JP2016516972A - シェル内コア型交換器の冷媒入口流分配器 - Google Patents

Abstract

シェル内コア型交換器のシェル内に二相の冷媒を導入するための装置及びシステムが開示される。一つのシステムは、交換器シェル、交換器シェルの内側に配置された熱交換コア、及び流入する流体を方向付けるための入口流分配器を含む。入口流分配器はオリフィス孔の配列を備えたバッフル板を有し、オリフィス孔は熱交換コアからずれている。

Description

本発明は、概して天然ガスの液化の間に利用される設備に関する。より具体的には、ただし限定の目的ではなく、本発明の複数の実施形態は、熱交換器のシェルの中に二相の（two-phase）冷媒を導入するために使用される冷媒入口流分配器を含む。

天然ガスは、エネルギー源として、又は、例えばプラスチックの製造において使用される工業原料として広く使用される重要な資源である。主にメタンからなる天然ガスは、天然に存在する炭化水素ガスの混合物であり、地下深部の天然の岩石層又は他の炭化水素貯蔵層内で典型的に発見される。天然ガスの他の成分は、エタン、プロパン、二酸化炭素、窒素及び硫化水素を含むが、これらに限定されない。

典型的に、天然ガスは、貯蔵場所を市場に物理的に接続するパイプラインを通じて供給源から消費者へ輸送される。天然ガスは、ときには必要なインフラストラクチャー（すなわち、パイプライン）のない遠隔地域において発見されるので、天然ガスを輸送するための代替的な方法が使用されなければならない。この状況は、天然ガスの供給源と市場とが大きな距離、例えば大きな水域によって隔てられている場合に共通して生じる。この天然ガスを遠隔地域から市場に運ぶことは、天然ガス輸送のコストが最小化されれば、かなりの商業的価値を有し得る。

天然ガス輸送の一つの代替的な方法は、液化処理によって天然ガスを液化された形態に転換することを伴う。天然ガスは標準大気圧条件下では気相で存在するので、それは、液化されて液化天然ガス（ＬＮＧ）を生み出すために、ある熱力学的処理を受けなければならない。その液化された状態において、天然ガスは、その気化した形態でのその比体積（specific volume）よりもかなり小さな比体積を有する。したがって、液化処理は、特にパイプラインが利用可能でない場合に、天然ガスの輸送及び貯蔵の容易さを大いに向上する。例えば、ＬＮＧタンクを運搬する外洋航路船は、供給源と市場とが大きな水域によって隔てられている場合に、天然ガス供給源を遠方の市場と効果的につなぐことができる。

天然ガスをその液化された形態に転換することは、他の経済的な利益を有し得る。例えば、ＬＮＧを保存することは、天然ガス供給及び需要の周期的な変動の釣り合いをとることを助ける。具体的には、ＬＮＧは、ＬＮＧ需要が低い及び／又は供給が高い場合に、後に使用するためにより容易に“備蓄される（stockpiled）”ことができる。結果として、未来の需要ピークが、需要の要求に応じて気化されることができる貯蔵場所からのＬＮＧによって満たされ得る。

液体状態で天然ガスを貯蔵及び輸送するために、天然ガスは、大気圧に近い蒸気圧で−１６０°Ｃまで典型的に冷却される。天然ガスの液化は、液化温度が達成されるまで順番に（successively）より低い温度までガスが冷却される複数の冷却段階を、ガスを高圧で連続的に（sequentially）通過させることによって達成され得る。冷却は、例えばプロパン、プロピレン、エタン、エチレン、メタン、窒素、二酸化炭素又は先行する冷媒の組み合わせ（例えば、混合冷媒システム）のような、一つ又はそれ以上の冷媒との間接的な熱交換によって概して達成される。

極低温交換器（例えば、シェル・アンド・チューブ型交換器、ろう付けアルミニウム熱交換器、シェル内コア型熱交換器等）は、間接的な熱交換を促進するためにＬＮＧ施設内にしばしば設置される。極低温交換器は、例えば、天然ガスの流れから冷媒の流れに熱を移すために使用され得る。いくつかの従来のシェル内コア型熱交換器は、水平に方向付けられ、円筒形状の圧力容器シェル内に挿入されたろう付けアルミニウム熱交換器（brazed aluminum heat exchanger）（ＢＡＨＸ）コアを特色とする。これらのシェルは、ＢＡＨＸコアが均一に分配された冷媒のプール中に沈められることを確かにするために、長さが長い傾向がある。

ＢＡＨＸ交換器は、典型的にコンパクトで、固く、いくつかの異なるアルミニウム合金で構築される。アルミニウムは、それ以下で材料が無限の負荷サイクルに耐えることができる耐久限度又は応力値を有しない。そのため、ＢＡＨＸは、繰り返しの熱サイクル、高い内部温度勾配又は過剰な熱トランジェントを受けた場合に疲労破壊の影響を受けやすい。コアへの腐食損傷は、液体の冷媒がシェルの直ぐ内側のＢＡＨＸコア上に繰り返し衝突する場合に、結果として生じ得る。したがって、二相の流体はＢＡＨＸ金属温度を急速に変えることができるため、流体の良好な分配を結果として生じる流量制御は、二相の冷媒をシェル内コア型交換器の中に導入する場合に特に重要であり得る。従来のＬＮＧ施設は、典型的に、冷媒を少なくとも部分的に膨張させて気相にし、二相の冷媒を生み出すことができる二相エキスパンダーを特色とする。ＬＮＧ施設内で流体を伝えるために使用される配管は典型的に複雑且つ非対称的に構成されており、そのことは、配管がシェル内コア型交換器に入る際に、二相の冷媒の慣性誘導性（momentum-induced）の流れ不均衡分配（maldistribution）につながり得る。

本発明は、概して天然ガスの液化の間に利用される設備に関する。より具体的には、ただし限定の目的ではなく、本発明の複数の実施形態は、熱交換器のシェルの中に二相の冷媒を導入するために使用される冷媒入口流分配器を含む。

熱交換器の一つの実施例は、交換器シェル、交換器シェルの内側に配置された熱交換コア、及びオリフィス孔の配列を備えたバッフル板を有し、オリフィス孔は熱交換コアからずれている入口流分配器、を有する。

熱交換器の他の実施例は、水平に方向付けられた中空の交換器シェル、水平に方向付けられた中空の交換器シェルの内側に配置された熱交換コア、入口流分配器であり、オリフィス孔の配列を備えたバッフル板及び壁板を有し、オリフィス孔は熱交換コアからずれており、壁板は少なくとも一つのオリフィス孔を通って流入する流体を方向付ける、入口流分配器、及び入口流分配器を通して、水平に方向付けられた中空の交換器シェル内に流入する流体を導入するように構成されている、入口、を有する。

本発明及びその利益のより完全な理解が、添付の図面と共に解釈される以下の記述を参照することによって習得され得る。

一つ以上の実施形態による冷媒入口流分配器を装備したシェル内コア型交換器を示す模式図である。

図１のシェル内コア型交換器の断面図である。

これから、本発明の実施形態への参照が詳細になされる。本発明の一つ又はそれ以上の実施例は、添付の図面に示される。各実施例は、本発明の限定としてではなく、本発明の説明として提供されている。本発明の範囲および精神から逸脱することなく、本発明に様々な修正及び変形が成され得ることが、当業者とって明らかであろう。例えば、一つの実施形態の部分として示され又は記述された特徴は、更なる実施形態を与えるために、他の実施形態に加えて使用されてもよい。このように、本発明は、本発明の範囲内に入る上記の修正及び変形を包含することが、意図されている。

本明細書において記述される本発明は、比較的小さな断面積（例えば、導管）から比較的大きな断面積（例えば、シェル内コア型交換器のシェル）に流入する流体の流れを改善するように設計された入口流分配器（inlet flow distributor）に向けられている。入口流分配器は、流れ分配の改善の目的で、流入する流体（例えば、ＬＮＧ液化処理における冷媒）に対して所定の及び／又は所望の圧力低下を与えるように設計されている。他の態様において、本装置はまた、シェル内コア型交換器において非対称的な外部配管から結果として生じる慣性誘導性の冷媒流不均衡分配の問題に対抗することができる。その上に、入口流分配器は、液体の冷媒が交換器の内側に設置された特定の構成要素上に直接的に衝突することを低減又は防止することによって、特定の構成要素（例えば、ＢＡＨＸコア）に対する腐食損傷を防止するか又は遅らせることができる。

シェル内コア型交換器
いくつかの従来のシェル内コア型交換器は、例えば、底部に大きなスロットを有する内部の流れ分配器を利用すること又は両端が開いた内部の流れ分配器を利用することによって、流れ分配及び腐食防護の問題に対処する。これらの従来のシェル内コア型交換器は、特定の設計上の問題によって妨げられ得る。例えば、前者の設計における大きなスロットは、典型的に、シェル内に良好な冷媒流分配をもたらすために十分な圧力低下を与えない。その上に、これらの内部の流れ分配器を利用するシェル内コア型交換器は、冷媒がＢＡＨＸコアに直接的に衝突することを許容し得る。

いくつかの実施形態において、入口流分配器は、流体流れを制御するために、互換性がある（compatible）システムに統合されるか又は他の方法で互換性があるシステムに利用されてもよい。本明細書における参照は、互換性があるシステムの一つの実施例としてのシェル内コア型交換器に対してなされるが、これは、限定的であるように意図されていない。他の互換性のあるシステム（例えば、熱交換コアとして管束を有するシェル・アンド・チューブ型交換器）も、本明細書において開示されていないシェル内コア型交換器構成を含めて、本発明の入口流分配器と共に使用されてもよい。本明細書において記述される少なくとも一つの実施形態は、ＬＮＧ処理の間に使用されるために液化天然ガス施設内に設置された本発明の入口流分配器を特色とするシェル内コア型交換器に関係するが、これは、限定的であるように意図されていない。他の互換性がある施設／処理は、ガスプラント、ＮＧＬ処理プラント、アンモニア処理プラント、アンモニア冷却（refrigeration）システム、エチレンプラント等を含んでもよいが、これらに限定されない。

明瞭さのために、図１−２は模式図のみであり、従って、好結果の動作のために商業上のシェル内コア型交換器において必要とされ得る、設備の多くの品目は、省略されている。上記の品目は、例えば、ノズル、入口（inlet）、出口（outlet）、圧力調整層（header tanks）、スペーサ―バー等を含んでもよい。

シェル内コア型交換器（ときおり、“ドラム内コア型”と呼ばれる、又はウィスコンシン州ラクロス（La Crosse, WI）に位置するChart E & CからのCore-in-Kettle（登録商標）と呼ばれる商業的に入手可能な種類）は良く知られた熱交換器であり、天然ガスの液化（“ＬＮＧ処理”）の間にシェル・アンド・チューブ型極低温交換器の代わりにしばしば使用される。いくつかのシェル内コア型交換器は、約半分の大きさ及び約五分の１の重量の小ささであるにも拘らず、シェル・アンド・チューブ型ユニットよりも最大で１０倍大きな単位体積当たりの伝熱面を含み得る。

最初に図１を参照すると、本明細書において記述される構想による例示的な入口流分配器３０を備えた、シェル内コア型交換器５が示されている。シェル内コア型交換器５は、中空の交換器シェル１０内に収容されたＢＡＨＸコア２０を含む。図示されるように、交換器シェル１０は、円筒形状で水平に方向付けられており、水平方向の軸に沿ったその寸法は、垂直方向の軸に沿ったその寸法よりも実質的に長い。図示されたＢＡＨＸ（ときおり、“プレート−フィン型交換器”と呼ばれる）コア２０は、波型フィンと平らな隔離シートの交互の複数の層から構築されてもよい。積み重ねられた構成は次いで、ＢＡＨＸコア２０を与えるために真空ろう付けされる。結果として得られるコアは、平らな板によって隔離され、フィンを持った複数のチャンバで構成されており、複数のチャンバは、交互の高温通路及び低温通路を通して流体の経路に沿って送る。熱は、通路内のフィンを介して、隔離板を通して及び再びフィンを介して低温流体内に伝達されることができる。ノズル及びヘッダー（図示なし）が、流体をコアの中及び外に経路に沿って送るために、ＢＡＨＸコア２０に取り付けられてもよい。交換器シェル１０はまた、流体をシェルの中及び外に経路に沿って送るために、ノズル及びヘッダーに接続されてもよい（図示なし）。フィンとシートの間の狭い流路に起因して、流体の均等な分配が、好結果の動作のために重要であり得る。図２は、図１に示されるシェル内コア型交換器の断面図である。明瞭さのために、図１及び図２において同じ参照番号が使用されている。

入口流分配器
図１−２に示される実施形態において、入口流分配器３０はシェル内コア型交換器５の上端の近傍又は上端に設置され、入口ノズル５０を通して交換器の中に水平方向に注入された流体は、オリフィス孔４０を通して垂直方向で下向きに流出させられる（discharged）。図２内の矢印は、流体流れの方向を示す。図２に示されるように、入口流分配器５は、一つの縁に沿って接合されて一つの“Ｌ”字形上の構造体を形成する二つの直角な板で構成される。垂直方向の板３５は隙間が無く（solid）、その一方で円形のオリフィス孔４０が水平のバッフル板６０上に空けられている。板の寸法とオリフィス孔の直径は多くの要因に応じて変えることができ、その要因は、シェルの物理的な寸法、シェルに流入する冷媒流れの量及び冷媒の物理的特性を含むが、これらに限定されない。

オリフィス孔４０は、予め選択された且つ／或いは所望の冷媒流れの分配を提供するために、戦略的に大きさを決定され、形状を決定され且つ配置される。図１を参照すると、入口流分配器３０は、二つの横列（rows）のオリフィス孔４０を有するオリフィス孔の配列を含み、各横列は、入口流分配器３０の側方の両端部に向かって外側に延びる。横列は、水平なバッフル板６０上に空けられた及び／又は作られた複数のオリフィス孔によって規定される。図１に示されるように、上端の横列は、中断の無い（non-interrupted）一列のオリフィス孔を有し、その一方で底側の横列は、オリフィス孔の配列が垂直にＢＡＨＸコアに対してずれる（off-set）か又は位置が合わない（misaligned）ように、孔を空けられていない領域によって中断され、二相の冷媒混合物がオリフィス孔から噴出せず、ＢＡＨＸコア２０に直接的に衝突しないことを確かにする（図２参照）。

第一の横列は、第二の横列上のオリフィス孔の数に比較してより多くの数のオリフィス孔を有するが、いくつかの実施形態において、水平なバッフル板６０は、如何なる数の横列、縦列（columns）、孔を空けられていない領域等を含む、オリフィス孔の如何なる配列を包含してもよい。オリフィス孔の具体的な寸法及び配置は多くの要因に依存し、その要因は、ＢＡＨＸコア寸法、シェル長さ及び幅、冷媒入口重量分率蒸気、冷媒入口液体密度、冷媒入口蒸気密度、オリフィス孔の数、オリフィス孔の直径及びオリフィス孔の流出係数（discharge coefficient）を含むが、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、オリフィス孔の総面積は、バッフル板の総面積の約５％から約２５％であってもよい。いくつかの実施形態において、オリフィス孔は、非円形の形状を有してもよい。非円形の形状の適切な例は、正方形、長方形、六角形、星形、十字形等を含み得るが、これらに限定されない。任意的に、入口流分配器３０は、入口流分配器３０の横側の側面に位置する、一つ又はそれ以上の側方の隙間の無い板を含んでもよい。いくつかの実施形態において、入口流分配器は、ステンレス鋼、オーステナイトステンレス鋼、炭素鋼合金、アルミニウム、アルミニウム合金及びそれらの組み合わせからなる群から選択される材料から作られてもよい。

いくつかの実施形態において、シェル内コア型交換器５は、二相の冷媒流れが入口ノズル５０を通って入るように、冷却システムに統合されてもよい。入口流分配器３０は、交換器シェル１０への二相の冷媒の流れを制御するために使用される。いくつかの実施形態において、二相の冷媒は入口流分配器３０の中に注入され、入口流分配器３０内で二相の冷媒は横方向に入口ノズル５０から離れるように流れ、その後に、冷媒がＢＡＨＸコア２０に直接的に衝突しないようにオリフィス孔４０の配列を通って出て、交換器シェル１０の底部に均一に集まる。時間と共に、ＢＡＨＸコア２０は、液体の冷媒のプール中に沈められる。上述のようにＢＡＨＸコア２０を通って流れる温かい処理流れが同時に冷却されるときに、低温の冷媒は沸騰し、部分的に気化する。入口流分配器３０は、シェル内コア型交換器の外部の非対称的な冷媒配管から結果として生じ得る流れの不均衡分配に抵抗する。円形のオリフィス孔は、交換器シェル１０に入る冷媒がＢＡＨＸコアに直接的に衝突しないように配置され、従って、ろう付けアルミニウムコアに対する腐食損傷を防止する。

本発明の特定の実施形態の以下の実施例が与えられる。実施例は、本発明の説明のために提供され、本発明の多数の実施形態のうちの一つであり、以下の実施例は、本発明の範囲を限定又は定義すると解釈されるべきではない。

実施例１
本実施例は、一つ又はそれ以上の実施形態による冷媒入口流分配器を通して導入されるときに二相の冷媒に生じ得る、見本となる圧力低下（すなわち、チューブ内の一つの点から下流の他の点への圧力の減少）を算出する。

方程式（１）（数１）及び方程式（２）（数２）は、分離流二相圧力損失（separated flow two-phase pressure loss）モデルの異なる形式を示す。ここで、ΔＰ_ｓｐは、チューブを通る単一相圧力低下であり、ｆは、摩擦係数であり、Ｌは、オリフィス孔長さであり、Ｄは、オリフィス孔直径であり、ｖは、速度であり、ｇ_ｃは、重力定数（１．００）であり、ρは、密度であり、そして、Ｋはオリフィス流出係数（数３）である。

方程式（３）（数４）は、総質量速度（Ｇ_ｔ）、総質量流量及びオリフィス孔の総面積（Ａ_{ｔｏｔａｌ}）の間の関係を記述する。ここで、Ｄ_{ｏｒｉｆｉｃｅ}は、オリフィス孔直径である。

ここで、ｍ_{ｔｏｔａｌ}＝７４．３９ｋｇ／ｓ（経験的に測定される）であり、かつ、以下の（数５）が成り立つ。

ｍ_{ｔｏｔａｌ}及びＡ_{ｔｏｔａｌ}を方程式（３）（数４）に代入すると、以下の（数６）のようになる。

方程式（４）（数７）に示されるように、速度（ｖ）は、密度と総面積で割られた総質量流量に等しい。Ｇ_ｔについての再整理及び代入は、方程式（５）（数８）を与える。

方程式（２）（数２）に方程式（５）（数８）を代入すると、方程式（６）（数９）が与えられる。方程式（６）（数９）は、単一相圧力低下を一般的な形式で記述する。方程式（８）（数１１）に示されるように、単一相蒸気圧低下（ΔＰ_ｖ）は、一般的な形式の圧力低下を、重量についての入口蒸気分率（inlet vapor fraction by weight）（ｙ＝０．３５７０）と掛け合わせることによって算出されることができる。以下の方程式（７）（数１０）に示されるように、単一相液体圧力低下（ΔＰ_ｌ）は、一般的な形式の圧力低下を、（１−ｙ）と掛け合わせることによって算出されることができる。

方程式（９）（数１２）は、圧力損失モデルを二相の圧力低下（ΔＰ_ｔｐｆ）に拡張する。

ここで：
Ｃ＝二相摩擦についての相関係数（Correlating Factor For Two-Phase Friction）であり、以下の（数１３）が成り立つ。

液相及び気相の両方の乱流について、Ｃ_０＝２０を代入すると、以下の（数１４）となる。

液体の密度が（数１５）であるとして、方程式（７）（数１０）内のΔＰ_ｌについて解くと、以下の（数１６）が与えられる。

蒸気の密度が９．４２８ｋｇ／ｍ^３であるとして、方程式（８）（数１１）内のΔＰ_ｖについて解くと、以下の（数１７）が与えられる。

方程式（９）（数１２）内のΔＰ_ｔｐｆについて解くと、以下の（数１８）が与えられる。

表１は、実施例１の処理条件を要約する。

表２は、実施例１の入口流分配器の形状を要約する。

表３は、算出された実施例１の圧力低下を要約する。

締め括りに、何れの参考文献の議論であっても、特に本出願の優先日より後の刊行日付を有し得る何れの参考文献の議論も、それが本発明に対する先行技術であるとの承認ではないことが、留意されるべきである。同時に、以下の各請求項は何れも、本発明の追加的な実施形態として、この詳細な説明及び明細書内にこれにより組み込まれる。

本明細書において記述されたシステム及び方法は詳細に説明されたが、以下の請求項により規定されるような発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更、置換及び改変が成され得ることが、理解されるべきである。当業者は、好ましい実施形態を検討し、厳密に本明細書において記載された通りではない、本発明を実施するための他の方法を明らかにすることができるかも知れない。本発明の変形及び均等物は特許請求の範囲内に含まれ、詳細な説明、要約及び図面は本発明の範囲を限定するために使用されるべきではないことが、発明者の意図である。本発明は、以下の特許請求の範囲及びそれらの均等物と同じ幅を有するように、特に意図されている。

参考文献
本明細書において引用した参考文献の全ては、参照により明確に組み込まれる。何れの参考文献の議論であっても、特に本出願の優先日より後の刊行日付を有し得る何れの参考文献の議論も、それが本発明に対する先行技術であるとの承認ではない。ここに、組み込まれた参考文献が便宜のために再度記載される。
１．米国特許第８，２５７，５０８号明細書
２．米国特許第５，６５１，２７０号明細書

Claims (12)

1. 交換器シェル
   前記交換器シェルの内側に配置された熱交換コア、及び
   例えば流入する流れを方向付けるための入口流分配器であり、オリフィス孔の配列を備えたバッフル板を有し、前記オリフィス孔は前記熱交換コアからずれている、入口流分配器、
   を有する、熱交換器。
2. 前記交換器シェルは、水平に方向付けられた中空の交換器シェルであり、
   前記バッフル板は壁板を更に有し、前記壁板は少なくとも一つのオリフィス孔を通って流入する流体を方向付け、
   当該熱交換器は、前記入口流分配器を通して、前記水平に方向付けられた中空の交換器シェル内に流入する流れを導入するように構成されている入口を更に有する、
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記熱交換コアは、ろう付けアルミニウム熱交換器、プレートフィン型熱交換器、管束及びそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記オリフィス孔の配列は、前記バッフル板上に作られたオリフィス孔の一つ以上の列を有する、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
5. 前記オリフィス孔の配列は、オリフィス孔の二つ以上の列を有し、前記オリフィス孔の二つ以上の列は、長さが異なる、請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記入口流分配器は、前記熱交換コアへの流れの直接的な衝突を防ぐように構成されている、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
7. 少なくとも一つの入口ノズルは、前記オリフィス孔の配列の上に直接的に設置される、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
8. 前記オリフィス孔の配列は、前記バッフル板の総面積の約５％から約２５％の範囲の総面積を有する、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
9. 前記オリフィス孔は、円形、正方形、長方形、六角形、星形、十字形及びそれらの組み合わせからなる群から選択される形状を有する、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
10. 当該シェル内コア型交換器は、液化天然ガスプラント、ガスプラント、天然ガス液処理プラント、アンモニア処理プラント、アンモニア冷却システム又はエチレンプラントの中に設置される、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
11. 前記バッフル板は、ステンレス鋼、オーステナイトステンレス鋼、炭素鋼合金、アルミニウム、アルミニウム合金及びそれらの組み合わせからなる群から選択される材料から作られる、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
12. 水平に方向付けられた中空の交換器シェル、
    前記水平に方向付けられた中空の交換器シェルの内側に配置された熱交換コア、
    入口流分配器であり、オリフィス孔の配列を備えたバッフル板及び壁板を有し、前記オリフィス孔は前記熱交換コアからずれており、前記壁板は少なくとも一つのオリフィス孔を通して流入する流体を方向付ける、入口流分配器、及び
    前記入口流分配器を通して、前記水平に方向付けられた中空の交換器シェル内に前記流入する流体を導入するように構成されている、入口、
    を有する、熱交換器。

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