JP2014504199A - 交液流デバイス用のインサイチュでの蒸発器および復熱器 - Google Patents

Abstract

本発明は、液体のフィードストリームを気体の蒸気ストリームに変換するための装置に関し、かかる装置は、（ａ）第１端部および第２端部を有するチャネル手段であって、前記チャネル手段は、前記第１端部と前記第２端部とを接続する複数のチャネルを有し、前記チャネル手段は、実質的に中実の領域と空隙の領域とを有する、チャネル手段と；（ｂ）前記液体のフィードストリームを前記複数のチャネルの前記第１端部に方向付けるための入口手段と；（ｃ）前記複数のチャネルからの前記気体蒸気ストリームを方向付けるための出口手段と；を備え、前記チャネルは、前記入口と前記出口との間の任意の距離ｄにおいて、前記フィード流れの方向に対して垂直な、（１）空隙の面積Ａ’（ｘ）と（２）チャネルの総断面積Ａ（ｘ）とによって特徴付けられる幾何学的な構成を有し、前記総面積Ａ（ｘ）の割合として前記空隙面積Ａ’（ｘ）は、φ_ｘ＝距離ｄにおける空隙率＝Ａ’（ｘ）／Ａ（ｘ）であり、装置の長さＬに沿う平均空隙率は、φ_ａ＝平均空隙率（Ｉ）であり、前記平均空隙率は、約０．３〜約０．９５の範囲である。

Description

（発明の分野）
本発明は、運搬用車両にオンボードで配置することが可能な交液流システム（又はオルタネイティングフローシステム）のためのインサイチュ（又は系中）での蒸発器（又はベーパライザ）および熱回収装置に関する。

（発明の背景）
水蒸気改質を含む多くの工業プロセスでは、化学的な変換（又はコンバージョン）に先立って、液体のフィードストリーム（又は供給物の流れ）（ガソリンもしくは他の液体の炭化水素類、または水等）から蒸気のストリームへの変換（又はコンバージョン）が必要な場合が多い。従来の蒸発器およびボイラでは、非常に大きい熱質量（又はサーマルマス）が求められ、一般には、変動する圧力および温度の変化により過渡運転における働き（又はパフォーマンス）が悪い。移動式の用途（又は適用）については、広い動作ダイナミックレンジ（ターンダウンとして知られるもの）にわたって動作するための過渡的な要件により、蒸気ストリームの取り扱いは困難になり、燃料と酸化剤との間の等量比の制御についての課題を提供する。多くの用途では、この蒸発および混合のプロセスは、精密なマスフローの制御で行われ、広いダイナミックレンジにわたって動作し、かつ熱伝達損失を最小化するために反応器容積内においてインサイチュにあり、圧力降下の損失が小さくなり、そして、このプロセス流体ストリームによる腐食に対して耐性であることが求められる。このため、精密なマスフローの制御を提供し、広い温度および圧力のダイナミックレンジにわたって動作し、熱伝達損失を最小化することが可能であり、圧力降下の損失を小さくし、そして、このプロセス流体ストリームによる腐食に対して耐性を有し得るというニーズが、当該技術の分野において存在する。

本発明は、装置を通る流れが液体蒸発モードと再加熱モードとの間で交互に切り替える交液流反応器システムに特に適した、新規なインサイチュ（in-situ）での蒸発器および熱回収装置を説明するものである。好適な実施形態において、この装置は、例えば、特許文献１に記載のような圧力スイング改質器（「ＰＳＲ」）システムの一部である。この装置により、例えば、運搬用車両において配置され得るコンパクトな合成ガス生成システムの設計が可能となる。

米国特許第７，４９１，２５０号明細書

発明者らは、上記の利点を達成するために装置に要求されるかかるインサイチュでの蒸発器および熱回収装置（又はデバイス）の特定の設計基準を見出した。これらの特徴は、装置（又はデバイス）のサイズおよび重量を最小化する形状（又はジオメトリ）、熱容量（又はヒートキャパシティ）および熱伝達（又はヒートトランスファ）、流れチャネル寸法（又はフローチャネルディメンジョン）、ならびに空隙率（又はボイドフラクション）および空隙率勾配（又はボイドフラクショングラジエント）についての仕様を含む。これらの設計基準の独自の組み合わせにより、上で言及した特許において教示されているような圧力スイング改質（又は圧力スイングリフォーミング）への適用において実証されるような高効率の蒸発器（又はベーパライザ）／復熱器（又はレキュペレータ）が製造される。

（発明の要旨）
本発明は、液体のフィードストリームを気体の蒸気ストリームに変換（又はコンバージョン）するための装置（又はデバイス）に関し、当該装置は、
（ａ）第１端部および第２端部を有するチャネル手段であって、前記チャネル手段は、前記第１端部と前記第２端部とを接続する複数のチャネルを有し、前記チャネル手段は、実質的に中実（又は固体もしくはソリッド）の領域と空隙（又はボイド）の領域とを有する、チャネル手段と、
（ｂ）前記液体のフィードストリームを前記複数のチャネルの前記第１端部に方向付ける（又は向かわせる）ための入口手段と、
（ｃ）前記複数のチャネルからの前記気体の蒸気ストリームを方向付ける（又は向かわせる）ための出口手段と
を備え、
前記チャネルは、前記入口と前記出口との間の任意の距離ｘにおいて、前記フィード流れの方向に対して垂直な（又は垂直方向の）、（１）空隙の面積Ａ’（ｘ）と（２）総断面積Ａ（ｘ）とによって特徴付けられる幾何学的な構成（又は配置、形状もしくはコンフィギュレーション）を有し、
前記総面積Ａ（ｘ）の割合（又はフラクション）として前記空隙面積Ａ’（ｘ）は、

であり、
装置の長さＬに沿う平均空隙率（又は平均ボイドフラクション）は、

であり、
前記平均空隙率は、約０．３〜約０．９５の範囲である。

一つの実施形態において、前記空隙率は、当該装置の長さに沿って、変化する。

別の実施形態において、当該装置の全長にわたって算出される空隙体積の平均的な変化は、約０．０１〜約０．５の範囲である。

本発明のさらに別の実施形態において、当該装置は、逐次的な一定の空隙の体積の領域を有し、かかる領域は、当該装置の長さに沿って変化する。

本発明の実施形態の概略図である。

（発明の詳細な説明）
本発明は、供給される液体のストリーム（単数または複数）を気体の蒸気ストリームに変換するための装置に関する。より詳細には、本発明は、液体の炭化水素および任意選択により水の混合物が、炭化水素蒸気および任意選択により水蒸気の混合物に変換される循環プロセスにおいて動作する装置（又はデバイス）に関する。１つの特定の用途（又は適用）は、圧力スイング水蒸気改質プロセスにおいて用いるための液体炭化水素および水のストリームの蒸発のためのものである。

当該装置は、２段階の循環プロセスを通じて連続的に動作するために設計されている。第１の段階は、蒸発モードであり、第２の段階は、再加熱モードである。広い動作ダイナミックレンジ、最小の圧力降下、腐食耐性を可能にするとともに移動式の用途のために十分にコンパクトかつ軽量なインサイチュでの蒸発器および熱回収装置をもたらす特定の設計基準または特徴を見出した。これらの特徴は、ジオメトリ、熱容量、および熱伝達能力についての仕様や、流れチャネル寸法、ならびに蒸発器内の空隙率および空隙率の勾配を含む。

本発明の装置は、特徴的なサイズおよび形状の組（又はセット）を含む空隙通路を有する部分的に多孔質の媒体で構成される。装置内の空隙領域は、流体（液体状態または気体状態のいずれかにおける流体）を装置に通過させることが可能な一組の接続経路を形成する。簡略化された概念的な装置の構造（又はジオメトリ）を図１に例示する。空隙率（又はボイドフラクション）、または多孔度（又はフラクショナルポロシティ）とは、空間における所定の位置における装置の体積の開放率（又はオープンフラクション）である。流体は、装置のいずれかの端部から進入することができ、反対側の端部から退出してもよい。装置の第１の目的は、供給される液体のストリームを蒸気にまで蒸発させることである。図１に示すように、蒸発させる液体ストリームが装置（１１）に進入する表面を、本明細書では（１０）として識別される入口表面として定義する。蒸発したストリームが退出する表面を、出口表面（１２）として定義する。装置の再加熱段階において、高温の再加熱ストリームは、入口表面または出口表面のいずれかを通じて進入してもよく、対応する反対側の端部から退出してもよい。図１に示す概略図において、この再加熱ストリームは、蒸発流（又はベーパライゼーションフロー）（１６）に対する向流（又はカウンターフロー）として流れることが示されている。再加熱ストリーム（１４）は、図１において、出口表面（１２）から進入するストリームとして、および入口表面（１０）から退出するストリーム（１５）として示されている。図１において、この装置は、一定の断面積を有する円筒状の装置として示されている。実際、この装置の断面形状は、円筒状に限定されず、矩形、正方形、三角形、またはその他であってもよい。また、断面積は、軸方向位置の関数として変化してもよい。

一般的に言って、この装置の動作には２つの期間または段階が存在し、これらにより、本発明の設計上の特徴が制約される。時間ｔ_ｖａｐの間に動作する第１の期間において、液体もしくは液体の混合物、または液体含有ストリーム（１６）が、所定の液体の体積流量Ｑ_ｌｉｑで入口（１０）から装置に進入する。この液体の流れ（又はフロー）は、その成分の密度および分子量が既知の通常の気体の体積流量Ｑ_ｖａｐに対して特徴付けることが可能な気相のストリームにまで蒸発される。この液相は、代替として、液滴噴霧を形成する予め霧化された液体のストリームで供給してもよい。液体または液体噴霧は、進入し、（１１）内の予め加熱された表面に衝突し、液相から蒸気相に変化し、かかる蒸気相は、蒸発したストリーム（１７）として装置から退出する。他の実施形態においては、液体ストリーム（１６）の蒸気として、あるいは希釈剤としての気体ストリームが、装置に対して液体ストリーム（１６）とともに進入してもよく、そして、蒸発したストリーム（１７）とともに退出してもよい。蒸発期間中に装置に進入する前に既に気体であるいずれの物質も、Ｑ_ｌｉｑまたはＱ_ｖａｐの一部とは考えられないが、これは、露点の算出においては考慮されなければならない。恐らくは遅延期間ｔ_ｄの後に始まる、装置の動作の第２の期間において、加熱されたストリーム（１４）が、体積流量Ｑ_{ｒｅｇｅｎ}で、期間ｔ_{ｒｅｇｅｎ}の間、装置を通過し、装置の一端部から進入し、冷却されたストリーム（１５）としてその反対側の端部から退出する。これが再加熱または再生ステップ（又はリジェネレーションステップ）である。図１の例において、このストリームは、装置（１１）に対して出口端部（１２）から進入し、入口端部（１０）から退出する。他の実施形態（図示せず）において、かかるストリームは、装置（１１）に対して、入口端部（１０）から進入してもよく、出口端部（１２）から退出してもよい。

本発明の要素（又はエレメント）は、装置の動作の蒸発期間と再加熱期間との両方が、同じ流れ経路を共有することである。再生流により、当初の温度（一実施形態において、概ね液体フィードの露点の付近）から、既定の動作圧力における液体ストリームの露点よりも高い最終的なより高い温度まで、装置が加熱される。本明細書中でＴ_ＤＥＷとして識別される露点は、蒸気が凝縮し始める温度として当該技術において既知であり、これは、ストリームの組成および圧力に依存する。流れは、吸熱性の蒸発相（中実材料（又は中実物質）から流体相へのエネルギー伝達）と発熱性の再生熱伝達相（流体流から中実材料へのエネルギー伝達）とが交互に行われるように、周期的に変化する。装置の当初の温度および最終的な温度は、流れの条件（流量および流速等）、装置のサイズおよび設計などの幾何学的な考慮事項、ならびに流体と装置との両方の熱物性の組み合わせから決定される。

本発明は、蒸発器を通じた流れを伝導する幾何学的なチャネルについての仕様を提供する。かかるチャネルは、中実壁により隔てられた開放（又はオープン）または「空隙（ボイド）」の空間として定義される。本発明のいくつかの実施形態において、かかる壁自体は、いくらかの多孔性、典型的には０．１ｍｍを十分に下回る孔径を有してもよい。かかる多孔性は、本発明の仕様において用いられる「空隙」とは見なされず、中実壁の見掛け密度の低下として見なされるのみである。

本発明の装置の幾何学的な特徴は、空隙率（又はボイドフラクション）の大きさ、空隙率の空間的な変化、ならびに空隙率を構成する小チャネルフィーチャのサイズおよび形状に関する。図１に示す単一の仮想上の空間的な平面（１９）によると、局所的な空隙率は、次式により定義される。

式中、φ_ｘは、下付き文字ｘにより示される所定の空間的な場所における空隙率であり、この平面における装置の総断面積はＡ（ｘ）であり、そして、この平面における中実材料を含まない「開放（オープン）」または「空隙（ボイド）の面積」はＡ’（ｘ）により与えられる。本発明の目的のために、入口表面（１０）から出口表面（１２）への流れ軸が存在するという慣習を採用し、「ｘ」は、この軸に沿った距離である。従って、ｘは、蒸発流（１６）の方向に従い、装置入口（１０）における値がゼロであるとともに装置出口（１２）における値がＬ_{ｔｏｔａｌ}であり、Ｌ_{ｔｏｔａｌ}は、流体流の軸に沿った入口から出口までの装置の長さである。また、平面（１９）がこの流れの軸に対して垂直であるという慣習も採用する。また、かかる平面は、当該技術において「軸平面」として既知である。この装置の特定の長さＬに沿った平均的な多孔性、または平均空隙率は、次式により定義される。

平均的な長さＬが装置の全長Ｌ_{ｔｏｔａｌ}であると考えられる場合、φ_ａは、φ_ａｖｇとして表される装置全体の平均空隙率を表す。装置全体が総体積Ｖ_{ｔｏｔａｌ}（中実＋孔の体積）を占める場合、装置内の全ての開放または空隙の体積は、このとき、Ｖ_ｖｏｉｄ＝φ_ａｖｇＶ_{ｔｏｔａｌ}であり、この装置における中実材料の総体積は、このとき、Ｖ_{ｓｏｌｉｄ}＝（１−φ_ａｖｇ）Ｖ_{ｔｏｔａｌ}＝Ｖ_{ｔｏｔａｌ}−Ｖ_ｖｏｉｄである。

装置の平均空隙率φ_ａは、装置の首尾よい動作に通じるパラメータであることを見出した。本発明の装置についての許容可能な平均空隙率は、０．３〜０．９５の範囲であることを見出した。好ましくは、この装置の平均空隙率は、０．４〜０．７の範囲である。

好適な実施形態において、空隙率は、装置の長さに沿って軸方向に変化する。装置の長さとは、蒸気の流れが主に生じる方向の寸法を意味する。図１において、この寸法または方向は、軸方向であり、本明細書では、寸法または方向「ｘ」で示す。装置の入口表面（１０）における表面空隙率は、好ましくは０．５〜０．９９５であることが見出されている。その位置における最も好適な範囲は、０．６５〜０．９９５の範囲である。装置の出口表面（１２）における空隙率は、０．２〜０．７の範囲であることが好適である。出口における空隙率の最も好適な範囲は、０．３５〜０．６の範囲である。

空隙率が入口表面から出口表面まで軸方向に変化する好適な実施形態について、かかる変化は、空隙率の連続的な変化によって、あるいは逐次（又はシーケンシャル）の連続した一定の空隙率の領域（又は空隙率が一定の領域）によって発生させてもよい。空隙率をどのように変化させても、空隙率の変化は、装置の長さに亘る平均的な変化として特徴付けることが可能である。例えば、入口（１０）から出口（１２）までのφ_ｘ値の組（又はセット）を、当該技術において既知の最小二乗法により解析することで、ｘに対するφ_ｘの最小二乗の線形の傾斜を計算することが可能である。この平均的な変化は、傾斜もしくは勾配（すなわち、長さ当たりの空隙率の変化）として、または平均的な総空隙率変化として表すことが可能であり、後者は、総装置長（Ｌ_{ｔｏｔａｌ}）により乗算された最小二乗の傾斜として計算される。本発明の多くの実施形態において、平均総空隙率変化は、０．０１〜０．５である。好適な平均総空隙率変化は、０．１５〜０．３５である。軸方向において装置にわたって平均化された空隙率の勾配の許容可能な範囲は、直線での長さ１インチ当たり、０．０１〜０．５の空隙率の減少の間で変化することを見出した。平均空隙率勾配の好適な変化は、直線での長さ１インチ当たり、０．１５〜０．３５の空隙率の減少である。また、一連の逐次（又は順次）の一定多孔性領域が利用される実施形態において、好適な領域の数は、１よりも多く２０よりも少ないことを見出した。より好適な領域の数は２〜１０であり、最も好適な数は２〜５である。

空隙体積は、以下でチャネルまたはチャネル領域として示される多数の構造化された小規模の空隙領域で構成される。これらのチャネルは、単純な形状および様々なサイズで作製される。チャネルサイズ空隙領域の断面についての好適な形状は、円形、半円形、環状、周期的な波状壁を有する波形、または矩形のチャネルおよびスロットなどの高度に構造化された規則的な形状である。

この装置の一実施形態は、装置体積を通じてサイズおよび形状がほぼ同一のチャネルジオメトリを有し得る。装置の好適な実施形態は、装置内においてほぼ同一のチャネル形状を有し得、異なる軸方向の位置においてサイズが変化する（すなわち、異なる直径を有する円形チャネルの組（又はセット））。装置のさらに好適な実施形態は、チャネルの形状とサイズとの両方が軸方向に変化し得る。別の言い方をすれば、形状および／またはサイズを変更することで、熱伝達ひいては蒸発に利用可能な表面積を増加させてもよい。

代替の実施形態は、セラミックまたは金属発泡体の材料特性など、数百万もの不規則的なチャネル形状で構成された虫食い穴状（又はワームホール状）のネットワークの無秩序なチャネルを利用する。追加の実施形態は、金属ワイヤの積層（又はスタッキング）または製織（又はウィービング）から作製されるものなど、ワイヤ材料の織り合わされたネットワークにより形成される構造通路を利用する。

装置の空隙領域を構成するチャネルの形状は、一組の空間的な寸法により特徴付けることが可能である。１つの寸法は、水力直径と呼ばれる。単純な閉じた接続された表面で構成されるフローチャネル（すなわち、円筒形、正方形、矩形、三角形、または湾曲したチャネル）について、この水力直径は、ｄ_ｈ＝４Ａ／Ｐとして定義され、式中、Ａは、チャネルの流れを運ぶ空隙の断面積であり、Ｐは、閉じた表面の周囲の周囲長である。単純に接続された形状で構成されない複雑なチャネルの構成（又はコンフィギュレーション）について、チャネル水力直径は、図１に関連して説明される軸平面（１９）について定義することが可能である。いずれの軸平面内においても、ｄ_ｈ’（ｘ）＝４Ａ’（ｘ）／Ｐ’（ｘ）であり、式中、Ａ’（ｘ）は、所定の軸方向の位置における装置の総空隙面積を表し、Ｐ’（ｘ）は、中実領域と空隙領域との間の交差表面の全長である。

装置の特徴的な水平方向のサイズｈ_ｃｈａｒは、総軸方向長に対する装置体積の平方根を取ることにより近似される、すなわち、

である。

また、装置の入口領域内において、特定のチャネル特性が好ましいことを見出した。この入口領域の大きさは、好ましくは、装置長の約５％〜約４０％である。換言すれば、入口領域は、ｘ＝０から（入口表面（１０））から最小でｘ＝０．０５Ｌ_{ｔｏｔａｌ}または最大でｘ＝０．４Ｌ_{ｔｏｔａｌ}まで延在してもよい。好ましくは、入口領域は、装置長の１０％〜３０％である。入口領域内におけるチャネルの配向（又はオリエンテーション）は、好ましくは、入口に入ってくる流れストリームのその平均的な流れ方向に対して垂直な移動が可能であるように調整される。これにより、流れに対して分散混合成分および分配成分が生じ得る。好適な設計は、軸方向における流れとともに、特徴的な水平方向のサイズ（ｈ_ｃｈａｒ）に比例する流れ軸に対して垂直な流れ経路を有する。好適な設計は、入口領域内において、装置の特徴的な水平方向のサイズ（ｈ_ｃｈａｒ）の少なくとも１０％、最大で５０％である流れ軸に対して垂直な連続的な流れ経路を有する。他の好適な設計は、装置の入口領域内におけるすべての軸平面内における長さが少なくともＬ_{ｔｏｔａｌ}の連続的な流れ経路を有する。

装置の入口領域における許容可能な特徴的なチャネル水力直径サイズｄ_ｈ（ｘ）は、０．１〜１０ｍｍの範囲であり、好ましい範囲は０．３〜５ｍｍであり、さらに好ましい範囲は０．７〜２ｍｍであることを見出した。装置の出口における特徴的なチャネルサイズは、０．２〜５ｍｍの範囲であり、好ましい範囲は０．４〜２ｍｍであり、さらに好ましい範囲は０．５〜１．５ｍｍである。

好適な実施形態において、チャネル長に対するチャネル水力直径の比は、０．５〜１０，０００であり、好ましい比は１０〜５０００であり、さらに好ましい比は４０〜２００である。

装置の追加の特徴的なパラメータは、入ってくるストリームの蒸発および復熱器の体積の再加熱に利用可能な内部表面積である。装置内で局所的に測定される単位体積当たりの表面積をＳ_ｖ＝Ｓ／Ｖ、または単位体積当たりの表面積と定義し、式中、Ｓは、既定の総体積Ｖ（空隙＋中実の体積）に含まれる内部表面積である。本発明の一実施形態は、一様な値のＳ_ｖを利用する。本発明の代替の実施形態は、装置の異なる領域を通じて一様でない値のＳ_ｖを用いる。装置についての平均的なＳ_ｖは、単純に、総装置体積で除算された総装置表面積、すなわちＳ_{ｖ，ａｖｇ}＝Ｓ_{ｔｏｔａｌ}／Ｖ_{ｔｏｔａｌ}である。単位体積または装置当たりの内部表面積の許容可能な平均的な範囲は、１０ｉｎ^２／ｉｎ^３〜２０００ｉｎ^２／ｉｎ^３であることを見出した。単位体積当たりの内部表面積の平均的な範囲の好適な値は、２０ｉｎ^２／ｉｎ^３〜１０００ｉｎ^２／ｉｎ^３である。単位体積当たりの内部表面積の平均的な範囲のさらに好適な値は、５０ｉｎ^２／ｉｎ^３〜２５０ｉｎ^２／ｉｎ^３である。

利用可能な熱伝達面積および装置体積は、流体と固体（又は中実物）との間の表面接触のみを表す。装置の中実材料の組成および物性が、装置の首尾よい動作、ならびにその再加熱能力、エネルギー貯蔵、およびエネルギー伝達の点で効率的に動作する装置の能力に役立つことが見出されている。このため、装置を構成する材料（又は物質）の組成は、熱容量の値が少なくとも１００Ｊ／ｋｇ・Ｋであり、好適な値は５００Ｊ／ｋｇよりも大きく、さらに好適な熱容量の値が１０００Ｊ／ｋｇよりも大きいようなものであることを見出した。

装置内における熱管理の観点から、装置の様々な領域の間の熱接触は、最大化されるべきである。材料（又は物質）の熱伝導率の許容可能な値は、少なくとも１０Ｗ／ｍ・Ｋであり、好適な値は５０Ｗ／ｍ・Ｋよりも大きく、さらに好適な値は２００Ｗ／ｍ・Ｋよりも大きいことを見出した。また、装置を構成する材料（又は物質）の組成は、中実材料（又は中実物質）の密度が少なくとも２５００ｋｇ／ｍ^３であるべきであり、好適な値は５０００ｋｇ／ｍ^３よりも大きく、さらに好適な値は７０００ｋｇ／ｍ^３よりも大きいようなものであることを見出した。

装置の具体的な設計は、蒸発プロセスを遂行するために所望される液体注入条件および時期に依存する。特定の期間の間に流れる液体のストリームを蒸発させるために要求されるエネルギー量Ｈは、次式により与えられる。

これらの数式において、

は、液体のマスフローレートであり、λ_ｌｉｑは、質量単位における液体の蒸発の潜熱であり、τ_ｖａｐは、注入の期間であり、Ｑ_ｖａｐは、蒸発した液体の通常の気体の体積流量であり、λ_ｖａｐは、通常の気体体積単位における液体の蒸発の潜熱である。要求されるエネルギー量は、液体供給速度、流体の単位質量（または体積）当たりの蒸発エネルギー、およびプロセスの時間の長さに比例する。ここでは、変換係数を含む、液体に基づく数式と変換された気体に基づく数式との両方が示されている。通常の気体の条件は、当該技術において既知であり、典型的には０℃および１絶対気圧を採用する。

装置の蒸発容量は、その利用可能なエネルギー貯蔵に正比例する。装置の温度は、液体注入ステップの開始時に最高になる。このときの装置の平均温度は、Ｔ_ＤＶＩである。液体が注入され蒸発するにつれ、装置の温度は、最終的な平均温度Ｔ_ＤＶＦまで下降し、かかる温度において、動作サイクルの蒸発部分が完了する。ここで、ΔＴ_{ＤＥＶＩＣＥ}を、液体注入プロセスの開始から終了までの装置における平均温度差（Ｔ_ＤＶＩ−Ｔ_ＤＶＦ）と定義することができる。高い温度および低い温度の絶対値は、装置の特性、ならびにプロセスの熱バランスおよび動作条件に依存する。装置の最大蒸発容量Ｈ’は、次式により与えられる。

式中、ρ_{ｄｅｖｉｃｅ}は、装置の中実材料の平均密度であり、φは、装置の平均の多孔性（又は多孔度）であり、Ｃ_{ｐ，ｄｅｖｉｃｅ}は、質量単位における装置の平均比熱容量であり、

は、体積単位における装置の平均比熱容量であり、

である。蒸発容量は、装置の比熱容量、中実材料体積、および材料密度に比例し、ならびにプロセス中の温度差にも正比例する。

システムの空間速度は、ガス毎時空間速度またはＧＨＳＶと呼ばれる装置の体積で除算されたフィードの通常の毎時気体体積流量として表すことが可能である。気体フィード流量は、フィードのモル流量として算出され、通常の体積流量は、物質が気体種であるものとして算出される。例として、０．５リットルの装置に進入する流量１ｇ／ｓｅｃの液体の水のフィードは、液体注入ステップについてのガス毎時空間速度が次式により与えられる。

式中、Ｑ_ｖａｐは、通常の気体体積流量（単位：ＮＬ／ｈｒ）であり、Ｖ_{ｔｏｔａｌ}は、総装置体積である。一般に、装置のコンパクト性および結果的な単位体積当たりの蒸発容量の点における効率は、この空間速度に正比例する。後に化学反応または触媒反応を受ける炭化水素フィードを利用する統合システムについて、システムの全体的な空間速度は、システムの生産性に比例する。この空間速度は、可能な限り高い値を有することが望ましい。

本発明の好適な実施形態において、空間速度ＧＨＳＶは、好ましくは５００よりも大きく、さらに好ましくは１０００よりも大きい。

装置が循環様式で動作するためには、蒸発ステップにおいて消費される熱の量は、サイクルの再加熱（再生）部分の間に装置に蓄積される熱の量と釣り合っている。液体フィードが高速（高ＧＨＳＶ）で供給される場合、このとき、熱は速く使われ、サイクル時間は短くなければならない。液体フィードが低速（低ＧＨＳＶ）で供給される場合、このとき、熱はゆっくり使われ、サイクル時間はより長い。ＨおよびＨ’についての上記式を組み合わせ、それらを等号で結ぶと、次式が与えられる。

各項を式の両辺において無次元となるように書き換え、上記のＧＨＳＶについての数式に代入すると、次の関係式が与えられる。

式中、すべての変数は、先の定義のとおりであると仮定する。

装置の熱伝達要件は、液体フィードの蒸発の体積熱とフィードストリームのＧＨＳＶとの積として表すことが可能である。蒸発のための体積熱伝達要件は、次式のとおりである。

これは、液体の蒸発に要求される単位体積当たり単位時間当たりのエネルギー伝達である。

についての数式は、秒単位でなく時間単位での時間に依存するため、注意すべきである。これらの数式により、液体ストリームの蒸発のために十分なエネルギーが存在するために必要なエネルギーバランスが定義される。

液体が期間τ_ｖａｐの間に装置に進入した後、熱い再加熱ストリームを装置に通過させることで、温度を液体注入サイクルの開始時における当初の高い温度に再び上昇させる。この再加熱段階中に装置の温度を上昇させる能力は、先に述べたように、装置の幾何学的な特徴に密接に関係している。変数には、多孔性（又は多孔度）、水力学的な通路サイズ、および装置を構成する熱特性が含まれる。特徴的なチャネル通路形状を有する中実材料で構成される多孔質媒体は、熱伝達係数（ｈ）および特徴的な熱伝達表面積（Ａ）により特徴付けられることが可能であることが当該技術において既知である。単位体積の特徴当たりの表面積についての好適な値は、上で定義したとおりであった。気体および固体の特性に基づく熱伝達係数についての相関も、当該技術において既知である。これらの熱伝達係数は、流量（又はフローレート）および気相の組成の関数である。係数は、典型的には、多孔質材料の特徴的なチャネルサイズが減少するにつれて増加する。体積熱伝達係数は、次式の単位により定義し、与えることが可能である。

蒸発のための体積熱伝達要件は、一致した時間単位で書き換えると、次式のように表すことが可能である。

本発明は、装置における再生（又はリジェネレーション）のための体積熱伝達係数に対する体積蒸発要件の比として、特徴的な熱伝達温度変化を有する。この特徴的な温度差は、次式により表される。
ΔＴ_ＨＴ＝Ｈ_ｖ／ｈ_ｖ

この温度差は、装置の循環動作中の熱伝達の供給と需要との間のバランスを表す。ここで用いられるように、温度差は、サイクルの再加熱部分において用いられる熱伝達係数に基づくものであり、かかる部分は、典型的には、サイクルにおける熱伝達係数がより低い部分であり、これは、限定設計条件として役立つ。この温度差は、装置についての基本的な設計パラメータである。装置の設計および材料の特性は、本発明の要件を満たすように選ばれる。

本発明の実施において、特徴ΔＴ_ＨＴは、好ましくは約０．１℃〜６００℃である。より好ましくは、特徴ΔＴ_ＨＴは、０．５℃〜３００℃であるべきである。

装置についての特徴的なエネルギー利用率は、次式のように定義される。

これは、この装置の有効性を評価するための好適なパラメータである。１により近い値は、蒸発器において利用可能なエネルギーの理想的な使用を意味し、１．０未満の値は、熱を速く移動させるために必要な温度勾配の現実を反映している。エネルギー利用率Ｒについて要求される範囲は、０．０５〜０．７であることを見出した。利用率Ｒについての好適な範囲は、０．１〜０．５であることが見出されている。最も好適な範囲は、０．２〜０．４である。

装置の追加の特徴は、蒸気発生プロセスと再加熱再生プロセスとの両方の間における圧力降下を最小化するために、流れに対する軸方向の抵抗が低いことである。軸方向の流れの抵抗は、小さなチャネルを通る層流などの直交異方性の抵抗について定義することが可能である。

式中、Δｐは、摩擦抵抗による圧力降下であり、Ｌは、平均空間長であり、ｄｘは、局所的な軸方向距離の増分であり、φ_ｘは、局所的な空隙率であり、ＧＨＳＶは、ガス毎時空間速度（単位：ｈｒ^−１）であり、μは、流体の粘性（又は粘度）であり、ρ_ｃは、単位面積当たりのセル数密度（装置の単位断面積当たりのチャネル数）である。すべての値は、局所的な座標の関数であると考えられ、そうすることで、全体的な圧力降下は、装置のすべての軸方向の断面からの積分の値（又はコントリビューション）である。

圧力低下は、装置のチャネルサイズ、単位面積当たりのセル数密度、多孔性（又は多孔度）、およびＧＨＳＶ（単位体積当たりの流量）により制約される。多孔性は、次式によりチャネルサイズに関連付けられる。

装置の物理的パラメータは、動作のためのシステムの設計上の制約に合うような方法で選択される。当業者にとって、広いダイナミックレンジの動作条件のために設計される装置について、設計条件は、最小の流路を有する装置の領域における最大の流れ条件に基づいて選択される。

首尾よい動作のための装置の特徴は、装置の単位長さ当たりの全体的な平均Δｐが５ｐｓｉ／インチ未満であるように、流れに対する低い軸方向の抵抗で装置が動作することである。この装置について許容可能なパラメータの範囲は、０．０１〜５ｐｓｉ／インチの圧力降下を許容し、０．０３〜１ｐｓｉ／インチの圧力降下が好適な範囲である。

一実施形態において、この装置は、緊密な同心リング状に巻かれた、または密接した間隔の層に積層された、様々な金属組成の薄い波形シートの編成（又は配置）を用いて構成してもよい。波形のジオメトリにより、一連の小さい環状のセルが形成される。セルの直径は、巻かれた材料シートの厚さおよび波形の同心リングまたはシートの密度を変更することにより、ならびにその軸方向長さに沿った充填の緊密さを変化させることにより、変化させてもよい。

本実施形態の一例において、材料は、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ（登録商標）の金属のシートで構成される。この設計のための波形およびシートの厚さは、低い空隙体積の出口領域の断面を目的として全体的な多孔性（開放体積（又はオープンボリューム））が結果的に概ね４０％となるように選択される。最大の金属質量のため（最も高い流量（又はフローレート）の条件における熱容量およびエネルギー貯蔵のため）の設計要件を満たすため、低い設計の多孔性が用いられる。高い多孔性の入口領域は、概ね８０％の多孔性を有する。この高い多孔性により、装置の内部ボリュームへの液体の浸透度を著しくより高度にすることが可能になる。装置の内部は、約６０％の中間的な多孔性値を有するモノリスを備え、これは、装置の低い多孔性の入口領域と高い多孔性の出口領域との間の遷移部として利用される。先に述べたように、シートは、軸方向において連続した材料片で作製されるが、長さは変化している。

装置のセルの設計は、いずれの方向の供給流体ストリームからの圧力降下も最小となるようになされる。低圧力降下の動作は、実質的な圧力降下の損失を招くであろう高速、高温の気体のストリームによる装置の再加熱を含む用途について特に有用である。

この装置は、合成ガスを生成する発熱性の再生プロセスを伴う循環式の吸熱性水蒸気改質プロセスで特に有用である。反応器の床の構成（又はコンフィギュレーション）において、液体の炭化水素燃料と液体の水との混合物が、電子式の燃料注入装置（又はインジェクタ）を用いて上方の（入口）面の上側および蒸発器の内部ボリューム内に注入される。蒸発した混合ストリームは、次いで、気体混合器（Ｇａｓ Ｍｉｘｅｒ）を通って下方に流れ、その後、反応ゾーン（Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｚｏｎｅ）に流れ、かかる反応ゾーンにおいて、フィード（又は供給物）は、先にサイクルの再加熱部分から床に蓄積されたエネルギーを用いて、合成ガスへと水蒸気改質される。この合成ガスは、底部から装置の外部に流れ、外部で利用することが可能である。

サイクルの再加熱部分において、一酸化炭素、水素、および恐らくは燃料混合物をも燃焼させる。この高温ストリームは、次いで、反応ゾーンの触媒床を再加熱するために用いられる。このプロセスの再生フェーズの終わりに、このサイクルは、液体注入モードに戻る。この構成におけるこれらの２つの循環プロセスは、先に述べた本発明の注入フェーズおよび再加熱フェーズに相当する。

Claims (21)

1. 液体のフィードストリームを気体の蒸気ストリームに変換するための装置であり、
   （ａ）第１端部および第２端部を有するチャネル手段であって、前記チャネル手段は、前記第１端部と前記第２端部とを接続する複数のチャネルを有し、前記チャネル手段は、実質的に中実の領域と空隙の領域とを有する、チャネル手段と、
   （ｂ）前記液体のフィードストリームを前記複数のチャネルの前記第１端部に方向付けるための入口手段と、
   （ｃ）前記複数のチャネルからの前記気体の蒸気ストリームを方向付けるための出口手段と
   を備え、
   前記チャネルは、前記入口と前記出口との間の任意の距離ｄにおいて、前記フィード流れの方向に対して垂直な、（１）空隙の面積Ａ’（ｘ）と（２）チャネルの総断面積Ａ（ｘ）とによって特徴付けられる幾何学的な構成を有し、
   前記総面積Ａ（ｘ）の割合として前記空隙面積Ａ’（ｘ）は、
   

   

   であり、
   装置の長さＬに沿う平均空隙率は、
   

   

   であり、
   前記平均空隙率は、約０．３〜約０．９５の範囲である、
   装置。
2. 前記空隙率は、前記装置の前記長さに沿って、前記入口手段における約０．５〜約０．９９５の範囲の空隙率から、前記出口手段における約０．２〜約０．７の範囲の空隙率まで変化する、請求項１に記載の装置。
3. 前記装置の前記長さに沿う前記空隙率の変化は、直線での長さ１インチ当たり、約０．０１〜約０．５の範囲の空隙率の減少である、請求項２に記載の装置。
4. 前記変化は、直線での長さ１インチ当たり、約０．１５〜約０．３５の範囲の空隙率の減少である、請求項３に記載の装置。
5. 前記空隙率は、前記入口手段から前記出口手段にわたって、１よりも多く２０よりも少ない数の逐次的な一定の空隙率の領域において減少する、請求項１に記載の装置。
6. 前記一定の空隙率の領域の数は、３〜１０の範囲である、請求項５に記載の装置。
7. 前記チャネルは、前記入口における約０．１〜約１０．０ミリメートルから、前記出口における約０．２〜約０．５ミリメートルの範囲のチャネル水力直径（ｄ_Ｈ）と、チャネル長とを有することでさらに特徴付けられる、請求項１に記載の装置。
8. 前記チャネル水力直径は、前記入口における約０．３〜約５．０ミリメートルから、前記出口における約０．４〜約２．０ミリメートルの範囲である、請求項７に記載の装置。
9. 前記チャネル長に対する前記チャネル水力直径の比は、約０．５〜約１０，０００である、請求項７に記載の装置。
10. 前記比は、約１０〜約５０００である、請求項９に記載の装置。
11. 前記比は、約４０〜約２００である、請求項１０に記載の装置。
12. 前記チャネルは、約１０ｉｎ^２／ｉｎ^３〜約２０００ｉｎ^２／ｉｎ^３の範囲の単位体積当たりの平均表面積（Ｓ_{ｖ，ａｖｇ}）を有することでさらに特徴付けられる、請求項１に記載の装置。
13. Ｓ_{ｖ，ａｖｇ}は、約２０ｉｎ^２／ｉｎ^３〜約１０００ｉｎ^２／ｉｎ^３の範囲である、請求項１２に記載の装置。
14. Ｓ_{ｖ，ａｖｇ}は、約５０ｉｎ^２／ｉｎ^３〜約２５０ｉｎ^２／ｉｎ^３の範囲である、請求項１３に記載の装置。
15. 前記チャネルは、少なくとも１００Ｊ／Ｋｇ・Ｋの熱容量、少なくとも約１０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率、および少なくとも約２５００Ｋｇ／ｍ^３の密度を有する材料で作製される、請求項１に記載の装置。
16. 前記熱容量は、少なくとも約５００Ｊ／Ｋｇであり、前記熱伝導率は、少なくとも約５０Ｗ／ｍ・Ｋであり、前記密度は、少なくとも約５０００Ｋｇ／ｍ^３である、請求項１５に記載の装置。
17. 前記熱容量は、少なくとも約１００Ｊ／ｋｇであり、前記熱伝導率は、少なくとも約２００Ｗ／ｍ・Ｋであり、前記密度は、少なくとも約７０００Ｋｇ／ｍ^３である、請求項１６に記載の装置。
18. 前記装置は、約５００よりも大きいガス毎時空間速度で動作する、請求項１に記載の装置。
19. 前記装置は、約１０００を超えるガス毎時空間速度で動作する、請求項１８に記載の装置。
20. 前記チャネルは、約５ｐｓｉ／インチ未満の圧力降下（Δｐ）を有する、請求項１に記載の装置。
21. Δｐは、約１ｐｓｉ／インチ未満である、請求項２０に記載の装置。

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