JP5079918B2 - 等温化学反応器用の放射状に配置されたエレメントを有する熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、等温又は疑似等温化学反応器に用いられる新規な熱交換器に関し、さらに詳細には、熱交換器、その熱交換エレメント、及び熱交換器を備えた反応器に関する。

等温又は疑似等温化学反応器は、反応ゾーンの温度を制御するために内部熱交換器を備えた反応器である。動作において、熱交換器には適切な冷却又は加熱媒体（例えば、水、蒸気など）が供給され、熱交換器は、進行する化学反応によって発生した熱又は吸収された熱を、それぞれ発熱反応又は吸熱反応によって補償する。通常、熱交換器は触媒床に浸される。このような反応器の例は、メタノール合成反応器及びシフトコンバータであり、そこでは一酸化炭素を含む合成ガスが、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するために取り扱われる。

周知の等温反応器には、管熱交換器又はプレート熱交換器を設けることができる。反応器は、それに対応して管又はプレート状の等温反応器である。

従来の管等温反応器は、複数の管の束形状であり両端の管シートによって支持された複数の熱交換エレメントを有している。プレート等温反応器は、複数の熱交換エレメントをプレートの形状で有している。プレートは、少なくとも周囲に沿って互いに連結された平行に並んだ壁からなり、熱交換媒体用の内側通路を形成している。

プレート等温反応器は、ＥＰ−Ａ−１２８４８１３に公開されている。化学反応器に用いられる特に有利なプレート熱交換器は、ＥＰ−Ａ−１７０５４４５に公開されている。そこでは、２枚の平坦な金属シートからなるいわゆる「膨張」プレートである。２枚の金属シートは、周囲の溶接、及び可能であれば他の溶接点によって互いに接続され、高圧流体膨張にさらされることで２枚のシートの間に複数の流路を作り出す。

プレート等温反応器は、一般的には管反応器であることが好ましい。なぜなら、寸法に対して大きな交換面があるといった有利な点があるからである。設置及びメンテナンスは、実現可能なモジュール構造によって簡単になっている。つまり、交換器は、ある数のプレートを有するモジュールから構成されており、各モジュールは、比較的小さなマンホールを通して挿入又は取り出しが可能だからである。他方、複数の管シートは、反応器のシェルがなるべく大きいことを要求する。つまり、反応器は、シェルの直径と同じほどの上側フランジ及び下側フランジを有していなければならない。その場合に、フランジはより高価になり、堅さの問題を引き起こすかもしれず、さらに、管熱交換器の一部を代替又はメンテナンスために抜き出すことは、一般的に不可能である。

軸方向流れ又は半径方向流れ反応器では、反応スペースは通常は内径と外径の間の環状のスペースであり、触媒床の入口／出口に対応している。内部プレート熱交換器は、したがって、実質的に環状のユニットとして形成されており、そこには複数の放射状のプレートが設けられている。プレートは、反応器の軸に向かう複数の狭まり端と、反応器の外側シェルに近い反対側の複数の狭まり端とを有している。この配置によって、いくつかの有利な特徴が得られる。例えば、反応器の内側にある利用可能な容積を最適に利用することである。

生産速度を増すために、このような化学反応器の仕事量を増加させる動機は引き続き存在している。熱交換器は、そのため、反応全体にわたって、著しい熱力を交換すること、及び反応温度を正確に制御することが要求されている。このことは、新鮮かつ著しく反応性が高い充填の入口においてより難しい。そこでは、反応の熱力は大きくなっており、反応ゾーン（半径方向内側への流れ）の外側領域では、複数の熱交換エレメントは、放射状に配置されているので、互いから比較的離れている

円筒状のシェルと環状の反応スペース内で放射状に並んだ一連の熱交換エレメントとを備えた化学反応器において、本発明が見いだした技術的課題は、利用可能な熱交換面を最大限活用するために複数の熱交換エレメントの構造（特に、反応スペースの外側領域であって、そこでは放射状の複数のエレメントが広がっている）を変更することである。

本発明は、下記の等温化学反応器を提供する。等温化学反応器は、実質的に円筒状のシェル及び実質的に環状の反応スペースを備えている。反応器は、反応スペース内に配置された熱交換器を有している。熱交換器は、反応器の中心軸の回りに放射状に並んだ一連の熱交換エレメントを有している。各熱交換エレメントは、反応スペース内で半径方向に延びている。各熱交換エレメントは、加熱又は冷却流体用の複数の流路を有している。複数の流路は、反応器の軸に対して実質的に平行である。

複数の流路は、反応器の軸に垂直な平面上に長軸及び短軸がある細長い断面を有している。

各熱交換エレメントは、反応スペースの内側領域に配置され長軸が半径方向に対して０度に等しい又はそれを越えたもののとなるように配置された１又は複数の流路からなる少なくとも１つの第１サブセットと、反応スペースの外側領域に配置され長軸が半径方向に対して第１角度よりも大きな第２角度を形成するように配置された１又は複数の流路からなる少なくとも１つの第２サブセットを有している。

１又は複数の流路からなる１つのサブセットは、本明細書によれば、各熱交換エレメントの１又は複数の連続した流路を有している。熱交換エレメントという用語は、短縮してＨＸエレメントとする。反応スペースの内側領域とは、反応器の軸に近いスペースの環状部分であることを意図されている。それに対して、反応スペースの外側領域は、シェルに近い側にある環状部分であることを意図されている。

第１角度は小角度である、好ましくは０〜１５度であり、より好ましくは０度である。つまり、内側流路は、好ましくは、それぞれの断面の長軸が反応器の内側で半径方向に平行になるように配置される。

第２角度は、好ましくは、９０度に等しい又はそれ未満である。好ましい実施形態では、第２角度は、３０〜９０度であり、より好ましくは９０度又はそれに近い角度である。

より好ましい実施例では、各ＨＸエレメントは、１又は複数の管からなる少なくとも１つの中間サブセットを第１サブセット及び少なくとも１つの第２サブセットの間に配置している。管からなる中間サブセットの流路は、断面の長軸が第１角度及び第２角度の範囲にある中間角度を形成するように配置される。異なる実施形態では、１又は複数の中間サブセットが設けられることができる。

特別な実施形態では、各ＨＸエレメントは、半径方向に平行な断面長軸を有する内側流路からなる第１サブセットと、長軸が３０〜６０度（好ましくは４５度）である中間流路からなる少なくとも１つの第２サブセットと、長軸が９０度であって反応器の半径に垂直な外側流路からなるさらに別のサブセットとを有している。

好ましい実施モードでは、熱交換エレメントの流路は、適切な断面を有する複数の管によって形成されている。

本発明の他の見地によれば、各ＨＸエレメントは、プレート状エレメントとして形成されている。エレメントは、熱交換媒体用の供給ダクト及び反対側の収集ダクトと、平行管の束とを有している。ダクトは、ＨＸエレメントの上側及び下側を形成している。平行な管の束は、供給ダクト及び収集ダクトにそれぞれ流体連通する両端を有している。

好ましくは、供給ダクト及び収集ダクトは、大きさが互いに異なる断面を有しており、そこでは、断面は、反応器の半径方向に、ＨＸエレメント自体の外側から内側に向けて、ＨＸエレメントに沿って減少している。好ましい実施例では、ダクトを実現するために円錐形のパイプが採用されている。

本発明のさらに他の見地によれば、供給ダクト及び収集ダクトは、外側端により広い部分を有する実質的に三角形又は台形の形状を、反応器のシェル側に有している。この形状によって、熱交換媒体の流路のためのスペースを確保できる。例えば、２以上の管が、横に並んだ状態で、供給及び収集ダクトのより広い部分によって支持され得る。それにより、利用可能な熱交換面が反応スペースの外側領域において増加する。実際に使用する場合は、ダクトが１つの管シートの複数のセグメントとして実現され得る。

全ての実施例では、複数の管及び流路の細長い断面は、例えば、長円形（若しくは楕円形）又は多角形であってもよく、具体的には細長い六角形又は他の形状である。

複数の流路の長軸と半径方向の間の角度が異なっていることと結びついて、複数の管及び流路の細長い断面のおかげで、熱交換面は、従来のプレート又は管ユニットに比べると、より効率的な方法によって分配されている。特に、半径に対して垂直な細長い管は、複数のエレメントが互いに離れている外側領域にある反応スペースを好適に占めている、半径方向に平行な複数の細長い管は、軸に近い側で、エレメント間の距離を短くし、それによって、それらの複数の狭まり端同士の物理的干渉を引き起こすことなく、より多くのＨＸエレメントを提供することが可能になる

本発明に複数の見地の１つによれば、円錐形の供給及び収集パイプは、以下の点で有利である。つまり、複数の熱交換エレメントが、スペースがあまりない箇所である狭まり端において、横寸法が短くなる。

本発明に係る複数の熱交換エレメントは、実質的には複数のプレートとして作動する。それにより、プレート熱交換器の上述の有利な点を全て維持する。プレート状エレメントのパイプ接続は、従来のプレートと同様である。これに加えて、本発明に係る熱交換器は、従来の放射状配置されたプレート熱交換器に比べて、所定の反応スペースにおいて、より多くの熱交換エレメント及び／又はより多くの熱交換面を提供できる。

要約すると、本発明に係るＨＸエレメントは、互いに異なる向きを有する複数の流体流路によって、幅が変化しているプレートとして機能する。関連した有利な点は、より良い反応の制御であり、それによって触媒床における、特にプレートの比較的離れた外側部分同士間における局所的な過熱の危険を減らす。特に、その結果、触媒の寿命を長くできる。

本発明の目的は、さらに、全体的な幅及び高さを有し、熱交換媒体用の１つの供給ダクト及び収集ダクトを少なくとも有するプレート状熱交換エレメントを提供することにある。ダクトはエレメントの幅方向に沿って設けられている。複数の管は、熱交換媒体用の複数の流路を形成している。複数の管は、高さ方向に延びており、供給ダクト及び収集ダクトにそれぞれ流体連通する両端を有している。

プレート状熱交換エレメントは、下記の特徴を有している。
・複数の流路は、長軸及び短軸を有する細長い断面を有している。
・熱交換エレメントは、長軸が幅方向に対して０〜９０度の第１角度を形成するように配置された流路からなる少なくとも１つの第１サブセットと、長軸が幅方向に対してより大きな角度である第２角度を形成するように配置された流路からなる少なくとも１つの他のサブセットとを有している。

上述の好ましい実施形態は、等しく、プレート状エレメントに適用可能である。

出願人は、このプレート状熱交換エレメントの構造が、さらに、実現が容易でありしかも経済的であること、さらに本発明に係るプレート状エレメントによって、金属シートの溶接によって形成された従来のプレートを置き換えることを見いだした。

それゆえ、本発明のさらに他の見地は、全体的な幅及び高さを有しており、熱交換媒体用の供給パイプ及び収集パイプと、熱交換媒体用の複数の管とを有するプレート状熱交換エレメントである。パイプは、エレメントの上面側及び底面側を形成しており、板状エレメントの一側部から反対側に向かって、幅方向に沿って減少する断面を有している。複数の管は、供給パイプ及び収集パイプの間に支持されており、エレメントの幅方向に沿って並べられており、供給パイプ及び収集パイプにそれぞれ固定されて流体連通している両端を有している。

このプレート状エレメントは、実質的には従来の溶接で結合された平行金属シートからなるプレートとして機能するが、特に膨張したプレートに比べて、低コストであるという利点を有している。プレート状エレメントは、必要な溶接が少なくなり、実際には、複数の管の端部だけになり、さらには、高圧膨張が不要になる。

複数の管は、実質的に、熱交換プレートの流路として機能するが、以下の有利な点をもたらす。反応物が管の回りを循環することもでき、つまり、熱交換器の寸法に比べてより多くの熱交換面が利用可能になる。また、プレート状エレメントは、管熱交換器の大きな管シートを必要としない。
本発明の特徴及び有利な点は、添付の図面を参照して、下記の好ましい例示であり非制限的な実施の形態からより明らかになるであろう。

本発明に係る等温化学反応器の概略的切断図である。 図１の反応器の概略的断面である。 図１の反応器の熱交換エレメントの１つの上側及び下側の一方の簡略化した図。 図３のエレメントの詳細を示す断面図。 好ましい実施形態において、図３のエレメントの管の１つの断面である。 図１の反応器における熱交換エレメントの管の配置を示す図である。 図５の菅断面の別例としての管断面を示す図である。 熱交換エレメントの供給及び収集パイプに関連して、本発明の他の実施形態の図式である。 本発明の他の見地に係る熱交換エレメントである。

図１を参照すれば、等温化学反応器１は、円筒状のシェル２を有している。シェル２には、鉛直軸Ａ−Ａが設けられ、下側端３及び上側端４が設けられている。下側端３及び上側端４には、それぞれ、反応物を新たに注入するための入口フランジ５及び化学反応の生産物のための出口フランジ６が接続されている。

図１の例は、触媒反応器に関連しており、例えば、メタノールの合成のためのメタノール・コンバータである。

反応器１は、環状の触媒ラックを内部に有している。触媒ラックは、それ自体周知であり詳細には説明しないが、適切な触媒を収納しており、貫通孔があいた円筒状の壁７によって外側の範囲を定められている。反応物の新たな注入は、壁７及びシェル２の間の空間から入り、触媒ラックを通って半径方向に流れる。反応の生産物は、出口フランジ６に連通した中央ダクト８によって収集される。

反応は、壁７及びダクト８の間で触媒床によって形成された環状の反応スペースＱにおいて生じる。そこでは、反応物は生産物（図２）にコンバートされる。具体的な実施形態では、反応物が半径方向に通って触媒を外側領域Ｑｏから内側領域Ｑｉに向かって流れているときに、反応は生じる。

軸方向流れ熱交換器１０は、反応器１内に装着され、反応スペースＱの内側において触媒に浸されている。熱交換器１０は、環状の構造を有しており、軸Ａ−Ａの回りに放射状に並んだ一連の熱交換エレメント１１を有している。各エレメント１１は、反応スペースＱの内側領域Ｑｉの内側端（軸Ａ−Ａ側）から、反応スペースＱの外側領域Ｑｏの外側端（孔があいた壁７及びシェル２に近い）に向けて、半径方向に延びている。

各ＨＸエレメント１１は、熱交換媒体用の複数の流路１２を有している。例えば、水がフランジ３０に供給され、蒸気がフランジ３１から放出される。しかし、他の適切な加熱又は冷却媒体が用いられてもよい。

好ましい実施形態（図３）では、各ＨＸエレメント１１は、エレメント１１自体の入口の反対側を形成するダクト１３及び出口ダクト１４と、複数の流路１２を形成する平行な複数の管１５の束とを有している。図３は寸法通りではなく、エレメントの上側及び下側端部のみを示している。エレメントの高さＨは、通常は幅Ｗよりもかなり大きくなっている。例えば、Ｈは１０〜１２ｍであり、Ｗは約１ｍ又はそれ未満である。
多くの強化バー（図示せず）が、Ｈに沿って適切な間隔で分配されており、管振動を防止している。

ＨＸエレメント１１は、実質的に、流体力学及び熱力学の観点からは、熱交換プレートとして機能している。そこでは、熱が複数の管１５同士間で交換されるという利点もある。

ＨＸエレメント１１の好ましい実施形態の詳細は、図３〜６によって与えられている。入口ダクト１３及び出口ダクト１４は、円錐形の複数の管である。管は、外側部分１３ａ、１４ａから内側部分１３ｂ、１４ｂに向けて、断面が次第に減っている。より大きな外側部分１３ａ、１４ａは、放射状に配置された複数のエレメント１１の広がり端に配置されている。それに対して、より小さな部分１３ｂ、１４ｂは、複数のエレメント１１の狭まり端（軸Ａ−Ａ側）に配置されている。入口ダクト１３は沸騰供給水入口１６に接続されており、出口ダクト１４は水／蒸気出口１７に接続されている。公知の技術では、エレメント１１の入口及び出口は、反応器１内の分配及び収集パイプに接続されている。

複数の管１５の両端はダクト１３、１４に接続されている。流体連通は、ダクトの熱交換媒体（図４）の通路としての孔１８によって実現されている。

複数の管１５及び、したがって、複数の流路１２は、Ａ−Ａに垂直な平面内の長軸２０及び短軸２１を有する細長い断面を有している。図５は、適切な断面の一例である。好ましくは、長軸及び短軸の比率は少なくとも１．５であり、より好ましくは３又はそれ以上である。

各エレメント１１の複数の管１５は、断面長軸２０の向きが、反応器１内の半径方向ｒに対して、反応スペースＱの内側領域Ｑｉから外側領域Ｑｏにかけて異なるように、配置されている。内側領域Ｑｉ内に配置された複数の管１５（軸Ａ−Ａ側）は、ｒに実質的に平行な長軸２０を有しており、それに対してシェル２側に配置された複数の管１５は、半径方向ｒに対して所定角度（好ましくは少なくとも３０度であり、より好ましくは９０度に等しい又は近い値である）を形成する長軸２０を有している。

図６の例では、各ＨＸエレメント１１は、半径方向ｒに平行な長軸２０を有している複数の管１５からなる第１内側サブセットＳ１（軸Ａ−Ａ側）と、半径方向ｒに対して４５度を形成する長軸２０を有している複数の管１５からなる中間サブセットＳ２と、半径方向ｒに対して９０度を形成する長軸２０を有している複数の管１５からなる外側サブセットＳ３と、を有している。簡素化された実施形態では、エレメント１１は、管の２つのサブセットを有している。つまり、好ましくは、半径方向ｒに平行な長軸２０を有する管の内側サブセットと、半径方向ｒに対して直角な長軸２０を有する管の外側サブセットである。

他の実施形態では、より多くの管サブセットが、各エレメント１１に設けられている。例えば、長軸２０が、反応スペースＱの内側から外側に向けて、ｒに対して０度、３０度、４５度、６０度及び９０度である。管サブセットに含まれる管１５の数はいくらでもよく、１つでもよい。したがって、発明は、エレメント１１の各管１５が、断面長軸２０と半径方向ｒとの間にそれぞれの角度を形成しており、それら角度が反応スペースＱの内側から外側にかけて増えている実施例として、実現される。

全てのＨＸエレメント１１は、管の向きが同じである。したがって、熱交換器１０は、管１５が同心の列を構成している。各列は、ｒに対する所定の管向きを有している。したがって、反応スペースには、複数の細長い管１５が反応器の半径に沿って並んでいる内側領域Ｑと、複数の管１５が次第により回転している、すなわち、断面長軸がｒに対してより大きな角度を形成している外側領域とがある。

流路１２Ａのための別の断面の不完全なリストが、図７の流路断面に示されている。流路１２の断面は長方形（Ａ）、多角形（Ｂ）、長円形又は疑似長円形（Ｃ）、角が丸い長方形（Ｄ）などである。図７（Ｃ）の断面は、均一な熱交換のために好ましい。しかし、他の形状は特にコスト低減のために考慮されてもよい。

図８は、さらに他の実施形態に関連する。この実施形態では、ダクト１３及び１４が、１つの管シートの複数の角度方向セグメントとして実現されており、そのためより広い幅が両端外側部分１３ａ、１４ａにおいて得られている。より広い部分１３ａ及び１４ａは、複数の（少なくとも２つの）管１５を横に並べた配置で支持するように構成されている。関連する有利な点は、より多くの複数の管、したがってより多くの熱交換面が、反応スペースＱの外側部分Ｑｏで利用可能になることである。

図９を参照すれば、本発明のさらに他の見地に係るプレート状熱交換エレメント１００は、全体的な幅Ｗ及び高さＨを有しており、熱交換媒体用の円錐形の供給パイプ１１３及び円錐形の収集パイプ１１４を有している。パイプは、エレメント１００の上面側及び底面側を形成しており、幅方向Ｗに沿って減少する断面を有している。エレメント１００は、熱交換媒体用の複数の管１１５を有している。複数の管１１５は、供給パイプ及び収集パイプの間に支持されており、幅方向Ｗに沿って並んでいる。管１１５は、さらに、供給パイプ及び収集パイプにそれぞれ固定されて流体連通する両端を有している。複数の管１１５は、簡素化された実施形態では、円形断面を有している。エレメント１００は、さらに、複数の強化バー１３０に嵌合もしており、幅Ｗより通常は大きな高さＨに沿って適切な間隔で分配されている。

プレート状エレメント１００は、例えば膨張した従来のプレートに比べて効率的でありコスト競争力を有する。生産物及び反応物が複数の管１１５の間を循環することもできるので、プレート状エレメント１００は、Ｗ及びＨの寸法が同じ従来のプレートより多くの熱交換面を提供する。

本発明は、軸方向流れ、半径方向流れ又は軸／放射・等温化学反応器の全てにおいて等しく有利である。図１を参照すれば、例えば、軸方向流れ形態において、反応物及び生産物は、反応スペース内をＡ−Ａに平行な方向に流れる。本発明は、さらに、流体内に浸漬されて作動する内部熱交換器を有するいずれの反応器にも適用できる。

Claims (8)

1. 実質的に環状の反応スペースを有する実質的に円筒状のシェルと、熱交換器とを備えた等温化学反応器であって、
   前記熱交換器は、前記反応スペース内に配置されており、前記反応器の中心軸の回りに放射状に並んだ一連の熱交換エレメントを有しており
   各熱交換エレメントは、前記反応スペースを通って半径方向に延びており、各熱交換エレメントは、加熱又は冷却流体用の複数の流路を有しており、前記複数の流路は前記反応器の前記軸に対して実質的に平行であり、
   前記複数の流路は、前記反応器の前記軸に対して垂直な平面上の長軸及び短軸を有する細長い断面を有しており、
   各熱交換エレメントは、前記反応スペースの内側領域内に配置されかつ前記長軸が前記半径方向に０度に等しい又はそれを越えている第１角度を形成する１又は複数の管からなる少なくとも１つの第１サブセットと、前記反応スペースの外側領域に配置されかつ前記長軸が前記半径方向に対して第２角度を形成しており、前記第２角度は前記第１角度よりも大きい、１又は複数の管からなる少なくとも１つの第２サブセットとを有しており、
   各熱交換エレメントは、第１サブセット及び前記少なくとも１つの第２サブセットとの間に設けられた１又は複数の管からなる少なくとも１つの中間サブセットを有しており、
   前記中間サブセットの前記管は、前記長軸が中間角度を形成するように配置され、前記中間角度は、前記半径方向に対して、前記第１角度及び前記第２角度の間の範囲にある、等温化学反応器。
2. 前記第１角度は０〜１５度であり、前記第２角度は３０〜９０度である、請求項１に記載の反応器。
3. 各熱交換エレメントは、
   前記長軸が前記反応器の半径方向へ平行になるように配置された、流路からなる第１内側サブセットと、
   前記長軸が前記半径方向に対して３０度〜６０度の角度になるように配置された、流路からなる少なくとも１つの中間サブセットと、
   前記長軸が前記半径方向に対して９０度を形成するように配置された、流路からなる外側サブセットと、を有している、請求項１又は２に記載の反応器。
4. 前記熱交換エレメントの前記流路は、細長い断面を有する複数の管によって形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の反応器。
5. 前記複数の熱交換エレメントは、熱交換媒体用の供給ダクト及び収集ダクトを有しており、
   前記ダクトは、前記熱交換エレメントの上側及び下側を形成しており、
   前記複数の管は、前記供給ダクト及び前記収集ダクトにそれぞれ固定された両端を有している、請求項４に記載の反応器。
6. 各熱交換エレメントの前記供給ダクト及び前記収集ダクトは、前記環状熱交換器の外周面にある外側端から、前記熱交換器の内周面にある内側端に向かって、減っていく断面を有している、請求項５に記載の反応器。
7. 前記供給ダクト及び前記収集ダクトは、より広い部分を有する実質的に三角形又は台形の形状を有しており、
   前記より広い部分では、２以上の外側の管が横に並んで支持されており、それによって利用可能な熱交換面を増やしている、請求項６に記載の反応器。
8. 前記反応器はメタノール・コンバータである、請求項１〜７のいずれかに記載の反応器。

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