JP6813234B1 - フローリアクター - Google Patents
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Abstract
Description
ところがこの特許文献1に記載のものにあっては、チューブ内に付着等が発生した場合、洗浄がし難いし、洗浄できたか否かなど洗浄状態が簡単には確認できない。
また、シェル側の熱媒の保有量が多く、オーバーシュートやアンダーシュートの発生が起こりやすく基本的には古典的な熱交換器であるため総括伝熱係数を画期的に増やすことが難しい。さらにチューブシートにチューブが取り付けられているため、熱に対する膨張と伸縮を繰り返す反応には、採用しづらい。また、細管状の伝熱管の内部にコーティングやライニングの施工は実質的に不可能であるし、その構造上他の流路においても耐食材のコーティングやライニングの施工が難しく、耐食性などの観点からも改善が求まられている。特に前記伝熱管内を耐食材でコーティングやライニングすることは実質的に不可能であり、たとえできたとしても量産性が悪くコスト面から実用性のない物とならざるを得ない。
しかしながら流路が漸次減少していくために伝熱面の通過流速も漸次変化するために一般工業には応用し難く、かつ沸騰を伴う熱交換の場合は、発生ガスの滞留箇所が多くありドライアウトを起こしやすく、フローリアクターには適用できない。
また、本発明の他の課題は、伝熱部に被処物や発生ガスが滞留することを抑制するのに適した構造を有するフローリアクターを提供することにある。
本発明の他の課題は、洗浄性の良いフローリアクターを提供することにある。
本発明のさらに他の課題は、分解可能なフローリアクターを提供することである。
また本発明はコーティング施工も可能なフローリアクターを提供することを課題とする。
本発明にあっては、前記伝熱体は、前記内筒及び外筒で形成される隙間に配位され螺旋状に周回し、軸方向断面図において断面形状がネジ形状であり、ネジ状に組み立てられ、オネジ部とメネジ部の形状を変えることにより第一流路の流路面積を変化させると共に、前記第二及び第三流路は螺旋状に形成され、前記伝熱体を介して前記熱交換が行われるものである。
前記伝熱体は、前記内筒及び外筒で形成される隙間に配位され螺旋状に周回し、軸方向断面図において断面形状がネジ形状であり、ネジ状に組み立てられ、オネジ部とメネジ部のネジ山の角度を変えることでオネジ部とメネジ部の形状を変えるものとして実施することができる。
前記第二流路と前記第三流路は、いずれも螺旋状に周回する流路として実施することができる。
前記第一流路と前記第二流路及び前記第三流路は前記第一の流体と前記第二の流体及び前記第三の流体が溜まる可能性のある水平部を備えていないことが望ましい。
また、前記同芯に配置された前記内筒と前記外筒の間に形成される前記空間が同芯上に複数あるものとすることもできる。
前記第一流路を含む前記第一の流体の流れる通過流路は、耐食材料でコーティングされていることが望ましい。前記耐食材料コーティングとしては、フッ素樹脂コーティングを示すことができる。
本発明は、伝熱部に被処理物や発生ガスが滞留することを抑制するのに適した構造を有するフローリアクターを提供することができたものである。
本発明は、洗浄性の良いフローリアクターを提供することができたものである。
本発明は、分解し易い構造を備えたフローリアクターを提供することができたものである。
本発明はコーティングの施工も可能なフローリアクターを提供することができたものである。
そもそもフローリアクターにおける性能は、単位体積当たりの伝熱面積と総括伝熱係数及び流れのレイノルズ数の制御性で表される。そして、位体積当たりの伝熱面積と総括伝熱係数は、大きな程、性能が高く熱交換機能が高いものとなり、目的の温度条件で且つ流れ場を制御し、反応が実施できることが必須となる。
本発明により単位当たりの伝熱面積は先行文献に比して相当大きなものである。また、熱交換伝熱面での伝熱抵抗や汚れ係数は、材料由来や環境由来のため説明は省くが、総括伝熱係数を上げるためには、熱交換伝熱面での乱流度合いが一番大きなファクターとなる。被処理流動体と熱媒の流速を上げたり、邪魔板を設置したり、各種対応されるがその都度圧力損失が問題となる。これらより圧力損失を最小限にとどめ乱流状態を作るためには、被処理流動体及び熱媒と共に螺旋流を活用したものである。螺旋流は遠心力の影響を受け、乱流状態を簡易に作れ、レイノルズ数を上昇させ、さらにまた向流で使用した場合にはより一層性能が高い熱交換をなすことができるフローリアクターを実現できたものである。
また蒸発を伴う加熱操作の場合は、発生ガスが滞留すると熱伝導率が発生ガス単相流と同程度の低いオーダーまで低下する。この現象は、ドライアウトと呼ばれ、伝熱面に沿って流れていた液膜が蒸発して消失し,気相が直接伝熱面に接することにより起こってしまい、目的の反応が実施できない。また確実にスケールアップが必要とされ、高性能化はもちろんの事、大型になっても計算通り処理されなければならない。
これらを解決する為に、被処理物の流速と圧力損失の関係を見直し流速を上げても圧力損失が大きくなり過ぎない構造を提案できたものである。特に高粘度被処理物や沈降し易いスラリー状液体の場合効果が大きいし、汚れや付着が少ないものである。
また、伝熱体を略三角形にすることにより液だまりや発生ガスのたまりが無く、かつ伝熱面積を大きくとる事ができ、非対応処理物の物理的性質から略三角形の形状を選択し設計の自由度も有している。
また被処理物の保有量も少なく急速加熱や急速冷却にも対応しやすく、同時に熱媒や冷媒も同じように保有量が少ない為、機器の小型化や高性能化、制御の容易化が実現できた。本構造上、非常に簡単なため分解や組み立てが容易であり、耐食材料でコーティングも可能とする。
実施の形態では、反応性のある被処理流動体であって熱交換を行う目的となる流体を第一流体F1として説明する。熱交換及び反応は、二つの流体間で熱エネルギーの交換を行うものであるため、主従の区別を行う必要はないが、通常は特定の1つの流体に対する加温冷却の処理を目的として行われる場合が多い。そこで、この実施の形態では、加温冷却の処理を目的となる第一流体F1の流路を第一流体F1として説明する。第一流体F1に対して熱交換を行う流体を第二流体F2として説明する。また、第一流体F1に対して熱交換を行う他の流体を第三流体F3として説明する。
この第一流体F1としては、気体や液体やスラリーや流動体など様々なものを被処理流動体として例示することができる。第二流体F2及び第三流体F3には、水蒸気や温水や冷水や窒素ガスなどの熱媒体を例示することができる。ただしこれらの流体の種類は固定的に考えるべきではなく、第一流体F1を熱媒体としたり、第二流体F2や第三流体F3が熱交換の目的となる流体として実施することを妨げない。
内筒61は、その上下端に設けられた内軸部63が、外筒62の上下端に設けられた固定筒部64内に挿入されて内軸部63と固定筒部64が、固定されることによって結合されるものであり、この結合状態で内側伝熱体41と外側伝熱体51との位置関係も固定される。
図1及び図2に示す第1の実施の形態に係るフローリアクターは、同芯に配置された内筒61と外筒62とを備えたもので、さらに内側や外側に他の筒を備えたものであっても構わない。
内筒61と外筒62の間の空間は、内側伝熱体41と外側伝熱体51によって3つの空間に区画される。内側伝熱体41と外側伝熱体51は、全体として同芯の略筒状であり、これらは内筒61と外筒62も同芯である。
内側伝熱体41と外側伝熱体51の間の空間が第一流路11を構成し、内筒61と内側伝熱体41の間の空間が第二流路21を構成し、外筒62と外側伝熱体51の間の空間が第三流路31を構成し、これらの流路はいずれも螺旋状に周回して、内筒61及び外筒62の軸方向に進むものである。
内側伝熱体41と内筒61との固定や、外側伝熱体51と外筒62との固定は、溶接などによって気密性および液密性を保った状態でなされることで、各流路の流体が混合しないように分離する。
内側伝熱体41を介して第一流体F1と第二流体F2との間で熱交換が行われ、外側伝熱体51を介して第一流体F1と第三流体F3との間で熱交換が行われる。
内側伝熱体41は内筒61の外側に固定され一体として回転可能であり、外側伝熱体51は外筒62の内側に固定され一体として回転可能である。
内側伝熱体41をオネジ部とし、外側伝熱体51をメネジ部として両者はネジ状に組付けられるもので、内側伝熱体41及び内筒61を、外側伝熱体51及び外筒62に対して相対的に回転させることによって、これらは分離可能に組付けられる。
分離した状態では、第一流路11を規定する流路構成面は、内側伝熱体41の側と外側伝熱体51の側とに分離される。
内側伝熱体41は、内筒61の外周面を螺旋状に旋回しながら軸方向に進むもので、軸方向断面図において断面形状が略三角形である。
外側伝熱体51は、外筒62の内周面を螺旋状に旋回しながら軸方向に進むもので、軸方向断面図において断面形状が略三角形である。
両者のピッチ及びリード角は同一であり、内側伝熱体41をオネジ部として外側伝熱体51をメネジ部として両者は組付けられる。従って内側伝熱体41についてはオネジとしてその説明を行い、外側伝熱体51についてはメネジとしてその説明を行う。
内側伝熱体41は、最も外径の小さな谷底部44と、最も外径の大きな山頂部45と、谷底部44と山頂部45とを結ぶ第1傾斜部42及び第2傾斜部43とを備えており、谷底部44で内筒61に固定されている。また外側伝熱体51は、最も内径の小さな山頂部55と、最も内径の大きな谷底部54と、山頂部55と谷底部54とを結ぶ第1傾斜部52及び第2傾斜部53とを備えており、谷底部54で外筒62に固定されている。
そしてこの例では、図2(A)に示すように谷底部44と山頂部55の径は略同一で、両者が接触しているものとして実施できるほか、図2(B)に示すように内側伝熱体41の谷底部44の外径が外側伝熱体51の山頂部55の内径よりもわずかに小さく、両者の間に隙間が開けられたものであっても構わない。この隙間は第一流路11の最小流路幅(β)となるものであって、図2(A)に示すように接触している場合はβ=0であり、図2(B)に示すように隙間がある場合でもβ≦4mmであることが好ましい。
次に、内側伝熱体41と外側伝熱体51の厚みt(図2(A)参照)は、これらを挟んで流体の熱交換が行われるので、熱交換の効率を考えて、0.2mm〜3mmであることが好ましく、0.5mm〜2mmであることがより好ましい。内筒61や外筒62の厚みも同様としてもよい。但し、構造体として作用する強度を考えて変更してもよく、これに限られない。
この実施の形態における第一流路11は、内側伝熱体41の第1傾斜部42及び第2傾斜部43と、第1傾斜部52及び第2傾斜部53とで規定される多角形の空間であり、熱交換及び反応の主たる対象となる第一流体F1の流路となる。
この実施の形態に係るフローリアクターは、図2(A)に示すように、前述のように内側伝熱体41の山頂部45と外側伝熱体51の谷底部54と間の空間が、半径方向における第一流路11の最大流路幅(α)を規定する。谷底部44と山頂部55が接触している場合は最小流路幅(β)が0となり、α/β=∞となるため、第一流体F1は、完全な螺旋流となって、周回を繰り返しながら、軸方向に進むことになる。その結果、熱交換や化学反応がなされる流路長を長くすることができると共に、螺旋流を活用して、高い熱交換を実現することができる。即ち、螺旋流は遠心力の影響を受け、乱流状態を簡易に作ることができ、これによってレイノルズ数を上昇させることにより性能が高い熱交換を実現できるものである。その結果、熱交換及び反応の効率を表す総括伝熱係数を上げることができる。
また、図2(B)の場合のように、谷底部44と山頂部55の間に隙間がある場合でも、第一流路11の最大流路幅(α)と最小流路幅(β)との比率(α/β)を2以上、より好ましくは10以上とすることによって、ショートパスして軸方向に流れる流体を極力少なくすることができ、全体としての流れは螺旋流となる。
この谷底部54の軸方向長さを長くすれば第一流路11の断面積(流路面積)を増やすことができる反面、第三流路31の断面積(流路面積)が低下することになるため、全体的な熱交換率及び反応率を視野に入れつつ両者のバランスを考慮してその長さを決定して実施することができる。
ただし、上記の各断面形状は、第一流体F1などの被処理物もしくは気体が溜まる可能性のない形状であることが好ましい。例えば平坦な水平部や凹部が流路の一部に設けることは、特別な目的がない限り避ける方が好ましい。
また図3(C)に示すように、内側伝熱体41の谷底部44を、軸方向に長さのあるものとして、内側伝熱体41を全体として1つの筒状体として実施することもできる。この場合、内側伝熱体41は、第1傾斜部42、第2傾斜部43及び山頂部45で規定される立体形状部と、フラットな板状の谷底部44とで構成されることになり、これらが全体として筒状体を構成することになる。同様に外側伝熱体51についても、第1傾斜部52、第2傾斜部53及び山頂部55で規定される立体形状部と、フラットな板状の谷底部54とで構成された筒状体として実施することもできる。
これらの場合、内側伝熱体41及び外側伝熱体51は、谷底部44と内筒61の間あるいは谷底部54と外筒62の間に隙間のないものとすることもできるし、隙間(μ)を設けて実施しても構わない。この隙間(μ)を設ける場合には4mm以下とすることが適当である。この隙間(μ)をあまりにも大きなものとした場合には、第二流体F2や第三流体F3について螺旋状に流れることなく軸方向にショートパスして流れる流体の量が多くなり、熱交換及び反応の効率を低下させる恐れが生じる。
また、分解清掃を行う場合にも、内筒61及び内側伝熱体41と外筒62及び外側伝熱体51とを相対的に回転させてネジを外す要領で分離すれば、第一流路11は、第一流路11の内周側の表面(内側伝熱体41及び内筒61の外周面)と、第一流路11の外周側の表面(外側伝熱体51及び外筒62の内周面)とが、完全に分離して露出すると共に、これらの表面に現れる角度は何れも90度以上となっている。従って、第一流路11を隅々まで清掃することができるし、清掃完了時の状態も確認しやすい。
これに対して、断面円形のコイルを外筒の内周面と内筒の外周面との間に配置した場合は、その隙間は狭隘にならざるを得ないし、内筒と外筒とを分離しても、コイル状の伝熱管を分離しなければ、上記半径方向から見てコイル状の伝熱管の裏側半分は表側半分に隠れて直接露出していない。その結果、隅々までの洗浄が困難であるし、洗浄状態が簡単には確認できない。
内側伝熱体41と内筒61の間の空間が、軸方向断面形状略三角形の第二流路21を構成する。この第二流路21は、第一流路11と同様、螺旋状に周回するものであるが、第一流路11と異なり、軸方向断面図において閉ざされた空間であるため、上記のようにネジ式で二つに分離しただけでは、閉ざされた状態が維持される。ところが第二流路21は通常、水蒸気や温水や冷水や窒素ガスなどの熱媒体が第二流体F2として通されるため、第一流路11と異なり流体などの付着が生ずるおそれが少ない。
外側伝熱体51と外筒62の間の空間が、軸方向断面形状略三角形の第三流路31を構成する。この第三流路31は、第一流路11と同様、螺旋状に周回するものであるが、第一流路11と異なり、軸方向断面図において閉ざされた空間であるため、上記のようにネジ式で二つに分離しただけでは、閉ざされた状態が維持される。ところが第三流路31は通常、水蒸気や温水や冷水や窒素ガスなどの熱媒体が第三流体F3として通されるため、第一流路11と異なり流体などの付着が生ずるおそれが少ない。
なお、第一流路11、第二流路21、第三流路31の周回方向は異なるもの(例えば時計回りと反時計回り)であっても構わないし同じものであっても構わない。
第一流体F1は、図1の下端の固定筒部64に設けられた流入部12からその内部の環状流路65を経て螺旋状の第一流路11の中に入り、螺旋状に周回しながら上方に進み、上端の固定筒部64に設けられた環状流路65を経て流出部13から外部へ流出する。また、目的の反応に合わせて第一流体F1の滞留時間より長さは決められる。なお、流入部12を複数設けることによって、複数の流体を環状流路65で混合することもできるし、スタティックミキサーや連続ミキサーなどの系外に設けられた混合器(図示せず)にて予め混合した流体を導入することもできる。
第二流体F2は、図1の上端の内軸部63を貫通して設けられた流入部22から螺旋状の第二流路21の中に入り、螺旋状に周回しながら下方に進み、下端の内軸部63に設けられた流出部23から外部へ流出する。
第三流体F3は、図1の外筒62の上端寄りに設けられた流入部32から螺旋状の第三流路31の中に入り、螺旋状に周回しながら下方に進み、外筒62の下端寄りに設けられた流出部33から外部へ流出する。
なお、各流路の流入部と流出部は逆にして実施することもできる。
第一流路11、第二流路21、第三流路31など、第一流体F1、第二流体F2、第三流体F3の通過経路を規定する各面の素材は、金属など第一流体F1と第二流体F2の種類に応じて選択して実施することができるが、その表面を耐食材料でコーティングしておくことも好ましい。耐食材料によるコーティングとしては、グラスライニングもしくはフッ素樹脂コーティング、セラミックコーティングを例示することができる。
本発明は上述の実施の形態の他種々変更して実施することができる。例えば、内側伝熱体41によるオネジの高さと外側伝熱体51によるメネジの高さを異なるものとすることによって、第一流路11を構成することもできる。具体的には図3(D)に示すように、内側伝熱体41の第1傾斜部42と第2傾斜部43で規定されるねじ山の角度(θ1)と、外側伝熱体51の第1傾斜部52と第2傾斜部53で規定される両フランクのなす角度(θ2)とを同じ角度とすると共に、内側伝熱体41側のネジ山の高さを低くして山頂部45を軸方向に長さのあるものとすることによって、山頂部45、第1傾斜部52、及び第2傾斜部53で規定される空間を第一流路11とすることもできる。
また、上述の各実施の形態では、内筒61と外筒62を、いずれも円筒体として実施したが、螺旋状に伸びる凸状、凹状を備えたチューブとして実施することにより、第二流路21及び第三流路31の各流路の断面積を大きくすることができる。
また、図示はしないが、内筒61と外筒62の内側や外側に他の筒体を配置し、その筒体との間にも内側伝熱体41と外側伝熱体51とを配置して、上述の反応のための空間が同芯上に複数あるものとして実施することもできる。
F2 第二流体
F3 第三流体
11 第一流路
12 流入部
13 流出部
21 第二流路
22 流入部
23 流出部
31 第三流路
32 流入部
33 流出部
41 内側伝熱体
42 第1傾斜部
43 第2傾斜部
44 谷底部
45 山頂部
46 ねじ山の角度θ1
51 外側伝熱体
52 第1傾斜部
53 第2傾斜部
54 谷底部
55 山頂部
56 両フランクのなす角度θ2
61 内筒
62 外筒
63 内軸部
64 固定筒部
65 環状流路
Claims (8)
- 同芯の内筒と外筒の間に形成される空間内に螺旋状に周回する第一流路と第二流路と第三流路の3つの流路が設けられ、
前記第一流路内を流れる第一の流体である被処理流動体と前記第二流路内及び前記第三流路内を流れる第二及び第三の流体との間に伝熱体を介して熱交換が行われるフローリアクターにおいて、
前記伝熱体は、前記内筒及び外筒で形成される隙間に配位され螺旋状に周回し、軸方向断面図において断面形状がネジ形状であり、ネジ状に組み立てられ、オネジ部とメネジ部の形状を変えることにより第一流路の流路面積を変化させると共に、前記第二及び第三流路は螺旋状に形成され、前記伝熱体を介して前記熱交換が行われることを特徴とするフローリアクター。 - 前記伝熱体は、前記内筒及び外筒で形成される隙間に配位され螺旋状に周回し、軸方向断面図において断面形状がネジ形状であり、ネジ状に組み立てられ、オネジ部とメネジ部のネジ山の角度を変えることでオネジ部とメネジ部の形状を変えることを特徴とする請求項1記載のフローリアクター。
- 筒状の内側伝熱体をオネジ部とし筒状の外側伝熱体をメネジ部として前記内側伝熱体と前記外側伝熱体とがネジ状に組み合わせられ、前記内側伝熱体と前記外側伝熱体との間が第一の流体が流される第一流路とされ、前記内側伝熱体を挟んでその内側に設けられた第二流路と、前記外側伝熱体を挟んでその外側に設けられた第三流路とを備え、前記第二流路を流れる第二の流体と前記第一の流体との間で内側伝熱体を介して熱交換が行われると共に、前記第三流路を流れる第三の流体と前記第一の流体との間で外側伝熱体を介して熱交換が行われるように構成されたフローリアクターにおいて、
前記第一流路は、螺旋状に周回する流路であり、
半径方向における前記第一流路の最大流路幅(α)と前記第一流路の最小流路幅(β)との比率(α/β)が2以上である(2<α/β<∞)ことを特徴とするフローリアクター。 - 同芯の内筒と外筒とを備え、前記内筒の外側に前記内側伝熱体が固定され、前記外筒の内側に前記外側伝熱体が固定され、
前記内筒と前記内側伝熱体との間を前記第二流路とし、
前記外筒と前記外側伝熱体との間を前記第三流路とし、
前記第二流路と前記第三流路は、いずれも螺旋状に周回する流路であり、
前記オネジ部としての前記内側伝熱体のネジ山の角度(θ1)と前記メネジ部としての前記外側伝熱体の両フランクのなす角度(θ2)との角度の差と、前記オネジ部としての前記内側伝熱体のネジ山の高さと前記メネジ部としての前記外側伝熱体のネジ山の高さとの高さの差との少なくとも何れか一方の差によって生じる空間が、前記第一流路であることを特徴とする請求項3に記載のフローリアクター。 - 前記第一流路と前記第二流路及び前記第三流路は前記第一の流体と前記第二の流体及び前記第三の流体が溜まる可能性のある水平部を備えていないことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載のフローリアクター。
- 前記同芯に配置された前記内筒と前記外筒の間に形成される前記空間が同芯上に複数あることを特徴とする請求項1、2又は4に記載のフローリアクター。
- 前記第一流路を含む前記第一の流体の流れる通過流路が耐食材料でコーティングされていることを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載のフローリアクター。
- 前記耐食材料によるコーティングがフッ素樹脂コーティングであることを特徴とする請求項7に記載のフローリアクター。
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