JP2010533573A - 等温化学反応器のための熱交換ユニット - Google Patents

Abstract

等温または準等温の化学反応器のためのプレート熱交換ユニット（１２）であって、プレートの内部を循環する流体と外側の反応ガスの流れとの間の熱交換のためのものであり、プレート（１３）の壁（１４、１５）が、適切な接合線（１０５）によって囲まれた切り欠き（１４ｓ、１５ｓ）を有することで、プレート（１３）そのものを貫く穴（１０４）が得られ、プレートを反応ガスにとって横方向に実質的に透過性にしている熱交換ユニット。

Description

本発明は、その最も一般的な態様において、適切な触媒の存在下で熱の発生（発熱反応）または熱の吸収（吸熱反応）を伴って実行される化学反応である触媒化学反応のための等温または準等温の反応器の技術分野に関する。

上述した種類の多くの触媒化学反応が、反応そのものによって生じる熱の発生または吸収を補償して、温度を或る程度狭い最適収量の範囲内に保つことを必要とすることは、知られている。

この目的のために、触媒化学反応のための反応器であって、反応物質および反応生成物のための適切な導入口／排出口が備えられ、発熱化学反応の場合に反応ガスから熱を取り去ることができ、あるいは反対に、吸熱化学反応の場合に熱を供給することができる熱交換ユニットが埋め込まれた触媒層を収容している実質的に円筒形の外殻を備える反応器が知られている。そのような反応器は、熱交換ユニットが化学反応の熱の追加または吸収を補償して反応器内の温度を所定の範囲内に保つため、「準等温」またはより単純に「等温」として知られている。

熱交換ユニットは、熱伝導油、融解塩、液体または沸騰中の状態の水、あるいは反応ガスそのものなど、液体、気体、または相変化の最中の状態にある適切な熱交換流体が供給される適切に構造付けられ、支持され、相互に接続された複数の交換器で構成されている。例えば、発熱反応用の公知の形式の反応器として、気体反応物質の一部が冷却用流体として熱交換器の内部を循環し、反応物質そのものの予熱というさらなる利点を得ている反応器が存在する。

プレート熱交換器が、ここで検討される形式の等温反応器において、幅広く使用されている。

例えば、ＥＰ−Ａ−１３０６１２６が、半径方向流または軸方向−半径方向流の等温化学反応器のためのプレート熱交換器ユニットであって、複数の熱交換器プレートを、長辺をユニットの軸に平行にし、短辺を半径方向に延在させて、実質的に放射状に配置して備えており、各々のプレートが、熱交換流体を循環させるための室を定めるように少なくとも１つの周囲の接合部によって接合された２枚の並置された平行な壁からなっているプレート熱交換器ユニットを、開示している。

プレート状のユニットは、大きな交換面、比較的低いコスト、および組み立ての容易さなどといった利点にもかかわらず、外側の気体の流れに或る程度の乱れを生じさせる可能性があることが、明らかになっている。とくには、プレート状のユニットは、反応領域内で、隣接するプレートの間に、比較的互いに隔絶された気体の流れのための優先的な通路を生じさせる可能性がある。この影響により、流れの混合および反応物質間の接触が、少なくなりかねない。

本発明の根底にある課題は、等温化学反応器のためのプレート熱交換ユニットであって、上述の欠点を克服でき、プレート間の半径方向の通路での流れの分断を軽減することができる熱交換ユニットを考案および提供することにある。

この課題は、等温化学反応器のためのプレート熱交換ユニットであって、当該ユニットを循環する作動流体と反応器へと供給される反応物質のガスの流れとの間の熱交換に使用することができ、複数の熱交換プレートを備えていて、各々のプレートが、２枚の並置された平行な壁を、これらの壁の間に前記作動流体の循環のための少なくとも１つの内部室を得る少なくとも１つの周囲の接合部によって接合して備えており、各々のプレートが、複数の穴が備えられた壁と、これらの穴に対面する同数の穴が備えられた対向する壁とを有するとともに、前記穴の縁に沿った前記壁の間のさらなる接合線を備えており、前記プレートを貫く貫通穴が得られていることを特徴とする熱交換ユニットによって解決される。

好ましい実施の形態によれば、前記穴が、プレートの延在の長手方向に延びるスリットまたは切り欠きのように形作られている。さらに好ましくは、前記貫通穴が、複数の平行な列に配置されている。

各々の穴が、該当の縁の接合線によって、プレートの内部を循環する流体の方向を変化させる傾向にあり、このことが、熱交換にかなりの有益な効果を有することに注目すべきである。本発明のさらなる態様によれば、後に典型的な実施の形態（ただし、これに限られるわけではない）によって明らかになるとおり、貫通穴が、各々のプレートにおいて、多数の平行な列に配置されており、これらの平行な列が、好ましくは互いにずらされ、プレートそのものの内部に実質的にコイル状の流体の経路が得られている。

好ましい実施の形態においては、熱交換ユニットのプレートが、熱交換流体のための導入および排出マニホールドへのそれぞれの接続部を各々が備えている複数の部位からなる実質的にモジュール式の構造を有している。流体の供給および排出のためのマニホールドは、好都合には、プレートの各々の部位（すなわち、モジュール）の内側を流体が実質的に横方向に従って横切るよう、プレートの側方に配置される。

好ましくは、プレートの各々のモジュールが、長手方向の切り欠きまたはスリットとして製作された複数の貫通穴を備えており、それらが互いに平行かつ長手方向にずらされており、２つの壁の間に熱交換流体のためのコイル状の通路が得られている。

好ましくは、プレートの貫通穴の総面積が、そのプレートの前面の２％〜２０％の間（存在しうる起伏は考慮しない）であり、より好ましくは５％〜１０％の間である。典型的な実施の形態によれば、プレートの長手方向の延在に対して直角に測定される穴の幅は、約１５ｍｍである。

さらに、本発明の対象は、発熱または吸熱の不均一化学反応のための等温反応器であって、上述のようなプレート熱交換ユニットが触媒層に埋め込まれて設けられた等温反応器である。

上述の貫通穴によって、熱交換プレートが、使用時に、反応物質のガスの流れに対して、横方向に実質的に透過性である。この結果として、プレートが、外側のガスの流れを妨げることがなく、反応物質の完全な混合を可能にする。プレートの内側の流体との熱交換も、この混合効果によって改善され、ガスの流れに多少なりとも高温な部分が形成されることを回避し、温度を一様にすることにつながる。このようにして、反応器の性能の全体的な改善が得られる。

好ましい態様によれば、プレートのモジュール式の構造が、プレートそのものの延在に沿って「低温」領域および高温「領域」が形成されることを防止し、熱交換をさらにより効率的にする。

さらに、大きな交換面、低いコスト、および設置の容易さなど、等温反応器においてプレート型の熱交換器を使用することから得られる利点のすべてが、そのまま維持される。

本発明の特徴および利点が、添付の図面を参照しつつ例示の目的（本発明を限定する目的ではない）で提示される好ましい典型的な実施の形態についての以下の説明から、さらに明らかになるであろう。

本発明の好ましい実施の形態によるプレート型熱交換ユニットを備えている半径方向流の等温反応器の切断図を概略的に示している。 図１の反応器の熱交換ユニットのプレートの正面図を図式的に示している。 図２のプレートの一部分の典型的な断面を示している。 図２の熱交換プレートの一部分の詳細を、正面図にて示している。 図１の熱交換ユニットのプレートの一部分の斜視図を示している。

図１を参照すると、垂直軸を有しており、それぞれ反応ガスおよびガス状の反応生成物を供給および排出するための通路５、６が備えられている下部ベース板３および上部ベース板４によって閉じられている円柱形の外殻２を備える等温反応器１が示されている。

反応器１の内部に、触媒バスケット７（実質的に円筒形の形状であって、環状の断面を有している）が支持されている反応領域（または、環境）が定められている。このバスケット７は、基本的には、外殻２と協働して幅の狭いすき間９を定めている円筒形の外壁８と、円筒形の内壁１０と、環状のベース板７ｂとで構成されている。

内壁１０が、ガス状の反応生成物のマニホールドを構成するダクト１１がおおむね支持されている中央の軸方向の通路を定めている。このダクト１１は、閉じた上端１１ａと、下部ベース板３の排出通路６に直接流体連通した開いた下端１１ｂとを有している。

外壁８および内壁１０は、すき間９からバスケット７の内側へと反応ガスを通過させることができ、さらにバスケット７から中央のダクト１１へとガス状の反応生成物を通過させることができるよう、穿孔されている。

バスケット７は、大量の適切な触媒（図示されていない）を収容するように意図されており、その中に、図１に概略的に示されている熱交換ユニット１２が、それ自身は公知のやり方で浸漬され、支持される。

前記熱交換ユニット１２は、前記バスケット７と同様に、円筒形かつ環状の形状の全体構成を有している。ユニット１２は、バスケット７の外径に実質的に等しい外径を有しており、同じバスケットの内径に実質的に等しい直径を有する通路によって軸方向に貫かれている。

とくには、図１に図式化されている好ましい実施の形態（ただし、これに限られるわけではない）によれば、熱交換ユニット１２が、３つの同軸かつ同心な並びに規則的に分布した複数の熱交換プレート１３を備えている。プレート１３は、長辺をユニット１２の軸（したがって、円筒形の外殻２の軸）に平行にし、短辺を半径方向に延在させた状態で、実質的に放射状に配置されており、３つのプレートからなる半径方向のセットを複数構成するようなやり方で組織化されている。当然ながら、別の技術的応用の要件に応じて、３枚のプレート１３からなる半径方向のセットの各々を、バスケット７の半径方向の広がりの全体を占めるように寸法付けられた１対のプレートまたはただ１枚のプレートによって置き換えてもよい。

作動用の熱交換流体が、反応物質を（吸熱または発熱反応に応じて）加熱または冷却するために、プレート１３の内側に供給される。この目的のために、ユニット１２は、図示の例では供給ダクト２３ａ、２４ａ、２５ａおよび環状の分配器２３、２４、２５によって、前記作動流体を循環させるための適切な手段へと接続される。これらの分配器は、一連のコネクタ２１を介して、プレート１３の辺に長手方向に配置された流体導入および排出マニホールドにつながっている。図１は、これに限られるわけではないが、プレート１３の内側を循環する熱交換流体が、反応物質そのもので構成されている反応路に言及している。反応ガスが、交換ユニット１２へと供給され、交換ユニット１２において反応の熱によって予熱を与えられ、次いで最も内側のプレート１３の上部に配置された開いたダクト２２から反応領域へと出る。

熱交換プレート１３は、それらを反応ガスに対する横方向について実質的に透過性にする複数の貫通穴（簡単化のために、図１には示されていない）を有している。

熱交換ユニット１２のプレート１３が、図２〜５にさらに詳しく示されている。大まかに言うと、前記プレート１３は、実質的に、例えば適切に起伏した金属板から形成される２枚の向かい合う壁１４および１５で構成され、壁１４および１５が、周囲の溶接部１６によって一体に接合され、一方の壁と他方の壁との間に熱交換流体のための室（または、複数の室）１７が得られている。さらに、プレート１３は、プレートの辺を長手方向に延びている作動用の熱交換流体のための導入マニホールドおよび同じ流体のための排出マニホールドへと接続されている。そのようなマニホールド１０２および１０３を、ＥＰ−Ａ−１３０６１２６に記載のように、プレートに直接「形成」することも可能である。

図３の典型的な断面を参照すると、壁１４が複数の穴１４ｓを有する一方で、壁１５が、これに並置された複数のそれぞれの穴１５ｓを有している。前記穴１４ｓおよび１５ｓの縁に沿って、接合線１０５が例えば溶接によって形成され、貫通穴１０４のうちの１つが得られる。穴１４ｓおよび１５ｓならびにそれぞれの溶接部１０５が、内部の室１７の流体のシールを中断することなく、プレート１３を貫く前記貫通穴１０４を定めていることを、理解すべきである。

プレート１３は、複数のこのような穴１０４を、好ましくは図のように多数の平行な列または直列に配置して備えている。図示の例では、穴１０４が、３つの平行な列に配置されており、中央の列が、側方の列に対してずらされている。

これらの貫通穴１０４によって、プレート１３は、外側のガス状の反応物質の流れに対して実質的に透過性であり、すなわち、上述したやり方で反応器１の内部を半径方向に流れる反応物質そのものが、プレート１３を横方向にも横切ることができる。

プレート１３は、好ましい実施の形態においては、複数の部位（または、モジュール）を備えており、各々のモジュールが流体導入および排出マニホールドへのそれぞれの接続部（それ自身は公知の技法で製作される）を有している実質的にモジュール式の構造を有している。

図４および５を参照すると、プレート１３のそれらのモジュールのうちの１つが、１１０として示されている。このモジュール１１０は、壁１４、１５の間の溶接部１１１および１１２によって定められ、隣のモジュールから隔てられており、マニホールド１０３および１０２に適切に連絡した流体の循環のための室またはダクトを定めている。モジュール１１０を、図４および５の矢印によって例示されているコイル状の経路にて、熱交換流体が横断する。

さらに詳しくは、プレートモジュール１１０は、上述のように形成されて長手方向に延びている３つの貫通穴または切り欠き１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃを有している。切り欠きは、長手方向において実質的に平行かつ互いにずらされており、実質的にコイル状の横断路１１７を定めている。各々の切り欠き１０４ａ〜１０４ｃは、プレート１３の壁１４および１５の間の通路１１７について流体を漏らさないシールを維持するそれぞれ縁の溶接部１０５ａ〜１０５ｃによって囲まれている。

縁の溶接部１０５ａ〜１０５ｃは、モジュール１１０を閉じるための上側の溶接部１１１または下側の溶接部１１２のいずれかに連続している。この例では、溶接部１０５ａ〜１０５ｃが、下部においてモジュール１１０を定めている下側の溶接部１１２に連続する一方で、溶接部１０５ｂが、対向する上側の溶接部１１１に連続しており、ずらされた穴１０４ａ〜１０４ｃの配置をもたらしている。

図４のモジュール１１０と同様のプレート１３の各々のモジュールが、実質的に横断方向かつコイル状の通路１１７と同様の作動流体のためのそれぞれの通路またはダクトを、隣のモジュールの通路から隔てて有していることに、注意すべきである。しかしながら、同等の実施の形態において、種々のプレートモジュールに定められた通路を互いに流体連通させてもよい。

マニホールド１０３、１０２とプレートの通路との間の流体の通路は、例えばプレートの壁の間の溶接部の中断または適切なスリーブなど、それ自身は公知の技法で製作される。

動作は、以下のとおりである。図１を参照すると、反応ガスが、上述のダクトおよび環状の分配器を通ってプレート１３へと供給される。これらのガスが、最も内側のプレートのダクト２２から、上部ベース板４によって定められる空間に現れ、すき間９からマニホールド１１へと半径方向に反応領域を横切る。ユニット１２における熱交換によって、発熱反応に関しては、触媒床および反応生成物が冷却され、反応物質の流れに予熱が与えられる。プレート１３に穴１０４が存在するため、反応ガスの横方向の混合の流れが、プレートそのものを貫いて、反応器１内の半径方向の経路に沿って得られ、化学反応の収量およびユニット１２によって交換される熱の総量、ならびに所望の温度分布の維持に関して利益がもたらされる。

最後に、本発明の出願を、半径方向流または軸方向−半径方向流の反応器に限られると理解すべきではなく、本発明の出願が、他の形式の等温化学反応器においても同様に好都合であることに、注意すべきである。

Claims (14)

1. 当該ユニット（１２）を循環する作動流体と反応器（１）へと供給される反応物質のガスの流れとの間の熱交換に使用することができる等温化学反応器（１）のためのプレート熱交換ユニット（１２）であって、
   複数の熱交換プレート（１３）を備えており、
   各プレート（１３）が、２枚の並置された平行な壁（１４、１５）を有しており、前記壁同士は、少なくとも１つの周囲の接合部（１６）によって接合されて、該壁（１４、１５）の間に前記作動流体の循環のための少なくとも１つの内部室（１７）を得ており、
   各プレート（１３）が、複数の穴（１４ｓ）が備えられた壁（１４）と、該穴に対面する同数の穴（１５ｓ）が備えられた対向する壁（１５）とを有するとともに、前記穴（１４ｓ、１５ｓ）の縁に沿った前記壁の間のさらなる接合線（１０５）を備えており、それにより前記プレート（１３）を貫く貫通穴（１０４）が得られていることを特徴とする熱交換ユニット。
2. 前記プレート（１３）を貫く前記貫通穴（１０４）が、前記プレート（１３）自体の延在の長手方向に延びていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換ユニット。
3. 前記貫通穴（１０４）が、複数の平行な列に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換ユニット。
4. 各プレート（１３）の平行な列からなる前記貫通穴（１０４）が、互いにずらされており、それにより前記プレート（１３）の前記内部室（１７）に実質的にコイル状の流体の経路が得られていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換ユニット。
5. 各熱交換プレート（１３）が、複数の部位またはモジュール（１１０）を備える実質的にモジュール式の構造を有しており、各モジュール（１１０）が、作動用の熱交換流体のためのそれぞれの導入用および排出用の接続部を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換ユニット。
6. 各プレートモジュール（１１０）が、複数の前記貫通穴（１０４ａ〜１０４ｃ）を、前記プレートモジュール（１１０）の内部に熱交換流体のための実質的にコイル状の通路（１１７）を定めるように配置して備えていることを特徴とする請求項５に記載の熱交換ユニット。
7. 各プレートモジュール（１１０）が、前記プレート（１３）の壁の間の上側の接合線（１１１）および対向する下側の接合線（１１２）によって定められており、前記貫通穴（１０４ａ〜１０４ｃ）が、前記上側の接合線（１１１）および前記下側の接合線（１１２）のいずれかに連続する接合線（１０５ａ〜１０５ｃ）によって囲まれていることを特徴とする請求項５または６に記載の熱交換ユニット。
8. 各モジュール（１１０）が、側方の貫通穴（１０４ａ、１０４ｃ）と、該側方の貫通穴に対してずらされた中央の貫通穴（１０４ｂ）とを有することで、全体としてのプレート（１３）が、中央の列が側方の列に対してずらされている３列または３直列の貫通穴を有していることを特徴とする請求項６または７に記載の熱交換ユニット。
9. 各プレート（１３）の前記貫通穴（１０４）の総面積が、前記プレート自体の前面の２％〜２０％の間であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱交換ユニット。
10. 各プレート（１３）の前記貫通穴（１０４）の総面積が、前記プレート自体の前面の５％〜１０％の間であることを特徴とする請求項９に記載の熱交換ユニット。
11. 前記プレート（１３）の前記貫通穴（１０４）が、約１５ｍｍの幅を有していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の熱交換ユニット。
12. 前記プレート（１３）の前記壁（１４、１５）が、金属製であり、前記壁の間の前記接合線（１０５）が、前記壁の溶接線によって形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱交換ユニット。
13. 前記ユニット（１２）が、前記熱交換プレート（１３）が放射状に配置された実質的に環状かつ円筒形の構成を有していることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の熱交換ユニット。
14. 外殻（２）と、前記外殻自体に支持された触媒層に埋め込まれた熱交換ユニット（１２）とを備えている等温化学反応器であって、
    前記熱交換ユニット（１２）が、請求項１〜１３のいずれか一項に従って構成されていることを特徴とする等温化学反応器。

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