JPS5811247B2 - ガス混合装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （Ｉ）発明の背景 技術分野 本発明は、基本的には二種の気体を迅速かつ安全に混合
させるための装置に関する。

二種の気体を混合する必要は気相反応においてしばしば
認められるところであり、その一つの具体例として有機
化合物を含有する気体と分子状酸素を含有する気体（分
子状酸素のみからなるものを含む）とを混合する段階を
含む気相酸化反応工程がある。

このような気相酸化反応工程の実例としては、エチレン
からのエチレンオキサイド、ベンゼンまたはＣ４炭化水
素からの無水マレイン酸、キシレンからの無水フタル酸
、プロピレンからのプロピレンオキサイド、アクロレイ
ンまたはアクリロニトリル、アクロレインからのアクリ
ル酸、Ｃ４炭化水素からのブタジェン、エチルベンゼン
からのスチレン、メタノールからのホルムアルデヒド、
インブチレンからのメタクロレイン、メタクロレインか
らのメタクリル酸等が挙げられる。

このような反応工程において、被酸化有機化合物含有ガ
スと分子状酸素含有ガスとを混合する際には、該有機化
合物−分子状酸素混合物が形成する爆発範囲を充分に考
慮する必要がある。

酸化反応帯域に供給されるガス混合物の組成が爆発範囲
外のものとなるようにその混合比を定めるのが安全上必
須のことであるが、有機化合物含有ガスと酸素含有ガス
とを混合する過程で局部的かつ一時的に爆発範囲内の組
成が形成されることは不可避である。

従って、両ガスを混合する際には、如何に迅速に混合を
行なわせて、混合過程で形成される局部的な爆発範囲内
の組成の混合ガスの容積を減少させるか、きいうことが
重要である。

先行技術 従来技術の装置では、特開昭４６−４３６２号および同
４７−１６３８１記載公報に示されているように、一方
のガスを多分割して多方のガスに分散供給することによ
って、できる限り迅速に完全な混合状態を得ようとして
いる。

分散供給を行なわない場合には、一方のガスへ他方のガ
スを単一ノズルで供給し、ノズルの下流側へ障害物を挿
入しておいて、そこへノズルからの噴出ガスを衝突させ
て該ガスの分散を計ることが行なわれている。

これらのいずれの場合にあっても両ガスの混合は管形空
間内で行なわれ、充分に均一なガス混合物を得るにはこ
の管形空間の管長（Ｌ）と管内直径（Ｄ）との比（Ｌ／
Ｄ）は５〜１０程度以上であることが必要とされている
。

これを具体的装置についていえば、工業規模装置では非
常に多量のガス量（数千〜数万ｍ３／時）を取扱い、ま
た配管での圧力損失が増加すると経済的に不利となる場
合が多いから、ガス混合部での配管内直径は３０〜５０
畦度であることがふつうであり、従って充分に均一なガ
ス混合物を得るまでの距離は両ガスが合流する地点より
下流へ１．５〜５．０ｍ程度となる。

すなわち、この１．５〜５．０ｍ程度の間に局部的に爆
発範囲内の組成が形成されていることになって、非常に
危険なことである。

（ＩＩ） 発明の概要 要旨 本発明は上記の点に解決を与えることを目的とし、ガス
流に関する細管の特性を利用した多管式熱交換器型構造
のガス混合装置によってこの目的を達成しようとするも
のである。

従って、本発明によるガス混合装置は、下記の（５）〜
（Ｄ）からなること、を特徴とするものである。

（Ａ） 管壁に少なくとも１個の小孔を設けた管の複
数本からなる管束（たゞし、管束を形成する各管は、管
内直径または相当直径が５ｃｍ以下で長さがその３倍以
上のものである。

管がその軸方向に延びる隔壁によって複数室に分割され
たものである場合は、管壁に設けられている少なくとも
１個の小孔は複数室のそれぞれに臨むものとする。

）、（Ｂ） この管束を収容する胴、 （Ｃ） この胴内において管内部空間と管外部空間とを
隔離して、この管外部空間からなる空間を胴内に形成さ
せる部材、 （Ｄ） 管束Ａの管のそれぞれの内部と部材Ｃによって
形成された胴内空間とに、混合すべき第一のガスおよび
第二のガスをそれぞれ供給すべきガス供給機構（ｍｅａ
ｎｓ ）。

たゞし、管束Ａの管の内部を第一のガスが通過すべきも
のとし、部材Ｃによって形成される胴内空間には第二の
ガスを供給して前記小孔から管内に流入させて、そこを
通過する第一のガスと混合すべきものとする。

効果 本発明は、多管式熱交換器型構造を有する装置により、
所謂管側流体として供給した第一のガスと所謂胴側流体
として供給した第二のガスとを、第二のガスが管内に流
入し得るように管に小孔を設けておいて、管内で混合す
るようにしたものであり、混合を比較的小直径の複数の
管内で行なわせることによって前記の問題点を解決する
のに成功したものである。

充分な容積を持った安全な混合域を与えるべき複数の管
（数十本から数百本になることが多い）は多管式熱交換
器型構造によって管束として簡潔にまとめられており、
また圧損失も比較的少ない。

（■）発明の詳細な説明 １、理論的解析 管内にガスを通過させる場合に、管内流速が乱流域にあ
れば、すなわち（管内直径）×（ガス速度）×（ガス密
度）／（ガス粘度）で表わされるレイノルズ数が１０，
０００以上であれば、混合度合はＬ／Ｄ （管長／管内
直径）値により支配されることが一般に知られている。

この事実より、細管でのガス混合は太管でのそれよりも
短い管長で同じ混合度合が得られる。

すなわち、細管内での混合は太管内での混合よりも敏速
に行なわれ、従って前記した局部的に爆発範囲の組成が
形成されている時間ないし領域が短縮ないし縮少される
ことになる。

また、管内直径が小さければ、有機化合物−分子状酸素
の形成する爆発範囲はそれより直径の大きい管内での爆
発範囲より狭いことが知られている。

これは、爆発燃焼反応を防止するのに役立つ管壁の有効
面積が増加することによるものといわれている。

この事実より、細管内で有機化合物と分子状酸素とを混
合すれば、爆発範囲の縮少に判なって局部的な危険ガス
組成混合物の存在度合が減少することになり、従って安
全性は太管内での混合に比べて増すことになる。

２、多管式熱交換器型構造 本発明によるガス混合装置は、多管式熱交換器の構造を
有している。

しかし両者には基本的な相異点があり、それは管束を構
成する細管に小孔が設けられていて、胴側流体が管内に
流入するようになっていることである。

第１図は、本発明によるガス混合装置の一具体例を原理
的に示す説明図（軸を含む平面で切った断面図）である
。

第２図は、第１図の装置をＩ−Ｉの線で切った断面図で
ある。

両図において、複数本の管１は管板２および２′によっ
て、胴３内に取付けられている。

すなわち、胴３内において管板２および２′によって管
内部空間と隔離された、管外部空間からなる空間４が形
成されている。

胴３は、通常はその延長部３′および３“を有している
。

図示の例では胴３の延長部３′および３“は端板ないし
鏡板および５′によって閉鎖されているが、胴３の外径
をガス配管の外径と同じにして、延長部３′、３“がガ
ス配管の一部となるようにすることもできる。

本発明によれば、管１のそれぞれに小孔６が設けである
。

図示の例では小孔は１個であるが、管の円周方向ないし
軸方向に複数個の小孔を設けることができることはいう
までもない。

小孔の大きさないし面積とその数とは均一なガス混合物
をできるだけ短時間に得るという点から任意に決定する
ことができる。

小孔の数が一番多い例としては網状体で管を構成した場
合が挙げられよう。

また、有限長の管内で均一な混合を実現するには、小孔
は管内を流れるガスに関してなるべく上流側に設けるべ
きである。

管束を形成する各管の内径、管長、本数などは、管内を
通過するガスが乱流となるように、すなわちレイノルズ
数が１０，０００以上となるように、選ぶのが好ましい
。

管束を形成する各管の内径（内部直径）、または４×（
分割された一室の断面積）／（室断面のガスに接する周
り長さく浸辺長））で定義される相当直径は、５ｃｍ以
下、特に１〜３ ｃｍ。

が好ましい。

一方、管長は、Ｌ／Ｄ （管長／管内直径）が３以上、
となるように選ぶのが好ましい。

通常は、Ｌ／Ｄは１０〜１５程度となるような管長が選
ばれる。

なお、ここでいう管長とは、管に設けた小孔の一番下流
側の位置から管の末端（下流側末端）までの距離を意味
する。

管束を形成する複数の管の本数は、通常５０〜１，００
０本捏度である。

３、ガスの混合 第１〜２図の装置において、混合すべき第一のガスは供
給ロアから装置内に供給され、矢印の方向で管内を通過
して出口８から装置を去る。

一方、混合すべき第二のガスは、供給口９から、管内空
間と隔離された胴内空間４へ供給され、小孔６から管内
に流入して、管内を通過している第一のガスと混合され
て、出口８から装置を去る。

ここで第一のガスおよび第二のガスというのは、それ自
身がそれぞれ単一組成のものばかりでなく、混合物であ
る場合も包含するものである。

たとえば、第一のガスが分子状酸素含有ガスである場合
にはそれは空気（すなわち分子状酸素と窒素ガスとの混
合物）あるいは空気と希釈剤ガスたとえば水蒸気または
二酸化炭素との混合物であることがむしろふつうである
。

第二のガスが有機化合物含有ガスである場合も同様であ
って、このガスも希釈剤ガスを含む混合物であることが
できる。

本発明において二種のガス、すなわち第一のガスおよび
第二のガス、を取上げて本発明混合装置を説明している
のは、両ガスから爆発範囲の組成の混合物が生成し得る
からである。

従って、このような問題のない第三のガスをこの第一お
よび第二のガスと混合するのに本発明装置が使用しうろ
ことはいうまでもなく、従ってたとえば供給ロア′から
たとえば希釈剤ガスをさらに供給して三種のガスの混合
を行なうことも本発明の範囲内である。

なお、本発明装置は敏速に混合が達成出来るという効果
を有するから、第一のガスおよび第二のガスが爆発範囲
の組成を形成しないものである場合も本発明の範囲内で
あることはいうまでもない。

混合すべきガスが分子状酸素含有ガスと有機化合物（そ
の具体例のいくつかは前記した通りである）含有ガスで
ある場合に、どちらを管側ガスとしどちらを胴側ガスと
するかは、両ガスの量比、爆発範囲の組成、その他によ
って適宜決定すればよい。

４、装置の具体例 本発明によるガス混合装置の一具体例は、第１〜２図に
示されたような、管束Ａを形成する管が空管ないし非充
填管である。

他の具体例は、管束Ａを形成する管が充填管であるもの
である。

管内に収容すべき固体充填材としては、不活性かつ安定
な材料からなる球状、鞘状、輪状、網状、中実または中
空棒状、その他任意の形態のものがありうる。

また、ここで５固体充填材」とは、通常の意味の挿入物
の外に、管内壁に固定した邪魔板をも包含するものとす
る。

充填管を使用する場合には、ガス混合が一層速やかに行
なわれ、また爆発燃焼反応を防止するに役立つ管壁有効
面積も増大するであろう。

他の具体例は、管束Ａを形成する管がその軸方向に延び
る隔壁によって複数室に分割され、管壁に設けられた少
なくとも１個の小孔がこの複数室のそれぞれに臨んでい
るもの、である。

第３図はそのような管の二側をその軸に垂直な平面で切
った断面図で示すものである。

（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ隔壁１０．１０’および１
０”で二〜四室に分割した例に関する。

このように管内部を分割することは、管内径が充分に小
さくとれない場合あるいは更に細管効果を必要とする場
合に有効である。

上記のような管束についての改変の外に、あるいはそれ
に加えて、胴内空間４（第１〜２図）についての改変も
可能である。

第４図はこの場合の一具体例を示すものであって、軸に
垂直な平面で切った断面図である。

この具体例では胴内空間４がその軸方向に延びる隔壁１
１によって複数室（この例では４室）に分割され、複数
室のそれぞれにガス供給口９が設けられている。

このように胴内室４を分割することは、胴側ガスの偏流
を防止して分散をよくするのに有効である。

上記したような諸具体例は、そのいくつかを組合せて実
施することができることはいうまでもない。

５、実験例 実施例 細管３７本を有する多管式熱交換器型構造のガス混合装
置を用いてガス混合実験を行なった。

細管は内径１０ｍｍ×長さ４００ｍｍであり、直径２ｍ
ｍの小孔を細管上流より５０ｍｍの位置に１個有してい
る。

胴の内径は１４６ｍｍであった。第一のガス及び第二の
ガスとして空気を用い、両ガスの混合程度を見るため、
第二のガスにトレーザーガス（ＣＨ４）を微量（３容量
％）混入させた。

第一のガスの細管内流速は３５ｍ／秒、第二のガスの孔
道速度は７５ ｍ、７秒であり、温度は共に３５℃であ
った。

ガス混合の測定は、細管の上流より３７０ｍｍ（小孔か
らは３２０ｍｍ）の位置で全細管について行なった。

胴中心の細管と胴壁付近の細管とで、細管の位置による
トレーサーガスの細管白濃度分布及び平均濃度の差は無
かった。

各細管内の中心を含む５点よりガスをサンプリングして
トレーサー濃度を測定した形果、全細管の平均濃度（０
２４容量％）に対する各測定点の相対濃度差は±２％以
内であった。

測定結果の一例を第１表および第６図に示す。

トレーサーガスの分析にはガスクロマトグラフィーを用
いた。

第１表および第６図中、Ｒは細管の内部半径、ｒは細管
内のサンプリング位置を示す細管中心からの距離を表わ
す。

なお、上記（以下においても同様）のトレーサーの「平
均濃度」は、面積（加重）平均濃度を意味する。

比較例 内径３０５ｍｍの鋼管に第５図に示す様な内径６８ｍｍ
の第二のガスの供給ノズルを取りつけたガス混合装置を
製作した（ノズルタイプ）。

第一のガスに空気を用い、流速３５ｍ／秒にて第５図左
方より供給した。

第二のガスは空気に３容量％のＣＨ４ガスをトレーサー
ガスとして混入させた混合ガスであり、供給ノズルより
、ノズル先端速度７５ｍ／秒で第一のガスと反対方向へ
噴出させた。

第一のガス及び第二のガスとも温度は３５℃であった。

実施例と同様、供給ノズル先端より下流３２０ｍｍの位
置で混合ガスをサンプリングしてトレーサーガス濃度を
測定した結果を第１表及び第６図に示す（Ｒは鋼管の内
部半径）。

なお、トレーサーガスの平均濃度は０．２９容量％であ
った。

実施例と同じ混合距離３２０ｍｍでもＬ／Ｄが１程度で
はガスの混合は殆んど行なわれていない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明ガス混合装置の一具体例を原理的に示す
ものであって、軸を含む平面で切った断面図である。 第２図は第１図の装置をＩ−Ｉ線で切った断面図である
。 第３図ａ”ｅは管の具体例を示すものであって、軸に垂
直な平面で切った断面図である。 第４図は胴内空間の具体例を示すものであって、軸に垂
直な平面で切った断面図である。 第５図は本発明以外のノズル型混合器を原理的に示すも
のであって、軸を含む平面で切った断面図である。 第６図は表１に示した結果を示すグラフである。 １……管束を形成する管、２……管板、３……胴、４…
…胴内空間、６……小孔、１０〜１０″……管内隔壁、
１１……胴内隔壁、１２……第一ガス用配管、１３……
第二ガス用ノズル、１４……実施例、１５……比較例。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 下記の（Ａ）〜（Ｄ）からなることを特徴とする、
   ガス混合装置。 （Ａ） 管壁に少なくとも１個の小孔を設けた管の複数
   本からなる管束（たゞし、管束を形成する各管は、管内
   直径または相当直径が５ｃｍ以下で長さがその３倍以上
   のものである。 管がその内部において軸方向に延びる隔壁によって複数
   室に分割されたものである場合は、管壁に設けられてい
   る少なくとも１個の小孔は複数室のそれぞれに臨むもの
   とする。 ）、（Ｂ） この管束を収容する胴、 （Ｃ） この胴内において管内部空間と管外部空間と
   を隔離して、この管外部空間からなる空間を胴内に形成
   させる部材、 （Ｄ） 管束Ａの管のそれぞれの内部と部材Ｃによっ
   て形成された胴内空間とに、混合すべき第一のガスおよ
   び第二のガスをそれぞれ供給すべきガス供給機構。 たゾし、管束Ａの管の内部を第一のガスが通過すべきも
   のとし、部材Ｃによって形成される胴内空間には第二の
   ガスを供給して前記小孔から管内に流入させて、そこを
   通過する第一のガスと混合すべきものとする。 ２ 管束Ａを構成する管が空管または固体充填材を収容
   した充填管である、特許請求の範囲第１項に記載のガス
   混合装置。 ３ 管束Ａを構成する管がその軸方向に延びる隔壁によ
   って複数室に分割され、管壁に設けられた少なくとも１
   個の小孔がこの複数室のそれぞれに臨んでいる。 特許請求の範囲第１〜２項のいずれかに記載のガス混合
   装置。 ４ 部材Ｃによって形成された胴内空間がその軸方向に
   延びる隔壁によって複数室に分割され、この胴内空間に
   第二のガスを供給すべきガス供給機構りがこの複数室の
   それぞれに設けられている。 特許請求の範囲第１〜３項のいずれかに記載のガス混合
   装置。