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発明の名称 熱交換型反応器
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平10−272346
公開日 平成10年(1998)10月13日
出願番号 特願平9−94759
出願日 平成9年(1997)3月28日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】三浦 良和
発明者 森井 茂樹 / 吉田 光宏 / 時安 孝一 / 坪井 守 / 永井 英彰 / 橋本 修
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 多数のU字型伝熱管の湾曲部に設けられた支持体と、支持体を挿入する挿入孔を有する支持ピラーとからなる伝熱管支持構造体を内蔵する熱交換型反応器において、U字型伝熱管の湾曲部に、湾曲部一ヶ所当たり複数の支持体を設け、支持ピラーに、該複数の支持体が挿入される対応する複数の挿入孔を設けることを特徴とする熱交換型反応器。
【請求項2】 支持体の数が二本である請求項1記載の熱交換型反応器。
【請求項3】 多数のU字型伝熱管の湾曲部に設けられた支持体と、支持体を挿入する挿入孔を有する支持ピラーとからなる伝熱管支持構造体を内蔵する熱交換型反応器において、U字型伝熱管の湾曲部に、湾曲部一ヶ所当たり少なくとも一本の支持体を設け、互いに隣接するU字型伝熱管の隣接する湾曲部又は湾曲部近傍を連結体で連結し、連結体の中間に支持体を設けて、U字型伝熱管を支持する支持ピラーに、前記各支持体が挿入される対応する挿入孔を設けることを特徴とする熱交換型反応器。
【請求項4】 多数のU字型伝熱管の湾曲部に設けられた支持体と、支持体を挿入する挿入孔を有する支持ピラーとからなる伝熱管支持構造体を内蔵する熱交換型反応器において、U字型伝熱管の湾曲部に、湾曲部に支持板を設け、U字型伝熱管を支持する支持ピラーに、該支持板が挿入される対応する挿入孔を設けることを特徴とする熱交換型反応器。
【請求項5】 熱交換型反応器が気体−固体流動層反応器又は液体−固体流動層反応器である請求項1〜4のいずれかに記載の熱交換型反応器。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換型反応器の伝熱管支持構造体に関するものであり、更に詳しくは、熱交換型反応器に内蔵された多数のU字型伝熱管の湾曲部に設けられた支持体と、支持体を挿入する挿入孔を有する支持ピラーとからなり、反応時に振動の少ない伝熱管支持構造体を内蔵する熱交換型反応器に関する。
【0002】
【従来の技術】熱交換型反応器の伝熱管支持構造体は、熱交換型反応器に内蔵されたU字型伝熱管(又はコイルともいう)の湾曲部外周等に設けられた支持体と、支持体を挿入する挿入孔を有する支持ピラーとからなり、伝熱管を支持体を介して支持ピラーに固定し、さらに支持ピラーを介して熱交換型反応器に固定するものである。一酸化炭素と水素を反応させる流動層反応器については、特許公開公報昭59−179144に各種流動層反応器が開示されている。しかしながら、これらの反応器では、伝熱管が単に管板に固定されている状態が示されているにすぎない。また、通常使用されている流動層反応器の伝熱管は、図5に示すように支持体として支持棒を使用し、U字型伝熱管の湾曲部の外周に支持棒を設けて、該支持棒を上下に設けられた支持ピラー3、3’の孔に挿入することにより固定されている。しかし、通常使用されている伝熱管は、湾曲部一ヶ所当たり一本の支持棒4又は4’により支持されている。このため、流動する触媒と原料ガス(反応物)の流れにより、U字型伝熱管が振動して、伝熱管支持棒、支持ピラー又はU字型伝熱管を損傷するおそれがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、熱交換型反応器のU字型伝熱管において、反応中に振動して、伝熱管支持体、支持ピラー又はU字型伝熱管を損傷する危険が低減され、且つ、反応及び熱の除去又は供給を阻害しない伝熱管支持構造体を内蔵する熱交換型反応器を提供することである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、熱交換型反応器に内蔵された長いU字型伝熱管の運転時の流れによる振動について検討した結果、U字型伝熱管を固定する支持体の固定幅を広げることにより、ねじれ方向の振動の固有周波数が高くなり、伝熱管支持体、支持ピラー又はU字型伝熱管が損傷しにくくなることを見い出し、本発明を完成するに至った。
【0005】すなわち本発明は、気体−固体流動層反応器又は液体−固体流動層反応器のように、多数のU字型伝熱管の湾曲部に設けられた支持体と、支持体を挿入する挿入孔を有する支持ピラーとからなる伝熱管支持構造体を内蔵する熱交換型反応器において、U字型伝熱管の湾曲部に、湾曲部一ヶ所当たり複数の支持体を設け、支持ピラーに該複数の支持体が挿入される対応する複数の挿入孔を設けることを特徴とする熱交換型反応器に関するものである。また本発明は、多数のU字型伝熱管の湾曲部に設けられた支持体と、支持体を挿入する挿入孔を有する支持ピラーとからなる伝熱管支持構造体を内蔵する熱交換型反応器において、U字型伝熱管の湾曲部に、湾曲部一ヶ所当たり少なくとも一本の支持体を設け、互いに隣接するU字型伝熱管の隣接する湾曲部又は湾曲部近傍を連結体で連結し、連結体の中間に支持体を設けて、U字型伝熱管を支持する支持ピラーに前記支持体が挿入される挿入孔を設けることを特徴とする熱交換型反応器に関するものである。更に本発明は、多数のU字型伝熱管の湾曲部に設けられた支持体と、支持体を挿入する挿入孔を有する支持ピラーとからなる伝熱管支持構造体を内蔵する熱交換型反応器において、U字型伝熱管の湾曲部に、湾曲部に支持板を設け、U字型伝熱管を支持する支持ピラーに支持板の相当する挿入孔を設けることを特徴とする熱交換型反応器に関するものである。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明の熱交換型反応器は、反応器の内部に多数の長いU字型伝熱管を内蔵し、U字型伝熱管は、該U字型伝熱管の湾曲部(以下、単に湾曲部という)に支持体が強固に固定され、該支持体を介して支持ピラーにより支持され、支持ピラーを介して熱交換型反応器に固定されているものであり、U字型伝熱管の内部を熱媒体が流れることにより、反応時における熱の除去又は供給等を行うものである。
【0007】したがって、本発明の熱交換型反応器は、気相反応、液相反応、気液反応、固液反応、気固反応、気固液反応等に使用できるものであり、流動層触媒反応にも使用することが可能である。特に、本発明による伝熱管支持構造体を内蔵する熱交換型反応器は流動層反応、即ち、気体−固体流動層反応、液体−固体流動層反応又は気体−液体−固体三相流動層反応に適しており、濃厚流動層状態でも希薄流動層状態でも使用することができるし、好ましくは、発熱量の大きな反応に使用することができる。なお、本発明で反応物とは反応器の中を流れる物体であり、反応原料、触媒、溶媒、イナートガス、反応生成物等又はそれらの混合物をいう。また、伝熱管の内部を流れるものを熱媒体という。熱媒体は気体であっても液体であっても、それらの混相であってもよい。
【0008】本発明の熱交換型反応器のU字型伝熱管は、両端の支持ピラー間の距離が長く、例えば、5m以上もあるので、反応物の流れによって生じる伝熱管の振動により伝熱管の支持体、支持ピラー又は伝熱管自体が破損する危険がある。通常、伝熱管の振動の種類としては、管に直交又は平行する流れにより生じる渦による振動や、管外部を流れる反応物の乱れた流れによる振動や、反応物が高速で流れる場合に直交流により生じる曲げ固有振動(弦の振動のような弾性振動)等がある。長いU字型伝熱管が、反応器の中の反応物の流れ方向に平行に設けられる場合には、曲げ固有振動による伝熱管への影響は少ないが、ねじれ振動による影響が大きい。即ち、伝熱管の両固定端付近において、伝熱管の両U字型部分が翼のような働きをして、流れに対して向きの変化するフラッタリング運動を起こし、その結果生じる管のねじれ振動の影響が問題になる。ねじれ振動は、反応物の流速及び密度等の条件とU字型伝熱管の長さ、管径等の条件の関係から、ねじれ固有振動数成分が増幅され、伝熱管の支持体、支持ピラー又は伝熱管自体が破損する危険が生じる。
【0009】一般に、振動を防止するには伝熱管の固有振動数を高くするか、反応物の流速を遅くすることが必要である。しかしながら、例えば、流動層触媒を使用する場合には、反応物の流速を遅くすると触媒の沈降を生じ、反応や熱の除去又は供給が起こりにくくなる。このため、伝熱管の固有振動数を高くすることが必要である。しかしながら、固有振動数を高くするために、伝熱管の上下両支持ピラーの間に振動の節を形成するための支持体を多く設けると、該支持体がバッフル作用を生じ、流動層の流れが阻害されるようになる。このため、流動層の流れが阻害されることなく、ねじれ振動の固有振動数を高くすることが必要である。
【0010】以下、本発明について、熱交換型反応器として流動層反応器を例にして、図を用いて説明する。なお、本発明で支持体は、棒、管、平板、L型板等種々のものが使用できるが反応物の流れを阻害しない形状、大きさのものが用いられる。また、U字型伝熱管の両側に延びる直線部分間の幅をU字管の幅という。図1は流動層反応器を示す。流動層反応器1(図全体)は、流動層部7、分離部8、原料入口9、生成物出口10からなる。流動層部7には多数の長いU字型の伝熱管2、伝熱管2を流動層反応器1の円筒胴12に固定する支持ピラー3、3’が設けられており、分離部8にはサイクロン5が設けられている。原料入口9から供給された原料は、触媒6を流動させながら反応し、流動層部7を通過する。反応物は流動層部7において、内部に熱媒体11が流れる伝熱管2により反応熱を除去又は供給される。反応物は分離部8に移行し、サイクロン5により生成物と触媒6に分離されて、生成物は生成物出口10から排出され、分離された触媒6は流動層部7に循環される。なお、気体−固体流動層反応器では、支持ピラー3の下方には多孔板のようなガス分散器(図示せず)を設けて、多孔板上に堆積した触媒層内に原料ガスが気泡として分散装入され、触媒が流動層を形成しやすくするようにすることもできる。
【0011】図2に、本発明の熱交換型反応器に内蔵される伝熱管支持構造体の一例を示す。図2では複数の支持体として二本の支持棒が用いられている。U字型伝熱管2の湾曲部の両側にそれぞれ支持棒14、14’が設けられている。支持棒14、14’は、支持ピラー3に設けられた対応する二つの挿入孔15に挿入される。この結果、U字型伝熱管2は支持棒14、14’を介して支持ピラー3及び3’により固定される。図2では二本の支持棒の例を示したが、本発明では、支持体の数は湾曲部一ヶ所当たり2〜5であり、支持体は湾曲部の中心において左右対称になるように取り付けられる。支持体の断面は特に制限はない。支持体の太さは同一でも、異なっていてもよい。支持体の数があまりに多いと伝熱管支持構造体の制作費用が増すし、取り付けも困難になる。支持体の数を3にすると一本が折損したとしても他の二本により支持されるので、伝熱管にかかる力の不均一さを緩和することができる。支持体の数又は太さ等は取り付け位置に応じて変化させることができる。例えば、異常振動を生じやすい箇所では支持体の数を増すことができるし、逆に、振動の影響が少ない箇所では、支持体の数が一本でもよい。すなわち支持体の数や太さを種々変えて使用することも本発明の実施態様に含まれる。支持体が設けられる湾曲部の位置は、湾曲部の中心からU字管のほぼ幅までの位置である。支持体を取り付ける場合、湾曲部の中心に近いとねじり固有振動数アップに対する効果が小さくなる。U字管のほぼ幅の位置に取り付けると、U字管のねじり固有振動数アップに対する効果が大きくなる。支持体の取り付けられる位置は、U字管の幅を越えて、U字管の側面または側面より外側に設けてもよいが、U字管のあまり外側に設けると、伝熱管2はねじれにくくなるが、流動層を乱すようになる。
【0012】図3に、本発明の熱交換型反応器に内蔵される伝熱管支持構造体の他の一例を示す。図3では、互いに隣接するU字型伝熱管2、2’の隣接する湾曲部又は湾曲部近傍を連結体13で連結している。U字型伝熱管2の湾曲部には、湾曲部の中心に一本の支持棒14が設けられている。支持棒14は、支持ピラー3に設けられた対応する複数の挿入孔15に挿入されることにより、U字型伝熱管2は支持ピラー3に固定される。さらに、互いに隣接するU字型伝熱管2、2’の隣接する湾曲部又は湾曲部近傍は連結体13で連結されている。連結体13が設けられる位置は、湾曲部又は湾曲部近傍であるが、U字型伝熱管2が支持棒14の周りに回転する動きを止めるために隣接するU字型伝熱管2’に近い位置が好ましい。また、湾曲部近傍とは、流動層の乱れを生じないように、U字型の湾曲部の端から直線部にU字型の幅の2〜3倍程度まで延長した部分をいう。連結体13には、その中間位置に支持棒が設けられてもよく、その場合、該支持棒は支持ピラーに設けられた挿入孔に挿入される。これにより、互いに隣接するU字型伝熱管2、2’のねじり固有振動数は大幅に増加し、ねじれ振動による支持体、支持ピラー、伝熱管の損傷が防がれる。なお、図3では、支持棒14の数は湾曲部一ヶ所当たり一本の例を示したが、本発明では、支持体4は複数であってもよく、例えば、支持棒が湾曲部の両端に二本設けられていても良い。また、連結体13は、隣接するU字型伝熱管2、2’を強固に連結してそれらの振動を抑制し且つ反応物の流れを阻害しなければ棒状、管状、板状等であってもよい。
【0013】図4に、本発明の熱交換型反応器に内蔵される伝熱管支持構造体の別の例を示す。図4では支持体として支持板が用いられる。U字型伝熱管2の湾曲部には、湾曲部一ヶ所当たり少なくとも一つの支持板16(又は16’)が設けられている。支持板16(又は16’)は、支持ピラー3(又は3’)に設けられた対応する挿入孔15に挿入されることにより、U字型伝熱管2は支持ピラー3(又は3’)に固定される。支持板16の数は数は1〜3であり、支持板16は湾曲部の中心において左右対称になるように取り付けられる。支持板16の断面は特に制限はない。支持板16が設けられる湾曲部の位置は、支持棒14の場合と同様であり、1以上の支持板16が湾曲部の中心からU字管のほぼ幅までの間で左右対称になるように設けられる。支持板16は、流動層を乱さない程度において、湾曲部のみならずU字部の直線部分も含んで設けられていてもよい。支持板16は、必要な部分に切り欠き部を設けて、流動層の流れを阻害しないようにしてもよい。支持板16の幅はU字管の幅の0.2〜1.2倍程度である。
【0014】支持ピラー3(又は3’)は円筒胴12に固定するように、通常は円板状でありU字型伝熱管2の両端に設けられ、支持ピラー3に設けられた挿入孔15に、上記支持体4が挿入される。支持ピラー3は流動層の流れを阻害しないように、内部は、例えば、格子状になっており、格子点等に挿入孔15が設けられる。支持ピラー3(又は3’)は熱交換型反応器1の円筒胴12に溶接、ボルト・ナット等により強固に固定される。
【0015】本発明の熱交換型反応器のU字型伝熱管は、両端の支持ピラー間の距離が5m以上、特に、10〜20mへと長くできるものである。U字管の湾曲部の直径(即ち、U字管の湾曲部の幅)は100〜500mmである。伝熱管湾曲部は、U字型でも、円弧型、楕円弧型でもよく(本発明ではこれらを総称してU字型伝熱管という)、部分的にはL字型等の折れ曲がり部を含んでいてもよい。また、一つの連続した伝熱管のU字型湾曲部の数には特に制限はない。伝熱管の充填密度には特に制限はない。伝熱管の設けられる方向は、好ましくは鉛直方向である。
【0016】本発明の熱交換型反応器のU字型伝熱管と熱の除去又は供給を行う反応物の流速は0.1〜10m/secであり、反応物の密度は特に制限はないが、流動層反応器として使用する場合には、流動層触媒としては、比重が3〜10のものを使用することが可能であり、触媒と反応物を含む平均密度は0.1〜2である。
【0017】本発明の熱交換型反応器のU字型伝熱管の使用温度は特に制限がない。例えば−100℃のような低温における吸熱反応においても、+500℃のような高温における発熱反応においても、均一な熱の授受を行うことができるので、反応器内の温度をほぼ一定に保つことができる。また、反応圧力においても特に制限はなく、減圧においても、常圧においても、加圧においても使用することができる。
【0018】本発明の伝熱管支持構造を持つ熱交換型反応器は、例えば、合成ガスからのメタノール合成、フィッシャー・トロプシュ合成、オキシクロリネーションによる塩化ビニルモノマー合成、プロピレンのアンモオキシデーションによるアクリロニトリル合成、ブタンの空気酸化による無水マレイン酸合成、o−キシレンの空気酸化による無水フタル酸合成等に使用することができる。
【0019】
【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0020】(実施例1)図1に示す熱交換型反応器で、図2に示す伝熱管支持構造体を使用して、下記合成ガスを原料に使用してメタノールを合成した。
熱交換型反応器高さ:38m円筒胴径:7m流動層部長さ:17m伝熱管高さ:15m径:76.3mmU字型幅:127mm支持棒太さ:35mm長さ:300mmU字型伝熱管の湾曲部において、U字型の両直線部を延長する形で二本の支持棒を溶接した。
支持棒間隔:127mm支持ピラー径7mの円板状で、鋼板を格子状に組み合わせたもの。
高さ:250mm挿入孔:上記支持棒の挿入される位置及び太さに対応するものである。
主な運転条件原料ガス(モル%)
メタン2.39、二酸化炭素10.85、水素68.56、一酸化炭素17.66、窒素0.45、水分(残り)
ガス線速度:0.5m/sec触媒Cu−Zn系触媒平均粒径:60μm触媒量:250t嵩密度:約1.0反応条件温度:230℃圧力:80kg/cm2G伝熱管に22.7℃の水を2000トン/hrで供給した。反応中、反応器内の温度分布を測定したがほぼ一定であり、反応収率、スチーム回収量からも触媒の流動が順調に行われていることが推定された。またU字型伝熱管の固有振動数は50Hz以上であり、異常振動は見られなかった。720時間運転した後、検査したが、支持棒、支持ピラー、伝熱管には破損その他、異常は認められなかった。
【0021】(比較例1)図5に示す従来の伝熱管支持構造体を使用した他は、実施例1と同様に行った。U字型伝熱管の固有振動数は数Hzであり、720時間運転した後、検査したが、支持棒が折損したり、支持棒と伝熱管の溶接部に亀裂が入っているものが認められた。
【0022】
【発明の効果】U字型伝熱管のねじれ振動の固有振動数が、従来の支持構造体では数Hzであったが、本発明の熱交換型反応器における支持構造体を使用することにより数十〜数百Hzとなり、ねじれ振動、フラッタが抑制され、支持体、支持ピラー及び伝熱管の損傷が大幅に少なくなった。また、両端の支持ピラー間に振動抑制用の支持体を設けることがないので流動層の流れが良く、反応及び伝熱媒体による熱の除去又は供給に支障が生じない。




 

 


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