JPS6023854B2 - 熱交換反応器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱交換反応器に関するものである。

熱交換反応器はその中を通過する処理流体を加熱すると
同時に化学反応処理を施すのに用いられている。熱交換
反応器の１例では、シェルとこれに内蔵された管東とか
ら成り、シェルによって加熱流体が管東の周囲に送られ
る。管東は、加熱及び化学反応処理を施そうとする処理
流体の通路である複数本の管を有している。これらの管
内には、処理流体に化学反応を起こさせるための、例え
ば触媒が充填されている。熱交換反応器の１例が米国特
許第３９７２６８８号に記載されており、そこでは気体
状若しくは蒸発させた炭化水素を触媒を充填した複数本
の管内に送り込んで一酸化炭素と水素とを含有するガス
を生成している。この米国特許第３９７２錠斑号では触
媒を充填した管は反応器のハウジング内を通過しており
、少なくともその一部が反応器のハウジング内に設けら
れた加熱帯を通っている。管の、反応器のハウジング内
を通過している部分は内側遮蔽壁に囲まれており、この
内側遮蔽壁は加熱ガスを透過可能で、ハウジング内面に
設けられた保護壁との間に、加熱ガスが管の周囲を流れ
た後戻るための流路を形成している。また、米国特許第
３９５８９５１号では、炭化水素と蒸気とを反応炉の管
を通過させてガス状の炭化水素と一酸化炭素との混合物
を生成する政質反応炉が示されている。近時、熱交換反
応器における処理温度がきわめて高温となるとともに、
装置も大型となるにつれて重量を支えるシェル及び管東
の要部を熱により強度が低下することのないように構成
することが重要となってきた。

本発明の目的は高温で利用される熱交換反応器において
、管東の熱膨張を吸収でき、しかもシェル外壁が十分に
強固な熱交換反応器の提供にある。

本発明による熱交換反応器は各種の化学処理用に用いら
れ、高温加熱流体から複数本の管内を通過する処理流体
に熱を伝える。

本発明による熱交換反応器はほぼ円筒状の中空シェル部
と、このシェル部に取付けられた管東部とから成る。管
束部とから成り、そのシェル部は円筒状加熱室１２ｂの
下部及び上部にそれぞれ側方へ向かって開いた加熱流体
の流入室１２ａおよび同流出室１２ｃを備えた主ハウジ
ング部１７と、このハウジング部の上端に取り外し可能
に接続される頂部ヘッド１５と下端に一体状に続く底部
ヘッド２０とを有し、処理流体の通路となる管東部はシ
ェルの頂部ヘッド１５の上端開口部に接続される流入チ
ャンネル２５とその下端に続く下向きのほぼ半球状流入
部２７とで形成された管東への流入室１４ａと、シェル
の底部ヘッド２０の下端開□部に接合される流出チャン
ネル３３ａとその上端に続く上向きのほぼ半球状流出部
３３とで形成された管東からの流出室１４ｃと、半球状
の流入部２７及び流出部３３それぞれの最大径端部を塞
ぐ上の管板２８と下の管板３２との間の連結された多数
の平行反応管１４ｂとを有し、前記流出チャンネル３３
ａの下端部はシェルの底部ヘッド２０に強固に固定され
て底部ヘッドを貫通しており、前記流入チャンネル２５
は反応管とシェルとの間の相対的熱勝り眼を吸収するた
めの可操性管連接部をそのチャンネル２５の中間部に備
え、前記流入室１４ａ及び流出室１４ｃはそれぞれの上
端部，下端部を除いてシェル内面から空間を距てて配置
されており、かくして管東部がシェルの底部ヘッド２０
１こ０よって支持され、かつシェルがその内面のほぼ全
面にわたって熱遮断材を張設されている。なお管内には
、通過する処理流体が化学反応を起こして合成ガス等を
生成するように、触媒が充填されている。タ 次に添付
の図面に示した実施例により本発明をさらに詳細に説明
する。

第１図において、本発明による熱交換反応器Ｅはシェル
部１０と、このシェル部１０に内蔵された管東部１１と
を有する。

基本的にはシェル部１０はシェル流入室１２ａと主加熱
室１２ｂとシェル流出部１２ｃとから成る。加熱流体は
シェル流入室１２ａから主加熱室１２ｂに入り、シェル
流出室１２ｃから外へ送り出される。管東部１１は管流
入室１４ａと複数本の管１４ｂ（第１図では１本のみ図
示）と管流出室１４ｃとから成る。被加熱流体は管流入
室１４ａから複数本の管１４ｂ内を通り、管流出室１４
ｃから外へ送り出される。使用されている耐熱金属の限
界点近くまで加熱されている加熱流体は管１４ｂを通し
て管１４ｂ内を流れる処理流体に熱を伝える。管１４ｂ
内には、管１４ｂ内を流れる処理流体が分解、改質等の
化学反応を受けて、反応器に入る時の処理流体とは違っ
た化学組成をなす生成物が得られるように、触媒等が充
填されている。各管１４ｂの底端部には第３図に示す、
触媒１４ｆを保持するための触媒保持手段１４ｄが設け
られている。この触媒保持手段１４ｄは孔を有する円錐
形の部材であり、溶接等の方法で管１４ｂの底端部に取
り付けられており、反応した処理流体を通過させるため
の開口１４ｅを有している。例えば、熱交換反応器Ｅに
よって水素濃厚ガスを生成する場合には、炭化水素を圧
力２１〜７０ｋ９／地、温度８７０〜１０４０午０の加
熱流体で加熱し、蒸気改質触媒を充填した管１４ｂ内を
通過させる。また、この熱交換反応器Ｅは管１４ｂ内に
触媒を充填しなければ、単なる熱交換器として用いるこ
とができる。シェル部１０はほぼ半球状の中空頂部ヘッ
ド１５を有しており、この頂部ヘッド１５のハウジング
１５ａの上端部にはリング１５ｃによって閥口１５ｂが
形成されており、下端部にはフランジリング１５ｄが設
けられている。頂部ヘッド１５の内側には適当な素材か
らなる内側ラィナ１５ｅが設けられており、この内側ラ
ィナ１５ｃとハウジング１５ａとの間には遮断層１５ｆ
が設けられてＺいる。内側ラィナ１５ｅはハウジング１
５ａと同心の半円球状を成しており、その内部にドーム
型内室１６を形成している。シェル部１川まさらにほぼ
円筒形の中空主ハウジング部１７を有しており、この主
ハウジング部Ｚ１７は上部フランジリング１７ｂによっ
て頂部ヘッド１５のフランジリング１５ｄに取付けられ
た外側ハウジング１７ａを有している。

この外側ハウジング１７ａは加熱流体を受け入れるため
にプロセスラインに接続する流入ノズル１７ｄを溶接し
た下部開ロー７ｃを有しｔ さらに、加熱流体が管東部
１１に熱を伝達した後にこの加熱流体を主ハウジング部
１７の外へ送り出すための流出ノズル１７ｆを溶接した
上部開口１７ｅを有する。主ハウジング部１７はさらに
適当な耐火性遮断材１９を収容するために外側ハウジン
グ１７ａの内側に間隔をおいて設けた円筒状内側主ライ
ナー８を有している。この内側主ラィナ１８は流入ノズ
ル１７ｄ内に流入ラィナ１８ａを、流出ノズル１７ｆ内
に流出ラィナ１８ｂを各々耐火性遮断材を収容するため
に有している。この耐火性遮断材は例えばカーボランダ
ム社製の“アルフラックス（ＡＬＦＲＡＸＢＩ Ｎｏ．
５７）”等の気ほうアルミニウムであり、その他の適当
な遮断材でもよい。主ハウジング部１７にはほぼ半球状
の底部ヘッド２０が溶接部２０ａによって接続されてい
る。

底部ヘッド２０は／ズル２０ｅを溶接したほぼ半球状の
外側ハウジング２０ｂを有している。管東部１１は流入
チャンネル２５を有しており、その上端にはフランジリ
ング２５ａが設けられている。流入チャンネル２５は内
室１６内を縦方向に延びている。また、管東部１１をプ
ロセスガス若しくはその他の流体源に接続するために、
適当なアダブタ２６が頂部ヘッド１５のリングＩ５ｃ及
びチャンネル２５のフランジリング２５ａにボルト付け
されている。流入チャンネル２５にはその中間部に例え
ば蛇朝腹状の可操性管連接部２５ｂが取付けられており
、これによって流入チャンネル２５は作用時にきわめて
高温となる管東部１１と、熱遮断材のため比較的低温に
保たれるシェル部ＩＱとの間の熱膨張差を無理なく吸収
する。ドーム形、すなわち半球状の流入部２７がチャン
ネル２５の底端部に取付けられており、この流入部２７
は溶接等の方法で管板２８に接続されている。管板２８
は複数個の閉口を有しており、この関口に複数本の管１
４ｂの上端部が接続されている。ドーム形流入部２７は
管板２８と共に管流入室１４ａを形成している。流入チ
ャンネル２５と流入部２７とは人が内に入って管１４ｂ
から触媒を取り除いたり、再充填することができる大き
さを有している。円形遮断壁３０が主ハウジング部の内
側ラィナ１８の上端部を横切るように、かつ、管板２８
から間隔ｄをおいてこれに平行に設けられている。

遮断壁３０を管板２８から間隔ｄをおいて配置すること
によって、少なくとも好ましくない熱伝達の一部を排除
する空間を形成している。遮断壁３川ま取付け前に成形
された鋳造可能な耐火物であり、複数個の開□を有して
おり、この開□を管１４ｂが貫通している。遮断壁３０
は主ハウジング部１７の頂部に、その円周緑部が内側ラ
ィナ１８に当援するように取付けられている。円形の金
属板３１が遮断壁３０の支持材としてこれに隣接して設
けられており、この金属板３１もまた主ハウジング部１
７の上部を横切るように延びている。金属板３１は内側
ラィナ１８に取付けられてはいないが、このライナー８
に密着している。複数本の管１４ｂは管板２８からこれ
に間隔をおいて設けた遮断壁３０及び金属板３１を通っ
て下方に延出し、主加熱室１２ｂを通ってドーム形、す
なわち半球状の流出部３３に溶接等の方法で取付けた管
板３２まで達している。

また、複数本の控え棒２９（第１図では１本のみ図示）
が上方の管板２８から下方に延びて円形板３４にボルト
付けされている。半球状の流出部３３は流出チャンネル
３３ａに接続されており、この流出チャンネル３３ａは
下方に延びてノズル２０ｃのリセス部２０ｅに溶接され
ている。

内側ライナスリーブ３５が流出チャンネル３３ａ及びノ
ズル２０ｃから間隔をおいて設けられており、この間隔
に鋳造可能な耐火材よりなる環状層３６が設けられてい
る。半球状の流出部３３の外側には放射状に延びた複数
個のガセット３６ａが設けられており、ノズル２０ｃの
上端緑に当接して管東部１１の支持を補強している。半
球状流出部３３と底部ヘッドハウジング２０ｂとの間に
は遮断材が充填されている。下側の管板３２と半球状流
出部３３とによって管流出室１４ｃが形成されている。
主ハウジング部ラィナ１８の下端部を横切って、かつ、
管板３２に極く隣接して平行に支承されて円形遮断壁３
７が設けられている。

この円形遮断壁３７は取付け前に成形された鋳造耐火材
であり、複数個の閉口を有しており、この開□を複数本
の管１４ｂが通っている。円形板３４は控え棒２９に取
付けられており、内側ライナ１８には取付けられてし、
ないがこれに密接している。

また円形板３４は遮断壁３７から間隔ｄ′をおいて設け
られている。円形板３４も複数個の関口を有しており、
この関口を複数本の管１４ｂが通っている。遮断壁３７
と円形板３４との間隔ｄ′‘こよって好ましくない熱損
失の少なくとも一部が防止される。下側管板３２は上側
管板２８及び控え榛に取付けた円形板３４と共働して複
数本の管１４ｂの主支持体を形成している。

複数本の控え棒２９は後述のバッフル構造を支持するた
め、第２図に示すように間隔をおいて設けられている。
管東部１１の配管はその概要が第２図に示されており、
第２図の線の交点に各管１４ｂの中心がおかれる。配列
は三角形状にしてもよい。三角形状配列にすることによ
って加熱流体の放射流に当たる管の表面積を効果的に広
げることができる。中央控え榛２９ａは上側管板２８の
中心から控え棒に取付けた円形板３４の中心まで延びて
いる。

しかし、その中央控え様２９ａの近くには管が配置され
ておらず。このため、後述するバッフル４４間に複数本
の管１４ｂの長手方向に沿って空隙２９ｂが形成される
。この空隙２９ｂによって、他の管よりも受ける熱が少
ない管が生じるのを防止している。この構成は管東の熱
効率を良くし、また熱による伸長をどの管も一様とする
。環状壁デイストリビュータ４１を有する放射流導入分
配室４０はシェル流入室１２ａと主加熱室との間に配置
されており、加熱流体をシェル流入室１２ａから主加熱
室１２ｂ内へ放射状に分散させる。環状壁デイストリビ
ュータ４１は横方向に延びた円形板３４及び中央閉口４
２ａを有する環状流れバッフル４２に溶接等の方法で取
付けられている。複数本の管１４ｂ‘まバッフル４２の
中央閉口４２ａに隣接する部分及び中央関口４２ａその
ものを通過している。バッフル４２の配燈は第２図に概
要的に示されている。バツフル４２は主加熱室の内側ラ
イナ１８に密接している。円環状の分配室４０は円形板
３４と、環状壁ディストリビュータ４１と、バッフル４
２と、シェル部１０の主ラィナ１８の下部とに囲まれて
、下部関口１７ｃから加熱流体を受け入れる環状流入部
を形成している。このように、加熱流体は開口１７ｃか
ら入り、環状流入部で拡散され、次に、環状壁ディスト
リビュータ４１の開口を通って放射状に分散された後、
複数本の管１４ｂに放射流として送られる。加熱流体は
概ね矢印４３の方向に下流城へ流れるが、まずバッフル
４２の下流側から外向きに放射状に流れて第２円形バッ
フル４４の周囲に送られる。

第２バツフル４４管東部１１とほぼ同じ直径を有する円
形壁であり、この第２バッフル４４に設けた複数個の関
口を各管１４ｂが貫通しているため、バッフル４４の、
管１４ｂが存在する部分を流体が通過するのを防止する
ことができる。円形バツフル４４の上方に設けられた環
状バッフル４５は第１の環状バッフル４２と構造的に同
一であり、主加熱室１２ｂの長手方向に沿って環状バッ
フル４５と円形バッフルとが交互に配置されており、加
熱流体を複数本の管１４ｂを横切って管東部１１及びシ
ェル部１０の共通縦軸に対して外向及び内向を交互に繰
返す放射方向に流している。これによって加熱流体から
管内を流れる処理流体に熱を効果的に伝達することがで
きる。加熱流体が高温であるため、外向と内向きの交互
に流すことが管東に沿って熱分布及び温度変化を均一に
するのに極めて重要である。円形バッフル４４と環状バ
ッフル４５との間隔や環状バツフル４５の内径４５ａ及
び円形バッフル４４の外径は縦軸５０の長さに応じて変
えることができる。放射流排出分配室４６は最上位直に
ある環状バッフル４８及び円形板３１に溶接その他の適
当な方法で取付けられた環状ディストリビュータ４７を
有している。

この環状ディストリビユータ４７は、ディストリビュー
タ４７と内側ラィナ１８との間に形成されている環状空
間である排出分配室４６内へ加熱流体を外向きに放射す
るための複数個の開口を有している。その後、加熱流体
はシェル流出口１７ｅから熱交換反応器Ｅの外へ排出さ
れる。熱交換反応器Ｅを使用するにあったては、時々管
東部１１を取り出す必要がある。そのためには、まず、
流入チャンネル２５のフランジリング２５ａ及びシェル
ヘッドリング１５ｃに薮統しているボルトを外してアダ
プタ２６を取り外す。次に、頂部ヘッド１５をフランジ
１５ｄ，１７ｂとの接続を外して主ハウジング１７から
取り外す。次に底部ヘッド２０の内側ラィナ３５を取り
除き、遮断材３６も取り除いて、流出チャンネル３３ａ
とノズル２０ｃとを接続する溶接部を見えるようにし、
この溶接部を壊せば、管東部１１全体を頂部から引き出
すことができる。シェル部１０に通常の金属を使用でき
るようにシェル部１０の作動温度を低くするために、シ
ェル部１０は破線で示したジャケット５１によって冷水
外装されている。

このジャケット５１は上側管板２８から下側管板３２の
範囲に延びている。前述したように、本発明による熱交
換反応器Ｅは水素濃厚ガス若しくは合成ガスを生成する
ために一次改費処理に用いられる。一次政質処理では、
蒸気政質触媒の存在下で炭化水素を蒸気と薮煤させる。
すなわち、気体状の炭化水素、若しくは気化し得る液状
炭化水素を蒸気と共に管東部１１の、市販のニッケル触
媒、すなわち、園体担体にニッケルを付着させたもの等
の蒸気改質触媒１４ｆを充填した複数本の管１４ｂを通
過させる。炭化水素蒸気は約鴇ｏｏｏ以下で管１ ４ｂ
内に入り、出口での温度が７３０ｑｏ〜９２５℃の範囲
内にあるように加熱される。蒸気教質処理時の圧力は１
気圧〜７５気圧（１１００ｐｓｉ）の範囲内とし、政質
ガス若しくは合成ガスを２次改質若しくはその他の処理
工程に送って、アンモニア、メタノール、その他の生成
物の生成に使用し得る合成ガスを製造するのが好ましい
。このような処理工程については米国特許第３１１９６
６７号に記載されている。機嫌を充填した管が燃競炉内
に設けられており、反応熱が炉の熱放射域における燃料
の燃焼によって供給される従来の１次改費処理とは異な
り、本発明によれば、出口温度が８７０〜１０７５℃で
ある２次教質体からの放出流を用いて反応熱を熱交換反
応器Ｅに供Ｖ給している。この放出流はシェル流入室１
２ａから入り、主加熱室１２ｂに送られた後、シェル流
出室１２ｃから排出される。熱交換反応器Ｅ内では相当
な圧力が保持されているが、管１４ｂ内の流体圧とシェ
ル内を流れる流体圧との間には０．７〜７．０ｋ９／地
の差圧がある。これは特にアンモニア処理に用いられる
。もちろんのことながら、上記の実施例は特許請求の範
囲内で構造並びに大きさ、形、素材等を変更可能である
。

本発明の熱交換反応器は反応管の部分はもちろん、多数
の管を管板を介して１本の流路に集約した上部の処理流
体流入部及び下部の同流出部が管板を含め、いずれもシ
ェルの内面とは間隔を距てて配置され、従ってシェルは
その内側全面をほぼ連続的に熱遮断材で被覆可能で、シ
ェル材料の内部の高温による強度低下が有効に防止され
る。また上下の管板は、シェルに取り付けられた従来の
構造に比し、直径が小さくて済みかつシェルとは固定的
に接合されていないため、高温時にも湾曲応力をより少
なくしか受けず無理を生じない。シェルがその円筒状の
ハウジング部と底部ヘッドとの間にフランジによる接続
部を持たないことは、管東部を支持する底部ヘッドの保
持を容易にし、かつ密封の困難性を軽減し、熱遮断材の
施工にも有利である。また本発明の熱交換反応器は、シ
ェル側の加熱流体が管内を通る被加熱の処理流体より高
温の状態で操作されるので、シェルは上記のようにその
内側全面に熱遮断材を張設される。従ってシェルを管東
部との相対的熱膨脹を吸収する可榛性の管連接部は管東
部の支持点から最も遠い流入チャンネルに設けられ、し
かもその内外の温度差及び圧力差が、シェル内と外気と
の間よりもはるかに少ない好条件下にあるので、良好に
作用する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による熱交換反応器の１実施例の縦断面
図である。 第２図は第１図の２−２線に沿った横断面図である。第
３図は各管に取付けられた触媒保持手段の縦断面図であ
る。Ｅ・・・・・・熱交換反応器、１０・・・・・・シ
ェル部、１１・・・・・・管東部、１２ａ…・・・シェ
ル流入室、１２ｂ・・・・・・主加熱室、１２ｃ・・・
・・・シェル流出室、１４ａ・・・・・・管流入室、１
４ｂ・・・・・・管、１４ｃ・・・・・・管流出室、１
５・・・・・・頂部ヘッド、１７・・・・・・主ハウジ
ング部、２０・・・・・・底部ヘッド、２５・・・・・
・流入チャンネル、２７…・・・流入部、２８，３２・
・・・・・管板、３３・・・・・・流出部、３３ａ・・
・・・・流出チャンネル。 多そノ柊をｚ 柊多Ｊ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 加熱流体を通すほぼ円筒状の直立シエルの内部に処
   理流体を通す多数の平行な反応管を上下方向に備えた高
   温用の熱交換反応器であつて、シエル部は円筒状加熱室
   １２ｂの下部及び上部にそれぞれ側方へ向かつて開いた
   加熱流体の流入室１２ａおよび同流出室１２ｃを備えた
   主ハウジング部１７と、このハウジング部の上端に取り
   外し可能に接続される頂部ヘツド１５と下端に一体状に
   続く底部ヘツド２０とを有し、処理流体の通路となる管
   束部はシエルの頂部ヘツド１５の上端開口部に接続され
   る流入チヤンネル２５とその下端に続く下向きのほぼ半
   球状流入部２７とで形成された管束への流入室１４ａと
   、シエルの底部ヘツド２０の下端開口部に接合される流
   出チヤンネル３３ａとその上端に続く上向きのほぼ半球
   状流出部３３とで形成された管束からの流出室１４ｃと
   、半球状の流入部２７及び流出部３３それぞれの最大径
   端部を塞ぐ上の管板２８と下の管板３２との間に連結さ
   れた多数の平行反応管１４ｂとを有し、前記流出チヤン
   ネル３３ａの下端部はシエルの底部ヘツド２０に強固に
   固定されて底部ヘツドを貫通しており、前記流入チヤン
   ネル２５は反応管とシエルとの間の相対的熱膨脹を吸収
   するための可撓性管連接部をそのチヤンネル２５の中間
   部に備え、前記流入室１４ａ及び流出室１４ｃはそれぞ
   れの上端部、下端部を除いてシエル内面から空間を距て
   て配置されており、かくて管束部がシエルの底部ヘツド
   ２０によつて支持され、かつシエルがその内面のほぼ全
   面にわたつて熱遮断材を張設されていることを特徴とす
   る熱交換反応器。