JP2012517338A - 反応器の構造充填物 - Google Patents

Abstract

反応器のための構造充填物が金属シートから形成されて、反応器の壁部付近における熱伝達および物質移動を促進する。構造充填物は、少なくとも一つの反応器壁部でのジェット衝突が促進されるように、充填物の中を流れる流体の側方流動を発生させる。充填物は、触媒反応器または熱交換器など、円筒形、環形、またはプレート型の反応器に使用される。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２００９年２月９日に出願された米国仮特許出願第６１／２０７，１７０号の優先権を主張する。前記出願の開示内容は、全体として、ここに援用される。

本発明は、反応器の構造充填物に関連する。充填物は、触媒反応器または熱交換器などの円筒形、環形、またはプレート型の反応器で使用される。

化学反応器および熱交換器などの反応器は、熱伝達、物質移動、および／または化学反応速度を促進するのに広く使用される。化学反応器などの反応器の場合には、（吸熱反応などのため）熱を反応器に伝達する、または（発熱反応などのため）熱を反応器から伝達する必要のあることが多い。大量生産での慣行では、規模の経済性を達成するため、直径の大きな反応器を使用することが望ましい。反応器内容物と周囲との間の熱の伝達を促進するには、反応器内の熱伝達率が高いことが望ましい。反応器の外径部付近では、反応器内の高い熱伝達率が特に望ましく、この場合、径方向熱流束のための表面積の内部容積に対する比は最小であり、径方向に伝達される熱の量は反応器の熱源内部の容積に比例する。流体と反応器壁部との間の摩擦により、高い熱伝達率が最も望ましい反応器壁部付近で、比較的低い速度、したがって比較的低い熱伝達率となることが多い。

固定床、不均一、および触媒反応器では、反応器壁部への熱伝達が吸熱反応の反応速度を制限するか、反応器からの熱伝達が発熱反応の制御または安全動作を制限する。概して、反応器の内壁部の数を制限することで、熱が径方向に伝わらなければならない低速および低熱伝達率の境界層の数を最少にすることが望ましい。触媒反応器の表面積が増えると、触媒が効果的に分散される部位をより多く設けることにより、反応が加速する機会が多くなる。特に、触媒反応器の壁部付近の幾何学的表面エリアが増えると、熱が反応器に出入する短い距離において、発熱反応を実施するための有効熱量と吸熱反応のためのヒートシンクとがそれぞれ増加する。

ランダムに充填された触媒床において可能である薄い壁部を含むことで、ランダム充填床で達成されるものと匹敵する、またはこれより軽い圧力低下で広い幾何学的表面積を含むようにして、金属基板で構成される加工充填物が構築されることが知られている。反応器壁部の付近で望ましい高さの熱伝達率を提供するように加工充填物が設計されることも知られている。

特許文献１、特許文献２、特許文献３は、反応器壁部の付近で特異的に良好な熱伝達または幾何学的表面積を設けるのではなく、所望の軽い圧力低下で反応器の容積全体で幾何学的表面積および熱伝達を均一に向上させるための多様な設計の加工充填物に関する。

特許文献４は、第１壁部と第２壁部の方へそれぞれ流体を誘導して反応器を通過する流体の乱流を誘発する交互性柱状体の通路を設ける環形体または二つの壁部の間での使用に適した加工充填物を開示している。このような充填物は、所望の軽い圧力低下で反応器壁部の付近に望ましい熱伝達および幾何学的表面積をもたらすが、製造が困難であるという短所も有する。

特許文献５は、ディーゼルエンジン排気ガスから煤煙粒子を除去するためのフィルタボデーに関する。隣接のフィルタシートに流体を流すように設計された開示の構造は、流体を壁部に衝突させてこれから偏向させ、所望の熱伝達をもたらすのには適していない。

特許文献６は、反応器軸の付近のコア構造と、コアと反応器壁部との間の筐体構造とを含む非環形反応器を開示している。

米国特許第４，８８２，１３０号明細書 米国特許第４，７１９，０９０号明細書 米国特許第４，３４０，５０１号明細書 米国特許第４，９８５，２３０号明細書 米国特許出願公開第２００４／００１３５８０号明細書 国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００５／４２４２５号明細書

圧力低下を著しく助長することなく固定床不均一触媒反応器などの反応器の特に反応器壁部付近における幾何学的表面積および／または熱伝達率を上昇させる反応器の構造充填物を提供することが、本発明の目的である。

圧力低下を著しく助長することなく熱交換器の熱伝達率を上昇させる熱交換器の構造充填物を提供することが、本発明の別の目的である。

本発明の以上の目的および他の目的は、以下に記載される発明の詳細から明らかになるだろう。

本発明の構造充填物は、シートを切断してから反応器の壁部に流体を交互に衝突させて戻すため反応器軸に対して反対の斜配向で配置された翼部を含む交互性柱状体を包含する構造にシートを折り曲げることにより、容易に準備される。柱状体は、実質的に直線状の分離壁部によって相互に分離されている。同じシートから折り曲げられた翼部は、同じシートから折り曲げられたウェブにより、辺に沿って分離壁部に結合される。好ましくはシートが金属箔であって、順送りの曲げブランクダイにより構造が形成されることが好ましい。

本発明の構造充填物は、環形反応器の環形体において円筒形の反応器チューブまたは筐体の内径部の付近、またはプレート型熱交換器の２枚の平坦壁の間など、別の反応器形状の２枚の壁部の間に設けられる。すべての場合で、本発明の構造充填物は流体を反応器壁部に衝突させることにより、この壁における熱伝達を上昇させる。

本発明の構造充填物の横断面図である。 求心性翼部を示す本発明の構造充填物の長手方向かつ径方向断面図（図１ＡのＢＢ断面に対応）である。 求心性翼部を示す本発明の構造充填物の長手方向かつ径方向断面図（図１ＡのＡＡ断面に対応）である。 本発明の構造充填物に形成されるシートの平面図である。 本発明の構造充填物に形成されるシートのより詳細な図である。 本発明の構造充填物の斜視図である。

本発明の構造充填物は、入口と出口と少なくとも一つの壁部とを有する反応器に利用され、
（ａ）前後に折り曲げられることで、分離壁部により相互に分離される交互性の第１および第２柱状体の列を形成するシートと、
（ｂ）第１翼部の少なくとも一部が反応器壁部に対する斜角で傾斜して第２翼部の少なくとも一部が反応器壁部に対する反対の斜角で傾斜するように、第１および第２柱状体にそれぞれ設けられた第１および第２方向翼部と、
（ｃ）第１および第２翼部の少なくとも一部の少なくとも一つの側辺に沿って、第１および第２翼部の少なくとも一部を分離壁部に接続するウェブと、
（ｄ）入口から前記出口まで延在する、分離壁部と前記反応器壁部との間の多数の間隙と、
を包含する。

本発明の構造充填物は、金属シートまたは箔である単一のシートから形成されることが好ましい。上の段落（ｂ）で言及された反対の斜角は、すべて同じか異なる大きさでよい。上の段落（ｄ）で言及された間隙は不連続であることが好ましい。

一般的に、本発明の構造充填物を含む反応器は円筒形を有し、内側および外側の同心壁部とその間の環形体とを含む。本発明の構造充填物は、第１および第２翼部をそれぞれ備える交互性の第１および第２柱状体の列を包含して、列が環形体に配置されることが好ましい。環形体と充填物とに配置されるプレートが、第１および第２翼部をそれぞれ備える交互性の第１および第２柱状体の列を好ましくは包含して、列が環形体に配置されることも好ましい。

上述したように、反応器は化学反応器、例えば触媒反応器であっても、熱交換器であってもよい。触媒反応器の場合、シートの表面の少なくとも一部分に触媒が存在することが好ましい。

図１Ａを参照すると、反応器１は、円筒形壁部２と、壁部１の中に位置する陰影エリアとして描かれた構造充填物３とを有する。充填物３の外径部４は壁部１の内径部に対応する。充填物３は内径部５を有し、（陰影ドットエリアとして描かれた）長手方向柱状体６と（陰影斜線エリアとして描かれた）長手方向柱状体７とに分割される。柱状体６および７は交互して、径方向壁部８により相互から分離されている。反応器１の軸方向長さに沿って径方向壁部８と反応器壁部２との間に配置された断続的間隙（不図示）を反応器１は有する。反応器１の長さに沿って流れる流体は、柱状体６の中では遠心方向に、柱状体７の中を流れる間は求心方向に誘導される。

図１Ｂ（図１ＡのＢ‐Ｂ断面における反応器１の長手方向断面図）を参照すると、柱状体６は外径部４から内径部５まで延在している。柱状体６の外径部４は、反応器壁部２を境界とする。柱状体６の軸方向長さは翼部９を含む。翼部９は、反応器１の上部から底部へ流体が流れる際に流体を遠心状に誘導する通路１０を形成する。

図１Ｃ（図１ＡのＡ‐Ａ断面における反応器１の長手方向断面図）を参照すると、求心性柱状体７は、その外径部４から内径部５まで延在する。柱状体７の外径部４は、反応器壁部２を境界とする。柱状体７の軸方向長さは翼部１１を含む。翼部１１は、反応器１の上部から底部まで流体が通過する際に流体を求心状に誘導する通路１２を形成する。

図２を参照すると、求心状翼部を形成する反復形状３０で構成される柱状体２１と、遠心状翼部を形成する反復形状４０で構成される柱状体２２とを切断して折り曲げることにより、シート２０が本発明の構造充填物に形成される。シート２０は延性の剛性材料を包含し、金属箔であることが好ましい。

図３を参照すると、図２の柱状体２１からの形状３０と図２の柱状体２２からの形状４０とが、より詳細に示されている。形状３０では、翼部と、翼部をその形成材料であるシートに接続する二つの側方ウェブとがシート２０から形成される。実線は、シートが切断される箇所を示す。点線は、シートの約９０°の曲げ部を示す。鎖線は、シートの約１８０°の曲げ部を示す。

ライン３１，３２，３３に沿ってシート２０が切断され、水平ライン３３は、図示された形状３０に類似している下の隣接形状（不図示）の水平ライン３２に対応する。シートは、ライン３４に沿って紙面と反対に約９０°折り曲げられ、ライン３５に沿って紙面の方へ約１８０°折り曲げられる。こうして形成された翼部９は、ライン３２，３３，３４を境界とする本質的平坦面で構成される。翼部９は、翼部の２辺に沿ってウェブ３７によりシートの残部に接着される。ウェブ３７は、ライン３１，３４，３５を境界とする。環形または円形の充填物については、図のように翼部９は底部よりも上部で幅が広くなっていることが好ましい。翼部９は、反応器１の上部から底部まで流体が流れるようにするための求心状通路を形成する翼部である。二つの平行な平坦壁部の間の充填物については、翼部９は上部と底部とで同じ幅を有することが好ましい。

シート２０はライン４１，４２，４３に沿って切断され、水平ライン４３は、図示された形状４０と類似する下の隣接形状（不図示）の水平ライン４２に対応する。シート２０はライン４４に沿って紙面の方へ約９０°折り曲げられ、ライン４５に沿って紙面と反対に約１８０°折り曲げられる。こうして形成された翼部１１は、ライン４２，４３，４４を境界とする本質的に平坦な表面で構成される。翼部１１は、翼部の２辺に沿ってウェブ４７によりシートの残部に接着される。ウェブ４７は、ライン４１，４４，４５を境界とする。環形または円形の充填物については、翼部１１は図のように底部よりも上部で幅が狭くなっていることが好ましく、翼部１１は、反応器１の上部から底部まで流れる流体の遠心状通路を形成する。二つの平行な平坦プレートの間に配置される充填物については、翼部４７は上部と底部で同じ幅を有することが好ましい。

図２および３を参照すると、シート２０の下方エッジ２３の上に、柱状体２１の底部形状３０の一部のみが配置されていることが分かる。柱状体２１の底部形状３０の切断エッジ３１，３２により、空隙、つまりこのような底部形状の充填物が存在しない部分が生じる。同様に、シート２０の上方エッジ２４の下に、柱状体２２の上部形状４０の一部のみが配置されていることが分かる。したがって、上方形状４０は上部エッジ２４により先が切り取られた形となる。

上述のように形成されたシートは横方向長さに切断され、リングまたは環形に折り曲げられるか、さもなければ一つか二つの反応器の壁部付近に挿入される。リングの両端部は溶接や接着により、または両端部の連結により結合される。

図４を参照すると、図４は、円筒形または環形の反応器のための本発明の構造充填物の切除斜視図であって、上述した図に対応する図４のすべての部材には、上述した図に記載されたものと同じ数字が付けられている。

図４には、反応器壁部は示されていない。充填物の交互性分離壁部８は、相互に異なる陰影度でそれぞれ図示されている。翼部とウェブには陰影が付けられていないことに注意すること。充填物３は、箇所４が外径部となり、箇所５が内径部となる。ウェブ３７により分離壁部に接着された遠心状翼部９は、充填物の遠心状柱状体となる。ウェブ３７により分離壁部に接着された求心状翼部１１は、充填物の求心状柱状体となる。遠心状および求心状の柱状体は筐体の周囲で交互しており、好ましくは反応器入口から反応器出口まで反応器１の全長に延在する。

代替実施形態において、本発明の多数の構造充填物は、熱源とヒートシンクとの間で単一の反応器内に連続的に配置される。例えば、環形または円形の反応器において、二つ以上の構造充填物ユニットが同心状に相互に隣接して設けられるとよい。二つのプレート状反応器壁部の間、または異なる形状の二つの反応器壁部の間で、二つ以上の構造充填物ユニットが相互に隣接して平行に設けられてもよい。

前出の実施形態は、本発明の実例である。しかし、発明の趣旨または以下の請求項の範囲を逸脱せずに、当該技術の当業者に周知であるかここに開示されるもの以外の手段が採用されてもよいことを理解すべきである。

１ 反応器
２ 円筒形壁部
３ 構造充填物
４ 外径部
５ 内径部
６，７ 長手方向柱状体
８ 径方向壁部
９ 翼部
１０ 通路
１１ 翼部
１２ 通路
２０ シート
２１，２２ 柱状体
２３ 下方エッジ
２４ 上部エッジ
３０ 反復形状
３１，３２，３３，３４，３５ ライン
３７ ウェブ
４０ 反復形状
４１，４２，４３，４４，４５ ライン
４７ ウェブ

Claims (12)

1. 入口と出口と少なくとも一つの壁部とを有する反応器のための構造充填物であって、
   （ａ）前後に折り曲げられることで、分離壁部により相互に分離された交互性の第１および第２柱状体の列を形成するシートと、
   （ｂ）第１翼部の少なくとも一部が前記反応器壁部に対して斜角で傾斜して第２翼部の少なくとも一部が前記反応器壁部に対して反対の斜角で傾斜するように、前記第１および第２柱状体の各々に設けられた第１および第２方向翼部と、
   （ｃ）前記第１および第２翼部の少なくとも一部の少なくとも一つの側辺に沿って前記第１および第２翼部の前記少なくとも一部を前記分離壁部に接続するウェブと、
   （ｄ）前記入口から前記出口まで延在する、前記分離壁部と前記反応器壁部との間の多数の間隙と、
   を備える構造充填物。
2. 前記充填物が単一のシートから形成される、請求項１の構造充填物。
3. 前記シートが金属シートまたは箔を備える、請求項１の構造充填物。
4. 前記反対の斜角がすべて同じ大きさである、請求項１の構造充填物。
5. 前記反対の斜角がすべて異なる大きさである、請求項１の構造充填物。
6. 前記間隙が不連続である、請求項１の構造充填物。
7. 前記反応器が円筒形であって、内側および外側の同心壁部と、その間の環形体とを備える、請求項１の構造充填物。
8. 各々の前記第１および第２翼部を備える交互性の第１および第２柱状体の列を前記充填物が包含し、前記列が前記環形体に配置される、請求項７の構造充填物。
9. 前記環形体にプレートが配置され、各々の前記第１および第２翼部を備える交互性の第１および第２柱状体の列を前記充填物が包含し、前記列が前記環形体に配置される、請求項７の構造充填物。
10. 前記シートの少なくとも一部分に触媒が存在する、請求項１の構造充填物。
11. 前記反応器が触媒反応器を備える、請求項１の構造充填物。
12. 前記反応器が熱交換器を備える、請求項１の構造充填物。
    

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