JP2024505162A - 螺旋流の触媒熱交換反応器 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱伝達管と中央混合ガス管の周囲に少なくとも１つの螺旋状の上昇流を有する、吸熱または発熱触媒反応を行うための触媒熱交換反応器に関する。

Description

本発明は、吸熱または発熱触媒反応を行うための触媒熱交換反応器に関する。特に、本発明は、流体の流れの少なくとも一部が螺旋状であり、熱伝達を改善しバランスをとる触媒熱交換反応器に関する。触媒熱交換反応器は、化学薬品製造プラントのような大型工場（大型プラント）の一部となることができる。

吸熱または発熱反応を実施するための触媒反応器は当該技術分野において周知であり、特定の例としては、炭化水素の吸熱水蒸気改質のための反応器および発熱メタノール合成のための反応器である（本発明の範囲をこれらの反応に限定するものではない）。反応は、典型的には、適切な固体触媒を装填した管内で行われ、反応物を含むプロセスガス流が高圧で通過する。複数の管が反応器内に配置される。管は触媒反応器の主軸に沿って平行に走り、一方、管の外側の熱交換媒体は管を加熱または冷却する。管の内側の固体触媒は、必要な化学反応が起こる触媒層を提供する。触媒は、固体粒子として、またはコーティングされた構造体として、例えば水蒸気改質反応器では管の内壁に固定された薄層として、または／および、管内に配置された金属構造体のような構造体に固定された薄層として提供されることができる。

複数の管からなる別の反応器構成では、熱交換媒体が内部を通過する間、固体触媒粒子は前記管（以下、熱伝達管ともいう）の外側に配置されることができる。熱伝達管の外側の固体触媒は、必要な化学反応が起こる触媒床を提供する。

熱伝達管および熱交換反応器のさらなるタイプが当技術分野で知られている。以下では、触媒を熱伝達管内に配置し、熱伝達管と反応器を実質的に垂直に配置した触媒熱交換反応器と熱伝達管を参照して本発明を説明する。しかし、本発明の範囲は、これらのタイプの管および反応器に限定されるものではない。用語「触媒反応器」、「熱交換反応器」および「反応器」という用語は、互換的に使用される。「触媒床」とは、前記床を形成し、熱伝達管の内部にある触媒の体積を意味する。「熱伝達管」および「管（チューブ）」という用語は、互換的に使用され、触媒反応を実施する目的で、触媒および熱交換媒体と接触する管（チューブ）を意味する。

触媒が熱交換媒体と間接的に接触するプロセスおよび反応器が、ＥＰ０２７１２９９から知られている。この引用文献は、水蒸気改質および自己熱改質を組み合わせた反応器およびプロセスを開示している。反応器の下部領域に配置された水蒸気改質ゾーンは、内部に触媒が配置された多数の管を含み、一方、反応器の上部領域には、水蒸気改質管の外側にオートサーマル改質触媒が配置されている。ＥＰ－Ａ－１１０６５７０は、多数の水蒸気改質管含み、間接熱交換により加熱される並列に接続された管状改質器（反応器）での水蒸気改質プロセスを開示している。触媒は、一方の反応器では水蒸気改質管の外側に配置され、他方の反応器では水蒸気改質管の内側に配置される。

ＷＯ０１５６６９０には、プロセスガス入口および出口ポートを備えた外殻と、それらの上端で支持された複数の反応管と、前記ヘッダ入口ポートから反応管の上端にプロセスガスを供給するためのヘッダ手段とを含む熱交換反応器が記載されており、前記手段は、前記外殻の上部を横切って配置された２つ以上の一次入口ヘッダを含み、各一次入口ヘッダは、その幅よりも大きい深さを有し、それにより、前記管は、前記一次入口ヘッダによって直接または間接的に、前記シェルに対して支持される。

ＥＰ１０４８３４３Ａは、触媒を保持する複数の管と、前記管内で反応流体との熱伝達を行うために熱伝達媒体が通されるシェル部と、上部管板および下部管板とを有し、前記管の上端は、前記上部管板の上側に固定された第１伸縮継手を介して前記上部管板に接合されている熱交換器型反応器を開示しており、前記チューブの下端は、フローティング可能な下部管板に直接固定され、前記下部管板と、その下側に接合された内側端板（内側ヘッド）とによって仕切られ、下部に開口を有するフローティング可能な部屋が形成され、前記開口は、第２の伸縮継手を介して、反応器外部へのチューブ側出口に接合される。

ＷＯ２００６１１７５７２は、炭化水素と水蒸気を含む混合ガスを通過させることができる、複数の垂直触媒充填管内に配置され、外部管表面の周囲を流れる熱交換媒体によって熱が伝達されることができる熱交換改質器を有する炭化水素の水蒸気改質のための装置であって、熱交換媒体が改質器を通る螺旋状の経路をたどるように、改質器内に１つ以上の螺旋状バッフルが設けられていることを特徴とする水蒸気改質のための装置を記載している。本装置を用いた炭化水素の水蒸気改質プロセスについても示されている。

ＵＳ３４００７５８は、チューブおよびシェル型熱交換器を開示しており、シェル側の流体は、螺旋状の経路でチューブ上を流れるようになっており、バッフル手段は、チューブの取り付けと取り外しを簡単にするために、チューブの軸に対して垂直な流れ制御面を有する、長手方向に間隔をあけたセグメントプレート要素の形で設けられている。

ＵＳ４３５７９９１には、ディスクとドーナツバッフル構成を有する熱交換器が記載されており、チューブは一組の同心のリングにレイアウトされる。各セットの各リングは、セットの他のリングと同数のチューブを含み、各リングのチューブは等間隔に配置されている。各リング内の各チューブは、各隣接リングの２つの隣接チューブ間の円周方向中間に位置し、各隣接リングの２つの隣接チューブそれぞれからリガメント間隔ｈだけ離れている。距離ｈは、リング間の半径方向間隔を変化させることにより、セット内のすべてのチューブについて一定に保たれ、セットの任意のリング内の任意の２つの隣接チューブ間の距離は、２ｈ以上とされる。したがって、一定であるリガメント間隔ｈは、隣接リング間の最小流量面積を決定し、したがって、チューブ束を通る質量流速は一定である。

ＵＳ３７３１７３３は、中央に管状の核を持つ円筒形の筐体を開示しており、これらの間には、筐体と核の間の容積を完全に占める、少なくとも２つの平行に重なり合う擬似螺旋状の経路に従って、第１の流体が流れる。この経路は、垂直の放射状の仕切りと水平のバッフルによって案内されるバッフルは、２つ（螺旋状ダブルフローバッフル）または３つ（螺旋状トリプルフローバッフル）の放射状パーティションによって相互に接続され、互いに連続して千鳥状に配置されたセグメント化されたカットアウトを有する。また、筐体と核の間の空間に設けられ、流路と組み合わせて機能するのが、第２の流体が流れる一連の平行管で、この管はバッフルを通過する。この交換器では、流体がよりよく導かれる結果、熱的性能が向上し、同時に出力が向上するだけでなく、管群の管の範囲を縮小することにより、機械的性能も大幅に向上する。また、包囲体と核との間の空間に設けられ、流路と組み合わされて働く、第２の流体が流れる一連の平行なチューブであって、前記チューブは、前記バッフルを通過する。この交換器は、流体のより良好な案内の結果としてのより高い熱的性能を可能にするだけでなく、同時に、管群の管の範囲の縮小によるかなりの機械的改良も可能にする。

ＥＰ１６６８３０６は、クロスフローの実質的に均一な速度を維持しながら、流体のクロスフローを螺旋状に案内するために、シェルの長手方向軸に対して斜めに配置された四分円状のバッフルを有するように構成された熱交換器を記載している。

ＥＰ０２７１２９９ ＥＰ－Ａ－１１０６５７０ ＷＯ０１５６６９０ ＥＰ１０４８３４３Ａ ＷＯ２００６１１７５７２ ＵＳ３４００７５８ ＵＳ４３５７９９１ ＵＳ３７３１７３３ ＥＰ１６６８３０６

公知技術にもかかわらず、さらなる改質のために一次改質プロセスの廃熱を追加改質に利用するというタスクに対して、より低コストの解決策を提供する触媒熱交換反応器が必要とされている。さらに、現在の設計よりも製造コストが低い触媒熱交換反応器が必要とされている。また、熱伝達管に必要な材料の量を削減できる触媒熱交換反応器も必要とされている。

本発明の目的は、前述の問題を解決し、ここで記載するようにさらに多くの利点を有する触媒熱交換反応器を提供することである。

これは、以下の説明および特許請求の範囲に記載される本発明による触媒熱交換反応器によって達成される。従って、本発明は、熱伝達管のシェル側に螺旋流を有する触媒熱交換反応器を構成し、触媒化学反応が最適に行われるために必要であるので、これは、全ての熱伝達管にほぼ同じ熱伝達を与えるように、すなわち熱伝達のバランスをとるように設計されている。

触媒熱交換反応器では、中心付近（つまり直径が小さい方）で流れが螺旋状に上昇し、支配的に最短距離を走ろうとするため、すべての熱伝達管に同じ熱伝達を行うことは困難である。このため、中心部に近い熱伝達管は熱量が多すぎ、外側シェルに近い熱伝達管は熱量が少なすぎる。

本発明による触媒熱交換反応器は、熱伝達管内に触媒を有するシェル－チューブ式熱交換器として設計されている。これは、各熱伝達管が（例えば、より複雑な同心二重管とは対照的に）単一の管である単管設計を有する。一実施形態においては、階段状バッフル、ジグザグ管パターン、管の束（チューブバンドル）の外周付近の流量制限プレート、外部還流ラインに代わる中心管を備えている。

触媒熱交換反応器内の流路は以下の通りである：プロセスガスは熱伝達管束の頂部に導入され、管内に配置された触媒を通過する。改質されたガスは、反応器の底部でより高温の熱交換ガス（例えばＡＴＲ）と混合され、温度を上昇させる。混合ガスは次に熱伝達管のシェル側を通過し、一実施形態においては２つの螺旋状の流れになり、管に熱を伝え、管内の吸熱プロセスを経て、頂部（管板の下）で触媒熱交換反応器の中心に導かれ、中央の混合ガス管を通って反応器から下降し流出する。

本発明による単一管設計は、現行の触媒熱交換反応器の設計に比べてコストを低減する。さらに、チューブの形状が単純であるため、他のタイプの既知の熱交換反応器で可能なものよりはるかに細い（直径が小さい）熱伝達管が可能になる。これにより、熱伝達管に必要な材料の量を減らすことができる。触媒熱交換反応器における螺旋流は、他の解決策と比較して、同じ負荷に対して圧力損失が低く、よりコンパクトな反応器設計の解決策を可能にする。バッフルが螺旋階段状に配置された実施形態においては、階段状の設計により、バッフルシステムを直線状の金属板を組み立てることで製造することができ、製造が簡素化される。多数の小さなステップを回転させることで、少数の大きなステップに比べて圧力損失が減少する。階段状設計の実施形態においては、移送管束の長さに沿ってバッフルの距離を変化させることができる。これは、バッフル距離を徐々に減少させ、流路断面積を減少させることにより、流れが管束に沿って冷却される際に混合ガス速度を維持または増加させるために使用することができる。しかしながら、本発明は、固定バッフル距離でも機能する。移送管束の外側にジグザグパターンの移送管レイアウトおよび／または流量制限プレートを設けた実施形態においては、レイアウトおよび流量制限プレートが流れを均一化するので、管対管の熱流束の変動が低減される。中央の混合ガス管は、触媒熱交換反応器の頂部から混合ガスを集め、混合ガスを底部に運んで反応器から排出する。これにより、外部還流ラインが不要となり、スペースとコストの両方が節約される。一実施形態においては、タイロッドを使用するのではなく、バッフルを所定の位置に保持するために外側シュラウドおよび／または内側シュラウドが使用される。内側シュラウドを備えた実施形態においては、中央混合ガス管の周囲に位置する内側シュラウドに穿孔が施され、内側シュラウドと中央ガス混合管との間の空間における中央混合ガス管の入口への熱バイパス流を排除する。この穿孔により、内側シュラウドと中央混合ガス管の間の空間を流れるガスは、螺旋流に流れるガスと常に混合／交換される。従って、混合ガスはすべて移送管束を強制的に通過し、内側シュラウドと中央ガス混合管との間のスタッフィングボックス（ｓｔｕｆｆｉｎｇ ｂｏｘ）の必要性は排除または低減される。

本発明の一実施形態においては、吸熱または発熱触媒反応を実施するための触媒熱交換反応器は、円筒セクション（円筒部）を有するシェルを含む。円筒セクションは、触媒熱交換反応器の主要部を構成し、ほとんどの場合、垂直方向に配置される。シェル内には、複数の垂直熱伝達管が配置されている。熱伝達管は、少なくとも一部が触媒で充填されており、触媒は、上述したように、任意の形状のペレットの形態でよく、触媒化されたハードウェア構造体の形態、および／または熱伝達管の内側への触媒コーティングの形態であってもよい。触媒が充填された熱伝達管を通して、プロセスガスが熱伝達管の上端から熱伝達管を通り、熱伝達管の下端まで通過することができる。触媒熱交換反応器は、熱伝達管の上端へのプロセスガスの流路を提供する少なくとも１つの上部プロセスガス入口をさらに備える。上部プロセスガス入口は、円筒状シェルの上部に配置されてもよいし、シェルの上部に配置されてもよい。さらに、触媒熱交換反応器は、少なくとも１つの下部熱交換ガス入口と少なくとも１つの下部混合ガス出口を有し、両者は熱伝達管の下方のシェル内に配置されてもよい。上部管板は、シェルの上部、円筒セクションの上部またはその上部に配置される。上部管板は、複数の熱伝達管を支持するように適合されている。支持体は、熱伝達管を水平方向にのみ支持し、垂直方向には移動可能な自由摺動支持体であってもよいし；または、熱伝達管の固定支持体、例えば溶接部、ねじ部、または任意の既知の固定支持体であってもよい。摺動支持体（スライディングサポート）の例としては、熱伝達管の外径よりわずかに大きい直径を持つ上部管板の開口部があり、これにより熱伝達管は上部管板に対して垂直方向には動くことができるが、水平方向にはほとんど動くことができない。別の例はスタッフィングボックスである。シェル内には、上部管板の下方に複数のバッフルが配置されている。バッフルは、複数の熱伝達管を支持するための開口部を有する。上部管板と同様に、熱伝達管のバッフル支持体は、固定支持でも摺動支持でもよく、一部の支持を固定支持とし、他の支持を摺動支持としてもよい。バッフルは、下部熱交換ガス入口からの熱交換ガスと、熱伝達管の下端から出る改質ガスとを含む混合ガスの流路を、シェル内および各熱伝達管の外側の周囲を流れる少なくとも１つの螺旋状の上昇流で提供する。バッフルの構造とシェル内および熱伝達管周囲の配置は、混合ガス流を少なくとも１つの螺旋状の上昇流に誘導する。この配置および構造の異なる実施形態を以下に規定するが、この実施形態は、バッフルの１つの単一の構造および配置に限定されず、この実施形態は、また、シェル内の１つまたは複数の螺旋状の別個の上昇流をも包含する。触媒熱交換反応器は、シェルの中央に垂直に配置され、頂部の入口端と底部の出口端とを有する中央混合ガス管をさらに備える。中央混合ガス管は、上部管板の下側に隣接する少なくとも１つの螺旋状上昇流の頂部から下部混合ガス出口までの混合ガスの流路を提供する。従って、少なくとも１つの螺旋状の上昇流が上部管板の下側に到達すると、それ以上螺旋状の上昇方向に流れることはできず；代わりに中央混合ガス管の頂部入口を介して中央混合ガス管に押し込まれる。頂部入口から混合ガスは中央混合ガス管を通って流下し、底部出口端を経由して中央混合ガス管から流出する。このように、螺旋流の場合には熱交換にあまり有効でない触媒熱交換反応器の中央部が、混合ガスの還流に利用される。公知技術の熱交換反応器では、これは通常、外部移送ラインによって処理されるが、これは高価であり、また熱的に断熱する必要があるため、かなりのスペースを必要とする。したがって、本発明による触媒熱交換反応器は、熱交換を促進し均一化するために熱交換管の周囲に螺旋状の上昇流を形成する利点と、上述した中心流還流管の利点を組み合わせたものである。

本発明の一実施形態において、本発明の触媒熱交換反応器は、炭化水素の触媒熱交換反応器の水蒸気改質である。本発明のさらなる実施形態において、複数のバッフルは、少なくとも１つの螺旋状に配置される。少なくとも１つの螺旋は、上述した螺旋状の上昇流を提供するように配置されるが、複数のバッフルの他の配置、例えば（プロペラのような）角度の付いた表面を有する水平バッフルや他の配置により、上昇螺旋流を提供することができるため、本発明はこの実施形態に限定されないことが理解されるべきである。

本発明の一実施形態においては、少なくとも１つの螺旋状の上昇流は中央混合ガス管の周囲を回り、バッフルは螺旋階段として配置された水平および垂直セグメントのセットを備える。混合ガスがシェルの下端から熱伝達管の間を流れるとき、流れは螺旋階段状に配置されたバッフルに合流し、そのため、流れは上向きの螺旋運動で強制的にシェルの下部から上部へ流れ；それが上部管板の下側に合流する前に、内側に強制的に押し込まれ、中央混合ガス管の上部入口端に流入する。水平セグメントと垂直セグメントのセットを備えたバッフルを含む実施形態においては、特に、バッフルの製造が容易であり、その結果、コストが低く、また、熱伝達管とバッフルの取り付けと設置が単純化されるという利点がある。

本発明の一実施形態においては、複数のバッフルは、１～４つの螺旋状の上昇流、好ましくは２つの螺旋状の上昇流を提供するように配置され、適合される。例えば、プロセスおよび他の前提条件に従って２つの螺旋状の上昇流が好ましい場合、複数のバッフルは、２つの螺旋階段として配置されてもよく、一方の螺旋階段の下端は、他方の螺旋階段の下端に対して１８０度回転して配置される。

本発明の一実施形態においては、少なくとも１つの螺旋状上昇流の完全な３６０度回転（３６０度ターン）が２～１６セットのバッフル、好ましくは８セットのバッフルで構成される。完全な３６０度回転のために選択されるバッフルの数は、特定の触媒熱交換反応器および特定のプロセスに依存し、それは、材料および建設コスト、圧力損失、熱伝達に対する要求に応じて変化し得、パラメータのいくつかを名付けることができる。

本発明の一実施形態においては、バッフル間の垂直距離は、少なくとも１つの螺旋状上昇流の頂部では、少なくとも１つの螺旋状上昇流の底部よりも小さい。シェルの底部では、混合ガスは比較的高温であり、従って密度は比較的低い。混合ガスが熱伝達管との熱交換関係において反応器内を上昇するにつれて、混合ガスは熱伝達管内の吸熱反応により冷却され、従って密度は上昇する。これを補うために、バッフル間の垂直距離は反応器内を上昇するにつれて減少させることができ、所望の熱交換を均等にして保持しようとすることができる。上述に関連する本発明の一実施形態においては、バッフル間の垂直距離は、少なくとも１つの螺旋状上昇流の下部から少なくとも１つの螺旋状上昇流の上部へ；すなわち熱伝達管の下部から熱伝達管の上部へ徐々に減少される。本発明のさらなる実施形態においては、最上部の垂直に隣接するバッフル間の垂直距離は５００ｍｍ未満であり、最下部の垂直に隣接するバッフル間の垂直距離は６００ｍｍより大きい。例えば、バッフルが階段状のデザインの場合、最上段のステップとその垂直下段のステップとの間の距離は５００ｍｍ未満であり、一方、最下段のステップとその垂直上段のステップとの間の距離は６００ｍｍ超である。具体的な距離は、特定のプロセスパラメータおよび特定の触媒熱交換反応器に応じて変えることができ、その反応器は、場合によっては、消費者から消費者の間で変化させることができる。

本発明の一実施形態においては、少なくとも１つの螺旋状上昇流は、少なくとも１つの螺旋状上昇流の下部から上部まで、１回～８回の完全な３６０度回転を行う。従って、上記の複数のバッフルは、混合ガス上昇流を、熱伝達管の下端部から熱伝達管の上端部まで、少なくとも１回から最大８回の完全な３６０度回転で制限し、強制するように配置されており、混合ガス流は、管板の下側に合流し、内側に強制され、中央混合ガス管の上側入口に入る。考察したように、これはバッフルの異なる設計と配置、例えば階段の設計によって達成されることができる。混合ガスが少なくとも１つの螺旋状上昇流で何回完全に３６０度回転するかは、触媒熱交換反応器が持つように設計された螺旋状上昇流の数と同様に、特定のプロセスパラメータと問題の特定の触媒熱交換反応器に依存する。

反応器の水平方向に沿った熱交換をさらに均等にするために、本発明の一実施形態においては、垂直熱伝達管間（垂直方向の熱伝達管間）の距離は、シェル周辺の近傍よりも中央の混合ガス管の近傍の方が短い。混合ガス流は螺旋状の上昇流運動を行うため、ガスは反応器の中心付近を「最短距離で走行」しようとする。これに対抗して、シェルの中心付近に配置されていてもまたはシェルの周辺付近に配置されていても、すべての熱伝達管の熱交換を均等にするために、中心付近の熱伝達管間の距離は、周辺付近の熱伝達管間の距離よりも相対的に小さくなっている。したがって、本発明のさらなる実施形態においては、垂直熱伝達管間の距離は、シェル周辺の近傍から中央の混合ガス管に向かって徐々に小さくなっている。より具体的には、本発明の一実施形態においては、垂直熱伝達管間の距離は、中央混合ガス管の近傍では５０ｍｍ未満であり、シェルの外周部の近傍では１００ｍｍ超である。

また、熱伝達管の外側を流れる混合ガスと熱伝達管内のプロセスガスとの間の熱交換を増加させ、均等にするために、本発明の実施形態においては、垂直熱伝達管は、シェルの接線方向から見るとジグザグ状に配置されている。従って、上向きに螺旋状に流れる混合ガスの方向から見た場合、混合ガスが熱伝達管間を流れるための直線的で「簡単かつ高速」な経路は存在しない。熱伝達管はシェルの接線方向にジグザグに配置されているため、螺旋状に流れる混合ガスは、その経路上で次の熱伝達管に合流する際に常に迂回することになり、熱伝達を増加させる。

本発明の一実施形態においては、触媒熱交換反応器は、中央混合ガス管を取り囲み、これに隣接する内側シュラウドをさらに備える。内側シュラウドは、上部管板に固定され、複数のバッフルの少なくとも一部を支持するように適合される。従って、内側シュラウドは複数のバッフルを支持することができる。本発明の一実施形態においては、内側シュラウドは穿孔されている。この穿孔は、中央混合ガス管と内側シュラウドとの間の空間においてバイパスしようとするガスが混合ガスと混合され、熱バイパスを最小化し、スタッフィングボックスの必要性をなくすか、または少なくとも最小化するという効果を有する。本発明のさらなる実施形態においては、内側シュラウドは、混合ガスの接線方向のバイパスを防止し、従って反応器内の熱伝達を強化するために、流量制限プレートのような流量制限器を備えることができる。

本発明の一実施形態においては、触媒熱交換反応器は、シェル内およびシェルに隣接して配置され、バッフルの少なくとも一部に支持を提供するように適合された外側シュラウドも備える。シュラウドがバッフルを支持するように、バッフルは先に説明したように熱伝達管を支持することができる。外側シュラウドは、一実施形態においては、内側シュラウドに関連して前述したような効果を有する流れ制限プレートを備えることができる。

本発明の一実施形態においては、熱伝達管内の触媒は粒子を含み、垂直熱伝達管は触媒粒子の最大外径の１～１．９倍の内径を有する。従って、熱伝達管は、水平断面において各々１個の触媒粒子のみを支持するように非常に狭く構成することができる。これは、熱交換および触媒プロセスにとって有利であり、チューブの単純な形状（二重チューブではない）により、当該技術分野で知られているよりもはるかに細いチューブを可能にし、実現可能である。垂直熱伝達管が、触媒粒子の最大外径寸法の１～３．５倍の内径を有する実施形態など、他の実施形態も使用できることを理解されたい。

このように、本発明による熱交換反応器は、流れの回転のために容積を使用せず、シャドー効果（構造物の背後、風下側の流れが最適でない）が少なく、螺旋流と中央混合ガス管により、特に管への熱伝達がより均一であるため、当該技術分野で知られているよりもはるかにコンパクトな反応器設計を提供する。

本発明の特徴
１．吸熱または発熱触媒反応を実施するための触媒熱交換反応器であって、
円筒セクション（円筒形セクション）を有するシェル、
少なくとも一部が触媒で充填され及び前記シェル内に配置された複数の垂直熱伝達管であって、プロセスガスが該熱伝達管の上端から該熱伝達管の下端まで通過し得る垂直熱伝達管、
熱伝達管の上端へのプロセスガスの流路を提供する少なくとも１つの上部プロセスガス入口、
少なくとも１つの下部熱交換ガス入口、
少なくとも１つの下部混合ガス出口、
複数の熱伝達管を支持する上部管板、
シェル内で上部管板の下方に配置された複数のバッフルであって、複数の熱伝達管を支持するように適合された開口部を有し、および下部熱交換ガス入口からの熱交換ガスと熱伝達管の下端から出る改質ガスを含む混合ガスの流路を、シェル内および熱伝達管の各々の外側の周囲を流れる少なくとも１つの螺旋状の上昇流で、提供するように適合されている複数のバッフル
を含み、
ここで、前記触媒熱交換反応器が、頂部の入口端と底部の出口端とを有するシェルの中央に垂直に配置された中央混合ガス管をさらに含み、前記中央混合ガス管が、上部管板の下側に隣接する少なくとも１つの螺旋状上昇流の頂部から下部混合ガス出口までの混合ガスの流路を提供するように適合されている、上記触媒熱交換反応器。

２．前記触媒熱交換反応器が、炭化水素の水蒸気改質触媒熱交換反応器であることを特徴とする特徴１に記載の触媒熱交換反応器。

３．複数のバッフルが少なくとも１つの螺旋に配置されている、先行する特徴のいずれかに記載の触媒熱交換反応器。

４．少なくとも１つの螺旋状の上昇流が中央混合ガス管の周囲を回り、バッフルが螺旋階段として配置された水平および垂直セグメントのセットを含む、先行する特徴のいずれかに記載の触媒熱交換反応器。

５．複数のバッフルが、１～４つの螺旋状上昇流、好ましくは２つの螺旋状上昇流を提供するように配置され、適合されている、先行する特徴のいずれかに記載の触媒熱交換反応器。

６．少なくとも１つの螺旋状上昇流の完全な３６０度回転が、２～１６セットのバッフル、好ましくは８セットのバッフルを含む、特徴４または５に記載の触媒熱交換反応器。

７．バッフル間の垂直距離が、少なくとも１つの螺旋状上昇流の頂部では、少なくとも１つの螺旋状上昇流の底部よりも小さい、先行する特徴のいずれかに記載の触媒熱交換反応器。

８．バッフル間の垂直距離が、少なくとも１つの螺旋状上昇流の下部から少なくとも１つの螺旋状上昇流の上部に向かって徐々に減少している、先行する特徴のいずれかに記載の触媒熱交換反応器。

９．最上部の垂直に隣接するバッフル間の垂直距離が５００ｍｍ未満であり、最下部の垂直に隣接するバッフル間の垂直距離が６００ｍｍより大きい、先行する特徴のいずれかに記載の触媒熱交換反応器。

１０．少なくとも１つの螺旋状上昇流が、少なくとも１つの螺旋状上昇流の下部から上部までに１～８回の完全な３６０度回転を行う、先行する特徴のいずれかに記載の触媒熱交換反応器。

１１．垂直熱伝達管間の距離が、シェル周辺の近傍よりも中央の混合ガス管での近傍の方が短い、先行する特徴のいずれかに記載の触媒熱交換反応器。

１２．垂直熱伝達管間の距離が、シェルの周辺の近傍から中央の混合ガス管に向かって徐々に小さくなっている、先行する特徴のいずれかに記載の触媒熱交換反応器。

１３．垂直熱伝達管間の距離が、中央混合ガス管の近傍で５０ｍｍ未満であり、シェルの周辺の近傍で１００ｍｍ超である、先行する特徴のいずれかに記載の触媒熱交換反応器。

１４．垂直熱伝達管が、シェルの接線方向から見てジグザグ状に配置されている、先行する特徴のいずれかに記載の触媒熱交換反応器。

１５．中央混合ガス管を取り囲み、隣接し、上部管板に固定され、複数のバッフルの少なくとも一部を支持するように適合された内側シュラウドをさらに含む、先行する特徴のいずれかに記載の触媒熱交換反応器。

１６．内側シュラウドが穿孔されていることを特徴とする、特徴１５に記載の触媒熱交換反応器。

１７．シェル内およびシェルに隣接して配置され、バッフルの少なくとも一部に支持を提供するように適合された外側シュラウドをさらに含む、先行する特徴のいずれかに記載の触媒熱交換反応器。

１８．内側シュラウド、外側シュラウド、または内側シュラウドおよび外側シュラウドの両方が、流れ制限プレートを備える、特徴１５、１６または１７に記載の触媒熱交換反応器。

１９．触媒は粒子を含み、垂直熱伝達管が触媒粒子の最大外寸の１～１．９倍の内径を有する、先行する特徴のいずれかに記載の触媒熱交換反応器。

以下、図面に示す本発明のいくつかの実施形態を参照して、本発明をさらに詳細に説明する：
図１は、本発明の一実施形態による触媒熱交換反応器における内部の一部を切断した等角側面図である。
図２は、本発明の一実施形態による触媒熱交換反応器における内部の一部を切断して示す側面図である。
図３は、本発明の一実施形態による触媒熱交換反応器における内部の一部の断面図である。

ポジション番号の概要
１００． 熱伝達管
１０１． 上部管板
１０２． バッフル
１０３． バッフル開口部
１０４． 中央混合ガス管
１０５． 頂部の入口端
１０６． 底部の出口端
１０７． 螺旋
１０８． 水平セグメント
１０９． 垂直セグメント
１１０． 内部シュラウド
１１１． 内部シュラウド出口開口部
１１２． 外部シュラウド
１１３． 流量制限プレート

以下は、本発明のいくつかの具体的な実施形態に過ぎないことを理解されたい。上記でも説明したように、例えば、螺旋状の上昇流を提供する他のバッフル設計の範囲など、本発明のさらなる実施形態が対象となる。

図１において、本発明の実施形態による吸熱または発熱触媒反応を実施するための触媒熱交換反応器の内部の一部が、一部切断された等角側面図で示されている（内部の他の部分をより明確に示すために、熱伝達管の一部が切り取られている）。図示された内部は、当該技術分野で知られているように、円筒セクション（図示せず）を有するシェル内に設置されていることを理解されたい。複数の熱伝達管１００が、シェルの円筒セクションの少なくとも一部に垂直に配置されている。熱伝達管は、熱伝達管の上端から下端まで、熱伝達管内をプロセスガスが通過することを可能にし、熱伝達管を少なくとも部分的に満たす触媒（図示せず）を通過させる。プロセスガスは、シェルの上部に配置された少なくとも１つの上部プロセスガス入口（図示せず）を介して熱伝達管に供給され、さらに熱伝達管を取り囲み、したがって熱伝達管を支持する管板の開口部を経由して上部管板１０１を通じて供給される。この支持体は、摺動式（熱伝達管を水平方向の動きに対してのみ支持する）であってもよいし、固定式であってもよく、前述したように熱伝達管を水平方向と垂直方向の両方で支持することができる。示されている通り、熱伝達管は互いに密着して配置されているが、以下でさらに詳しく説明するように、熱伝達管の外側側面の周りに、熱伝達管の間をガスが流れるのに十分な幅で離れている。プロセスガスは熱伝達管の全長を通り、シェル下部の熱伝達管の下端から排出される。ここでプロセスガスは、少なくとも１つの下部熱交換ガス入口（図示せず）を介してシェル下部に流入する相対的に高温の熱交換ガスと混合される。

熱交換ガスはプロセスガスと混合し、したがって、（プロセスガスに対して）高温になった混合ガスは、熱伝達管の外側の周囲でシェル内をとおって上昇して流れる。混合ガスの上昇流は、複数のバッフル１０２によって制限され、案内される。バッフルは、水平セグメント１０８と垂直セグメント１０９のセットからなり、この実施形態においては、ほぼ螺旋状１０７、螺旋階段形状に配置され、混合ガス流をシェル内と各熱伝達管の外側の周囲で少なくとも１つの螺旋状の上昇流に制限し案内し、これにより、高温の混合ガスから熱伝達管壁を通して熱伝達管内の低温のプロセスガスへの効果的で均一な熱伝達が保証され、少なくとも部分的に触媒が充填された熱伝達管内で行われる吸熱触媒反応に熱が供給される。バッフルの螺旋階段形状は、流れをほぼ理想的な上向きの螺旋運動に導くと同時に、バッフルと熱伝達管の比較的簡単な製造および設置を可能にする。水平セグメントは、熱伝達管に対して垂直なバッフル面を確保するため、熱伝達管を支持し通過させるバッフルの開口部１０３は単純な円形形状とすることができ；垂直セグメントは開口部を必要とせずに熱伝達管の間を通過させることができる。

さらに、階段状の設計により、触媒熱交換反応器に設置する前に、２つ以上のセグメントを予め組み立てておくことができ、２つのセグメントの組み立ては、例えば、平板を単純に曲げるだけであってもよく、コスト効率のよい生産が可能となる。バッフルの段数／セグメントの数は、特定の反応器のサイズおよびプロセスに応じて、他の要因の中でも特にコストと最適な混合ガス流との間を考慮して変化させ、選択することができる。本発明のこの実施形態においては、バッフルの少なくとも一部は、シェルの中心軸の周囲に配置された円筒形の内側シュラウド１１０に固定されている。上部において、内側シュラウドは内側シュラウド出口開口部１１１を構成し、混合ガスが螺旋の頂部に達したときに通過することを可能にし、混合ガスが流入プロセスガスと相互作用するのを防ぐために、それ以上の上昇流は上部管板によって遮断される。内側シュラウド出口開口部を介して、熱交換されたより低温の混合ガスは、中央混合ガス管１０４の頂部入口端１０５（図３参照）を通って出て行く。中央混合ガス管は、触媒熱交換反応器の下部にある底部出口端１０６から混合ガスが出ることを可能にする。これにより、反応器への外部移送ラインの必要性がなくなる。外部移送ラインは、接続、絶縁、支持を必要とし、全プロセス圧力に耐えるように重い壁で設計されるため、プラントスペースを占有し、内部の中央混合ガス管よりもかなり高価になる。中央混合ガス管の「コスト」も、螺旋状上昇流の中央部が円形断面積の中で熱交換に最も効果的でない部分であるため、熱交換プロセスに対して比較的低い。

図２は、触媒熱交換反応器の同じ本発明の実施形態を、等角側面図の代わりに一部切断した側面図でのみ示している。特徴は図１と同じであるが、この側面図では、熱伝達管束の最下部に、一方が他方に対して断面積で１８０度回転した２つの水平バッフルセグメントが示されているため、この実施形態が２つの螺旋階段状に配置されたバッフルで構成されていることがより明確に分かる。このように、この実施形態においては、混合ガスは２つの螺旋状上昇流で流れる。

図３において、断面図は、図１および図２を参照して上述したような特徴およびいくつかのさらなる特徴を示す本発明の実施形態による触媒熱交換反応器の一部を示す。円形デザインの最も内側に、中央混合ガス管が、上述したように頂部入口端１０５を形成するその上部がそのまま（管を通して）認識できる。中央混合ガス管の周囲には、前述のようにバッフルを支持する内側シュラウドが認識できる。中央混合ガス管と内側シュラウドとの間の空隙は、断熱材で充填することができる。この図では、熱伝達管の配置が見える。熱伝達管がある程度ジグザグに配置され、混合ガスが螺旋状に流れる際に常に方向転換を余儀なくされ、熱伝達が促進されているのがわかる。この熱伝達管の配置は、垂直バッフル、この実施形態においては、シェルの円形断面の周囲に８箇所の垂直バッフルのためのスペースも確保しやすくしている。さらなる別のシュラウドである外側シュラウド１１２も示されており、円筒形の外側シュラウドの内側に配置された流れ制限プレート１１３は、混合ガス流が熱伝達管の外周で熱伝達管をバイパスするのを制限する。

Claims (19)

1. 吸熱または発熱触媒反応を実施するための触媒熱交換反応器であって、
   ・円筒セクションを有するシェル、
   ・少なくとも一部が触媒で充填され及び前記シェル内に配置された複数の垂直熱伝達管であって、プロセスガスが該熱伝達管の上端から該熱伝達管の下端まで通過し得る垂直熱伝達管、
   ・熱伝達管の上端へのプロセスガスの流路を提供する少なくとも１つの上部プロセスガス入口、
   ・少なくとも１つの下部熱交換ガス入口、
   ・少なくとも１つの下部混合ガス出口、
   ・複数の熱伝達管を支持する上部管板、
   ・シェル内で上部管板の下方に配置された複数のバッフルであって、複数の熱伝達管を支持するように適合された開口部を有し、および下部熱交換ガス入口からの熱交換ガスと熱伝達管の下端から出る改質ガスを含む混合ガスの流路を、シェル内および熱伝達管の各々の外側の周囲を流れる少なくとも１つの螺旋状の上昇流で、提供するように適合されている複数のバッフル
   を含み、
   ここで、前記触媒熱交換反応器が、頂部の入口端と底部の出口端とを有するシェルの中央に垂直に配置された中央混合ガス管をさらに含み、前記中央混合ガス管が、上部管板の下側に隣接する少なくとも１つの螺旋状上昇流の頂部から下部混合ガス出口までの混合ガスの流路を提供するように適合されている、上記触媒熱交換反応器。
2. 前記触媒熱交換反応器が、炭化水素の水蒸気改質触媒熱交換反応器であることを特徴とする請求項１に記載の触媒熱交換反応器。
3. 複数のバッフルが少なくとも１つの螺旋に配置されている、請求項１または２のいずれかに記載の触媒熱交換反応器。
4. 少なくとも１つの螺旋状の上昇流が中央混合ガス管の周囲を回り、バッフルが螺旋階段として配置された水平および垂直セグメントのセットを含む、請求項１～３のいずれかに一つに記載の触媒熱交換反応器。
5. 複数のバッフルが、１～４つの螺旋状上昇流、好ましくは２つの螺旋状上昇流を提供するように配置され、適合されている、請求項１～４のいずれかに一つに記載の触媒熱交換反応器。
6. 少なくとも１つの螺旋状上昇流の完全な３６０度回転が、２～１６セットのバッフル、好ましくは８セットのバッフルを含む、請求項４または５に記載の触媒熱交換反応器。
7. バッフル間の垂直距離が、少なくとも１つの螺旋状上昇流の頂部では、少なくとも１つの螺旋状上昇流の底部よりも小さい、請求項１～６のいずれかに一つに記載の触媒熱交換反応器。
8. バッフル間の垂直距離が、少なくとも１つの螺旋状上昇流の下部から少なくとも１つの螺旋状上昇流の上部に向かって徐々に減少している、請求項１～７のいずれかに一つに記載の触媒熱交換反応器。
9. 最上部の垂直に隣接するバッフル間の垂直距離が５００ｍｍ未満であり、最下部の垂直に隣接するバッフル間の垂直距離が６００ｍｍより大きい、請求項１～８のいずれかに一つに記載の触媒熱交換反応器。
10. 少なくとも１つの螺旋状上昇流が、少なくとも１つの螺旋状上昇流の下部から上部までに１～８回の完全な３６０度回転を行う、請求項１～９のいずれかに一つに記載の触媒熱交換反応器。
11. 垂直熱伝達管間の距離が、シェル周辺の近傍よりも中央の混合ガス管の近傍での方が短い、請求項１～１０のいずれかに一つに記載の触媒熱交換反応器。
12. 垂直熱伝達管間の距離が、シェルの周辺の近傍から中央の混合ガス管に向かって徐々に減少している、請求項１～１１のいずれかに一つに記載の触媒熱交換反応器。
13. 垂直熱伝達管間の距離が、中央混合ガス管の近傍で５０ｍｍ未満であり、シェルの周辺の近傍で１００ｍｍ超である、請求項１～１２のいずれかに一つに記載の触媒熱交換反応器。
14. 垂直熱伝達管が、シェルの接線方向から見てジグザグ状に配置されている、請求項１～１３のいずれかに一つに記載の触媒熱交換反応器。
15. 中央混合ガス管を取り囲み、隣接し、上部管板に固定され、複数のバッフルの少なくとも一部を支持するように適合された内側シュラウドをさらに含む、請求項１～１４のいずれかに一つに記載の触媒熱交換反応器。
16. 内側シュラウドが穿孔されていることを特徴とする、請求項１５に記載の触媒熱交換反応器。
17. シェル内およびシェルに隣接して配置され、バッフルの少なくとも一部に支持を提供するように適合された外側シュラウドをさらに含む、請求項１～１６のいずれかに一つに記載の触媒熱交換反応器。
18. 内側シュラウド、外側シュラウド、または内側シュラウドおよび外側シュラウドの両方が、流れ制限プレートを備える、請求項１５、１６または１７に記載の触媒熱交換反応器。
19. 触媒は粒子を含み、垂直熱伝達管が触媒粒子の最大外寸の１～１．９倍の内径を有する、請求項１～１８のいずれかに一つに記載の触媒熱交換反応器。

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