JP2000508238A - 熱を供給する方法 - Google Patents

熱を供給する方法

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Abstract

(57)【要約】 熱交換器は、二つのプレートまたはステージ（4,6）から形成されており、ステージ（4）はステージ（６）の頂部上にあり、このような複数の熱交換器が相互にスタックされる。ステージ（4）は入口開口部（14）を有し、入口通路（28）および通路（22）は該ステージの端部（26）で開口している。ステージ（6）は通路（52）に通じる入口開口部（36）を有し、該通路は出口通路（58）および出口開口部（40）に通じている。ステージ（6）は、端部（68）に出口を備えた通路（64）に通じる入口開口部（38）を有している。可燃性ガス、例えば原料ガスおよび酸化剤がステージ（4）の通路領域（30）に導入され、そこで該混合物は予備加熱され、次いでステージ（4）の通路領域（32）へと通過する。通路領域（32）におけるガス通路（22）のこれらの部分は、可燃性ガスおよび酸化剤の混合物が通路領域（32）の中で燃焼するように、燃焼促進触媒を含んでいる。燃焼生成物は出口端（26）を通って出て行き、通路（64）を含むステージ（6）における通路領域（46）の入口（38）へと運ばれる。通路領域（46）からの熱は、通路領域（30）に導入される可燃性ガスおよび酸化剤を更に予備加熱する。入口（３６）を通って通路領域（44）に導入される流体は、通路領域（32）から燃焼熱を取り出す；この液体は、通路領域（44）の中で吸熱反応を受けてもよく、または感知できる熱を獲得してもよい。何れの場合にも、生成物は出口（40）を通って通路領域（44）を出る。

Description

【発明の詳細な説明】 熱を供給する方法 本発明は、吸熱反応を促進するため、または感知できる熱として取り出すため の熱を供給する方法に関する。 本発明によれば、吸熱反応を促進するため、または感知し得る熱として取り出 すための熱を供給する方法が提供される。 この方法は、第一の入口手段および第一の出口手段を有する第一の通路手段で あって、該第一の通路手段に沿って前記第一の入口手段から前記第一の出口手段 の方へと流れる流体を考慮したときに、前記第一の通路手段は該通路手段の下流 部分につながる上流部分を有する第一の通路手段と、第二の入口手段および第二 の出口手段を有する第二の通路手段と、第三の入口手段および第三の出口手段を 有する第三の通路手段と、前記第一の通路手段の上流部分と前記第二の通路手段 との間、および前記第一の通路手段の下流部分と前記第三の通路手段との間に設 けられた熱伝導性の壁手段とを用意することと； 可燃性ガスおよび酸化剤を前記第一の通路手段の上流部分に導入し、前記燃料 ガスおよび酸化剤を、前記第二の通路手段から前記壁手段を通して伝えられる熱 で加熱することと； 前記第一の通路手段の下流部分において、前記可燃性ガスを前記酸化剤で燃焼 させることと； 生じた燃焼生成物を前記第二の通路手段の前記第二の入口手段に供給し、この 燃焼生成物を前記第二の通路手段に沿って前記第二の出口手段へと流し、前記可 燃性生物は熱を放出し、該熱は前記壁手段を介して前記第一の通路手段の上流部 分を介して伝えられ、前記可燃性ガスおよび酸化剤を更に加熱することと； （ｉ）１以上の流体物質を、前記第三の入口手段を通して前記第三の通路手段 に導入し、前記第一の通路手段の下流部分から前記壁手段を介して伝わる熱を用 いて吸熱化学反応を受けさせ、その反応生成物を前記第三の出口手段から出し、 または（ｉｉ）加熱可能な流体を前記第三の通路手段に導入して、前記第一の通 路手段の下流部分から前記壁手段を介して伝わる熱を受け取らせ、該加熱可能な 流体は、加熱された後に感知できる熱を保持して前記第三の通路手段を通して外 に出ることとを具備する。 次に、添付の図面を参照して、実施例により本発明を更に説明する。 図１は、本発明による方法の実施に使用するための、二つのプレートを具備し た熱交換ステージの側面図である。 図２は、図１における熱交換ステージの反対側の側面図である。 図３は、図１のIII−III線に沿った断面図であり、一つのプレートを断面で示 している。 図４は、図１のIV−IV線に沿う断面図であり、他のプレートを断面で示してい る。 図５は、本発明による方法を実施するための図１の複数の熱交換器を具備する 装置を一部断面で示す図であり、図５の断面部分は図６のＶ−Ｖ線上のものであ る。 図６は、図５のVI−VI線に沿った断面図である。 図７は、図５のVII−VII線に沿った断面図である。 添付の図面を参照すると、熱交換器２は、一対のプレート状ステージ４および ６によって形成されており、これらステージ４、６は図示のように矩形であって もよい。各ステージ４および６は、頂部が開いた形態のものであり、夫々、基底 部８、１０を備えている。ステージ４はその三つの側面の回りに周囲壁１２を有 している。この周囲壁１２は入口開口部１４を有し、該入口開口部１４は、壁１ ８によってその一部が規定された入口通路１６に通じている。該入口通路１６は マニホルド領域２０に通じており、該マニホルド領域２０からは、少なくとも一 部が壁２４によって規定された通路２２が、ステージ４の開放側面２６に通じて いる。ステージ４を通る流体の流れは、入口開口部１４から開放側面２６の出口 へと、矢印２６で示す一つまたは複数の経路を流れる。以下での説明のために、 ステージ４における通路は、概略的に仮想線によって夫々区画つまり指示した、 通路部分３０および通路部分３２によって形成されるとみなすことができる。流 体の流れ２８の方向に対して、通路部分３０は上流部分であり、通路部分３２は 下流部分である。ステージ６は、基底部１０の三つの側部を取り囲む周囲壁３４ を有しており、該周囲壁３４は入口開口部３６、３８および出口開口部４０を有 している。ステージ６は壁４２によって実質的に半分に分割され、その一方は仮 想線で区画つまり指示した通路部分４４であり、他の側は更に別の仮想線で区画 つまり指示した通路部分４６である。通路部分４４は、マニホルド領域４８、５ ０を具備しており、その間には、壁５４によって少なくともその一部が規定され た通路５２が延出し、またマニホルド５０からは出口通路５８が出口開口部４０ へと延びている。通路部分４４を通る流体の流れは、矢印６０で示した一つまた は複数の経路を流れることができる。通路部分４６は入口マニホルド領域６２を 含んでおり、該マニホルド領域５０からは、壁６６によって少なくともその一部 が規定された通路６４が、ステージ６の開放側部６８へと通じている。通路部分 ４６を通る流体の流れは、矢印７０で示す経路を流れる。 ステージ４、６は、例えば金属のような如何なる適切な熱伝導性材料で形成し てもよく、ステンレス鋼またはセラミック材料であってもよい。セラミック材料 は、金属と同様に、ステージ４、６を形成するように成形してもよい。或いは、 金属ブロックをエッチング、研削もしくは機械加工し、または切断してステージ ４、６を形成してもよい。また、ステージ４、６は、シートまたはストリップ材 料の部品を実質的に気密に接合（シートまたはストリップ金属の場合には、例え ば蝋付けまたは溶接により）することによって形成してもよい。 図１、図２に示すように、熱交換器２は、前記ステージ４を前記ステージ６の 頂部に気密に装着することによって形成され、これにより通路５２、５８、６４ 及び領域４８、５０、６２が、ステージ４の基底部８によって形成される。 好ましくは、複数の熱交換器２が上下にスタックとして積み重ねられ、該スタ ックの最上部のステージ４には適切なカバーを設けて、最上部のステージ４にお ける通路１6、２２および領域２０の上部壁を形成し、当該スタックの各下部テ ージ４は、該ステージ４の直上にあるステージ６の基底部１０によって覆われて いる。 熱交換器２のスタックが図５〜図７に示されており、格納シェルつまり圧力容 器７０の内部に、平坦な頂部壁および底部壁７４、７６と、湾曲した側壁７８、 ８０と、半球状の端部壁８２、８４とを有している。圧力容器７２の頂部壁７４ は、最上部ステージ４における通路および領域のための上部壁を形成するのに対 して、当該スタックにおける最下部ステージ６の基底部１０（図１および図４） は、該容器７２の底部壁７６の上に設置される。気密で且つ離間した仕切り板８ ６、８８、９０および９２、９４、９６が、当該スタックの両側を下方に延びて いる。仕切り板８８および９０の間の領域９８は、ステージ４における入口開口 部への入口マニホルドとして機能し、該入口マニホルド９８は、その中への入口 100を有している。仕切り板８６と８８との間の領域102は、ステージ６における 出口開口部４０のための出口マニホルドとして機能し、該出口マニホルド102は 、その外への出口104を有している。仕切り板９２と９４との間の領域106は、ス テージ６における入口開口部３６のための入口マニホルドとして機能し、該入口 マニホルド106は、その中への入口108を有している。仕切り板９４と９６との間 の領域110は、ステージ６における入口開口部３８のための入口マニホルドとし て働き、該入口マニホルド110は入口112を有している。仕切り板８６、９２と圧 力容器７０の端部壁８４との間は、ステージ４の開放側部２６にある出口開口部 （図１、図２、図３）のための出口マニホルドとして機能する領域114であり、 該出口マニホルド114は出口116を有している。仕切り板９０および９６と圧力容 器７０の端部壁８２との間は、ステージ６の開放側部６８にある出口開口部（図 １、図３、図４および図５）のための出口マニホルドとして機能する領域118で あり、該出口マニホルド118は出口120を有している。 適切な供給源112からの燃料または可燃性ガス、例えば天然ガスまたはメタン ガスと、適切な供給源123からの酸化剤、例えば空気または酸素が、各ステージ ４の通路部分３０内で（以下で説明する方法で）加熱されるべき混合物のための 燃焼ガス／酸化剤混合物の点火温度未満の温度で、入口100に供給される。ステ ージ４の通路１６、２０、２２は、炎の伝播を防止するために十分小さい寸法で あればよい。その代わりに、またはそれに加えて、ガスの流速を、燃焼の逆方向 への伝播を防止するために十分に大きく維持することができる。ステージ４ における通路部分３０から、加熱された可燃性ガス／酸化剤混合物が、ステージ ４の通路部分３２における通路２２に沿って流れ、そこでは、通路部分３２にお ける通路２２部分内の適切な触媒手段によって該混合物の燃焼が促進される。こ の触媒手段は、粒状または顆粒状で与えられてもよく、または通路２２の壁のコ ーティングとして与えられていもよい。燃焼生成物は出口マニホルド116に導入 され、そこから導管124を通って入口112へと運ばれ、更にそこからマニホルド11 0を通ってステージ６の通路６４（図４）の中へと通過し、次いで出口６８（図 ４および図５）を通ってマニホルド118へと流れ去り、出口120を通って出て行く 。ステージ６の通路部分４６中での燃焼生成物からの熱は、基底部８を横切って 、入ってくる可燃性ガスおよび酸化剤の混合物に移され、該混合物を加熱する。 出口120から出て行くガスからの熱は、適切な熱交換手段によって回収すればよ い。 適当な供給源126から熱（好ましくはステージ４の通路部分３２中で発生した 熱の大部分）を吸収できる流体の流れが、導管128を通り、マニホルド106を通っ てステージ６の通路部分４４に供給され、マニホルド102、回収及び／又は更な る処理のための出口104を通って出て行く。供給源126によって供給される流体は 、ある物質または物質の混合物であってもよく、また吸熱化学反応を受けること ができる液体または気体であってもよく、或いは、該流体はステージ４の通路部 分３２の基底部８を横切って伝えられる熱を感知できる熱として取り出してもよ い。適当な吸熱反応の例は、少なくとも一つの炭化水素（エタン、プロアンもし くはブタン、またはこれらの少なくとも二つを含む混合物）のオレフィンまたは ジエンへの脱水素反応、１以上のパラフィン類の脱水素反応、炭化水素類の芳香 族化合物への変換、および水素および炭素酸化物を製造するための炭化水素類（ 例えば実質的にメタン）の水蒸気リフォーミングである。これら反応を促進する ために、ステージ６の通路部分４４の中に適切な触媒手段を設けてもよく、この 触媒手段は粒子もしくは顆粒の形態で設けてもよく、または通路４８、５２、５ ８、６０（図４）の壁上にコーティングしてもよい。触媒手段無しの別の吸熱反 応は、オレフィン類を製造するための炭化水素類の熱クラッキング、例えば、エ タン、プロパンまたは他のパラフィン類の、エチレンおよび他の生成物 への変換である。感知できる熱としての熱の取り出しの一例は、入口マニホルド １０６の中に供給される水から、ステージ６の通路部分４４の中で水蒸気を発生 することであるが、水以外の他の流体を用いてもよく、また気化される必要はな い。 ステージ６における通路５２、５８および領域４８、６２は、所望の反応を行 うための更に長くまたは短い滞留時間を与えるために、通路１６、２２および領 域２０より深くても浅くてもよい。 導管124によって運ばれる可燃性生成物は、外部処理手段127の中での処理を受 けてもよい。該処理手段は、可燃性ガスの燃焼を完結させるため、及び／又は入 口112に導入されるガスの温度を変化させる熱交換を行うための、断熱的触媒ゾ ーンであり得る。導管124にガスを添加し、または該導管からガスを取り出すた めの手段130および132を設けてもよい。これら一以上の装置によって入口112に 供給される導管124内のガスは、入口100を通って供給される可燃性ガスおよび酸 化剤に対して、所望量の予備加熱を与えるための適切な温度であればよい。特に 、手段130または132によって導管124に熱ガスを添加すること、および、所望の 場合は、通路２２を通る可燃性ガスおよび酸化剤の流れを変化もしくは減少させ ることによって、始動時にステージ４の通路部分を加熱する便利なモードを提供 することができる。 図３および図４を参照して説明した構成において、通路５２の中の流体は、通 路２２の中の流体に対して並流で流れる。しかし、開口部104を入口に使用し、 開口部108を出口に使用することによって、通路５２の中の流体は、矢印６０と は逆向き、即ち、通路２２の中の流れに対して向流にすることができる。 当業者は、通路５２、５８を通路２２の方向に対して横断方向に、または交差 させて配置できることを容易に理解するであろう。 ここで開示した装置は以下の利点を有している。 （Ａ）ステージ４および６を、大気圧とステージ４および６の内部の圧力との 間の圧力差に完全に耐える機械的強度を持たない材料で構成することができる。 容器７０内部の材料は、通路部分４４の圧力と通路部分３０、３２、４６中の通 常の圧力との間の圧力差に耐えなければならないだけであり、またこれらの圧力 差を小さくすることができる。 （Ｂ）マニホルド114および110の中の燃焼生成物は、大気中への漏出が危険で ないように、外部では可燃の範囲外であるようにすることができる。 （Ｃ）可燃性ガスと酸化剤その混合は比較的低温で行うことができ、次いで、 この混合物は通路２２に沿って、通路部分３２により形成された燃焼領域へと運 ばれ、ここで燃焼温度に達する。通路部分３０の通路２２を狭くして、炎トラッ プを形成してもよい。 （Ｄ）通路部分４４で行われる吸熱反応がＮＯx形成を促進する高燃焼温度に 達しないように、通路部分３０の燃焼領域から迅速に熱を取り出す。 所望であれば、圧力容器７０を省略してもよい。この場合、ステージ４および ６は、適切な耐圧材料で形成しなければならず、また領域９８、102、106、110 、114および118の代わりに適切なマニホルドを設けらなければならないであろう 。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ０７Ｃ 11/12 Ｃ０７Ｃ 11/12 Ｆ２８Ｄ 9/00 Ｆ２８Ｄ 9/00 // Ｃ１０Ｇ 9/00 Ｃ１０Ｇ 9/00 35/00 35/00 【要約の続き】 （30）に導入される可燃性ガスおよび酸化剤を更に予備 加熱する。入口（３６）を通って通路領域（44）に導入 される流体は、通路領域（32）から燃焼熱を取り出す； この液体は、通路領域（44）の中で吸熱反応を受けても よく、または感知できる熱を獲得してもよい。何れの場 合にも、生成物は出口（40）を通って通路領域（44）を 出る。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １．第一の入口手段および第一の出口手段を有する第一の通路手段であって、該 第一の通路手段に沿って前記第一の入口手段から前記第一の出口手段の方へと 流れる流体を考慮したときに、前記第一の通路手段は、該通路手段の下流部分 に通じる上流部分を有する第一の通路手段と、第二の入口手段および第二の出 口手段を有する第二の通路手段と、第三の入口手段および第三の出口手段を有 する第三の通路手段と、前記第一の通路手段の上流部分と前記第二の通路手段 との間、および前記第一の通路手段の下流部分と前記第三の通路手段との間に 設けられた熱伝導性の壁手段とを用意することと； 可燃性ガスおよび酸化剤を前記第一の通路手段の上流部分に導入し、前記燃 料ガスおよび酸化剤を、前記第二の通路手段から前記壁手段を通して伝わる熱 で加熱することと； 前記第一の通路手段の下流部分において、前記可燃性ガ スを前記酸化剤で燃焼させることと； 生じた燃焼生成物を前記第二の通路手段の前記第二の入口手段に供給し、こ の燃焼生成物を前記第二の通路手段に沿って前記第二の出口手段へと流し、前 記可燃性生物は熱を放出し、該熱は前記壁手段を介して前記第一の通路手段の 上流部分を介して伝わり、前記可燃性ガスおよび酸化剤を更に加熱することと ； （ｉ）１以上の流体物質を、前記第三の入口手段を通して前記第三の通路手 段に導入し、前記第一の通路手段の下流部分から前記壁手段を介して伝わる熱 を用いて吸熱反応を受けさせて、その反応生成物を前記第三の出口手段を通し て出すか、または（ｉｉ）加熱可能な流体を前記第三の通路手段に導入して、 前記第一の通路手段の下流部分から前記壁手段を介して伝わる熱を受け取らせ 、該加熱可能な流体は、加熱された後に感知できる熱を保持して前記第三の通 路手段を通して外に出ることとを具備した、吸熱反応を促進するため又は感知 し得る熱として取り出すための熱を与える方法。 ２．前記第一の通路手段の前記下流部分の中に燃焼促進触媒手段が配置されてい る、請求の範囲第１項に記載の方法。 ３．前記可燃性ガスは天然ガスである、請求の範囲第１項又は第２項に記載の方 法。 ４．前記第一の通路手段が第一のステージの中に形成され、前記第二および第三 の通路手段が第二のステージの中に形成され、この第一および第二ステージが 互いに重ね合わされて複数の該熱交換器が重ねられている、請求の範囲第１項 〜第３項の何れか一項に記載の方法。 ５．前記熱交換器が圧力容器の中に配置されている、請求の範囲第４項に記載の 方法。 ６．前記第一の通路手段と前記第二の通路手段との間で、燃焼生成物が熱交換手 段を通過する、請求の範囲第１項〜第３項の何れか一項に記載の方法。 ７．前記第一の通路手段と前記第二の通路手段との間で、前記第一の通路手段か らの燃焼生成物が更なる燃焼を受ける、請求の範囲第１項〜第３項、第６項の 何れか一項に記載の方法。 ８．燃焼生成物が、該生成物の流れから前記第二の通路手段へ取り出される、請 求の範囲第１項〜第３項、第６項、第７項の何れか一項に記載の方法。 ９．第二の通路手段に供給される燃焼生成物に対して少なくとも一つのガスを添 加する、請求の範囲第１項〜第３項、第６項〜第８項の何れか一項に記載の方 法。 １０．前記第一、第二および第三の通路手段の壁がセラミック材料で作られてい る、請求の範囲第１項〜第９項の何れか一項に記載の方法。 １１．前記吸熱反応は、水素および炭素酸化物を製造するための、少なくとも一 つの炭化水素の水蒸気リフォーミングである、請求の範囲第１項〜第９項の何 れか一項に記載の方法。 １２.前記炭化水素は実質的にメタンである、請求の範囲第１１項に記載の方法 。 １３．前記吸熱反応が、少なくとも一つのオレフィンまたは少なくとも一つのジ エンを生成するための、少なくとも一つの炭化水素の熱クラッキングである、 請求の範囲第１項〜第１０項の何れか一項に記載の方法。 １４．前記炭化水素がエタン、プロパンまたはブタンであるか、または二以上の 炭化水素が存在し、その混合物がエタン、プロパンおよびブタンからなる群の 少なくとも二つを含む、請求の範囲第１３項に記載の方法。 １５．前記吸熱反応がパラフィンの脱水素である、請求の範囲第１項〜第１０項 の何れか一項に記載の方法。 １６．前記加熱可能な流体が、前記第三の通路手段の中で、前記感知できる熱を 示す水蒸気に変換される水である、請求の範囲第１項〜第１０項の何れか一項 に記載の方法。
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