JP5192248B2 - 流体供給機構 - Google Patents

Description

本発明は、流体供給機構に関する。さらに詳しくは、反応器や熱交換器などのように管内に流体を流す流路を有する装置において、該流路内における流体の流れが均一な流れとなるように、管内に流体を供給するために使用される流体供給機構に関する。

反応器や熱交換器などには、多管式の装置が使用される。かかる装置は、筒状の大径の管（シェル）内に複数本の小径の管（チューブ）を配置し、シェルとチューブとの間に流体を供給して、チューブ内の物質を加熱したり冷却したりしている。
かかる装置では、流体は、シェル内をシェルおよびチューブの軸方向に沿って流されるが、シェル横断面内において流体の流量に位置による差が生じている場合、チューブ間における熱収支のバラつきが発生する。すると、反応器であれば、局所的な充填触媒の劣化や副生成物の増加などにより反応器全体としての反応効率が低下するなどの問題が生じるし、熱交換器であれば熱交換効率が低下するなどの問題が生じる。

そこで、多管式の装置であって、シェルと同軸の外胴を設けて両者の間にノズルから流体を供給した後、シェル側面に設けられた複数の開口部からシェル内に流体を導入する構成としたものがある。かかる装置では、外胴とシェルの間に整流板を設けたり、複数の開口部の面積を絞ったりすることによって、複数の開口部から導入される流体の流量を均一化し、シェル内における流体の流量を均一化することが行われている。

しかし、上記のごとき対策を取った場合、シェル内に流入する前に流体に大きな圧力損失が発生することから、たとえシェル内における流体の流量を均一化することができても、流体を装置に供給するシステムへの負担が大きくなり、流体供給システムが大型化してしまう。
外胴とシェルの間に整流板を設けた場合であれば、外胴を大きくして外胴とシェルとの間の流路を広くすれば圧力損失を抑えることができるが、かかる構成とすると装置が大型化してしまうという問題が生じる。

かかる問題を解決する技術として、特許文献１の技術が開発されている。
特許文献１の技術では、シェルの側面にその軸方向に沿って複数の案内羽根を螺旋状に配設し、この複数の案内羽根によってノズルから供給された流体を開口部まで導く螺旋状流路を形成している。そして、かかる螺旋状流路によって流体を開口部まで導くから、装置を大型化させることなく圧力損失を低減でき、かつ、整流した状態でシェル内に流体を供給できる旨の記載がある。

しかし、特許文献１のごとく、複数の案内羽根によって螺旋状の通路を形成するには、シェルの軸方向に沿ってある程度の領域が必要である。すると、外胴は、少なくとも複数の案内羽根を覆うように設けなければならないので、外胴の長さも長くなるから装置の大型化は避けられない。
しかも、シェルの側面に複数の案内羽根を設けなければならないので装置の構造が複雑化するし、また、螺旋状の通路を正確に形成するには、複数の案内羽根を正確な位置に正確な角度で配設しなければならないので、装置の製造が非常に難しくなる。

特開昭６１−３９９９号

本発明は上記事情に鑑み、多管式の装置において、装置構造を大型化複雑化することなく、簡単な構成で、シェル内の流れを均一化することができる流体供給機構を提供することを目的とする。

第１発明の流体供給機構は、筒状に形成された筒体に流体を供給する機構であって、前記筒体の一端部の側面に、その周方向に沿って設けられた複数の流入口と、前記筒体の一端部に、前記複数の流入口を覆うように設けられた流体供給部と、を備えており、該流体供給部には、その内面と前記筒体の側面との間に、該筒体の側面に沿って流体を流す流体通路と、該流体通路内に外部から流体を導入する導入通路とが形成されており、該導入通路は、その軸方向が前記筒体の半径方向と一致するように形成されており、前記複数の流入口は、前記流体供給部の導入通路と前記筒体の中心軸を含む対称面に対して対称となるように形成されており、前記流体供給部の内面には、前記対称面に対して９０°を成しかつ前記筒体の中心軸を含む直交面と交差する位置に、前記筒体側面に向かって突出した突起が複数形成されており、該複数の突起は、前記対称面に対して対称となるように配設されていることを特徴とする。
第２発明の流体供給機構は、第１発明において、前記突起は、前記導入通路側に衝突面を備えており、該衝突面は、前記筒体の側面に沿った方向と交差するように形成されていることを特徴とする。
第３発明の流体供給機構は、第１または第２発明において、前記突起は、前記流体供給部の内面から先端までの長さが、前記流体通路の幅の２／１０〜３／１０であることを特徴とする。

第１発明によれば、各流入口が対称面に対して対称となっているので、各流入口から流入した流体によって筒体内に形成される流れも対称面に対して対称な流れとなる。そして、流体供給部内面の突起が、流体供給部内面と直交面とが交差する位置に形成されているので、より導入通路に近い位置からでも流体通路を流れる流体中に筒体の半径方向への流れを発生させることができる。すると、導入通路からの距離にかかわらず、各流入口から流入する流量の差を小さくできるから、筒体の横断面内における位置による流体の流量差を小さくすることができる。
第２発明によれば、流体供給部の内面近傍を流れる流体を筒体の半径方向の流れに変換することができるから、この変換された流れの影響により、導入通路に近い位置からでも、流体通路内に、筒体の半径方向への流れを効果的に発生させることができる。
第３発明によれば、突起を設けたことによる流体通路内の流体に発生する圧力損失を抑えることができるので、流体を供給するシステムの大型化を防ぐことができる。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明の流体供給機構は、筒状に形成された筒体の流路に対して、筒体の側面から流体を供給するために使用される機構であり、筒体の軸方向と直交する横断面内における流体の流量を均一化するために使用されるものである。
本発明の流体供給機構は、多管式反応器や多管式熱交換器などにも採用することができるが、以下では、本発明の流体供給機構を多管式反応器に採用した場合を代表として説明する。

図１は本実施形態の流体供給機構が設けられた多管式反応器１の概略側面図である。図２は図１のII−II線断面矢視図である。図１および図２に示すように、符号２は、本実施形態の流体供給機構が設けられた多管式反応器１（以下、単に多管式反応器１という）の筒体を示している。この筒体２は、中空であってその内部にスチーム等の流体を軸方向に沿って流すことができる流路２ｈを備えている。
この筒体２の流路２ｈ内には、複数本の反応管２ａが配設されている。複数本の反応管２ａは、その軸方向が筒体２の流路２ｈの軸方向と平行となるように配設されている。各反応管２ａの内部には触媒が配置されており、この触媒と反応させるガスを反応管２ａ内に供給することによって、触媒反応により所定の物質を生成することができるように構成されている。

図１および図２に示すように、前記筒体２の一端部（図１では上端部）には、その側面に複数の流入口ｈが設けられている。この流入口ｈは、筒体２の側面の周方向に沿って設けられており、筒体２の流路２ｈと外部（後述する流体供給部３の流体通路３ｈ）との間を連通している。
一方、前記筒体２の他端部（図１では下端部）にも、その側面に複数の排出口ｄが設けられている。この排出口ｄも、筒体２の側面の周方向に沿って設けられており、筒体２の流路２ｈと外部（後述する流体排出部４の流体通路）との間を連通している。

また、前記筒体２の一端部の周囲には、前記複数の流入口ｈを覆うように流体供給部３が設けられている。この流体供給部３は、断面視略コの字状に形成された部材によって形成されており、その内面と筒体２の側面との間に流体を流すための流体通路３ｈが形成されるように配設されている。そして、流体供給部３は、流体通路３ｈ内に外部から流体を導入する導入通路３ｄも備えている。
一方、前記筒体２の他端部の周囲には、前記複数の排出口ｄを覆うように流体排出部４が設けられている。この流体排出部４も、断面視略コの字状に形成された部材によって形成されており、その内面と筒体２の側面との間に流体を流すための流体通路が形成されるように配設されている。そして、流体排出部４は、流体通路内から外部に流体を排出する排出通路４ｄも備えている。

以上のごとき構成であるから、導入通路３ｄから流体通路３ｈに加熱された流体を供給すれば、流体通路３ｈ、複数の流入口ｈを通して筒体２の流路２ｈに流体が供給される。筒体２の流路２ｈに供給された流体は、流路２ｈ内をその軸方向に沿って流れて、流体排出部４の流体通路、複数の排出口ｄを通して、流体排出部４の排出通路４ｄから排出される。
すると、筒体２の流路２ｈ内を流体が通過するときに、流体と流路２ｈ内の複数本の反応管２ａとの間で熱交換が行われる。例えば、多管式反応器であれば、高温の加熱流体が導入通路３ｄから供給されて反応管２ａおよび反応管２ａ内の触媒およびガスが加熱されるので、触媒とガスとの反応を促進させることができるのである。

上記の流体供給部３および筒体２における複数の流入口ｈが、特許請求の範囲にいう流体供給機構に相当する。

つぎに、本実施形態の流体供給機構について、詳細に説明する。
図２に示すように、流体供給機構を構成する流体供給部３において、導入通路３ｄは、その軸方向が前記筒体２の半径方向と一致するように形成されている。つまり、導入通路３ｄから流入する流体が筒体２の半径方向から流体通路３ｈ内に流入するように、導入通路３ｄが形成されている。
また、流体供給部３の流体通路３ｈは、後述する突起３ｐが設けられている部分を除き、筒体２の周方向に沿って断面積がほぼ一定となるように形成されている。つまり、流体通路３ｈは、筒体２の周方向に沿って、その高さや幅がほぼ一定となるように形成されている。しかも、流体通路３ｈは、その導入通路３ｄの軸と筒体２の流路２ｈの中心軸ＣＸ含む対称面ＳＰに対して対称となるように形成されている。

一方、筒体２の側面に形成されている前記複数の流入口ｈも、対称面ＳＰに対して対称となるように配置されている。
具体的には、前記対称面ＳＰに対して９０°を成しかつ筒体２の中心軸ＣＸを含む直交面ＲＰと、筒体２の側面とが交差する位置に、２つの流入口ｈｂ，ｈｂを備えている。言い換えれば、前記対称面ＳＰを筒体の中心軸ＣＸまわりに９０度回転させたときに、回転させた対称面ＳＰと筒体２の側面とが交差する位置に、２つの流入口ｈｂ，ｈｂが設けられている。また、各流入口ｈｂに対して、導入通路３ｄ側には流入口ｈａがそれぞれ設けられており、導入通路３ｄと逆側には流入口ｈｃ，ｈｄがそれぞれ設けられている。そして、複数の流入口ｈは、隣接する流入口同士がなす角（図３におけるθ２）が同じ角度となるように配設されている。
しかも、複数の流入口ｈは、全て同じ断面積となるように形成されている。

以上のごとく、本実施形態の流体供給機構では、流体供給部３の流体通路３ｈが対称面ＳＰに対して対称となるように形成されているので、導入通路３ｄから流入した流体は、対称面ＳＰに対して対称な流れとなって流体通路３ｈ内を流れる。そして、流体通路３ｈ内の流体は筒体２の各流入口ｈから筒体２の流路２ｈ内に流入するが、複数の流入口ｈは対称面ＳＰに対して対称となるように形成されているから、互いに対称な位置に配設された流入口ｈ（図２において同じ符号が付されている流入口）からほぼ同じ流量の流体が流入する。
したがって、複数の流入口ｈから流入した流体によって、筒体２の流路２ｈ内に対称面ＳＰに対して対称な流れを形成することができる。

ところで、上記のごとき構成とした場合、筒体２の流路２ｈ内に対称面ＳＰに対して対称な流れを形成することができるのであるが、流体通路３ｈ内において、導入通路３ｄ側の流入口ｈａ，ｈｂから筒体２の流路２ｈ内に流入する流体の流量は、導入通路３ｄと逆側に位置する流入口ｈｃ，ｈｄから筒体２の流路２ｈ内に流入する流体の流量に比べて少なくなる。すると、筒体２の流路２ｈ内において、導入通路３ｄ側の部分における流体の流量と、導入通路３ｄと逆側に位置する部分における流体の流量との間に差が生じる。

そこで、本実施形態の流体供給機構では、筒体２の流路２ｈ内における導入通路３ｄ側の部分における流体の流量と、導入通路３ｄと逆側に位置する部分における流体の流量の差を小さくするために、前記流体供給部３の内面に突起３ｐを２箇所設けている。
各突起３ｐは、流体供給部３の内面と前記直交面ＲＰとが交差する位置であって、互いに対称面ＳＰに対して対称となる位置に配設されており、流体供給部３の内面から筒体２の側面に向かって突出している。また、突起３ｐは、流体供給部３の高さ方向（図１では上下方向）に沿って形成されている。

かかる突起３ｐを設けることによって、流体通路３ｈ内では、突起３ｐが設けられている部分の流体通路３ｈが狭くなる。すると、突起３ｐがない場合に比べて、導入通路３ｄから突起３ｐの間では、流体通路３ｈ内における流体の筒体２半径方向の速度成分を大きくすることができる。
このため、突起３ｐがない場合に比べて、直交面ＲＰ上に位置する流入口ｈｂおよび、直交面ＲＰよりも導入通路３ｄ側に位置する流入口ｈａから流入する流体の流量が増加する。すると、導入通路３ｄから流体通路３ｈに供給される流体の流量が同じであれば、流入口ｈａ，ｈｂから流入する流体の流量が増加し、流入口ｈｃ，ｈｄから流入する流体の流量は減少する。
よって、各流入口ｈから流入する流体の流量の差が小さくなるので、筒体２の流路２ｈの横断面内において、位置による流体の流量差を小さくすることができる。
しかも、流体供給部３の内面に突起３ｐを設けているだけであるから、流体供給機構が大型化複雑化せず、流体供給機構を設けた装置の大型化も防ぐことができる。

なお、流体供給部３の内面に設ける突起３ｐの形状はとくに限定されないが、突起３ｐは、その導入通路３ｄ側に、筒体２の側面に沿った方向、言い換えれば、流体通路３ｈの中心線と交差するように形成された衝突面ｆを備えていることが好ましい。
かかる衝突面ｆを設ければ、流体供給部３の内面近傍を流れる流体を筒体２の半径方向の流れに効果的に変換することができるから、この変換された流れの影響により、導入通路３ｄに近い位置からでも、流体通路３ｈ内に、筒体２の半径方向への流れをより効果的に発生させることができる。

また、突起３ｐは、流体供給部３の内面から先端までの長さＨ（図２参照）が、流体通路３ｈの幅Ｗの２／１０〜３／１０であることが好ましい。
突起３ｐを設けることによって、その位置では流体通路３ｈが狭くなるから流体通路３ｈ内の流体には圧力損失が発生する。しかし、上記のごとき大きさとしておけば、突起３ｐを設けたことに起因して発生する圧力損失を抑えることができるので、流体供給機構に対して流体を供給するシステムの大型化を防ぐことができる。

また、上記例では、複数の流入口ｈは全て同じ開口面積となるように形成されているが、複数の流入口ｈは必ずしも全て同じ開口面積としなくてもよい。かかる場合には、流体が流入しにくい流入口ｈ（図２であれば、流入口ｈａや流入口ｈｂが該当する）の開口面積が他の流入口ｈよりも広くなるように形成することが好ましい。
さらになお、複数の流入口ｈを設ける数やその位置は、上記例で示した数、位置に限定されず、少なくとも直交面ＲＰを挟む一対の流入口ｈ、言い換えれば、突起３ｐを挟む一対の流入口ｈを有し、かつ、複数の流入口ｈが対称面ＳＰに対して対称となるように配設されていればよい。

さらになお、流体排出部４の形状や大きさ、筒体２の他端部に形成される複数の排出口ｄの開口面積、数および配置は、筒体２の流路２ｈから流体をスムースに排出できるのであれば、とくに限定されない。例えば、排出口ｄを、筒体２の軸方向において流入口ｈから十分に離れた位置に設け、圧力損失が問題にならない程度の十分な開口面積を有するように形成すれば、各流入口ｈから筒体２の流路２ｈに流入する流体の流量に排出口ｄが影響することを確実に防ぐことができる。

つぎに、多管式反応器に本発明の流体供給機構を採用した場合における、流体供給部の流体通路内の流速分布、および、シェル（筒体）のスリット（流入口）から流入する流量を数値シミュレーションした。

数値シミュレーションは、多管式反応器におけるシェルの外周面に流体供給部を設けた場合において（図１（Ａ）参照）、流体供給部の内面に突起を設けた場合（実施例）と、流体供給部の内面に突起を設けない場合（比較例）とについて実施した。

計算は、計算ソフト（FLUENT6.3）により行った。多管式反応器の形状（図３参照）等の計算条件は以下のとおりである。
（１）反応器および流体供給部
シェル直径Ｄ１：1700mm、シェル高さ：5908mm
流体供給部内径Ｄ２：2200mm、流体通路高さＨ１：1000mm
導入通路内径Ｄ３：920mm
各スリットの幅Ｗ１：200mm、各スリットの高さＨ２：900mm
（２）流体
流入流体：空気（25℃）
流入速度（導入通路内流速）：30m/s
（３）反応器内のモデル（多孔質モデル）
空隙率：0.4
圧力損失：Δｐ／ｘ＝（Ｃ２＊ρ＊ｕ^２）/２
管軸方向の圧力損失を算出する場合 Ｃ２＝４[1/m]
管軸と垂直な方向の圧力損失を算出する場合 Ｃ２＝２１５[1/m]
なお、符号ρは、流体（空気）の密度を意味している。
（４）乱流モデル：k-omega(SST)model

スリットは、導入通路の中心軸と筒体の中心軸ＣＸとを含む対称面ＳＰに対して、筒体の中心軸ＣＸまわりに、θ１＝５４°の位置からθ２＝３６°間隔で、対称面ＳＰの両側に４箇所ずつ設けた。
さらに、実施例における流体供給部内面には、対称面ＳＰと直交しかつ筒体の中心軸ＣＸを含む直交面ＲＰと交差する位置に、一対の突起（幅：30mm、高さ：1000mm、奥行き：60mm）を形成している。なお、ここでいう突起の奥行きが、流体供給部の内面から先端までの長さに相当する。

なお、シェルから流体を排出するスリット（排出口）は、シェルに流体を供給するスリット（流入口）と同じ形状・大きさのものを、該スリット（流入口）から4600ｍｍ下方の対応する位置に配設している。
さらになお、スリット（排出口）の周囲には、流体供給部と実質同等の流体排出部を設けており、排出通路が、導入通路の鉛直下方であってその軸方向が導入通路の軸方向と平行となるように配置している。

図４および図５に数値シミュレーションの結果を示す。
図４は実施例の計算結果であり、（Ａ）は計算したモデルにおけるスリットの位置を示した図であり、（Ｂ）は流体通路内の流速分布の計算結果であり、（Ｃ）各スリットにおける流入割合の計算結果である。図５は比較例の計算結果であり、（Ａ）は計算したモデルにおけるスリットの位置を示した図であり、（Ｂ）は流体通路内の流速分布の計算結果であり、（Ｃ）各スリットにおける流入割合の計算結果である。
なお、流入割合は、流体通路に供給される流体の全流量に対する各スリットから流入する流量の割合を示したものであり、各スリットの流量は、同じ番号が付されている２つのスリットから流入する流体の合計流量である。

図５（Ｂ）に示すように、比較例では、導入通路近傍から導入通路の軸方向に対して筒体の中心軸ＣＸまわりに９０°の位置までは、スリットからシェル内に向かう流れが少ないことが確認できる。
このため、図５（Ｃ）に示すように、導入通路側に近づくにつれ、各スリットからシェル内に流入する流量割合が少なくなっている。そして、スリット１からシェル内に流入する流量割合は、スリット４から流入する流量割合の７０％程度しかない。また、全流入流量に対する割合でも、スリット１とスリット４とでは７％程度の差が生じている。つまり、スリット間で流入流量に大きなバラつきが生じていることが確認できる。

一方、図４（Ｂ）に示すように、実施例では、比較例に比べて、導入通路近傍からスリットからシェル内に向かう流れが多く発生していることが確認できる。
このため、図４（Ｃ）に示すように、各スリットからシェル内に流入する流量割合の差が非常に小さくなっており、最小の流量割合を示すスリット２でも、最大の流量割合を示すスリット４の約９５％の流量割合が確保できている。そして、全流入流量に対する割合でも、スリット間の流量割合の差は、最大でも２％程度しかない。このことから、突起を設けることにより、各スリットから流入する流量割合の均一化が実現できていることが確認できる。

以上のごとく、流体通路の内面に突起を設けることによって、各スリットから流入する流量を均一化できることが確認できる。

本実施形態の流体供給機構は、多管式の反応器や熱交換器などにおける軸方向に流体を流す流路に対して流体を供給する機構に適している。

本実施形態の流体供給機構が設けられた多管式反応器１の概略側面図である。 図１のII−II線断面矢視図である。 数値シミュレーションで採用した多管式反応器の形状の概略説明図である。 実施例の計算結果であり、（Ａ）は計算したモデルにおけるスリットの位置を示した図であり、（Ｂ）は流体通路内の流速分布の計算結果であり、（Ｃ）各スリットにおける流入割合の計算結果である。 比較例の計算結果であり、（Ａ）は計算したモデルにおけるスリットの位置を示した図であり、（Ｂ）は流体通路内の流速分布の計算結果であり、（Ｃ）各スリットにおける流入割合の計算結果である。

１ 多管式反応管
２ 筒体
２ｈ 流路
３ 流体供給部
３ｈ 流体通路
３ｄ 導入通路
３ｐ 突起
ｆ 衝突面
ｈ 流入口
ＣＸ 筒体の中心軸
ＳＰ 対称面
ＲＰ 交差面

Claims (3)

1. 筒状に形成された筒体に流体を供給する機構であって、
   前記筒体の一端部の側面に、その周方向に沿って設けられた複数の流入口と、
   前記筒体の一端部に、前記複数の流入口を覆うように設けられた流体供給部と、を備えており、
   該流体供給部には、
   その内面と前記筒体の側面との間に、該筒体の側面に沿って流体を流す流体通路と、
   該流体通路内に外部から流体を導入する導入通路と、が形成されており、
   該導入通路は、
   その軸方向が前記筒体の半径方向と一致するように形成されており、
   前記複数の流入口は、
   前記流体供給部の導入通路の軸と前記筒体の中心軸を含む対称面に対して対称となるように形成されており、
   前記流体供給部の内面には、
   前記対称面に対して９０°を成しかつ前記筒体の中心軸を含む直交面と交差する位置に、前記筒体側面に向かって突出した突起が複数形成されており、
   該複数の突起は、
   前記対称面に対して対称となるように配設されている
   ことを特徴とする流体供給機構。
2. 前記突起は、前記導入通路側に衝突面を備えており、
   該衝突面は、
   前記筒体の側面に沿った方向と交差するように形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の流体供給機構。
3. 前記突起は、
   前記流体供給部の内面から先端までの長さが、前記流体通路の幅の２／１０〜３／１０である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の流体供給機構。