JP2011523014A - 可変バッフル角度による垂直複合フィード／エフルエント熱交換器 - Google Patents

Abstract

垂直複合フィード／エフルエント熱交換器（ＶＣＦＥ）等のシェル・アンド・チューブ熱交換器であって、流体入口と流体出口とを有する胴と、胴を通じて流体を螺旋流パターンとなるよう誘導するため胴内に装着される複数のバッフルと、を含み、入口に近いバッフルのねじれ角度αは出口に近いバッフルのねじれ角度βと異なる。

Description

開示の背景
開示の分野
ここで開示する実施形態は、一般的には熱交換器に関する。ここで開示する実施形態は、より具体的には二相流を効率的に処理するよう構成されたシェル・アンド・チューブ熱交換器等の熱交換器に関する。

背景
数多くの熱交換器構成が公知であり、様々な用途に使用されている。幅広く使用されている構成のひとつ、すなわち図１に図示されたシェル・アンド・チューブ熱交換器は、１束の平行パイプ１２を収容する円筒形胴１０を含み、１束の平行パイプが２枚のエンドプレート１４間に延在することで第１の流体１６はパイプ１２の中を通過できる。一方、第２の流体１８は２枚のエンドプレート間の空間内を流れ、パイプに接触する。２流体間の熱交換を向上させるため、第２の流体１８の流路は通路を形成する中間バッフル２０によって画定され、中間バッフルは、１通路から次の通路へ進む第２の流体の流れが方向を変えるよう配置される。図示されたように部分的な弓形（部分的弓形バッフル）もしくは環状のリングまたは円盤として構成されるバッフル２０は、第２の流体１８のジグザグ流２４を提供するため、胴１０の縦軸２２に対し垂直に据え付けられる。

この配置で第２の流体は、その流れの方向を胴の全長に沿って数回にわたり急角度に変えなければならない。このため第２の流体の動圧減少と不均一な流速が生じ、これらが熱交換器の性能に悪影響をおよぼす。たとえば、胴の縦軸に対するバッフルの垂直位置は比較的非効率的な熱伝達率／圧力損失比を招く。加えて、かかるバッフル配置ではバッフルから胴までの隙間とパイプからバッフルまでの隙間にフローバイパスが生じ、流れの不均等分布、渦、逆流、高汚染率等、望ましくない結果を招く。

液相フィードとプロダクトストリームとの間で気相反応が望まれる多くの産業化学工程においては特に、圧力損失、フロー分布、ならびに熱伝達効率が重要な変数となる。たとえばナフサ改質、ナフサ水素化処理、ディーゼルおよびケロシン水素化処理、軽質炭化水素異性化およびメタセシス、その他多くの産業的に重要な工程がこれにあたる。かかる工程は一般的にフィード／エフルエント熱交換装置を含み、ここにおいて、反応器フィードストリームの蒸発に必要な熱が反応器エフルエントの凝縮または部分的凝縮によって回復される。かかる熱伝達装置は伝統的に従来型垂直シェル・アンド・チューブ熱交換器として配置されている。

装置設計キャパシティ（規模の経済）を増大させるには大きな体積スループットを要し、限られた温度差で熱を伝達するのに必要な胴数に影響がおよぶ。ただし流れの水力学的問題のため、すなわち二相入口流、気相および液相の様々な組成ならびに分子量、ならびに相変化により変化する体積流量および圧力損失のため、複数並列および直列配置による従来型交換器胴配置には問題がある。二相流の分割を達成するにあたって対称配管は信頼できない。蒸気の殆どが水素からなる水素化処理では特に、蒸気の分子量が液体より格段に低くなるため、交換器に入る液体と蒸気の不均等分布は沸騰曲線に著しく影響し、結果的に沸騰操作の平均温度差（ＭＴＤ）に著しく影響する。

垂直複合フィード／エフルエント熱交換器（ＶＣＦＥ）の概念は、大きい表面を単一の垂直胴にまとめることによりこれらの欠点を克服するため開発された。単一セグメンタルバッフル設計による管側沸騰／胴側凝縮、単一セグメンタルバッフル設計による管側凝縮／胴側沸騰、ヘリカルバッフル設計による管側沸騰／胴側凝縮、ヘリカルバッフル設計による管側凝縮／胴側沸騰等、かかる装置は様々な構成で実用化されている。たとえば米国特許第５，８３２，９９１、６，５１３，５８３、および６，８２７，１３８号には螺旋状バッフル交換器が記載されている。

胴側沸騰係数は、マストランスポート効果に起因して、比較的大きい胴側体積により増大するため、理論上、所要表面を減らすには胴側沸騰が有利である。ただし管側のほうが通常は清掃が容易いため、汚れの問題にも対処しなければならない。

部分負荷またはターンダウン運転では胴側沸騰配置の欠点が考慮される。この場合、胴側速度は相分離と入口への液体フラクション逆流を防ぐにあたって十分ではない。高滞留時間での重い液体フラクションの蓄積は汚れをもたらすことがある。

管側沸騰配置の主な欠点として、各管内で所期沸騰特性を維持するには、多数の管入口の各々で蒸気および液体フラクションを均一に分布させなければならないが、この分布を達成する廉価で低圧力損失の方法は見つかっていない。

したがって、垂直装置で二相入口流を効果的に処理する熱交換器とバッフル設計が求められている。

開示の概要
ここで開示する実施形態は一態様において熱交換器に関し、該熱交換器は、流体入口と流体出口とを有する胴と、胴を通じて流体を螺旋流パターンとなるよう誘導するため胴内に装着される複数のバッフルと、を含み、入口に近いバッフルのねじれ角度αは出口に近いバッフルのねじれ角度βと異なる。

ここで開示する実施形態は別の態様においてシェル・アンド・チューブ熱交換器に関し、該シェル・アンド・チューブ熱交換器は、第１の流体入口を有する管側入口マニホールドと、第１の流体出口を有する管側出口マニホールドと、マニホールド間に延在し、且つこれと流体連通する、複数の管と、マニホールド間に延在し、且つ前記管を取り囲み、第２の流体入口と第２の流体出口とを有する、胴と、胴を通じて第２の流体を螺旋流パターンとなるよう誘導するため胴内に装着される複数のバッフルと、を含み、第２の流体入口に近いバッフルのねじれ角度αは第２の流体出口に近いバッフルのねじれ角度βと異なる。

ここで開示する実施形態は別の態様において混相流体により熱を交換するプロセスに関し、該プロセスは、流体入口と流体出口とを有する胴と、胴を通じて流体を螺旋流パターンとなるよう誘導するため胴内に装着される複数のバッフルと、を備える熱交換器へ、蒸気と、同伴液体および同伴固体のうち少なくとも一方と、を備える混相流体を、供給することと、混相流体を基本的に完全蒸気に変換することと、混相流体と熱交換媒体とで間接的に熱を交換することと、を含み、入口に近いバッフルのねじれ角度αは同伴液体または固体の終端速度より大きい混相流体の速度を維持し、出口に近いバッフルのねじれ角度βは入口に近いバッフルのねじれ角度αより大きい。

他の態様および利点は以降の説明と添付の請求項から明白となるであろう。

従来のシェル・アンド・チューブ熱交換器におけるフロー分布の図。 ここで開示される実施形態による可変熱バッフル角度による垂直複合フィード／エフルエント熱交換器の概略図。

詳細な説明
本願の実施形態は一態様において、一般的には熱交換器に関する。ここで開示する実施形態は、より具体的には二相流を効率的に処理するよう構成されたシェル・アンド・チューブ熱交換器等の熱交換器に関する。ここで開示する実施形態は、さらに具体的には胴側の流体流を螺旋流パターンに導くよう構成されたバッフルを有する熱交換器に関し、入口に近いバッフルのねじれ角度は出口に近いバッフルのねじれ角度と異なる。

ここで開示する実施形態によるねじれ角度が異なるバッフルを有する熱交換器は、蒸発、凝縮、燃焼等の相変化を経る胴側流体にとって有用であることが分かっている。たとえば、蒸発する液体−蒸気混合物等の二相入口流の場合は、蒸気および液体の相分離を回避するにあたって十分な流体速度を維持するよう入口付近のねじれ角度を提供する。胴側流体入口に近いバッフルのねじれ角度が管に対し垂直位置に近ければ、進入する高密度流体は高速度で渦巻く。交換器の中で熱伝達のため液体が蒸発するにつれ、胴側出口に近いバッフル等、バッフルのねじれ角度は垂直から遠ざかり、低密度蒸気の場合は低速度で熱交換が行われ、熱交換器内の圧力損失は比較的低くなる。

相分離（蒸気−液体、蒸気−固体等）には相対密度、粒子および／または小滴サイズ、ならびに気相速度が関係するため、ここで開示する実施形態によるねじれ角度が異なるバッフルを有する熱交換器は、一定のバッフル角度を有する熱交換器と同じスループットで胴側相分離を被らない。したがって、ここで開示する実施形態によるねじれ角度が異なるバッフルを有する熱交換器は大幅に低いスループットレベルで使用できるため、部分負荷またはターンダウン運転で運転する垂直熱交換器の典型的欠点を回避する。

胴側入口および出口に近いバッフルに使用するねじれ角度は作業のタイプに応じて異なる。たとえば蒸気と、蒸発する液体または燃焼する固体と、を含む流体混合物なら、入口に近いバッフルのねじれ角度を出口に近いバッフルのねじれ角度より大きくする。こうすることで二相混合物の速度は同伴固体または液体の輸送速度より大きく維持されるため、相分離は回避される。液体が蒸発するにつれ、あるいは固体が燃焼するにつれ、より低いねじれ角度を使用できる。別の実施形態ではねじれ角度が胴の縦方向距離に沿って漸進的に減少する。もうひとつの例として、熱交換器内で凝縮される蒸気を含む入口フィードの場合は、胴側入口に近いバッフルのねじれ角度を胴側出口に近いバッフルのねじれ角度より小さくすることで、凝縮運転中の混合物の速度は上がる。

図２を参照すると、ここで開示する実施形態によるねじれ角度が異なるバッフルを有する垂直複合フィード／エフルエント熱交換器の概略図が図示されている。熱交換器３０は、流体入口３４を有する管側入口マニホールド３２を含む。管側入口マニホールド３２には通気口３６も配置されている。熱交換器３０はまた、流体出口４０を有する管側出口マニホールド３８を含む。管側の入口マニホールド３２および出口マニホールド３８間に複数の管４２が延在することで、入口マニホールド３２から管４２を通じて出口マニホールド３８にかけて流体を運ぶことができる。図２は４つの管の使用を図示するものだが、管をいくつでも使用できることは理解されよう。

胴４４は管４２を取り囲みながら入口および出口マニホールド３２、３８間に延在し、胴側流体入口４６と胴側流体出口４８とを含む。胴４４の中には複数のバッフル５０が配置されている。バッフル５０は、たとえば参照により本願に全文を援用する米国特許第５，８３２，９９１、６，５１３，５８３、および６，８２７，１３８号に記載された螺旋バッフルを含む。バッフル５０の中に管４２を通し、且つバッフル５０により管４２を整列された所望位置に保持するため、バッフル５０は管穴（図示せず）を含む。バッフル５０は、胴を通じて胴側流体を螺旋流パターンとなるよう誘導する働きをする。

熱交換器３０の中では、胴側入口４６に近いバッフル５０が胴側出口４８に近いバッフル５０と異なるねじれ角度を有するようバッフル５０が配置される。バッフルのねじれ角度は、たとえば螺旋を解き、螺旋パターンの二次元表現を形成することにより決定することができる。図２に図示されているように、バッフル５０ａの場合はピッチｐ（３６０°延在するバッフル弧によって横断される縦方向距離）で割った胴円周Ｃのアークタンジェントとしてねじれ角度が決定される。ピッチは次式に等しく、

βはねじれ角度である。したがってねじれ角度βはａｒｃｔａｎ（ｐ／Ｃ）に等しい。
図示されているように、熱交換器３０には垂直に向く螺旋バッフル５０が装備されている。胴側入口４６に近いバッフル５０はねじれ角度αを有する。胴側出口４８に近いバッフル５０は、胴４４の縦軸Ａ−Ａに対しねじれ角度βを有する。たとえば、蒸発する二相胴側フィードストリームが胴側入口４６経由で入る場合は、入口４６に近いバッフル５０を低ねじれ角度αで配置する。つまり、ねじれ角度βを有する胴側出口４８に近いバッフルより軸Ａ−Ａに対し垂直に近づけて配置する。ここでは胴側流体の蒸発、燃焼、および／または加熱のため熱交換が高胴側体積流量で気体／気体となることが見込まれる。この場合は、低ねじれ角度αにより二相入口流は螺旋経路において相分離を回避するにあたって十分な速度で渦巻く。胴側流体は出口４８近くで気体／気体であるため、ねじれ角度αより大きいねじれ角度βを使用することで、胴４４の全長に沿って角度αを使用する場合より圧力損失は低くなる。

一部の実施形態では、胴側流体入口４６および出口４８の中間にあるバッフルが、ねじれ角度α、βの中間にあたるねじれ角度γを有する。たとえばバッフル５０のねじれ角度は作業のタイプ（凝縮、蒸発等）に応じて入口４６から出口４８にかけて漸進的に増加または減少する。別の実施形態ではバッフル５０のねじれ角度が１つ以上の段階的変化を経る。

上述したように、ここで開示する実施形態によるねじれ角度が異なるバッフルを有する熱交換器は、二相流体流が見込まれる場合に有用である。二相流が見込まれるところでねじれ角度を低くすることで気相速度は高くなり、胴側相分離は回避される。入口および出口に近いバッフルのねじれ角度には、２つの相の相対密度、固体および／または液体の粒子または小滴サイズ（粒子または小滴の輸送速度に関係）、典型的供給率、部分負荷またはターンダウン供給率、胴側流体の温度上昇、ならびに当業者にとって公知の他の変数が関係する。

ここで開示する垂直複合フィード／エフルエント熱交換器には、約５°から４５°範囲内の概算ねじれ角度を有するバッフルを使用できる。ここで開示する実施形態によると、バッフル角度α、β、およびγ（存在する場合）を任意に組み合わせて使用し、適切なねじれ角度をなすことができる。

たとえば一部の実施形態でねじれ角度αは約５°から約４５°範囲内であり、別の実施形態では約５°から約３５°範囲内であり、さらに別の実施形態では約５°から約２５°である。

別の実施形態でバッフル角度βは１５°から約４５°範囲内であり、別の実施形態では約２５°から約４５°範囲内であり、さらに別の実施形態では約３５°から約４５°である。

ここで開示する実施形態による熱交換器は、２相以上を有する胴側流体に有利に役立てることができる。有利なことに、ここで開示する実施形態による熱交換器は、たとえば二相流が見込まれるところでバッフルのねじれ角度を小さくすることで、胴内を通過する流体の相分離を最小限に抑えるか回避する胴側流体流速を提供する。加えて、単相流が見込まれるところでねじれ角度を大きくすると、胴全体を通じて一定のねじれ角度が使われる場合より圧力損失は低くなり有利である。したがって、ねじれ角度が一定のバッフルを有する従来の熱交換器に比べ、ここで開示する実施形態による熱交換器は大幅に低いスループットレベルでも二相流体流を保ち、幅広いスループットレンジを可能にし有利である。

本開示に含まれる実施形態には数に限りがあるが、本開示の恩恵を受ける当業者なら、本開示の範囲から逸脱しない別の実施形態を考案できることを理解するであろう。したがって、範囲は専ら添付の請求項によって制限される。

Claims (20)

1. 熱交換器であって、
   流体入口と流体出口とを有する胴と、
   胴を通じて流体を螺旋流パターンとなるよう誘導するため胴内に装着される複数のバッフルと、を備え、
   入口に近いバッフルのねじれ角度αは出口に近いバッフルのねじれ角度βと異なる、
   熱交換器。
2. ねじれ角度βはねじれ角度αより小さい、請求項１に記載の熱交換器。
3. ねじれ角度αはねじれ角度βより小さい、請求項１に記載の熱交換器。
4. 複数のバッフルのねじれ角度は流体入口から流体出口にかけて減少する、請求項１に記載の熱交換器。
5. 複数のバッフルのねじれ角度は流体入口から流体出口にかけて増加する、請求項１に記載の熱交換器。
6. 入口に近いバッフルと出口に近いバッフルとの中間にあるバッフルは、ねじれ角度αおよびβの中間にあたるねじれ角度γを有する、請求項１に記載の熱交換器。
7. ねじれ角度αはねじれ角度βより小さく、ねじれ角度αは約５°から約３５°の範囲内にあり、ねじれ角度βは約１５°から約４５°の範囲内にある、請求項１に記載の熱交換器。
8. ねじれ角度αは約５°から約２５°の範囲内にある、請求項７に記載の熱交換器。
9. シェル・アンド・チューブ熱交換器であって、
   第１の流体入口を有する管側入口マニホールドと、
   第１の流体出口を有する管側出口マニホールドと、
   マニホールド間に延在し、且つこれと流体連通する、複数の管と、
   マニホールド間に延在し、且つ前記管を取り囲み、第２の流体入口と第２の流体出口とを有する、胴と、
   胴を通じて第２の流体を螺旋流パターンとなるよう誘導するため胴内に装着される複数のバッフルと、を備え、
   第２の流体入口に近いバッフルのねじれ角度αは第２の流体出口に近いバッフルのねじれ角度βと異なる、
   熱交換器。
10. ねじれ角度βはねじれ角度αより小さい、請求項９に記載の熱交換器。
11. ねじれ角度αはねじれ角度βより小さい、請求項９に記載の熱交換器。
12. 複数のバッフルのねじれ角度は流体入口から流体出口にかけて減少する、請求項９に記載の熱交換器。
13. 複数のバッフルのねじれ角度は流体入口から流体出口にかけて増加する、請求項９に記載の熱交換器。
14. 入口に近いバッフルと出口に近いバッフルとの中間にあるバッフルは、ねじれ角度αおよびβの中間にあたるねじれ角度γを有する、請求項９に記載の熱交換器。
15. ねじれ角度αはねじれ角度βより小さく、ねじれ角度αは約５°から約３５°の範囲内にあり、ねじれ角度βは約１５°から約４５°の範囲内にある、請求項９に記載の熱交換器。
16. ねじれ角度αは約５°から約２５°の範囲内にある、請求項１５に記載の熱交換器。
17. 混相流体により熱を交換するプロセスであって、該プロセスは、
    流体入口と流体出口とを有する胴と、
    胴を通じて流体を螺旋流パターンとなるよう誘導するため胴内に装着される複数のバッフルと、を備える
    熱交換器へ、蒸気と、同伴液体および同伴固体のうち少なくとも一方と、を備える混相流体を、供給することと、
    混相流体を実質的に全て蒸気に変換することと、
    混相流体と熱交換媒体とで間接的に熱を交換することと、を含み、
    入口に近いバッフルのねじれ角度αは同伴液体または固体の終端速度より大きい混相流体の速度を維持し、
    出口に近いバッフルのねじれ角度βは入口に近いバッフルのねじれ角度αより大きい、
    プロセス。
18. 変換することは同伴液体を蒸発させることを含む、請求項１７に記載のプロセス。
19. 変換することは同伴固体を燃焼させることを含む、請求項１７に記載のプロセス。
20. ねじれ角度αは約５°から約３５°の範囲内にあり、ねじれ角度βは約１５°から約４５°の範囲内にある、請求項１７に記載のプロセス。

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