JP2010534134A - 反応容器用の螺旋配管装置 - Google Patents

Abstract

反応容器装置は、当該反応容器の内部と流体を通す第１のポートと、当該反応容器の内部に流体を通すように接続された出口ポートと有した反応容器を備えている。ベースは、前記反応容器を支持している。第１の螺旋管は、前記第１のポートに流体を通すように接続され、前記反応容器の周囲を回るように配置されている。反応容器装置の運転方法は、当該反応容器の内部と流体を通す第１のポートと、当該反応容器の内部に流体を通すように接続された出口ポートと有した反応容器を用意し、前記第１のポートに流体を流すよう接続され、前記反応容器の周囲を回るように配置された第１の螺旋管を用意し、前記第１の螺旋管を通して前記反応容器内に蒸気を流す。
【選択図】図１Ａ

Description

関連出願の参照
本出願は、２００７年７月２０日出願、出願番号６０／９５１，０９５の米国仮出願の優先権を主張するものであり、その仮出願の内容は参照によりここに組み込まれている。

発明の背景
発明の分野
高温で運転される反応容器は、運転前の冷めた状態から運転中の加熱状態に向かって熱くなるにつれ、膨張（例えば容器の軸方向長さの伸長）することができる。このような反応容器は、一般的に、当該反応容器のベースの固定位置に装着されることで据え付けられ、１つ以上の別部品に配管接続によって相互連結可能である。しかしながら、上記別部品は、異なる温度状況下で運転されることもあり、反応容器と比べて膨張／収縮が異なる状態になりやすい。本発明は、装置内の部品間における上記のような相対的な位置変化が、配管接続に不良を生じさせる又は疲労不良を促進させるストレスを配管接続内に生み出すことに注目したものである。

発明の概要
上記問題を取り除くために、本発明者らは、下記に述べる螺旋配管装置を構築した。

発明のより完全な適用、および付随する利点の多くは、以下に述べる詳細な記載、特に付属の図面を合わせて考慮して参照することで容易に明らかになる。
図１Ａは、本発明に係る水ガス変化反応器(water gas shift reactor)用の螺旋配管装置の前方から見た斜視図である。 図１Ｂは、本発明に係る水ガス変化反応器用の螺旋配管装置の後方から見た斜視図である。 図２Ａは、本発明に係る水ガス変化反応器用の螺旋配管装置の正面図である。図２Ｂは、本発明に係る水ガス変化反応器用の螺旋配管装置の側面図である。図２Ｃは、本発明に係る水ガス変化反応器用の螺旋配管装置の上面図である。 図３Ａは、図１Ａ−１Ｂおよび図２Ａ−２Ｃに示された天然ガス予熱器の分解斜視図である。図３Ｂは、図１Ａ−１Ｂおよび図２Ａ−２Ｃに示された天然ガス予熱器の組立状態の断面図である。図３Ｃは、図１Ａ−１Ｂおよび図２Ａ−２Ｃに示された天然ガス予熱器の組立状態の縮小斜視図である。図３Ｄは、図１Ａ−１Ｂおよび図２Ａ−２Ｃに示された天然ガス予熱器の組立状態の縮小下面図である。 図４Ａおよび図４Ｂは、圧縮状態および非圧縮状態にあるコイルを示す図である。 図５Ａは、天然ガス予熱器と、水素脱硫容器と、空気予熱器付きの蒸気改質反応容器とを伴う水ガス変化反応容器に接続された本発明に係る螺旋配管装置を示す反応装置の斜視図。 図５Ｂは、天然ガス予熱器と、水素脱硫容器と、空気予熱器付きの蒸気改質反応容器とを伴う水ガス変化反応容器に接続された本発明に係る螺旋配管装置を示す反応装置の斜視図。

本発明の実施形態は、付属の図面を参照して以下に述べられる。以下の記述において、実質的に同じ機能及び配置を有した構成要素は、同一の参照符号で示され、繰り返しとなる記載は必要なときだけなされる。

高温で運転される反応容器は、運転前の冷めた状態から運転中の加熱状態に向かって熱くなるにつれ、膨張（例えば容器の軸方向長さの伸長）することができる。このような容器は、一般的に、当該反応容器のベースの固定位置に装着されることで据え付けられ、１以上の別部品（例えば別の反応容器、予熱器組立体など）に配管接続（例えば入口配管、出口配管など）によって相互連結可能である。しかしながら、上記別部品は、異なる温度状況下で運転されることもあり、反応容器と比べて膨張／収縮が異なる状態になりやすい。このように、運転状態にある容器の膨張は、ベースに対して当該反応容器の１つ以上のポート（例えば入口ポート、出口ポートなど）の位置を変化させ、この反応容器のポートの位置変化は、配管接続が取り付けられた別部品のポートの位置変化に対応しないこともある。このため、反応容器のポートと、この反応容器が配管接続によって相互連結された別部品のポートとの相対的な位置変化が、配管接続またはポートに不良を生じさせる又は疲労不良を促進させるストレスを配管接続内に生み出すことがある。また、もし、反応容器の１つ以上のポートが配管接続を介して、位置が変化せず（すなわち膨張又は収縮せず）、固定位置に留まる１つ以上の別部品に接続されている場合も、反応容器のポートの位置変化が、配管接続又はポート又は支持構造体に不良を生じさせる又は疲労不良を促進させるストレスを配管接続内に生み出す。

本発明は、そのようなストレスから生じる好ましくない結果を和らげることができる反応容器用の配管接続のための方法と装置を提供する。この配管装置は、好ましくは、容器運転中の配管接続のストレスの最小化又は除去を許容する容器への１つ以上の配管接続を提供する。

図１Ａ−１Ｂ及び図２Ａ−２Ｃは、本発明に係る螺旋配管装置のひとつの実施形態を示す。この描かれた螺旋配管装置１０は、入口螺旋管３０と、出口螺旋管６０とを備える。しかしながら、当該装置は、入口螺旋管３０および出口螺旋管６０のいずれかひとつだけを選択的に備えてもよいし（すなわち、当該装置は両方を備える必要はないし）、又は、入口螺旋管及び出口螺旋管に加えて、例えば当該容器の別のポート（図示しない）に接続される他の螺旋管を選択的に備えることもできる。図１Ａ−１Ｂ及び図２Ａ−２Ｃに示された螺旋配管装置１０は、水−ガス変化反応（ＷＧＳ）容器２０に接続されている。しかしながら、本発明は、それぞれのライフタイムの間に膨張及び収縮しやすい他のいかなるタイプの容器や筐体にも適用可能である。図５Ａおよび図５Ｂは、天然ガスの予熱器４０付きのＷＧＳ２０、水素脱硫（ＨＤＳ）容器１００、蒸気改質反応容器１１０、及び蒸気改質反応容器１１０用の空気予熱器１２０に接続された本発明の螺旋配管装置が組み込まれた反応装置の一例の斜視図である。

ＷＧＳ容器２０は、ベース１２に固定的に取り付けられた下部２２を有する。ベース１２は、例えば床、パッケージングユニット、又は筐体に固定的に貼り付けられている。ＷＧＳ容器２０は、当該容器の上部２６の側面に設けられた入口ポート２８と、下部２２の側面に設けられた出口ポート２４とを有する。ＷＧＳ２０の内部は、低温水−ガス変化触媒のような触媒素材の充填層になっている。このため、流体（本実施形態では、蒸気改質反応容器からの改質物）は、入口ポート２８を通ってＷＧＳ容器２０の上部２８に入り、それから触媒素材の充填層を通って下方に移動し、そして出口ポート２４を通ってＷＧＳ容器２０の下部２２から出る。

図１Ａ−１Ｂ及び図２Ａ−２Ｃに示されたＷＧＳ容器２０は、天然ガス予熱器組立体（すなわちＮＧ予熱器）４０に接続されている。しかしながら、本発明は、いかなる容器又は筐体にも適用可能であり、上記のような予熱器に接続されている必要はなく、また、他のいかなるタイプの部品に接続可能であってもよい。導管２５は、ＷＧＳ容器の下部２２の側面で出口ポート２４に取り付けられている。導管２５は、出口ポート２４とＮＧ予熱器４０の入口４２との間に流体を通す相互連結(fluid interconnection)を提供している。導管２５は、ＮＧ予熱器４０を片持式で支持し、ＷＧＳ容器２０とＮＧ予熱器４０との間を構造的にも相互連結している。

本実施形態では、ＮＧ予熱器４０は、天然ガス供給(natural gas feed)が水素脱硫（ＨＤＳ）容器１００（図５Ａと図５Ｂを参照）に送られて使用される前に、天然ガス供給を予熱するためにＷＧＳ容器２０から出た改質物を使用する。ＮＧ予熱器４０は、例えば、ＨＤＳ容器１００の中で脱硫反応が生じるのを確実にする適切なレベルまで天然ガス供給の温度を上昇させるために用いられる。図１Ａ、１Ｂ、２Ａ、及び２ＣのＮＧ予熱器の描写に加えて、図３Ａ−３Ｃは、ＮＧ予熱器の内部及び外部の構造の詳細を示す。

ＮＧ予熱器４０は、２つのシェル−チューブ熱交換器（shell-and-tube heat exchanger）、すなわち部分４４に設けられた第１のシェル−チューブ熱交換器と、部分４８に設けられた第２のシェル−チューブ熱交換器とを有する。ＷＧＳ容器２０から出た改質物は、ＮＧ予熱器４０を通過する際に、シェル側（shell-side）に供給される。一方で、天然ガス供給は、ＮＧ予熱器４０を通過する際に、チューブ側（tube-side）に供給される。

出口ポート２４を通ってＷＧＳ容器２０から出た改質物は、導管２５を通り、ＮＧ予熱器４０の入口４２に入る。改質物は、それから部分４４に設けられた第１のシェル−チューブ熱交換器を通って、シェル側を上方に向かって移動し、湾曲部４６（後述するように、天然ガス用のチューブ配列を有しない部分）を通って移動し、部分４８に設けられた第２のシェル−チューブ熱交換器を通って、シェル側を下方に向かって移動し、出口ポート５０を通ってＮＧ予熱器４０から出る。

天然ガス供給は、入口５２を通ってＮＧ予熱器４０に入り、部分４８の第１通過のために、第２のシェル−チューブ熱交換器のチューブ配列(tube array)を通って、チューブ側を上方に向いて部分４８の上端まで移動し、それから部分４８の第２通過のために、向きを変えて第２のシェル−チューブ熱交換器のチューブ配列を通って、チューブ側の下方に向いて移動し、部分４８の下端から管５５（Ｊ形チューブ）を介して部分４４の下端に移動し、入口５６から部分４４の下端に入り、部分４４の第１通過のために、第１のシェル−チューブ熱交換器のチューブ配列を通って、チューブ側を上方に向いて部分４４の上端まで移動し、それから部分４４の第２通過のために、向きを変えて第１のシェル−チューブ熱交換器のチューブ配列を通って、チューブ側を下方に向いて移動し、出口５８を通ってＮＧ予熱器４０から出る。この出口５８から出た予熱された天然ガス供給は、導管を介してＨＤＳ容器１００に移動してその内部で使用される。

本発明の入口螺旋管３０は、剛体の配管を介して蒸気ガス改質容器１１０の出口ポート１３０に接続された入口端３２を有する。入口螺旋管３０は、剛性接続配管部３４を有する。剛性接続配管部３４は、一般的に、入口端３２（及び蒸気ガス改質容器１１０の出口ポート）を入口螺旋管３０の螺旋部３６の端に接続するのに必要な直線及び曲線の配管のいかなる組み合わせも含むことができる。螺旋部３６の反対側の端は、ＷＧＳ容器２０の入口ポート２８に接続された出口端３８を有する。

本発明の出口螺旋管６０は、ＮＧ予熱器４０を出た改質物を受け取るために、ＮＧ予熱器４０の出口ポート５０に接続された入口端６２を有する。螺旋管６０の入口端６２は、螺旋部６４の端に接続されている。螺旋部６４の反対側の端は、出口６８を有した剛性配管接続部６６に接続されている。剛性接続配管部６６は、一般的に、出口６８を他の部品に接続するのに必要な直線及び曲線の部分のいかなる組み合わせも含むことができる。上記「他の部品」は、本例では、空気が蒸気ガス改質容器１１０で使用される前に空気を予熱するのに用いられる予熱器１２０である。

入口螺旋管３０の螺旋部３６は、螺旋状の巻線を形成するために曲げられた管（tubing）または配管（piping）によって作られている。本実施形態で示されるように、入口螺旋管３０の螺旋部３６は、約４周に亘ってＷＧＳ容器２０の周囲に巻き付いている。しかしながら、これに代えて、入口螺旋管３０の螺旋部３６は、上記実施形態に比べて、ＷＧＳ容器２０の周囲により多くの回数、またはより少ない回数で巻き付くこともできる。螺旋部３６は、コイルばねを形成している。

出口螺旋管６０の螺旋部６４は、螺旋状の巻線を形成するために曲げられた管または配管によって作られている。本実施形態で示されるように、出口螺旋管６０の螺旋部６４は、５周に亘ってＷＧＳ容器２０の周囲に巻き付いている。しかしながら、これに代えて、出口螺旋管６０の螺旋部６４は、上記実施形態に比べて、ＷＧＳ容器２０の周囲により多くの回数、またはより少ない回数で巻き付くこともできる。螺旋部６４は、コイルばねを形成している。

図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、ＷＧＳ容器２０の入口ポート２８は、このＷＧＳ容器２０が装着されたベース１２の上面から距離ｄ_１で離れた高さに設けられている。加えて、ＷＧＳ容器２０の出口ポート２４は、ベース１２の上面から距離ｄ_２で離れた高さに設けられている。ＷＧＳ容器２０の運転中、ＷＧＳ容器２０は、当該ＷＧＳ容器２０に熱膨張を生じさせる加熱状態になり、ＷＧＳ容器２０はその軸方向に伸長する。このため、距離ｄ_１および距離ｄ_２は、冷めた非運転状態から熱い運転状態になるときに、ｄ_{１（運転状態）}＞ｄ_{１（非運転状態）}およびｄ_{２（運転状態）}＞ｄ_{２（非運転状態）}になるように変化する。

ＷＧＳ容器２０の入口ポート２８および出口ポート２４の位置変化に加えて、入口ポート２８および出口ポート２４が接続された部品のポートもまた、それら部品の熱膨張／収縮によって位置変化することができる。ＷＧＳ容器２０のポート２４，２８と、ＷＧＳ容器２０が配管接続によって相互連結された別部品のポートとの相対的な位置変化は、配管接続又はポートに不良を生じさせる又は疲労不良を促進させるストレスを配管接続内に生み出すことができる。また、もし、ＷＧＳ容器２０の１つ以上のポートが配管接続を介して、位置が変化せず（すなわち膨張又は収縮せず）、固定位置に留まる１つ以上の別部品に接続されている場合も、ＷＧＳ容器２０のポートの位置変化が、配管接続又はポートに不良を生じさせる又は疲労不良を促進させるストレスを配管接続内に生み出すことができる。

実験または計算に基づいて、ＷＧＳ容器２０の入口ポート２８と、それが接続された部品の出口ポートとの間の相対的な位置変化は、ＷＧＳ容器２０と上記部品の非運転状態と運転状態との間で見出すことができる。ひとたび、この相対的な位置変化が見出されると、入口螺旋管３６の螺旋部３６は、ＷＧＳ２０の入口ポート２８と、それが接続された部品の出口ポートとの間の相対的な位置変化を吸収するように構成することができる。

同様に、ＷＧＳ容器２０の出口ポート２４と、それが接続された部品の入口ポートとの間の相対的な位置変化は、ＷＧＳ容器２０および上記部品の非運転状態と運転状態との間で見出すことができる。そして、ひとたび、この相対的な位置変化が見出されると、出口螺旋管６０の螺旋部６４は、ＷＧＳ２０の出口ポート２４と、それが接続された部品の入口ポートとの間の相対的な位置変化を吸収するように構成することができる。

本発明の好ましい実施形態では、螺旋部３６，６４は、ＷＧＳ容器２０およびそれに接続された部品が運転状態にあるときに、入口螺旋管３０および出口螺旋管６０のストレスが小さい又はストレスが無いように構成されている。このため、螺旋部３６，６４により形成された螺旋状のばねは、ＷＧＳ容器２０およびそれに接続された部品が運転状態にあるときに、ストレスが無い非圧縮状態にある。しかしながら、ＷＧＳ容器２０およびそれに接続された部品が冷めた非運転状態にあるときに、ＷＧＳ容器２０およびそれに接続された部品の熱収縮は、入口ポートおよび出口ポートそれぞれの間で相対的な位置変化を生じさせ、螺旋部３６，６４によって形成された螺旋状のばねを軸方向に圧縮させる。このため、この冷めた非運転状態では、螺旋部３６，６４によって形成された螺旋状のばねは、圧縮状態になる。

図４Ａおよび４Ｂは、本発明の螺旋部３６，６４をどのように構成するかを説明するために、それぞれ圧縮状態および非圧縮状態にあるコイルを示す図である。螺旋部は、コイルが図４Ｂに示される非圧縮状態で軸方向長さｄ３を有し、図４Ａに示される圧縮状態で軸方向長さｄ４を有するように構成されている。ひとたび、入口ポート２８および出口ポート２４とこれらが接続された部品に対する相対的な位置変化が見出されると、入口ポートに対する位置変化値と、出口ポート２４に対する位置変化値は、それぞれ距離ｄ_５を用いることができる。距離ｄ_５は、螺旋部３６，６４が非運転状態で装着されたときにそれぞれが圧縮されるべき距離である。このため、運転状態では、相対的な位置変化は螺旋状のばねを圧縮せず、配管接続は非ストレス状態になる。

これに代えて、螺旋部は、螺旋状の巻線が運転状態で圧縮形態にあり、非運転状態で非圧縮形態にあるように構成されることもできる。さらに上記に代えて、螺旋部は、螺旋状の巻線がストレス状態で、圧縮されるよりもむしろ張られるように構成されることもできる。上記に代えて、螺旋部は、螺旋状の巻線が運転状態で圧縮され、非運転状態で張られ、冷めた非運転状態から加熱された運転状態まで装置が熱せられる間のある時点と、加熱された運転状態から冷めた非運転状態まで装置が冷やされる間のある時点とで非ストレス状態になるように構成されることもできる。さらに上記に代えて、螺旋部は、螺旋状の巻線が運転状態で張られ、非運転状態で圧縮され、冷めた非運転状態から加熱された使用状態まで装置が熱せられる間のある時点と、加熱された運転状態から冷めた非運転状態まで装置が冷やされる間のある時点とで非ストレス状態になるように構成されることもできる。

このように、本発明の螺旋装置は、好都合に、不良を伴わず確実にストレスを吸収するように構成されることもでき、装置全体における熱膨張／収縮変化によって生じるストレスの大きさを減らすように構成されることもでき、及び／又は、非ストレスの運転状態および非ストレスの非運転状態のいずれかを希望により提供するように構成されることもできる。熱膨張／収縮による装置内の種々の部品の入口および出口の相対的な位置の変化を考慮すると、本発明の螺旋装置は強固な配管装置を提供することができる。もし希望であれば、配管装置が通常の運転状態下で非ストレスになるように、巻線が予応力状態で製造され、輸送中に予応力状態を維持することもできる。例えば、もし、冷めた状態から加熱された運転状態になるときの相対的な位置変化が０．７５インチであれば、巻線は軸方向の０．７５インチの圧縮で予応力を与えることもできる。

好ましい実施形態では、巻線は、ＷＧＳ容器の外壁に取り付けられておらず、むしろ運転状態と非運転状態の両方でＷＧＳ容器の外表面と巻線の内径との間に最小の隙間が維持される。好ましくは、上記隙間は、ＷＧＳ容器の外表面の周囲に断熱材の層を設けることを許容する十分な大きさを有する。加えて、巻線は、好ましくは、断熱され、熱を受け取らないようになっている。

ＷＧＳ容器は、その上面に、持ち上げ用のつまみを有するように示されている。上部温度計保護管および下部温度計保護管は、ＷＧＳ容器内の温度を測定するためのサーモカップルとして使用されるために、ＷＧＳ容器の側面から延びているように示されている。

ここで示された実施形態の例は、本発明の好ましい実施形態を開示したものであり、いかなる考えによっても権利要求する範囲を上記実施形態に限定するものではない。本発明の多くの変形（modifications）や変更（variations）が上記教示によって可能である。それゆえ、添付の権利要求の範囲のなかで、本発明はここで特別に述べられたもの以外にも実践することができることが分かる。

Claims (14)

1. 当該反応容器の内部と流体を通す第１のポートと、当該反応容器の内部に流体を通すように接続された出口ポートと有した反応容器と、
   前記反応容器を支持したベースと、
   前記第１のポートに流体を通すように接続され、前記反応容器の周囲を回るように配置された第１の螺旋管と、
   を具備した反応容器装置。
2. 前記容器の周囲を回るように延び、第２のポートに流体を通すように接続された第２の螺旋管を更に備えた請求項１に記載の反応容器装置。
3. 前記反応容器は、前記ベースから第１の方向に膨らんでおり、前記第１の方向に沿って採寸された前記第１のポートと前記ベースとの間の距離は、前記第１の方向に沿って採寸された前記第２のポートと前記ベースとの間の距離よりも大きい請求項２に記載に反応容器装置。
4. 前記第１および第２のポートは、前記第１の方向とは直交する第２および第３の方向に前記反応容器から延びている請求項２に記載の反応容器装置。
5. 前記反応容器は、当該反応容器の壁に設けられた断熱素材を有した請求項１に記載の反応容器装置。
6. 前記第１の螺旋管は、断熱されている請求項１に記載の反応容器装置。
7. 前記第１の螺旋管と前記反応容器との間に設けられた隙間を有し、この隙間は前記第１のポートを除いて前記反応容器の全周に亘って広がっている請求項１に記載の反応容器装置。
8. 前記第１の螺旋管は、前記反応容器が非加熱状態にあるときに、圧縮状態である第１の状態になり、前記反応容器が前記非加熱状態に比較した加熱状態にあるときに、圧縮が相対的に小さい状態である第２の状態になるように構成された請求項１に記載の反応容器装置。
9. 当該反応容器の内部と流体を通す第１のポートと、当該反応容器の内部に流体を通すように接続された出口ポートと有した反応容器を用意し、
   前記第１のポートに流体を通すように接続され、前記反応容器の周囲を回るように配置された第１の螺旋管を用意し、
   前記第１の螺旋管を通して前記反応容器内に蒸気を流す、
   ことを含んだ反応容器装置の運転方法。
10. 前記反応容器の第２ポートと流体を通す第２の螺旋管を用意し、
    天然ガス予熱器からの改質物を前記第２の螺旋管内に流す、ことを更に含んだ請求項９に記載に反応容器装置の運転方法。
11. 第１の温度から、この第１の温度よりも高い第２の温度に前記反応容器を加熱することを更に含んだ請求項１０に記載の反応容器装置の運転方法。
12. 前記第１の螺旋管は、前記反応容器が前記第１の温度にあるときに、第１の圧縮状態になり、前記反応容器が前記第２の温度にあるときに、前記第１の圧縮状態とは異なる第２の圧縮状態になる請求項１１に記載の反応容器装置の運転方法。
13. 前記第１の圧縮状態は、前記第２の圧縮状態よりも圧縮量が大きい請求項１２に記載の反応容器装置の運転方法。
14. 前記第１の圧縮状態は、前記第２の圧縮状態よりも圧縮量が小さい請求項１２に記載の反応容器装置の運転方法。

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