JP5323723B2 - チューブのためのシール、及びシールの試験方法 - Google Patents

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Description

本出願は、2007年2月2日提出の米国仮出願、出願番号60/887,855によって優先権を請求するものである。
本発明は、シール構造と、高精度なシールが為されていることを確認するための試験のメカニズムとに関わる。参照として取り入られている米国特許6,725,706と6,981,404とは、反応器チューブへの吹き込みと、反応器チューブの試験とのシステムを開示している。このシステムは、反応器チューブに空気を注入して、チューブに触媒が適切に充填されているかを判断するように背圧を測定する前に、チューブの内壁をシールするために膨張性のシールを使用している。このシステムを使用する過程で、本発明で解決されている2つの課題が挙げられている。第1の課題は、温度測定のための熱電対を支持するようにチューブ中に延びている挿入部を有するサーモウェル突出部(thermowell projection)を、どのようにシールするか(あるいは、同じような形式の障害要素を含むダクト、もしくは孔を具備する別のチューブを、どのようにシールするか)、である。第2の課題は、いかなる測定値も正確であるような精度の良いシールが、どうすれば為されるか、である。
図1は、複数のサーモウェル垂直チューブのうちの1つを示す化学反応器チューブの垂直断面図である。 図2は、ゴムストッパーの平面図である。 図3は、図2のゴムストッパーの正面図である。 図4は、前記反応器チューブの内側をシールするために用いられるストッパーの断面図である。 図5は、本発明に従って構成されたシール装置の正面図である。 図5Aは、図5と類似した、本発明に従って構成されたシール装置の、他の実施形態の正面図である。 図6は、前記反応器チューブに挿入された後の、図5のシール装置の断面図である。 図7は、図6と同様であるか、チューブをシールするために圧縮された後の前記シール装置を示した図である。 図8は、図5のシール装置の、硬いプレートの1つの正面図である。 図8Aは、更なる孔を有する別の硬いプレートの正面図である。 図9は、図8の硬いプレートの平面図である。 図9Aは、図8Aの硬いプレートの平面図である。 図10は、図5のシール装置の可撓性のプレートの1つの正面図である。 図10Aは、更なる孔を有する可撓性のプレートの正面図である。 図11は、図10の可撓性のプレートの平面図である。 図11Aは、図10Aの可撓性のプレートの平面図である。 図12は、垂直チューブの化学反応器の縦断面図であり、内側及び外側のシールを含む別のシール装置と、確実に精度の良いシールが為されるためのメカニズムとを示す。 図13は、シールされた反応器チューブの上面の種々の状態のうちの1つを示す反応器チューブの縦断面図である。 図14は、シールされた反応器チューブの上面の種々の状態のうちの1つを示す反応器チューブの縦断面図である。 図15は、シールされた反応器チューブの上面の種々の状態のうちの1つを示す反応器チューブの縦断面図である。 図16は、シールされた反応器チューブの上面の種々の状態のうちの1つを示す反応器チューブの縦断面図である。 図17は、シールされた反応器チューブの上面の種々の状態のうちの1つを示す反応器チューブの縦断面図である。 図18は、シールされた反応器チューブの上面の種々の状態のうちの1つを示す反応器チューブの縦断面図である。 図19は、シールされた反応器チューブの上面の他の状態を示す反応器チューブの平面図である。 図20は、一定の時間にわたる圧力測定値を示すグラフである。 図21は、試験結果を表し、サーモウェルを有するような、特別なチューブの構造を示すために用いられる図形表示である。 図22は、熱電対を装填し、分析し、試験することを補助するために用いられる図形表示である。 図23は、試験結果を示すために用いられるフォーマットを表したものである。 図24は、本発明の装置を使用するためのトレーの平面図である。
図25は、図24の前記トレーの側面図である。
図1は、化学反応器のチューブ・シート12から下方に延びている反応器チューブ10を示している。この特殊な反応器チューブ10は、このチューブ10中へと下方に延びているサーモウェル突出物14を有している。また、この図には、注入チューブ16が示されており、この注入チューブ16は、上記特許‘706と‘404とに開示されているように、チューブ10が触媒によって適切に充填されているかを判断し、また、チューブ10に吹き込みをするように、加圧されたガスを前記チューブ10に注入するために、前記反応器チューブ10に一時的に挿入されている。化学反応器で試験されているサーモウェルは、50以上ある。特許‘706と‘404とで用いられている形式のシールは、このようなサーモウェル突出部14を受け入れていない。従って、異なる形式のシールが、サーモウェル突出部、あるいは他の同様の突出物、即ち、障害物14を有するこれら特殊な反応器チューブに使用されている。障害物14は、例えば、温度を測定するプローブ、圧力を測定するプローブ、ガスを試験する試験プローブ、添加物を注入するプローブ、もしくは他の形式の突出物などがあり得る。
シールは、着脱が容易で迅速であるとともに、一時的であるべきである。一般的には、試験は、周囲温度で行われるが、前記チューブ・シート12は、周囲温度より高くても良く、時には、華氏130度(摂氏約54.4℃)のように高くても良い。このシールは、漏れが無いように、試験プロセスの間に生じる背圧に耐え得るべきである。今まで行われてきた試験では、背圧は、30psig(約206.8kPa)のように高かったが、通常は4psig(約27.5kPa)乃至7psig(約48.2kPa)である。下記により詳しく説明されているように、可撓性のプレート30と硬いプレート28/26(図5参照)とを更に加えることによって、より高い圧力に適応することができる。
種々のシールのメカニズムが、過去に試されてきた。例えば、図2乃至図4は、使用されているゴムストッパー2を示している。このゴムストッパー2は、前記注入チューブ16を受け入れるための第1の開口部3と、前記サーモウェル突出部14を受け入れるための第2の開口部4とを備えている。スリット5(図2及び図3参照)が、前記ストッパー2の全長にわたって垂直に延びており、且つ、前記サーモウェル突出部14を、この反応器チューブ10から取り外す必要なく前記ストッパー2の第2の開口部4に挿入できるように、このストッパー2の周囲まで前記開口部4を広げている。
図4に示されているように、前記ストッパー2は、反応器チューブ10の上端のみをシールしている。このような形式のシールは、背圧がストッパーを上方に押し上げようとするので、チューブ10に漏れが生じることがある。他のシール方法、例えば、ダクトテープ、粘弾性の材料、また、パテが、同様に使用されている。これらは、残留物を残し、使用しにくく、また、部分的にチューブ中へ落ちてしまう傾向があるので、信頼性良くシールすることはできない。
図5乃至図11は、従来技術のシールの課題の多くを解決するシール装置50を示している。このシール装置50は、突出部14と、試験を行うためにガスを注入するためのチューブ16との両方を受け入れている。
この実施形態では、このシール装置50は、上側及び下側の硬いプレート26、28と、これら上側及び下側の硬いプレート26、28との間に挟まれた複数の可撓性のプレート30とを有している。この上側の硬いプレート26の詳細は、図8と図9とに示されており、この上側の硬いプレート26は、下側の硬いプレート28と同じ形である。この上側の硬いプレート26は、このプレート26の周縁まで延び、前記突出部14を受け入れる第1の開口部32と、前記注入チューブ16を受ける第2の開口部34とを備えている。
前記可撓性のプレート30の細部は、図10と図11とに示されている。これら可撓性のプレート30は、それぞれ、前記突出部14を受けるために前記プレートの周縁まで延びている第1の開口部36と、前記注入チューブを受け入れる第2の開口部40とを備えている。
これらすべてのプレートの前記第1の開口部32、36は、前記突出部14を受け入れるために垂直に整合されており、すべてのプレートの前記第2の開口部34、40は、注入ガスラインに接続するためのコネクター18を上側に有する前記注入チューブ16を受けるために、垂直に整合されている。しかしながら、前記可撓性のプレート30の、プレートの周縁まで延びている第1の開口部36のスリット部分38は、前記硬いプレート26、28の、プレートの周縁まで延びている第1の開口部32の部分と整合されていない。図8と図9とに示されているように、前記硬いプレート26、28の第1の開口部は、左に延び、前記可撓性のプレート30の第1の開口部36のスリット部分38は、前方に延びているので、すべての第1の開口部32、36がそれぞれの周縁に延びてはいても、これら開口部は、周縁まで一緒に延びているのではない。
図5乃至図7に示されているように、前記可撓性のプレート30を一緒に圧縮するように前記上側及び下側のプレート26、28を互いの方へ移動させるためのメカニズムは、注入チューブ16の周りに装着されている。この圧縮メカニズムは、注入チューブ16にねじ留めされている上側及び下側のナット20、22と、これら上側及び下側のナット20、22間に位置している圧縮スリーブ24とを有している。前記注入チューブ16は、前記上側及び下側の硬いプレート26、28と、前記可撓性のプレート30との、垂直に整合されたそれぞれの第2の開口部34、40を通って延びている。
図6の、緩められた状態に示されているように、前記硬いプレート26、28と前記可撓性のプレート30とは、これら上側及び下側の硬いプレート26、28と、これらプレート間に挟まれた前記可撓性のプレート30とで形成された、サンドウィッチの形状をしている。この特定の実施形態では、3つの可撓性のプレートを使用しているが、この数は、使用形態に応じて変わり得る。
図7は、前記上側のナット20が、前記圧縮スリーブ24に対して下方に締められ、従って、前記上側の硬いプレート26に対して下方に押圧した後の、シール装置50を示している。前記下側のプレート28は、前記下側のナット22によって留められているため、下方に移動することはできない。このため、前記上側の硬いプレート26が、前記下側の硬いプレート28の方へ下方に移動するのにつれて、前記可撓性のプレート30は、前記反応器チューブの内側をシールするように外側に放射状に広げられながら、垂直(軸)方向に圧縮される。また、これら可撓性のプレート30は、前記突出部14と前記注入チューブ16との周りをシールする。
使用の際、前記注入チューブ16と、ナット20、22と、圧縮スリーブ24と、硬いプレート26と、可撓性のプレート30とは、一緒に組み合わせられたまま、1つの反応器チューブから別の反応器チューブへと移動される。シール装置50を、突出部14を有する反応器チューブ10中に挿入するために、前記ナット20は、上側の硬いプレート26と下側の硬いプレート28とを十分な距離で互いに離間させるように、緩められる。複数の可撓性のプレート30の第1の開口部36に形成されたスリット38は、前記突出部14が第1の開口部36に摺動して入ることを可能にする通路を形成するように、押し離される。そして、装置50は、側方から摺動し、前記可撓性のプレート30は、これら可撓性のプレート30をそれぞれ前記突出部14に位置付けるための前記スリット38を(上記に示したように)開くように、曲げられる。互いに隣接する可撓性のプレート30に形成されたスリット38は、好ましくは、互いに反対の方向に延びている(即ち、一方の可撓性のプレート30は、図11に示されているように前方に向けられており、次の可撓性のプレート30は、スリット38が後方に延びるように、逆方向に向けられている)。この結果、互いに隣接する可撓性のプレート30のスリット38は、互いに整合されていない。
このシール50が側方から移動されて、そして、この突出部14が、前記硬いプレート26、28の第1の開口部32中に入る。前記突出部14が、前記可撓性のプレート30の第1の開口部36と、上側及び下側の硬いプレート26、28の第1の開口部32とを貫通すると、可撓性のプレート30のスリット38は、すべての可撓性のプレート30が、前記突出部14が垂直に整合された第1の開口部36中に受け入れられた状態で、平らになるように、再度押し戻される。
そして、前記上側及び下側の硬いプレート26、28は、前記複数の可撓性のプレート30を圧縮するように、互いの方へ移動させられる。即ち、はじめに、前記上側のナット20が、装置全体50を寄せ集めるように少し締められ、集合体50は、前記突出部14を前記反応器チューブ10中へと摺動して下降させられる。そして、前記上側のナット20は、可撓性のプレート30を圧縮して、これらの外径を長くしてシールをもたらすように、更に締められる。そして、吹き込みもしくは試験が行われる。
この装置50が使用される前に、トレー200(図24及び図25参照)が、前記チューブ・シート12上に置かれるように、前記反応器チューブ10の上面に位置される。このとき、前記突出部14は、このトレー200のスロット210中に適合する。このトレー200は、周縁に起立縁212を有する平らな底部を有する。プレート214が、この平らな底部に、閉じた状態で枢止できるようにヒンジ216によって留められており、これによって前記スロット210の残りの部分を塞ぐことができる。かくして、装置50は、熱電対突出部14に取り付けられ、このとき前記トレー200は、この装置の緩んだ部分が反応器チューブ10に落ちるのを防ぐ。装置50が熱電対突出部14に取り付けられると、前記トレー200は取り外され、そして、装置50は、前記反応器チューブに挿入されて、前述のように使用される。
試験が行われた後、即ち、前記反応器チューブ10が吹き込みされた後、前記上側のナット20は、前記可撓性のプレート30が緩んだ位置に戻ることができるように緩められる。そして、この装置50は、別の場所で使用されるようにこの反応チューブ10から取り外される。装置50が再度取り外されている間も、前記トレー200は、緩んだ部分が前記反応器チューブ内に落ちるのを再度防ぐために、使用され得る。図面には、装置50の上側にあるコネクター18を示しているだけであるが、使用の際に、このコネクター18は、圧縮ガスの供給源に接続されることが判る。例えば、この供給源は、公知文献である特許‘706と‘404とに示されている装置の、手持ち式のパイプからの注入器である。
この装置50は、サーモウェル突出部との使用について説明されているが、この装置は、他の形式の突出部、もしくは、障害物を受け入れるようにデザインされ得る。また、前記可撓性のプレート30の開口部が無い場合は、一時的なシールが必要な、突出部のない通常のチューブに使用され得る。
図12は、上記シール装置の他の適用を示している。この場合、各々が一対の硬いプレート126、128と、複数の可撓性のプレート130との2組のサンドウィッチ形状50A、50Bと、内側のシールと外側のシールとであるこれら2組の間には圧縮スリーブ124が設けられている。また、この実施形態には、空気供給チューブと通気管チューブとしての両方の機能を果たす更なるチューブ160(図12参照)を受け入れるために、硬いプレート126、128のそれぞれの第3の開口部134(図9A参照)と、これら開口部に垂直に整合される可撓性のプレート130の第3の開口部141(図11A参照)とがある。この更なるチューブ160は、遮断弁164を通る調整された空気流を受ける。3方弁166は、空気が排気孔166を通って大気か圧力センサー170へと出て行けるようにするために、使用されている。この圧力センサー170は、前記外側及び内側のシール50A、50B間の、空きスペース、即ち、軸方向隙間174の圧力を測定するために、導管172と前記弁166とを介して、前記チューブ160と連通している。
これらシール50A、50Bが、前記反応器チューブ10の内壁をシールするように所定位置で締められると、供給バルブ164が開かれ、圧縮された空気(もしくは別のガス)が、前記コネクター18に供給される空気(もしくは別のガス)と大まかに同じ圧力で、チューブ160を通って空きスペース174に注入され、この空きスペース内に圧力を発生させる。そして、前記供給バルブ164が閉じられ、前記3方弁166が、前記空きスペース、即ち、隙間174と、前記圧力ゲージ170との間を連通するような位置にもたらされる。
コンピュータが、精度の良いシールが為されていることを、図20に示されているように表示するように、一定の期間中、前記圧力ゲージ170の圧力をモニターし、且つ、一定の期間中、圧力が、所定回数の圧力測定の観点から、所望の範囲内で、所望の安定性を満たしているかどうかを判断する。そして、試験、即ち、吹き込みが行われる。前記圧力ゲージ170は、試験が行われている時、試験のための精度の良いシールを引き続き確実にするために、引き続きモニターされる。試験が完了すると、前記3方弁166は大気へ空気を排出するようにシフトされ、前記ナット20は緩められ、装置はこの反応器チューブ10から取り外される。
この構造では、漏れによって前記空きスペース内の圧力が下がるかどうかを確認するために、大気より圧力の高いガスを使用するが、大気より圧力の低いガスを使用して、漏れによって前記空きスペース内の圧力が上がるかどうかを確認することも可能である。また、この構造は、反応器チューブとの使用のために開発されたが、これは、他の容器もしくはコンテナー内での漏れをチェックするためにも、同様に用いられ得る。漏れの試験以外に他の試験や操作が行われない場合、外側のシールを通る2つのプローブのみが使用される。これらプローブの一方は、ガスを注入するプローブであり、もう一方は、空きスペース内の圧力を測るプローブである。また、内側のシールを通るプローブは設けられなくても良い。
図13乃至図19は、反応器チューブ10の上面の種々の状態を示しており、これらはすべて、シール装置50に適応できる。図13では、反応器チューブの上面は、チューブ・シート12の上面と同一面である。図14では、反応器チューブ10の上面は、チューブ・シート12の上面より上に突き出している。図15では、反応器チューブ10の上面は、チューブ・シート12の上面より下に引っ込んでいる。図16乃至図18は、反応器チューブ10をチューブ・シートに取着させる溶接ビード8を有している点を除いて、図13乃至図15と同じ状態を示している。
図19は、図4に示されているゴムストッパーのような従来技術の装置と精度の良いシールを為すための性能に影響を与えるような、種々の生じ得る問題を示した、反応器チューブ10の平面図である。この反応器チューブ10は、外径40と内径42とを有している。前記チューブ10の内径に突き出して、これを削っている溶接補修部44が示されており、これは、前記チューブの内面をいびつに、円形の断面にならないように変形させている。また、前記チューブ10の上面のかすり傷、もしくは溝46が、ゴムストッパー2(図4参照)が使用される場合に、漏れを生じさせる恐れがある。溶接補修を重ねた部分48は、溶接部から高いスポットとなって、これらスポットが、従来技術のストッパー使用時に、たとえこのストッパーをかなりの力で押しても、漏れを生じさせてしまう。これらすべての状態は、ここで説明されているシールによって、信頼性良くシールされる。
図21と図23とは、引用した特許で説明されているように、チューブ試験、即ち、吹き込みのシステムによって生じた図形表示である。しかしながら、図23の図形表示は、特にサーモウェル突出物14を含む反応器チューブ10に関するものである。
図21は、前記チューブ・シート12と同じ形状及びチューブ構造を有する試験中の反応器のチューブ・シート12を示した図形表示である。この図形表示は、第1の列及び最後の列と、各列で第1のチューブ及び最後のチューブとを含んでいる、使用された番号付けの集合体を示している。サーモウェルもしくは熱電対を含んでいる前記反応器チューブ10は、代表的に、異なる色(この場合、白の代わりに黒)によって普通のチューブと識別されている。コンピュータのカーソルを図形表示に示された特定のチューブの上方に位置させるのに従って、関連の情報が、図23に示されているようなコールアウト(callout)に表示される。コールアウトに表示されたメッセージは、圧力センサー170から得たデータに基づくシールの信頼性を表示しているだけでなく、熱電対もしくは他のプローブの番号、列の番号、(列内の)チューブの番号、また、動力停止レベル(outage level)及び/もしくは圧力降下のデータなどの情報を含み得る。
図22は、システムによって作られた、異なる形式の図形表示であり、装置50を用いて測定された圧力降下値を示しており、この圧力降下値は、目標値と、最大値、最小値とをロードし、示すレベルと関連する。
図5Aは、本発明にしたがって形成されたシール装置50Aの他の実施形態である。この装置50Aは、注入チューブ16が、独立した下側のナット22を有する代わりに、下側の硬いプレート28に直接ねじ留めされているという点を除くと、図5のシール装置50と類似している。この下側の硬いプレート28にねじ留めされている代わりに、もしくはねじ留めされていることに加えて、注入チューブ26は、この硬いプレート28に溶接されているか、そうでなければ、取着されている。これらの点を除けば、シール装置50Aの作用は、上述のシール装置50と同一である。
「上側の」、「下側の」、「水平な」という言葉がここで使用されているが、これらの用語は、単に各部分の相対的な位置を説明するために用いられていることが理解されるべきであり、また、装置は、他の適応、例えば、前記反応器のチューブ・シートの底部、もしくは、水平なチューブの端などでも使用されることができる。また、ここで示されている硬いプレートと可撓性のプレートとは円形であるが、これらチューブは、シールが施される(ダクト、もしくは導管を含んでいる)チューブの形状に適合するように形成され、楕円形、矩形、もしくは、他の種々の形状になり得る。この分野の者には、上述の実施形態が、本発明の範囲を外れること無く変更され得ることは、明らかであろう。

Claims (10)

  1. それぞれ周縁を有し、第1及び第2の開口部を備えている上側及び下側の硬いプレートであり、前記第1の開口部が、それぞれのプレートの周縁まで延びている上側及び下側の硬いプレートと、
    周縁を有し、第1及び第2の開口部を備えている少なくとも1つの可撓性のプレートであり、この第1の開口部が、可撓性のプレートの周縁まで延び、前記上側及び下側の硬いプレート間に挟まれている可撓性のプレートとを具備し、
    前記上側及び下側の硬いプレートの第1の開口部と、前記可撓性のプレートの第1の開口部とは、垂直に整合され、また、前記上側及び下側の硬いプレートの第2の開口部と、前記可撓性のプレートの第2の開口部とは、垂直に整合され、
    前記上側及び下側の硬いプレートは、実質的には、同じ径を有し、前記可撓性のプレートは、前記上側及び下側の硬いプレート間で圧縮されている時、これら硬いプレートの直径より大きく延びる直径を有している、チューブから突出している突出部を有し、
    前記可撓性のプレートを圧縮するように、前記上側及び下側の硬いプレートを互いの方へ移動させるための、前記第2の開口部を通って延びている圧縮手段を更に具備し、この圧縮手段は、前記第2の開口部を通って延びる注入チューブを含む、チューブから突出している突出部を有するチューブのためのシール。
  2. 前記上側及び下側の硬いプレート間に、複数の前記可撓性のプレートがあり、前記圧縮手段は、前記注入チューブにはめ込まれた少なくとも1つのナットを含む、請求項に記載のチューブのためのシール。
  3. 前記上側及び下側の硬いプレートと前記可撓性のプレートとは、反応器チューブの内部に位置され、この反応器チューブは、互いに整合された前記第1の開口部を通って延びているチューブから突出している突出部を有し、また、前記反応器チューブの内面と前記突出部の周囲とをシールする前記可撓性のプレートを有する、請求項1または2に記載のチューブのためのシール。
  4. 前記上側及び下側の硬いプレートと前記可撓性のプレートとは、更に第3の開口部を夫々備えており、これら第3の開口部は互いに垂直に整合されている、請求項1ないし3のいずれか1に記載のチューブのためのシール。
  5. 前記上側及び下側の硬いプレートと前記可撓性のプレートとの前記第3の開口部に受けられるチューブを更に具備する、請求項に記載のチューブのためのシール。
  6. 前記圧縮手段は、更に、前記上側の硬いプレートの上側で前記注入チューブを囲んでいる圧縮スリーブを含んでいる、請求項1ないし5のいずれか1に記載のチューブのためのシール。
  7. 前記圧縮手段は、更に、前記圧縮スリーブの上側で前記の注入チューブにはめ込まれている少なくとも1つのナットを含んでいる、請求項に記載のチューブのためのシール。
  8. 請求項1ないし7のいずれか1に記載のチューブのためのシールを前記チューブ内に互いにチューブの軸に沿って離間させて上下に夫々配置する工程と、
    夫々の前記圧縮手段により前記上下のシールが位置する第1及び第2の位置で、チューブの内面をシールする工程と、
    周囲の圧力と異なる圧力のガスを前記上側のシールと下側のシールとの間の隙間に供給する工程と、
    この圧力が安定しているかどうか判断するために、一定の期間にわたって、前記隙間中の圧力をモニターする工程とを具備するシールの試験方法。
  9. 前記チューブの内面をシールする工程は、前記可撓性のプレートがチューブの内面をシールするまで、可撓性のプレートを前記圧縮手段により圧縮するように、前記上側及び下側の硬いプレートをそれぞれ互いの方へ押すことを含む、請求項8に記載のシールの試験方法。
  10. ガスの制御された流れを、前記側及び側のシールの両方を通して注入する工程と、この背圧を測定する工程とを更に具備する請求項8または9に記載のシールの試験方法。
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