JP2018179461A

JP2018179461A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2018179461A
Application number: JP2017083522A
Authority: JP
Inventors: 弘喜野口; Hiroyoshi Noguchi; 肇今; Hajime Kon; 真治久保; Shinji Kubo; 登貴夫直井; Tokio Naoi
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency; Dainichi Machine and Engineering Co Ltd
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency; Dainichi Machine and Engineering Co Ltd
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2018-11-15

Abstract

【課題】従来から知られている耐熱性、耐食性の高い材料の特性を生かしながら、それらの材料の持つ欠点を構造的に補うことのできる、まったく新しい構造を有する熱交換器を提供すること。【解決手段】プロセス流体が流入する流入口と加熱後の前記プロセス流体が流出する流出口を有する管本体と、前記管本体中に、前記プロセス流体が通過する通路を隔てて、前記プロセス流体を加熱するための伝熱管を備え、前記伝熱管の長手方向の一端が、前記管本体に固定されている。装置全体をモジュール化することで、複数個のモジュールを容易に直列または並列に接続することができ、容易に加熱量を変更し、大型のシステムを構成することができる。【選択図】図４

Description

本発明は、例えば、高温ガス炉から得られる高熱を利用し、ＩＳ（ヨウ素硫黄）プロセスを用いて水を熱分解し、水素を製造するシステム等において特に有効な、熱交換器に関する。

ＩＳプロセスは、図１に示されるような高温ガス炉を熱源とする水素製造システムにおいて、効率的な水素製造方法として期待されている。熱化学法であるＩＳプロセスは、ブンゼン反応（硫酸とヨウ化水素の生成反応）、硫酸の熱分解反応、ヨウ化水素の熱分解反応の３化学反応工程により構成され、二酸化炭素を発生することなく、高温ガス炉で発生する高温ガスを利用して、原料である水を分解して水素を製造する。

ここで、ブンゼン反応の化学反応式は、図２に模式的に示すように、具体的には以下のように表される。

SO₂ + I₂+ 2H₂O → 2HI + H₂SO₄

ブンゼン反応工程においては、二酸化硫黄（SO₂）ガスをヨウ素(I₂)と水（2H₂O）の混合物中に導入することで、共に強酸性を示す、軽液相（硫酸（H₂SO₄））及び重液相（ポリヨウ化水素酸（HI、I₂、H₂Oの混合物））に液-液の二相分離する生成溶液が得られる。

軽液相のH₂SO₄及び重液相の2HIは、それぞれ別々の系統によって、次の反応をもたらされ、それぞれ酸素及び水素を生成する。

H₂SO₄ → H₂O + SO₂ + 0.5O₂
2HI → H₂ + I₂

ＩＳプロセスは、水以外のヨウ素、二酸化硫黄の反応物質がプロセス内で繰り返し使用する閉サイクルであるため、環境に優しく、非常に効率的に水素を生成できるプロセスとして注目されている。

そのような水素製造システムの一例を、図３を参照して説明する。まず、図の中央に示されたブンゼン反応器に水（2H₂O）とヨウ素(I₂)ガスが供給され、そこに二酸化硫黄（SO₂）ガスが導入され、ブンゼン反応を起こさせる。その結果得られるH₂SO₄と2HIは、二相分離器に送られ、ここでヨウ化水素（HI）を主成分とする重液と硫酸（H₂SO₄）を主成分とする軽液に分離させられ、それぞれ別の系統に送られる。

ヨウ化水素（HI）は精製・濃縮された後、ヨウ化水素（HI）蒸留塔で気体として分離される。その後、ヨウ化水素（HI）分解器において、水素（H₂）、ヨウ素（I₂）などから成る混合気体に熱分解させられる。これらのガスは、水素分離塔を介して最終的に水素（H₂）として取り出される。

一方、硫酸（H₂SO₄）は、精製された後、硫酸分解反応工程の硫酸濃縮塔にて濃縮され、硫酸分解器に送られる。硫酸分解器において、硫酸蒸発によって気相化され、三酸化硫黄（SO₃）などを含む混合気体とされ、触媒にて二酸化硫黄（SO₂）等に分解させられた後、SO₂ガス分離器を介して前述のブンゼン反応器に送られる。

特開２００５−２８９７３３号公報特開２００６−１６２３８号公報

ＩＳプロセスは、400℃とか900℃という高温環境下で行われる上、強酸性のヨウ化水素（HI）や硫酸（H₂SO₄）などを取り扱うため、図３の水素製造システムを構成する各機器に対しては、様々な制約が課されている。

例えば、硫酸、ヨウ化水素酸などを加熱沸騰させる、硫酸濃縮塔（図３の紙面右側）やヨウ化水素蒸留塔（図３の紙面左側）については、以下の課題がある。

（１）シェルアンドチューブ熱交では、ガラス、テフロン（登録商標）のライニング材料を使用するため、耐熱温度に上限があり、熱交換温度差を十分に確保することができない。そのため、機器が大型化してしまう。

（２）強酸環境で使用できる材料について、テフロンライニング、ガラスライニング、Ta（タンタル）、Nb（ニオブ）、黒鉛、SiC（炭化ケイ素）がある。しかし、テフロン（登録商標）、ガラスのライニングは、上述の通り機器が大型化してしまう。Ta、Nbなどは高価であり伝熱面材料として適さない。黒鉛では、高温環境にて耐食性を確保することができない。

（３）SiCは脆性材料であるため、機器接続において熱膨張差の考慮が必要であり、溶接ができないため、シール材を用いた機器接続が必要になるが、耐食性を有する樹脂系シール材では耐熱性が不十分である。

従って、本発明の目的は、従来から知られている耐熱性、耐食性の高い材料の特性を生かしながら、それらの材料の持つ欠点を構造的に補うことができ、モジュール化が可能な簡易な構造を有する熱交換器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る熱交換器では、装置構造として以下の３つの特徴を持たせている。

(１）高耐食性ガラスライニング管、またはテフロンライニング管などの樹脂ライニング管から成る管本体とSiCセラミックス伝熱管の採用
伝熱管には高い耐熱性、耐食性を有するSiCセラミックス管を用いることで、熱交換温度差を大きくとり、機器の小型化を図る。また、構造部材に安価で高耐食性、機械特性を有するガラスライニング管や樹脂ライニング管を用いることで、脆性材料の課題であった装置、機器への組込みを可能としている。

(２）環状流路とモジュール化構造の採用
上述の高耐食性ライニング管とSiCセラミックス管を組み合わせたものを１個のモジュールとし、それらを複数組み合わせるだけで加熱量変更や装置の大規模化を容易に可能としている。

(３）伝熱管の片持ち支持及び低温シール構造の採用
SiCセラミックスの課題である熱膨張差の違いによる破損を防ぐため、SiCセラミックス管を片持ち支持し、あるいはSiCセラミックス管の他端を自由支持することで、熱膨張による拘束をなくした。シール部は、加熱された流体の流れ場より距離を置くことで低温化し、樹脂系シール材の適用を可能とし、樹脂系シール材による低締付に加え、引張には弱く圧縮には強いセラミックスに圧縮応力のみを負荷することでセラミックスの割れを防止している。

本発明の一つの観点に係る熱交換器は、プロセス流体が流入する流入口と加熱後の前記プロセス流体が流出する流出口を有する高耐食性の管本体と、前記管本体中に、前記プロセス流体が通過する通路を隔てて、前記プロセス流体を加熱するためのSiCセラミックス製の伝熱管を備え、前記伝熱管の長手方向の一端が、前記管本体に固定されている構造を有する。

上述の構造を１個のモジュールとし、このモジュールを流体的に複数個直列または並列に連続接続することで、熱交換器の加熱量を増大させることができ、または装置を大規模化できる。

本発明の他の観点に係る熱交換器は、プロセス流体が流入する流入口と加熱後の前記プロセス流体が流出する流出口を有する管本体と、前記管本体中に、前記プロセス流体が通過する通路を隔てて、前記プロセス流体を加熱するための伝熱管を備え、前記伝熱管が前記管本体の中心部付近に配置されるように、前記伝熱管の長手方向の少なくとも一端が前記管本体に固定されており、前記管本体が、母材金属にライニングを施した管構造を有し、前記伝熱管がSiCセラミックス管から構成されている。

本発明のさらに他の観点に係る熱交換器は、第１の流体が流入する流入口と熱交換後の前記第１の流体が流出する流出口を有する高耐食性の管本体と、前記管本体中に、前記第１の流体が通過する通路を隔てて、前記第１の流体と熱交換するための高耐食性の伝熱管を備え、前記伝熱管の内部には外部から第２の流体が供給され、前記第１の流体と前記第２の流体の間で熱交換が行われることを特徴としている。

本発明の熱交換器は、簡易な構造から成るので、装置全体をモジュール化することで、複数個のモジュールを容易に直列または並列に接続することができ、容易に加熱量を変更でき、大規模な装置を構成することができる。

高温ガス炉を利用した水素製造システムの概略説明図。ＩＳプロセスの概略説明図。ＩＳプロセスを用いた水素製造装置の概略説明図。図４(A)は本発明の一実施例に係る熱交換器の概略説明図で、図４(B)は図４(A)の装置で使用する伝熱管の概略説明図。本発明の他の実施例に係る熱交換器の概略説明図。本発明のさらに他の実施例に係る熱交換器の概略説明図。本発明のさらに他の実施例に係る熱交換器の概略説明図。

以下、図４(A)及び図４(B)を参照して、本発明の一実施例について説明する。
本実施例では、特に強腐食溶液を取り扱う熱交換器について説明するが、本発明は特にこれに限定されるものではない。図４(A)に示されるように、被加熱プロセス流体が通過する管本体が、母材金属にガラスライニングを施した安価なガラスライニング管３０から構成され、前記プロセス流体を加熱する伝熱管がSiCセラミックス管４０から構成されている。前記SiCセラミックス管４０は、前記ガラスライニング管３０の円筒中心部に配置されるように片持ち支持されている。ガラスライニング管３０とSiCセラミックス管４０の間には、前記被加熱プロセス流体が流れる環状流路３５が設けられている。これらのガラスライニング管３０とSiCセラミックス管４０によって、熱交換器の１つのモジュールが構成される。

本実施例では、ガラスライニング管３０としてＡＧＣテクノソリューションズ製ＧＬ配管を使用し、SiCセラミックス管４０としては、クアーズテック製の常圧焼結SiC（CERASIC-B）を使用した。図４(A)及び図４(B)のSiCセラミックス管４０において、ハッチングが施された部分は加熱部(熱交換部)である。ガラスライニング管３０と接続されるSiCセラミックス管４０の手元部分は、非加熱部（非熱交換部）になっており、熱の接続部への影響を軽減させている。

接続部５０は、SiCセラミックス製さや管のフランジ部をガスケットで挟み込み固定している。なお、ガラスライニング管の代替として、フッ素樹脂ライニング管（ニチアス株式会社製、日本バルカー工業株式会社製）などを使用することもできる。

図４（Ｂ）に拡大して示されているように、SiCセラミックス管４０の内部には、例えば商用交流電源などの外部電源によって加熱されるカートリッジヒータ４５が埋め込まれている。カートリッジヒータ４５の代わりに、加熱流体を外部から供給するようにしても良い。

被加熱プロセス流体は、図４（Ａ）の紙面に向かって左側に設けられた流入口から導入され、SiCセラミックス管４０によって加熱されながら環状流路３５を通過し、紙面に向かって右側に設けられた流出口から排出される。１つのモジュールの流出口を他のモジュールの流入口に流体的に直列接続することにより、熱交換器の加熱量を容易に変更することができる。また、複数個のモジュールの流入口同士を流体的に並列接続し、それらのモジュールの流出口同士を流体的に並列接続することで、熱交換器を大型化できる。

図５と図６に、上述のモジュールを複数個接続する例を示す。図５は、2個のモジュールを直列接続した例を示し、図６は4個のモジュールを直列接続した例を示している。モジュール間の接続は、通常のフランジ接続である。

図７は図４(A)及び図４(B)と同様の図であって、図７ではセラミックス伝熱管４０の構造が図４(A)及び図４(B)と異なっている。図７では、セラミックス伝熱管が、両端が開放された内筒と、それと同心の一端が開放された外筒からなる二重管構造になっている。この実施例では、内筒から加熱媒体を流入させ、外筒から流出することによって、図４(B)のカートリッジヒータと類似の機能を持たせている。すなわち、この実施例では流体同士で熱交換を行えるようになっている。

図７に示された構造を1つのモジュールとして、前述の実施例と同様にして、複数個のモジュールを直列または並列に接続して、熱交換器の加熱量を変更し、あるいは熱交換器を大型化できることは言うまでもない。

以上の本文では、技術的な理解を助けるために、ＩＳプロセスを用いた水素製造システムおいて使用される強腐食溶液の熱交換器を例に掲げて説明したが、本文の説明からも理解できるように本発明はこれに限定されるものではなく、他の化学プラントなどにおける熱交換器としても利用できる。

30…ガラスライニング管
35…環状流路
40…セラミックス伝熱管
45…カートリッジヒータ
50…接続部

Claims

プロセス流体が流入する流入口と加熱後の前記プロセス流体が流出する流出口を有する耐食性の管本体と、前記管本体中に、前記プロセス流体が通過する通路を隔てて、前記プロセス流体を加熱するための耐食性の伝熱管を備え、前記伝熱管の長手方向の一端が、前記管本体に固定されていることを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の構造を１モジュールとして、前記モジュールを流体的に複数個直列または並列に連続接続したことを特徴とする熱交換器。
請求項1又は２に記載の溶液の熱交換器において、前記伝熱管の内部に外部電源によって加熱されるヒータが埋め込まれていることを特徴とする熱交換器。
請求項1又は２に記載の溶液の熱交換器において、前記伝熱管の内部に外部から加熱媒体を供給し、前記伝熱管を加熱することを特徴とする熱交換器。
プロセス流体が流入する流入口と加熱後の前記プロセス流体が流出する流出口を有する管本体と、前記管本体中に、前記プロセス流体が通過する通路を隔てて、前記プロセス流体を加熱するための伝熱管を備え、前記伝熱管が前記管本体の中心部付近に配置されるように、前記伝熱管の長手方向の一端が前記管本体に固定されており、前記管本体が、母材金属に耐食性ライニングを施した管構造を有し、前記伝熱管がSiCセラミックス管から構成されていることを特徴とする熱交換器。
請求項５に記載の構造を１モジュールとして、前記モジュールを流体的に複数個直列または並列に連続接続したことを特徴とする熱交換器。
第１の流体が流入する流入口と熱交換後の前記第１の流体が流出する流出口を有する耐食性の管本体と、前記管本体中に、前記第１の流体が通過する通路を隔てて、前記第１の流体と熱交換するための耐食性の伝熱管を備え、前記伝熱管の内部には外部から第２の流体が供給され、前記第１の流体と前記第２の流体の間で熱交換が行われることを特徴とする熱交換器。
請求項７に記載の構造を１モジュールとして、前記モジュールを流体的に複数個直列または並列に連続接続したことを特徴とする熱交換器。