JP3481634B2 - 熱を供給する方法 - Google Patents

熱を供給する方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、吸熱反応を促進するため、または感知でき
る熱として取り出すための熱を供給する方法に関する。
本発明によれば、吸熱反応を促進するため、または感
知し得る熱として取り出すための熱を供給する方法が提
供される。
この方法は、第一の入口手段および第一の出口手段を
有する第一の通路手段であって、該第一の通路手段に沿
って前記第一の入口手段から前記第一の出口手段の方へ
と流れる流体を考慮したときに、前記第一の通路手段は
該通路手段の下流部分につながる上流部分を有する第一
の通路手段と、第二の入口手段および第二の出口手段を
有する第二の通路手段と、第三の入口手段および第三の
出口手段を有する第三の通路手段と、前記第一の通路手
段の上流部分と前記第二の通路手段との間、および前記
第一の通路手段の下流部分と前記第三の通路手段との間
に設けられた熱伝導性の壁手段とを用意することと； 可燃性ガスおよび酸化剤を前記第一の通路手段の上流
部分に導入し、前記燃料ガスおよび酸化剤を、前記第二
の通路手段から前記壁手段を通して伝えられる熱で加熱
することと； 前記第一の通路手段の下流部分において、前記可燃性
ガスを前記酸化剤で燃焼させることと； 生じた燃焼生成物を前記第二の通路手段の前記第二の
入口手段に供給し、この燃焼生成物を前記第二の通路手
段に沿って前記第二の出口手段へと流し、前記可燃性生
物は熱を放出し、該熱は前記壁手段を介して前記第一の
通路手段の上流部分を介して伝えられ、前記可燃性ガス
および酸化剤を更に加熱することと； （ｉ）１以上の流体物質を、前記第三の入口手段を通
して前記第三の通路手段に導入し、前記第一の通路手段
の下流部分から前記壁手段を介して伝わる熱を用いて吸
熱化学反応を受けさせ、その反応生成物を前記第三の出
口手段から出し、または（ii）加熱可能な流体を前記第
三の通路手段に導入して、前記第一の通路手段の下流部
分から前記壁手段を介して伝わる熱を受け取らせ、該加
熱可能な流体は、加熱された後に感知できる熱を保持し
て前記第三の通路手段を通して外に出ることとを具備す
る。
次に、添付の図面を参照して、実施例により本発明を
更に説明する。
図１は、本発明による方法の実施に使用するための、
二つのプレートを具備した熱交換ステージの側面図であ
る。
図２は、図１における熱交換ステージの反対側の側面
図である。
図３は、図１のIII−III線に沿った断面図であり、一
つのプレートを断面で示している。
図４は、図１のIV−IV線に沿う断面図であり、他のプ
レートを断面で示している。
図５は、本発明による方法を実施するための図１の複
数の熱交換器を具備する装置を一部断面で示す図であ
り、図５の断面部分は図６のＶ−Ｖ線上のものである。
図６は、図５のVI−VI線に沿った断面図である。
図７は、図５のVII−VII線に沿った断面図である。
添付の図面を参照すると、熱交換器２は、一対のプレ
ート状ステージ４および６によって形成されており、こ
れらステージ４、６は図示のように矩形であってもよ
い。各ステージ４および６は、頂部が開いた形態のもの
であり、夫々、基底部８、10を備えている。ステージ４
はその三つの側面の回りに周囲壁12を有している。この
周囲壁12は入口開口部14を有し、該入口開口部14は、壁
18によってその一部が規定された入口通路16に通じてい
る。該入口通路16はマニホルド領域20に通じており、該
マニホルド領域20からは、少なくとも一部が壁24によっ
て規定された通路22が、ステージ４の開放側面26に通じ
ている。ステージ４を通る流体の流れは、入口開口部14
から開放側面26の出口へと、矢印26で示す一つまたは複
数の経路を流れる。以下での説明のために、ステージ４
における通路は、概略的に仮想線によって夫々区画つま
り指示した、通路部分30および通路部分32によって形成
されるとみなすことができる。流体の流れ28の方向に対
して、通路部分30は上流部分であり、通路部分32は下流
部分である。ステージ６は、基底部10の三つの側部を取
り囲む周囲壁34を有しており、該周囲壁34は入口開口部
36、38および出口開口部40を有している。ステージ６は
壁42によって実質的に半分に分割され、その一方は仮想
線で区画つまり指示した通路部分44であり、他の側は更
に別の仮想線で区画つまり指示した通路部分46である。
通路部分44は、マニホルド領域48、50を具備しており、
その間には、壁54によって少なくともその一部が規定さ
れた通路52が延出し、またマニホルド50からは出口通路
58が出口開口部40へと延びている。通路部分44を通る流
体の流れは、矢印60で示した一つまたは複数の経路を流
れることができる。通路部分46は入口マニホルド領域62
を含んでおり、該マニホルド領域50からは、壁66によっ
て少なくともその一部が規定された通路64が、ステージ
６の開放側部68へと通じている。通路部分46を通る流体
の流れは、矢印70で示す経路を流れる。
ステージ４、６は、例えば金属のような如何なる適切
な熱伝導性材料で形成してもよく、ステンレス鋼または
セラミック材料であってもよい。セラミック材料は、金
属と同様に、ステージ４、６を形成するように成形して
もよい。或いは、金属ブロックをエッチング、研削もし
くは機械加工し、または切断してステージ４、６を形成
してもよい。また、ステージ４、６は、シートまたはス
トリップ材料の部品を実質的に気密に接合（シートまた
はストリップ金属の場合には、例えば蝋付けまたは溶接
により）することによって形成してもよい。
図１、図２に示すように、熱交換器２は、前記ステー
ジ４を前記ステージ６の頂部に気密に接着することによ
って形成され、これにより通路52、58、64及び領域48、
50、62が、ステージ４の基底部８によって形成される。
好ましくは、複数の熱交換器２が上下にスタックとし
て積み重ねられ、該スタックの最上部のステージ４には
適切なカバーを設けて、最上部のステージ４における通
路16、22および領域20の上部壁を形成し、当該スタック
の各下部テージ４は、該ステージ４の直上にあるステー
ジ６の基底部10によって覆われている。
熱交換器２のスタックが図５〜図７に示されており、
格納シェルつまり圧力容器70の内部に、平坦な頂部壁お
よび底部壁74、76と、湾曲した側壁78、80と、半球状の
端部壁82、84とを有している。圧力容器72の頂部壁74
は、最上部ステージ４における通路および領域のための
上部壁を形成するのに対して、当該スタックにおける最
下部ステージ６の基底部10（図１および図４）は、該容
器72の底部壁76の上に設置される。気密で且つ離間した
仕切り板86、88、90および92、94、96が、当該スタック
の両側を下方に延びている。仕切り板88および90の間の
領域98は、ステージ４における入口開口部への入口マニ
ホルドとして機能し、該入口マニホルド98は、その中へ
の入口100を有している。仕切り板86と88との間の領域1
02は、ステージ６における出口開口部40のための出口マ
ニホルドとして機能し、該出口マニホルド102は、その
外への出口104を有している。仕切り板92と94との間の
領域106は、ステージ６における入口開口部36のための
入口マニホルドとして機能し、該入口マニホルド106
は、その中への入口108を有している。仕切り板94と96
との間の領域110は、ステージ６における入口開口部38
のための入口マニホルドとして働き、該入口マニホルド
110は入口112を有している。仕切り板86、92と圧力容器
70の端部壁84との間は、ステージ４の開放側部26にある
出口開口部（図１、図２、図３）のための出口マニホル
ドとして機能する領域114であり、該出口マニホルド114
は出口116を有している。仕切り板90および96と圧力容
器70の端部壁82との間は、ステージ６の開放側部68にあ
る出口開口部（図１、図３、図４および図５）のための
出口マニホルドとして機能する領域118であり、該出口
マニホルド118は出口120を有している。
適切な供給源112からの燃料または可燃性ガス、例え
ば天然ガスまたはメタンガスと、適切な供給源123から
の酸化剤、例えば空気または酸素が、各ステージ４の通
路部分30内で（以下で説明する方法で）加熱されるべき
混合物のための燃焼ガス／酸化剤混合物の点火温度未満
の温度で、入口100に供給される。ステージ４の通路1
6、20、22は、炎の伝播を防止するために十分小さい寸
法であればよい。その代わりに、またはそれに加えて、
ガスの流速を、燃焼の逆方向への伝播を防止するために
十分に大きく維持することができる。ステージ４におけ
る通路部分30から、加熱された可燃性ガス／酸化剤混合
物が、ステージ４の通路部分32における通路22に沿って
流れ、そこでは、通路部分32における通路22部分内の適
切な触媒手段によって該混合物の燃焼が促進される。こ
の触媒手段は、粒状または顆粒状で与えられてもよく、
または通路22の壁のコーティングとして与えられていも
よい。燃焼生成物は出口マニホルド116に導入され、そ
こから導管124を通って入口112へと運ばれ、更にそこか
らマニホルド110を通ってステージ６の通路64（図４）
の中へと通過し、次いで出口68（図４および図５）を通
ってマニホルド118へと流れ去り、出口120を通って出て
行く。ステージ６の通路部分46中での燃焼生成物からの
熱は、基底部８を横切って、入ってくる可燃性ガスおよ
び酸化剤の混合物に移され、該混合物を加熱する。出口
120から出ていくガスからの熱は、適切な熱交換手段に
よって回収すればよい。
適当な供給源126から熱（好ましくはステージ４の通
路部分32中で発生した熱の大部分）を吸収できる流体の
流れが、導管128を通り、マニホルド106を通ってステー
ジ６の通路部分44に供給され、マニホルド102、回収及
び／又は更なる処理のための出口104を通って出て行
く。供給源126によって供給される流体は、ある物質ま
たは物質の混合物であってもよく、また吸熱化学反応を
受けることができる液体または気体であってもよく、或
いは、該流体はステージ４の通路部分32の基底部８を横
切って伝えられる熱を感知できる熱として取り出しても
よい。適当な吸熱反応の例は、少なくとも一つの炭化水
素（エタン、プロアンもしくはブタン、またはこれらの
少なくとも二つを含む混合物）のオレフィンまたはジエ
ンへの脱水素反応、１以上のパラフィン類の脱水素反
応、炭化水素類の芳香族化合物への変換、および水素お
よび炭素酸化物を製造するための炭化水素類（例えば実
質的にメタン）の水蒸気リフォーミングである。これら
反応を促進するために、ステージ６の通路部分44の中に
適切な触媒手段を設けてもよく、この触媒手段は粒子も
しくは顆粒の形態で設けてもよく、または通路48、52、
58、60（図４）の壁上にコーティングしてもよい。触媒
手段無しの別の吸熱反応は、オレフィン類を製造するた
めの炭化水素類の熱クラッキング、例えば、エタン、プ
ロパンまたは他のパラフィン類の、エチレンおよび他の
生成物への変換である。感知できる熱としての熱の取り
出しの一例は、入口マニホルド106の中に供給される水
から、ステージ６の通路部分44の中で水蒸気を発生する
ことであるが、水以外の他の流体を用いてもよく、また
気化される必要はない。
ステージ６における通路52、58および領域48、62は、
所望の反応を行なうための更に長くまたは短い滞留時間
を与えるために、通路16、22および領域20より深くても
浅くてもよい。
導管124によって運ばれる可燃性生成物は、外部処理
手段127の中での処理を受けてもよい。該処理手段は、
可燃性ガスの燃焼を完結させるため、及び／又は入口11
2に導入されるガスの温度を変化させる熱交換を行うた
めの、断熱的触媒ゾーンであり得る。導管124にガスを
添加し、または該導管からガスを取り出すための手段13
0および132を設けてもよい。これら一以上の装置によっ
て入口112に供給される導管124内のガスは、入口100を
通って供給される可燃性ガスおよび酸化剤に対して、所
望量の予備加熱を与えるための適切な温度であればよ
い。特に、手段130または132によって導管124に熱ガス
を添加すること、および、所望の場合は、通路22を通る
可燃性ガスおよび酸化剤の流れを変化もしくは減少させ
ることによって、始動時にステージ４の通路部分を加熱
する便利なモードを提供することができる。
図３および図４を参照して説明した構成において、通
路52の中の流体は、通路22の中の流体に対して並流で流
れる。しかし、開口部104を入口に使用し、開口部108を
出口に使用することによって、通路52の中の流体は、矢
印60とは逆向き、即ち、通路22の中の流れに対して向流
にすることができる。
当業者は、通路52、58を通路22の方向に対して横断方
向に、または交差させて配置できることを容易に理解す
るであろう。
ここで開示した装置は以下の利点を有している。
（Ａ）ステージ４および６を、大気圧とステージ４およ
び６の内部の圧力との間の圧力差に完全に耐える機械的
強度を持たない材料で構成することができる。容器70内
部の材料は、通路部分44の圧力と通路部分30、32、46中
の通常の圧力との間の圧力差に耐えなければならないだ
けであり、またこれらの圧力差を小さくすることができ
る。
（Ｂ）マニホルド114および110の中の燃焼生成物は、大
気中への漏出が危険でないように、外部では可燃の範囲
外であるようにすることができる。
（Ｃ）可燃性ガスと酸化剤その混合は比較的低温で行う
ことができ、次いで、この混合物は通路22に沿って、通
路部分32により形成された燃焼領域へと運ばれ、ここで
燃焼温度に達する。通路部分30の通路22を狭くして、炎
トラップを形成してもよい。
（Ｄ）通路部分44で行われる吸熱反応がNOX形成を促進
する高燃焼温度に達しないように、通路部分30の燃焼領
域から迅速に熱を取り出す。
所望であれば、圧力容器70を省略してもよい。この場
合、ステージ４および６は、適切な耐圧材料で形成しな
ければならず、また領域98、102、106、110、114および
118の代わりに適切なマニホルドを設けらなければなら
ないであろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｃ０１Ｂ 3/38 Ｃ０１Ｂ 3/38 Ｃ０７Ｃ 5/32 Ｃ０７Ｃ 5/32 11/02 11/02 11/12 11/12 Ｃ１０Ｇ 9/00 Ｃ１０Ｇ 9/00 35/00 35/00 (56)参考文献 特開 平５−43201（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−47402（ＪＰ，Ａ) 特表 平３−504761（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B01J 8/00 - 8/46 B01J 12/00 - 12/02 B01J 19/00 - 19/32 F28D 9/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】吸熱反応を促進するため、または潜熱とし
    て取り出すための熱を供給する方法であって、 第１の入口手段（14）と第１の出口手段（26）とを有す
    る第１の通路手段（22）であって、前記第１の通路手段
    （22）が、該第１の通路手段（22）に沿って前記第１の
    入口手段（14）から前記第１の出口手段（26）に向かう
    流体流れの向きからみて前記第１の通路手段（22）の下
    流部分（32）に通じる上流部分（30）を有する第１の通
    路手段（22）と、第２の入口手段（38）と、第２の出口
    手段（68）とを有する第２の通路手段（64）と、第３の
    入口手段（36）と、第３の出口手段（40）とを有する第
    ３の通路手段（52）と、前記第１の通路手段（22）の前
    記上流部分（30）と前記第２の通路手段（64）との間
    に、及び前記第１の通路手段（22）の前記下流部分（3
    2）と前記第３の通路手段（52）との間に熱伝導壁手段
    （８）をそれぞれ設けることと、 可燃性ガス及び酸化剤を前記第１の通路手段（22）の前
    記上流部分（30）の中に導入し、前記可燃性ガス及び酸
    化剤を前記第２の通路手段（64）から熱伝導壁手段
    （８）を通じての熱伝導によって加熱することと、 前記第１の通路手段（22）の前記下流部分（32）内にお
    いて前記可燃性ガスを前記酸化剤と燃焼させることと、 燃焼生成物を前記第２の通路手段（64）への前記第２の
    入口手段に供給し、該燃焼生成物を前記第２の通路手段
    （64）に沿って前記第２の出口手段（68）へ流し、該燃
    焼生成物が熱を放出し、この熱は前記加熱伝導壁手段
    （８）を通じて前記第１の通路手段（22）の前記上流部
    分へ伝導し、導入された前記可燃性ガス及び酸化剤をさ
    らに加熱することと、 （ｉ）１つ或いは複数の流体物質を前記第３の入口手段
    （36）を通じて前記第３の通路手段（52）の中に導入し
    て、前記第１の通路手段（22）の前記下流部分（32）か
    ら前記加熱伝導壁手段（８）を通じて伝導する熱を用い
    て吸熱化学反応を受けさせて、その反応生成物を前記第
    ３の出口手段（40）から出すか、または、 （ii）加熱可能な流体を前記第３の入口手段（36）を通
    じて前記第３の通路手段（52）の中に導入して、前記熱
    伝導壁手段（８）を通じて前記第１の通路手段（22）の
    前記下流部分（32）から熱を受け取って、加熱可能な流
    体が加熱されてその後潜熱を蓄えて前記第３の通路手段
    （52）を出る、ことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】燃焼促進触媒手段が、前記第１の通路手段
    （22）の前記下流部分（32）内に配置される、請求項１
    に記載の方法。
  3. 【請求項３】前記可燃性ガスは、天然ガスである、請求
    項１または請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】前記第１の通路手段（22）は、第１ステー
    ジ内に形成され、前記第２の通路手段（64）及び前記第
    ３の通路手段（52）は、第２ステージ内に形成され、前
    記第１ステージ及び前記第２ステージは、一方を他方に
    取りつけて、熱交換器（２）を形成し、複数の前記熱交
    換器（２）が互いに積み重ねられている、請求項１から
    ３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 【請求項５】前記熱交換器は、圧力容器（70）内に配置
    される、請求項４に記載の方法。
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