容量4200J/kg*ºC
条件：20℃から280℃まで3時間以内に加熱すること

熱量の計算式Q=cm▲t+km
パワー計算式：比熱容量J/(kg*ºC)×温度差ºC×重量KG÷時間S＝パワーW
i.e. P=4200J/kg*ºC×(280-20)ºC×7000kg÷10800s=707777W≈708kW

結論
理論電力は708kWであるが、熱損失を考慮するため、実際の電力は20%増加するのが普通である、つまり、実際の電力は708kW*1.2≒850kWである。120kW誘導加熱システムの組み合わせは7セット必要である。

誘導加熱容器反応器