JP2009515689A - 等温化学反応器のプレート型熱交換器 - Google Patents
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Abstract
実質的に箱形である扁平な本体(22)を備えるタイプの等温化学反応器(60)用プレート型熱交換器(20,120)であって、上記本体(22)は内部チャンバ(24)を画定し、かつ上記チャンバ(24)へ出入りする第1の熱交換器作動流体の流れのための入口接続部(28)及び出口接続部(29)と、上記本体(22)に関連づけられかつその内部チャンバ(24)と流体的に連通して上記作動流体の温度を調節する少なくとも1つの第2の流体の流れの供給−分配デバイス(26,126)とを装備し、上記少なくとも1つの供給−分配デバイス(26,126)は上記内部チャンバ(24)の内側に支持されかつ上記内部チャンバ(24)と流体で連通する。
Description
本発明は、その最も一般的な態様において、予め決められた化学反応が擬似等温状態下で、言い替えれば、反応温度が予め確立された最適値または予め確立された温度曲線の付近に限定された値範囲内で制御される状態で実行される化学反応器に関する。
具体的には、本発明は、上述の反応温度制御を達成するために、適切な熱交換作動流体が横断することになる複数の所謂プレート型熱交換器を備える熱交換ユニットが使用される、上述のタイプの擬似等温反応器(等温反応器とも称する)に関する。
さらに具体的には、本発明は、横断する熱交換作動流体の温度の制御/調節を可能にするように構成されるプレート型熱交換器に関する。
このような熱交換器は実質的に箱形である扁平な本体を備え、上記本体は内部チャンバを画定し、かつ上記チャンバへ出入りする第1の熱交換作動流体の流れのための入口及び出口接続部と、上記本体に関連づけられかつその内部チャンバと流体的に連通して上記作動流体の温度を調節する少なくとも1つの第2の流体の流れの供給−分配デバイスとを装備する。
例えばアンモニア、メタノール、ホルムアルデヒドまたはスチレンの合成反応等の擬似等温状態での化学反応を実行するためには、反応が発生する環境、概して触媒床である反応環境から熱を除去し、または熱を供給して現行反応温度を予め計算された理論値に近い狭い範囲内に制御する必要があることは知られている。
また、上記を目的とする、触媒床内に配列されかつ適切な熱交換作動流体によって内部を横断される複数の熱交換器の使用も知られている。
具体的には、内部チャンバを画定しかつ流体入口接続部と流体出口接続部との間の確立された経路に沿って上記作動流体により横断されることになる実質的に箱形の扁平な本体を有するプレート型熱交換器が使用される。
しかしながら、必要な擬似等温状態の制御に熱交換器を使用することに関しては、熱交換作動流体はそれが上記熱交換器を通る個々の経路に沿って漸次進むにつれて必然的に温度変化(例えば、発熱反応の場合の温度上昇)に曝されるという事実に基づいて技術的な欠点が存在する。この変化は時としてかなり多大であり、結果的に、熱交換器自体の作動効率は必ず低下する。従ってこの変化は、問題の化学反応の擬似等温状態に対する制御能力の低下をもたらし、結果的に収量を低下させる。
この欠点を克服するために、予め決められた熱交換作動流体の温度を個々の熱交換器を通るその全経路に沿って制御し、上記温度を上記流体が熱交換器自体に進入する時点の流体温度に可能な限り近い値に保つことが提案されている。
さらに、この目的を念頭において、先行技術は、熱交換器へ、かつ熱交換器内に画定される流体経路の幾つかのポイントへさらなる流体の流れ(以後、温度調節流体とも称する)を適切な温度で、これらの2つの流体の流れを可能な限り均一に混合するという間接的な便宜的方法によって供給することを提案している。基本的には、上述の制御を実行するために、先行技術は、各熱交換器内での作動流体と適切かつ確立された温度及び流量特性を有するさらなる調節流体との間の「直接的な」熱交換を提案している。
プレート型熱交換器の場合、上述の技術は予め決められた調節流体用の1つまたは複数の分配器を採用することによって適用され、上記分配器は交換器の壁の外側に溶接され、実質的に上記壁の全幅に渡って作動流体の流れの方向を横断する方向へ延設される。
しかしながらこの解決法は、様々な観点で優位点を提示しているものの、特に構造上の観点から改良の余地があることが指摘されている。
本発明の根底にある技術的課題は、交換器を流れる熱交換作動流体の温度の効率的制御/調節を可能にするだけでなく、実現が容易で特に動作圧力に関して用途が極めて広くかつ信頼性が極めて高い構造及び機能上の特徴を有する、先に述べたタイプのプレート型熱交換器を考案しかつ提供することにある。
この課題は、本発明に従って、上記少なくとも1つの供給−分配デバイスが上記内部チャンバの内側に支持されかつ上記内部チャンバと流体で連通していることを特徴とする、先に述べたタイプのプレート型熱交換器により解決される。
本発明による、等温化学反応器のためのプレート型熱交換器のさらなる特徴及び優位点は、添付の図面に関連する、限定ではなく例示を目的とする下記の好適な例示的実施形態に関する説明から明らかとなるであろう。
図1を参照すると、等温化学反応器60は従来的に円筒形のシェル62を備え、シェル62は、両端で各々下側のボトム63及び上側のボトム64によって閉止される鉛直軸A−Aを有する。反応環境69はシェル62の内部に画定され、概して、熱交換器ユニット40が本質的に従来方法で支持される図示されていない触媒床を備える。
上記熱交換器ユニット40は、例えば隣り合わせに配列されることが可能な複数のプレート型熱交換器20を備える。
各プレート型交換器20は、長い方の側面が上記反応器60の軸A−Aと並行である並行六面体の長方形の形態を備えた箱形の扁平な本体22を有し、本体22は、熱交換作動流体の第1の流れによって横断されることになる内部チャンバ24を画定する。
この目的に添って、熱交換器20は、上記内部チャンバ24に出入りする上記熱交換作動流体のための入口接続部28及び出口接続部29を備える。
より詳しく言えば、各プレート型熱交換器20は、上記本体22の2つの短い対向する側面22a及び22bに各々分配管10及び収集管11を装備し、これらは一方で上記チャンバ24と、かつもう一方で熱交換器自体の外部と流体で連通している。
或いは、上述の1組の管である分配管10及び収集管11の一方のみを設けることも可能である点、及び本体22も実質的に箱形の形状を有することができる点は留意されるべきである。
また、各プレート型熱交換器20は、好適には並列されて予め確立された離隔関係で相互に一体化されて、間に上記チャンバ24が画定されるようになる1組の金属プレート20a及び20bを備える本体22を有することも留意されるべきである(図4−6)。
各熱交換器20は、第2の流体の流れ(または調節流体)のための少なくとも1つの供給−分配デバイス26(添付の図面には2つのデバイスが示されている)を装備している。供給−分配デバイス26は、本明細書で後に詳述するように、第1の熱交換器流体の温度をそれが熱交換器自体を横断するにつれて制御しかつ調節するために使用される。
本発明に従って、かつ優れた機械抵抗を有する熱交換器20を提供するという目的に沿って、上記供給−分配デバイス26は管状本体を有しかつ上記内部チャンバ24内に支持され、上記内部チャンバ24内で第1の熱交換作動流体の流れの方向を横断する方向に延設される。図示した例では、上記流れの方向は垂直であり、反応器60の軸A−Aに関連して、熱交換器20は通常「軸方向横断式」と称される。
第1の実施形態によれば、供給−分配デバイス26は、内部チャンバ24内に位置づけられる管30を備える。管30は本質的に従来方法でチャンバ24内に支持され、よって図には示されていない。管は、例えば、上記内部チャンバ24に接触するまで半径方向の外向きに管30へ向かって、かつ長手方向へは上記管30の予め決められた長さの断面に渡って延設される適切なフィンによって支持される。管30は、一方の端を閉止され、反対の端で、第2の流体の流れの入口開口28cへ連接される第2の流体の流れの入口接続部28bと流体で連通している。
図1及び2に示す例では、上記チャンバ24の2つのゾーン内に1組の管30が示されている。1組の管30は各々入口接続部28bへ連接され、入口接続部28bは各々入口開口28cへ連接される。或いは、様々な入口接続部28bに流体で連通する単一の入口開口28cを設けることもできる。
上記管30上には、第2の流体の流れを予め確立された温度で上記チャンバ24へ入れる入口として入口開口30a(穴等)が設けられる。より正確に言えば、管30は熱交換器20の側面22a及び22bに対して平行に位置決めされる、入口開口30aは、管30の1つまたは複数の母線に沿って配置される。上記母線は、好適には、収集管11が位置決めされる熱交換器20の側面22bへ向かって方向づけられている。
図4で分かるように、チャンバ24内の管30の位置は、チャンバ24内の作動流体の進行方向に対して管30の上流であるセクション24aと、管30の下流であるセクション24bとを画定する。
管30は内部チャンバ24の断面より小さいサイズを有し、熱交換作動流体の上記管30の周囲における、上記管30の上流にある内部チャンバ24のセクション24aから上記管30の下流にあるセクション24bへの通過が保証される。好適には、図4に示すように、1組の金属プレート20a及び20bは、より大きいサイズを有する管30を収容することができるように、管30が置かれる位置で適宜膨出して形成される。
基本的に、内部チャンバ24のセクション24bは、上記第1の熱交換作動流体及び上記第2の流体の流れの混合体を運ぶ。
発熱反応のこの非限定的な例では、試薬流体は、上側のボトム64の入口開口64aを介して化学反応器60へ入り、触媒床へ達する。ここで複数のプレート型熱交換器20が熱を吸収し、よって触媒床において進行中の化学反応を助ける。反応生成物は、下側のボトム63の出口開口63aを介して反応器から出る。
各プレート型熱交換器20には、入口開口28aを起点に入口接続部28を介して分配管10に至る熱交換作動流体の第1の流れが供給される。
より正確に言えば、熱交換作動流体の第1の流れはチャンバ24のセクション24aを横断し、確立された温度T1に達するまで加熱される。
管30の入口開口30aにおいて、確立された温度T1の上記第1の作動流体の流れは、入口開口30a自体から到来する予め決められた温度T2(T1より低い)の第2の流体の流れと混合される。
概して、チャンバ24のセクション24aを通る上記作動流体及び入口開口30aを介して入ってくる流体は、例えば水のような同じ流体であり、よって、チャンバ24のセクション24bの始まりにおいては、T1とT2との中間温度を有する、何れにせよチャンバ24のセクション24aを出る際の温度T1より低い温度を有する水が存在する。
簡単に言えば、チャンバ24のセクション24bの始まりにおいて、作動流体は、チャンバ24のセクション24aから到来する熱い流体と、管30の入口開口30aから入ってくる冷たい流体との混合によって冷却される。
チャンバ24のセクション24bには、チャンバ24のセクション24aを流れる流体の流量と、管30の入口開口30aから入ってくる流体の流量との和によって与えられる流体流量が流れることは留意されるべきである。
次に、熱交換器20のチャンバ24内を流れる熱交換作動流体は収集管11によって集められ、出口接続部29を介して熱交換作動流体の出口開口29aに達する。
図5及び6は、本発明によるプレート型熱交換器の第2の実施形態を示し、引用符号120はその全体を指す。図5及び6において、機能的な観点から上述の図3及び4に示す熱交換器のそれと同一または等価である構造エレメントは同じ引用符号で示され、よって詳述は省く。
引用符号126により同定される供給−分配デバイスは、リング形の空間134を画定する1組の同軸/同心管、即ち内側の管130及び外側の管132を備える。これらは、上記入口接続部28と上記出口接続部29との間に位置づけられる上記チャンバ24の少なくとも1つの領域に位置決めされている。内側の管130は、例えば、上記外側の管132に接触するまで管130へ向かって半径方向の外向きに延設されかつ上記管130の確立された長さの断面に渡って長手方向に延設される適切なフィン等の本質的に従来的な方法で、故に図には示されていない方法で外側の管132内に支持される。内側の管130は一方の端が閉止され、反対の端でさらなる調節流体のための入口接続部28bと流体連通される。入口接続部28bは、さらなる調節流体のための入口開口(図示されていないが、図1における開口28cに類似するもの)へ連接される。
内側の管130上には、第2の流体の流れを予め確立された温度で上記空間134内へ入れるための入口開口130a(穴等)が設けられる。より正確に言えば、管130は熱交換器120の側面22a及び22bと平行に位置決めされ、入口開口130aは管130の1つまたは複数の母線に沿って配置される。上記母線は、好適には、収集管11が位置決めされる熱交換器120の側面22bへ向かって方向づけられる。
外側の管132上には、上記第1の熱交換作動流体の流れを上記空間134へ入れるための入口開口132a(穴またはスロット等)及び上記第1の熱交換作動流体の流れと上記第2の流体の流れとの混合体を上記空間134から出すための出口開口132b(穴またはスロット等)が設けられる。より正確に言えば、入口開口132a及び出口開口132bは管132の対向する両母線に沿って配置され、上記両母線は各々、分配管10が位置決めされる熱交換器120の側面22aへ向かって、かつ収集管11が位置決めされる熱交換器120の側面22bへ向かって方向づけられる。
図6に示すように、熱交換器120を形成する1組の金属プレート20a及び20bは熱交換器120の少なくとも1つの中間位置で切断され、外側の管132はその位置に位置づけられる。このようにして、チャンバ24内の作動流体の進行に対して管132の上流に位置決めされるチャンバ24のセクション24a、及び管132の下流側のセクション24bが画定される。
具体的には、外側の管132は、その2つの母線133a及び133bに沿ってセクション24aを画定する1組の金属プレート20a及び20bへ、かつその別の2つの母線133c及び133dに沿ってセクション24bを画定する1組の金属プレート20a及び20bへ溶接される。より正確に言えば、母線133a及び133cは、内部チャンバ24の対称面に対して母線133b及び133dと実質的に対称である。
第1の熱交換作動流体の流れは、チャンバ24のセクション24aを横断して決定された温度T1まで加熱される。次いで、第1の作動流体の流れは管132の入口開口132aを横断し、リング形の空間134へ入る。
入口開口132aから来る、決められた温度T1である上記第1の作動流体の流れと、入口開口130aから来る予め確立された温度T2(T1より低温)である第2の流体の流れとの混合は上記空間134内部で発生し、具体的には、上記空間134における管130の上記入口開口130aと管132の上記出口開口132bとの間に位置づけられる領域において発生する。
好適には、上記入口開口30a(図3及び4)及び130a(図5及び6)は各々上記第2の流体の流れの供給−分配ライン27に沿って配置されることは留意されるべきであり、上記ライン27はチャンバ24における熱交換作動流体の入口−出口経路を横断して延設される。
さらに好適には、上記第2の流体の流れは、各々複数の入口開口30a及び130aを起点に上記内部チャンバ24内へと実質的に上記第1の熱交換作動流体の流れの経路と同じ方向へ供給され、上記供給−分配ライン27に沿って複数の分離されかつ相互に離隔されたポイントが形成される。
或いは、上記第2の流体の流れは、上記供給ライン27沿いの上記複数の分離されかつ相互に離隔されたポイントを介して上記第1の熱交換作動流体の流れへと射出される。従って、第1の作動流体の流れにおける第2の流体の流れの混合が改善されるという有利な効果が達成され、必然的に熱交換状態も改善される。
第1の作動流体の流れにおける第2の流体の流れの混合を改善するために、入口開口30a及び130aは射出ノズルに換えられ、供給ライン27の上記ポイントを形成すべく位置決めされかつ相互に離隔されることは留意されるべきである。
上記説明により、本発明による化学反応器のためのプレート型熱交換器が技術的課題を解決し、かつ熱交換器が格段に高信頼性であることがその第1である多くの優位点をもたらすことは極めて明白である。
さらに、本発明によるプレート型熱交換器は平面性に優れ、言い替えれば、熱交換器自体の正中面に対する対称性を保証する。
実際に、予め選択される調節流体の分配器が熱交換器の唯一の壁の外側に溶接される先行技術によるプレート型熱交換器の欠点は、これにより大規模な変形が生じること、即ち、分配器が溶接される交換器の側面が曲がってくることにあり、その結果、触媒床内部への交換器の適正な位置決めに関して問題が生じる。このような変形は、分配器を交換器の1つの壁に外部から溶接することで大規模な収縮張力が引き起こされるという事実によって説明される。
これに対して、上述のプレート型熱交換器の第2の実施形態(図5及び6)は、互いに反対向きに位置決めされる4つの溶接部を有し、よって、個々の収縮張力は互いに平衡する。先に述べたプレート型熱交換器の第1の実施形態(図3及び4)には長手方向に溶接部がなく、よって収縮張力は発生しない。
従って、本発明による熱交換器は、構築及び組立てが容易であるばかりでなく、不平衡な収縮張力も存在せず、結果的に安定しかつ強力なものになる。
さらに、プレート型熱交換器の第2の実施形態(図5及び6)は、高い圧力差に耐えることに適する機械抵抗を有する(一例を高圧化学反応器、言い替えれば、例えば1バールから300バールまでの範囲の圧力を有する反応器、に見出すことができ、このプレート型熱交換器の内部チャンバを流れる水は、例えば1バールから100バールまでの範囲の圧力を有し、よって高い圧力差が存在する可能性がある)。
上述のプレート型熱交換器の第2の実施形態のさらに別の優位点は、リング形の空間における作動流体とさらなる流体との混合が結果的に極めて効率的であることにある。
最後に、熱交換作動流体の温度は狭い範囲に保持されることが確認されていることから、意外にも、熱交換作動流体と試液流体との間の熱交換は特に効率的であることが発見されていて、実際に、第2の流体の流れにより(各々発熱または吸熱の化学反応に従って)冷却または加熱される供給−分配デバイスの壁は、供給−分配デバイス自体により供給される上記第2の流体の流れと協働して各々熱交換作動流体を冷却または加熱する。
当業者は、特定的かつ偶発的なニーズを満足するために、等温化学反応器のための上述のプレート型熱交換器に対して多くの修正及び変更を施すことができる点は明らかである。しかしながら、それらは全て、添付の請求の範囲において定義される本発明の保護の範囲内にある。
Claims (14)
- 内部チャンバ(24)を画定しかつ前記チャンバ(24)との間で第1の熱交換作動流体の流れを出入りさせるための入口接続部(28)及び出口接続部(29)を装備する実質的に箱形の扁平な本体(22)と、前記作動流体の温度を調節するために、前記本体(22)に関連づけられかつその前記内部チャンバ(24)と流体で連通する第2の流体の流れの少なくとも1つの供給−分配デバイス(26,126)とを備えるタイプの等温化学反応器(60)用プレート型熱交換器(20,120)であって、前記少なくとも1つの供給−分配デバイス(26,126)は前記内部チャンバ(24)の内側に支持されかつ前記内部チャンバ(24)と流体で連通していることを特徴とするプレート型熱交換器(20,120)。
- 前記少なくとも1つの供給−分配デバイス(26)は前記内部チャンバ(24)内に位置づけられる管(30)を備え、前記管(30)は前記内部チャンバ(24)の断面より小さいサイズを有し、前記管(30)上には前記第2の流体の流れのための入口開口(30a)が設けられていることを特徴とする、請求項1記載のプレート型熱交換器(20)。
- 前記本体(22)の対向する側面(22a,22b)には各々、前記第1の作動流体の流れのための分配管(10)及び前記第1の熱交換作動流体の流れと前記第2の流体の流れとの前記混合のための収集管(11)が設けられ、前記管(30)は前記熱交換器(20)の側面(22a,22b)と平行に位置決めされ、前記入口開口(30a)は前記管(30)の1つまたは複数の母線に沿って位置決めされていることを特徴とする、請求項2記載のプレート型熱交換器(20)。
- 前記母線は、前記熱交換器(20)の前記収集管(11)が位置決めされる側面(22b)へ向かって方向づけられることを特徴とする、請求項3記載のプレート型熱交換器(20)。
- 前記少なくとも1つの供給−分配デバイス(126)はリング形の空間(134)を画定する1組の同軸かつ同心の管、即ち内側の管(130)及び外側の管(132)を備え、前記内側の管(130)上には、前記第2の流体の流れを前記リング形の空間(134)へ入れるための入口開口(130a)が設けられ、前記外側の管(132)上には、前記第1の熱交換作動流体の流れを前記リング形の空間(134)へ入れるための入口開口(132a)と、前記第1の熱交換作動流体と前記第2の流体の流れとの混合体を前記リング形の空間(134)から出すための出口開口(132b)とが設けられることを特徴とする、請求項1記載のプレート型熱交換器(120)。
- 前記本体(22)の対向する側面(22a,22b)には各々、前記第1の作動流体の流れのための分配管(10)及び前記第1の熱交換作動流体の流れと前記第2の流体の流れとの前記混合のための収集管(11)が設けられ、前記1組の同軸かつ同心の管(130,132)は前記本体(22)の前記2つの対向する側面(22a,22b)と平行に位置決めされていることを特徴とする、請求項5記載のプレート型熱交換器(120)。
- 前記内側の管(130)の入口開口(130a)は前記内側の管(130)の1つまたは複数の母線に沿って位置決めされることを特徴とする、請求項6記載のプレート型熱交換器(120)。
- 前記母線は、前記本体(22)の前記収集管(11)が位置決めされる側面(22b)へ向かって方向づけられることを特徴とする、請求項7記載のプレート型熱交換器(120)。
- 前記外側の管(132)の前記入口開口(132a)及び出口開口(132b)は前記外側の管(132)の対向する母線に沿って位置決めされ、前記対向する母線は各々、前記本体(22)の前記分配管(10)が位置決めされる側面(22a)へ向かって、かつ上前記本体(22)の前記収集管(11)が位置決めされる側面(22b)へ向かって方向づけられることを特徴とする、請求項6または7または8記載のプレート型熱交換器(120)。
- 前記本体(22)は、予め確立された離隔関係で並列されかつ相互に一体化されて間に前記チャンバ(24)が画定されるようになる1組の金属プレート(20a,20b)を備え、前記1組の金属プレート(20a,20b)は前記熱交換器(120)の少なくとも1つの中間位置で切断され、前記外側の管(132)はこのような位置に、前記外側の管(132)の上流にある前記チャンバ(24)の第1のセクション(24a)と、前記外側の管(132)の下流にある第2のセクション(24b)とを画定するように位置づけられることを特徴とする、請求項5から9における任意の請求項記載のプレート型熱交換器(120)。
- 前記外側の管(132)は、その第1及び第2の母線(133a,133b)に沿って前記第1のセクション(24a)を画定する1組の金属プレート(20a,20b)へ溶接され、かつその第3及び第4の母線(133c,133d)に沿って前記第2のセクション(24b)を画定する1組の金属プレート(20a,20b)へ溶接されることを特徴とする、請求項10記載のプレート型熱交換器(120)。
- 前記第1の母線(133a)及び第3の母線(133c)は、実質的に、前記内部チャンバ(24)の対称面に対して前記第2の母線(133b)及び前記第4の母線(133d)と対称であることを特徴とする、請求項11記載のプレート型熱交換器(120)。
- 請求項2から12における任意の請求項に従って実現される複数のプレート型熱交換器(120)を備えることを特徴とする、等温化学反応器(60)用熱交換器ユニット(40)。
- 対向する両端を各々下側のボトム(63)及び上側のボトム(64)によって閉止された円筒シェル(62)を備えるタイプの化学反応器(60)であって、前記シェル(62)の内部に熱交換器ユニット(40)が位置決めされる触媒床を備えた反応環境(69)が画定され、前記熱交換器ユニット(40)は請求項2から12のいずれか一項に従って実現されるプレート型熱交換器(120)を備えることを特徴とする化学反応器(60)。
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