(57)【要約】第１の流れ経路を形成するように適応された内部通路を有する通路と、第２の流れ経路を一括して形成する内部通路を有する導管のアレーを含む、熱交換器。この導管はこの通路の内部通路から延び、このアレーの第１の導管は、このアレーの第２の導管よりも少ない、単位容積当りの全熱交換表面積を有する。この第２の流れ経路内に触媒床を準備することと、この第２の流れ経路中の流体の最高温度とこの第２の流れ経路中のこの流体の最低温度の間の温度差を最小とすることとを含む、化学処理を行う方法が提供される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流れ経路を形成するように適応された内部通路を有する通路と、
第２の流れ経路を一括して形成する内部通路とを有し、前記通路の前記内部通路から延びる導管のアレーと、を備える熱交換器であって、
前記導管のアレーの第１の導管が、前記導管のアレーの第２の導管よりも少ない単位容積当りの全熱交換表面積を有する、熱交換器。
【請求項２】
前記第１の導管は、前記第２の導管よりも少ない単位長さ当りの全熱交換表面積を有する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第１の導管は、前記第１の流れ経路中の前記第２の導管の上流の場所で、前記通路の前記内部通路から延びている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記通路内に設けられ、前記第１の導管と前記第２の導管の外部表面に取り付けられた伝熱フィンをさらに備える熱交換器であって、前記第１の導管は、前記第２の導管よりも少数の外表面に取り付けられた単位長さ当りの伝熱フィンを有する、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記通路内に設けられ、前記第１の導管と前記第２の導管の外部表面に取り付けられた伝熱フィンをさらに備える熱交換器であって、前記第１の導管は、前記第２の導管よりも少ない全表面積を有する伝熱フィンに取り付けられている、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記導管のアレーは、前記第１の導管を含む第１の導管の列と、前記第２の導管を含む第２の導管の列を含み、前記第１の導管の列は、前記第１の流れ経路中の前記第２の導管の列の上流の場所で、前記通路の前記内部通路から延びている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記通路内に設けられ、前記第１の導管の列と前記第２の導管の列の外部表面に取り付けられた伝熱フィンをさらに備える熱交換器であって、前記第１の導管の列は、前記第２の導管の列よりも少数の単位長さ当りの伝熱フィンを取り付けられている、請求項６に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記通路内に設けられ、前記第１の導管の列と前記第２の導管の列の外部表面に取り付けられた伝熱フィンをさらに備える熱交換器であって、前記第１の導管の列は、前記第２の導管の列よりも少ない全表面積を有する伝熱フィンに取り付けられている、請求項６に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記第１の導管の列中の各導管は、前記第２の導管の列中の各導管よりも単位容積当りの少ない全熱交換表面積を有する、請求項６に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記導管のアレーは第３の導管の列をさらに含み、前記第２の導管の列は、前記第１の流れ経路中の前記第３の導管の列の上流の場所で前記通路の前記内部通路から延び、前記第２の導管の列中の各導管が、前記第３の導管の列中の各導管よりも少ない単位容積当りの全熱交換表面積を有する、請求項９に記載の熱交換器。
【請求項１１】
第１の流れ経路を形成するように適応された内部通路を有する通路と、
第２の流れ経路を一括して形成する内部通路とを有し、前記通路の前記内部通路から延びる導管のアレーと、
前記第２の流れ経路中の流体の最高温度と前記第２の流れ経路中の前記流体の最低温度の間の温度差を最小とするための手段と、
を備える、熱交換器。
【請求項１２】
第１の流れ経路を形成するように適応された内部通路を有する通路と、
それぞれの内部通路を有し、前記通路の前記内部通路から延びる第１の導管の列と、
それぞれの内部通路を有し、前記通路の前記内部通路から延び、前記第１の導管の列の前記内部通路と前記第２の導管の列の前記内部通路は第２の流れ経路を一括して形成する、第２の導管の列と、
を備える熱交換器であって、
前記第１の導管の列は、前記第２の導管の列よりも少ない単位長さ当りの全熱交換表面積を有する、熱交換器。
【請求項１３】
前記第１の導管の列中の各導管が、前記第２の導管の列中の各導管よりも少ない単位容積当りの全熱交換表面積を有する、請求項１２に記載の熱交換器。
【請求項１４】
前記導管のアレーは第３の導管の列をさらに含み、
前記第２の導管の列は、前記第１の流れ経路中の前記第３の導管の列の上流の場所で前記通路の前記内部通路から延び、前記第２の導管の列中の各導管が、前記第３の導管の列中の各導管よりも少ない単位容積当りの全熱交換表面積を有する、請求項１３に記載の熱交換器。
【請求項１５】
第１の流れ経路を形成するように適応された内部通路を有する通路と、
それぞれの内部通路を有し、前記通路の前記内部通路から延びる第１の導管の列と、
それぞれの内部通路を有し、前記通路の前記内部通路から延び、前記第１の導管の列の前記内部通路と前記第２の導管の列の前記内部通路が第２の流れ経路を一括して形成する、第２の導管の列と、
前記第２の流れ経路中の流体の最高温度と前記第２の流れ経路中の前記流体の最低温度の間の温度差を最小とするための手段と、
を備える、熱交換器。
【請求項１６】
ハウジングと、
前記ハウジング内に設けられ、第１の流れ経路を形成するように適応された内部通路を有する通路と、
前記ハウジング内に設けられ、触媒床を有する第２の流れ経路を一括して形成する内部通路を有し、前記通路の前記内部通路から延びる導管のアレーと、
を備える化学処理システムであって、
前記導管のアレーの第１の導管が、前記導管のアレーの第２の導管よりも少ない単位容積当りの全熱交換表面積を有する、化学処理システム。
【請求項１７】
前記第１の導管は、前記第２の導管よりも少ない単位長さ当りの全熱交換表面積を有する、請求項１６に記載の化学処理システム。
【請求項１８】
前記第１の導管は、前記第１の流れ経路中の前記第２の導管の上流の場所で、前記通路の前記内部通路から延びる、請求項１６に記載の化学処理システム。
【請求項１９】
前記通路内に設けられ、前記第１の導管と前記第２の導管の外部表面に取り付けられた伝熱フィンをさらに備える化学処理システムであって、前記第１の導管は、前記第２の導管よりも少数の外表面に取り付けられた単位長さ当りの伝熱フィンを有する、請求項１８に記載の化学処理システム。
【請求項２０】
前記通路内に設けられ、前記第１の導管と前記第２の導管の外部表面に取り付けられた伝熱フィンをさらに備える化学処理システムであって、前記第１の導管は、前記第２の導管よりも少ない全表面積を有する伝熱フィンに取り付けられている、請求項１８に記載の化学処理システム。
【請求項２１】
前記ハウジングに付加された断熱水性ガスシフト反応器をさらに備える化学処理システムであって、前記断熱水性ガスシフト反応器は、前記第２の流れ経路の出口と流体連通する水性ガスシフト触媒床を含む、請求項１６に記載の化学処理システム。
【請求項２２】
ハウジングと、
前記ハウジング内に設けられ、第１の流れ経路を形成するように適応された内部通路を有する通路と、
前記ハウジング内に設けられ、触媒床を有する第２の流れ経路を一括して形成する内部通路を有し、前記通路の前記内部通路から延びる導管のアレーと、
前記第２の流れ経路中の流体の最高温度と前記第２の流れ経路中の前記流体の最低温度の間の温度差を最小とするための手段と、
を備える、化学処理システム。
【請求項２３】
ハウジングと、
前記ハウジング内に設けられ、第１の流れ経路を形成するように適応された内部通路を有する通路と、
それぞれの内部通路を有し、前記ハウジング内に設けられ、前記通路の前記内部通路から延びる第１の導管の列と、
それぞれの内部通路を有し、前記ハウジング内に設けられ、前記通路の前記内部通路から延び、前記第１の導管の列の前記内部通路と前記第２の導管の列の前記内部通路は第２の流れ経路を一括して形成し、第２の流れ経路はその中に触媒床を有する、第２の導管の列と、
を備える化学処理システムであって、
前記第１の導管の列は、前記第２の導管の列よりも少ない単位長さ当りの全熱交換表面積を有する、化学処理システム。
【請求項２４】
前記第１の導管の列は、前記第１の流れ経路中の前記第２の導管の列の上流の場所で、前記通路の前記内部通路から延びる、請求項２３に記載の化学処理システム。
【請求項２５】
前記通路内に設けられ、前記第１の導管の列と前記第２の導管の列の外部表面に取り付けられた伝熱フィンをさらに備える化学処理システムであって、前記第１の導管の列は、前記第２の導管の列よりも少数の単位長さ当りの伝熱フィンを取り付けられている、請求項２４に記載の化学処理システム。
【請求項２６】
前記通路内に設けられ、前記第１の導管の列と前記第２の導管の列の外部表面に取り付けられた伝熱フィンをさらに備える化学処理システムであって、前記第１の導管の列は、前記第２の導管の列よりも少ない全表面積を有する伝熱フィンに取り付けられている、請求項２４に記載の化学処理システム。
【請求項２７】
前記ハウジングに付加された断熱水性ガスシフト反応器をさらに備える化学処理システムであって、前記断熱水性ガスシフト反応器は、前記第２の流れ経路の出口と流体連通する水性ガスシフト触媒床を含む、請求項２３に記載の化学処理システム。
【請求項２８】
ハウジングと、
前記ハウジング内に設けられ、第１の流れ経路を形成するように適応された内部通路を有する通路と、
それぞれの内部通路を有し、前記ハウジング内に設けられ、前記通路の前記内部通路から延びる第１の導管の列と、
それぞれの内部通路を有し、前記ハウジング内に設けられ、前記通路の前記内部通路から延び、前記第１の導管の列の前記内部通路と前記第２の導管の列の前記内部通路は第２の流れ経路を一括して形成し、第２の流れ経路はその中に触媒床を有する、第２の導管の列と、
前記第２の流れ経路中の流体の最高温度と前記第２の流れ経路中の前記流体の最低温度の間の温度差を最小とするための手段と、
を備える、化学処理システム。
【請求項２９】
第１の流れ経路を形成するように適応された内部通路を有する通路と、第２の流れ経路を一括して形成する内部通路を有し、前記通路の前記内部通路から延びる導管のアレーと、を含む、熱交換器を使用して化学処理を行う方法において、前記導管のアレーの第１の導管が、前記導管のアレーの第２の導管よりも少ない単位容積当りの全熱交換表面積を有し、前記第２の流れ経路はその中に触媒床を有する方法であって、この方法は、
前記第１の流れ経路を通る第１の流体流れを準備することであって、前記第１の導管は、前記第１の流れ経路中の前記第２の導管の上流の場所で、前記通路の内部通路に延在することと、
前記第２の流れ経路と前記触媒床を通る第２の流体流れを準備することと、
の各ステップを備える、方法。
【請求項３０】
前記第１の導管は、前記第２の導管よりも少ない単位長さ当りの全熱交換表面積を有する、請求項２９に記載の化学処理を行う方法。
【請求項３１】
伝熱フィンが前記通路内に設けられ、かつ前記第１の導管と前記第２の導管の外部表面に取り付けられ、前記第１の導管は、前記第２の導管よりも少数の外表面に取り付けられた単位長さ当りの伝熱フィンを有する、請求項２９に記載の化学処理を行う方法。
【請求項３２】
伝熱フィンが前記通路内に設けられ、かつ前記第１の導管と前記第２の導管の外部表面に取り付け、前記第１の導管は、前記第２の導管よりも少ない全表面積を有する伝熱フィンに取り付けられている、請求項２９に記載の化学処理を行う方法。
【請求項３３】
第１の流れ経路と、それぞれの内部通路を有する第１の導管の列と、それぞれの内部通路を有する第２の導管の列とを形成するように適応された、内部通路を有する通路を含む、熱交換器を使用して化学処理を行う方法において、前記第１の導管の列と前記第２の導管の列は前記通路の内部通路から延び、前記第１の導管の列の内部通路と前記第２の導管の列の内部通路は第２の流れ経路を一括して形成し、前記第２の流れ経路はその中に触媒床を有し、前記第１の導管の列は、前記第２の導管の列よりも少ない単位長さ当りの全熱交換表面積を有する方法であって、この方法は、
前記第１の流れ経路を通る第１の流体流れを準備することであって、前記第１の導管の列は、前記第１の流れ経路中の前記第２の導管の列の上流の場所で、前記通路の内部通路に延在することと、
前記第２の流れ経路と前記触媒床を通る第２の流体流れを準備することと、
の各ステップを備える、化学処理を行う方法。
【請求項３４】
伝熱フィンが前記通路内に設けられ、かつ前記第１の導管の列と前記第２の導管の列の外部表面に取り付けられ、前記第１の導管の列は、前記第２の導管の列よりも少数の単位長さ当りの伝熱フィンを取り付けられている、請求項３３に記載の化学処理を行う方法。
【請求項３５】
伝熱フィンが前記通路内に設けられ、かつ前記第１の導管の列と前記第２の導管の列の外部表面に取り付けられ、前記第１の導管の列は、前記第２の導管の列よりも少ない全表面積を有する伝熱フィンに取り付けられている、請求項３３に記載の化学処理を行う方法。
【請求項３６】
前記第２の流れ経路の出口と流体連通する水性ガスシフト触媒床を含む、断熱水性ガスシフト反応器を準備するステップをさらに備える、請求項３３に記載の化学処理を行う方法。
【請求項３７】
内部通路を有する通路内に第１の流れ経路を準備することと、
内部通路を有し、前記通路の内部通路から延びる導管のアレーにより一括して形成される、第２の流れ経路を準備することと、
前記第２の流れ経路内に触媒床を準備することと、
第１の流れ経路を通る第１の流体流れを準備することと、
前記第２の流れ経路と前記触媒床を通る第２の流体流れを準備することと、
前記第２の流れ経路中の第２の流体流れの最高温度と、前記第２の流れ経路中の前記第２の流体流れの最低温度の間の温度差を最小とすることと、
の各ステップを備える、化学処理を行う方法。
【請求項３８】
前記最小とするステップは、導管のアレー中に、異なる予め決められた量の単位容積当りの全熱交換表面積を有する導管を準備することを含み、前記予め決められた量は、前記第１の流れ経路の入口までの導管の場所の距離に左右される、請求項３７に記載の化学処理を行う方法。
【請求項３９】
前記入口からの場所の距離が増加するのにしたがって、前記予め決められた量が増加する、請求項３８に記載の化学処理を行う方法。
【請求項４０】
前記最小とするステップは、導管のアレー中に、異なる予め決められた量の単位長さ当りの全熱交換表面積を有する導管を準備することを含み、前記予め決められた量は、前記第１の流れ経路の入口までの導管の場所の距離に左右される、請求項３７に記載の化学処理を行う方法。
【請求項４１】
前記入口からの場所の距離が増加するのにしたがって、前記予め決められた量が増加する、請求項４０に記載の化学処理を行う方法。
【請求項４２】
前記第１の流れ経路中の前記導管のアレーの第２の導管の上流の場所で、導管のアレーの第１の導管を準備するステップをさらに備える方法であって、前記最小とするステップは、前記第２の導管よりも少ない単位容積当りの全熱交換表面積を有する第１の導管を準備することを含む、請求項３７に記載の化学処理を行う方法。
【請求項４３】
前記第１の流れ経路中の導管のアレーの第２の導管の上流の場所で、導管のアレーの第１の導管を準備するステップをさらに備える方法であって、前記最小とするステップは、前記第２の導管よりも少ない単位長さ当りの全熱交換表面積を有する第１の導管を準備することを含む、請求項３７に記載の化学処理を行う方法。
【請求項４４】
前記第２の流れ経路の出口と流体連通する水性ガスシフト触媒床を含む、断熱水性ガスシフト反応器を準備するステップをさらに備える、請求項３７に記載の化学処理を行う方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
発明の分野
本発明は、全般的には、熱交換装置と、熱交換器を使用した化学処理を行う方法とに関する。
背景の論述
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】ＵＳ特許第６，４９７，８５６号明細書  熱交換器と触媒反応器を組み合わせた化学処理システムは、当技術分野においてよく知られている。機械装置の大きさとコストに対してますます敏感になっていることにより、熱交換と反応機能を組み合わせた単体のアセンブリの分野において、顕著な進歩が達成されている。この傾向の例として、Ｌｏｍａｘらへの米国特許第６，４９７，８５６号で開示されている、いくつかの熱交換器と反応器を単一の機械装置に複合させた、進歩した水素発生反応器が挙げられる。このような複合反応器は、多数の他の応用が可能であるが、有利なこととしては燃料電池における水素発生に適用されてきた。
【０００３】
大多数の触媒の反応器において、反応速度は温度に対して極めて敏感である。ある反応において、実際の生成物分布および反応経路は、温度の小さな振れによっても著しく影響を受ける可能性がある。大きな熱交換アレーを、充填床あるいはモノリスの反応器などの大きな断熱反応器と集積する場合に、必ず遭遇する１つの問題は、触媒床における温度勾配の存在である。邪魔板付き管状熱交換器またはプレートフィン熱交換器などの、いかなる直交流の熱交換構造体でも、これらの温度勾配は必然的に生じる。分離した熱交換器および反応器を用いる在来の系においては、異なる温度の流体は、熱交換後、そして以降の反応器に送られる前に混合される。したがって、在来の系は温度勾配に関する懸念に遭遇することはなかった。しかしながら、これらの系は、より複雑で、コンパクトでなく、重い装置を必要とし、集積化された反応器および熱交換器と比較して熱損失の大きいものであった。
【０００４】
図４を見ると、Ｌｏｍａｘらの特許の反応器は、混合され、予備蒸発された燃料と水蒸気１０１の入口を有し、プレナム１０２と連通し、反応器管１０３のアレーにこの混合物を分配する。図４の一部を切り取った部分に図示するように、反応器管１０３は水蒸気改質触媒材料１０５の装填物を有する。この触媒材料１０５は、図示するように疎充填のものであってもよく、あるいは触媒被覆物であってもよく、あるいはモノリス担持の触媒の切片であってもよい。このような被覆された充填床、またはモノリス触媒系は、当業者によく知られている。この反応器管は、水蒸気改質触媒１０５の下流に位置する、水性ガスシフト触媒１５０も有する。管１０３は、出口ポート１０８に改質生成物を送達する出口プレナム１０７と連通する。反応器管１０３は１つ以上の邪魔板１０９中の穴を通る。流体が外殻の断面積の割合により、邪魔板の端の周りに、そして管軸に沿って流れることが可能になるように、邪魔板１０９を取り付ける。取り付けられた側面の方向は１８０度交互して、管１０３の長軸に実質的に垂直に、流体を強制的に流す。
【０００５】
反応器は、水性ガスシフト区画の外殻側面中に、冷空気入口１１２、ならびに熱空気出口１１３を有する。外殻アセンブリ１１０の内壁にぴったりとはまる、取り付けられていない邪魔板１１４は、外殻側面の空気の大部分が熱空気出口１１３をバイパスすることを防ぐ。反応器の水蒸気改質区画の外殻側面は、熱燃焼生成物入口１１５と冷却された燃焼生成物出口１１６をさらに有する。反応器は外部バーナーアセンブリ１１８も有する。断熱水性ガスシフト反応器１２１を出口管ヘッダ１０６に付加する。反応器は、邪魔板１０９、ならびに延在する熱交換表面、例えば反応器管１０３の外壁上の複数の密集したプレートフィン１２０の両方を使用する。フィン１２０は、管アレー中の反応器管１０全てに取り付けられている。
【０００６】
触媒水性ガスシフトの例においては、Ｌｏｍａｘらへの特許で教示されるように、３５０℃未満の温度においては反応速度は極めて遅く、一方４００℃を超える温度においては、熱力学的に制限された反応の程度は望ましくないことに低い、ということが判明した。さらに悪いことには、４５０℃を超える温度においては、メタンを作る望ましくない副反応がかなりの速度で起き始める。このように、全体の好ましい運転温度の勾配は５０℃未満であり、そして１００℃を超える勾配は全く望ましくない。Ｌｏｍａｘらへの特許においては、触媒型水性ガスシフト反応器へのフィードガスは、室温に近い空気により冷却される。冷却に使用される冷空気は、空気入口に隣接する触媒反応器の帯域で極めて低い温度を生じることができる。経験によれば、２００℃を超える局所的温度勾配が日常的に起き、反応器性能の著しい低下を生じることが示された。
発明の概要
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の系においてこれらの欠点を解消する努力において、本発明者は、この化学反応器中の熱勾配を制御するために、熱交換器を後続の化学反応器と組み合わせた改善された装置を提供した。
【０００８】
本発明は、さらに有利なこととしては、熱勾配を制御するように構成された熱交換器を使用する化学処理を行う方法を提供する。例えば、本発明は、さらに有利なこととしては、熱勾配を最少とするように構成され、化学反応器と組み合わされた熱交換アレーを使用する化学処理を行う方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下の詳細な説明を参照することにより、特に添付図面と一緒に考慮した場合に、本発明とこれに付随する利点のさらに完全な認識が、容易に理解されるであろう。
【００１０】
添付図面を参照しながら、以下に本発明の実施形態を説明する。以下の説明において、実質的に同一の機能と配列を有する構成要素は同一の参照符号により示され、そして繰り返しの説明は必要な場合にのみ行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
発明の具体的な説明
図１から図３は、Ｌｏｍａｘらへの特許に教示されているように、例えば反応器の触媒型水性ガスシフト反応器部分中で使用可能な、熱交換アレー１を図示する。熱交換アレー１は、好ましくは平行な管であるが、種々の形状、大きさ、および構成の導管である導管のアレー３を含み、異なる形状と大きさの導管を使用することができる。管状熱交換アレーを図１から図３に示すが、熱交換フィンの層を取り付けた、長い、本質的に平面状の流体通路が形成される、プレートフィンなどの他のタイプの熱交換アレーを使用してもよい。図１から図２は、管のアレー３をむき出しにするために、外側の外殻アセンブリまたはハウジング１０（図３を参照）を取り除いて図示される。
【００１２】
図１から図３に図示される管のアレー３は、複数の管の列を含む。列は２本以上の位置合わせされた管を含む。図３は、１０列の管３ａから３ｊを含む管のアレー３の側面図を示す。第１の管の列３ａは、管３ｂから３ｊの残りの列に比較して、反応器の水性ガスシフト区分の外殻側面中の入口１２に最近接の場所に位置する。第１の流体は入口１２から流れ、邪魔板プレート９の構成によって、流れ経路に沿って矢印Ａにより示される方向に進み、管のアレー３からこの管の外表面の周りにジグザグに進む。第１の流体の流れに基づいて、第１の管の列３ａは第２の管の列３ｂの上流にあり、第２の管の列は第３の管の列の上流にあり、第３の管の列は第４の管の列３ｄの上流にある。
【００１３】
第２の流体は、共通のプレナムから管３の中に流れる。反応器管３は、反応器の触媒型水性ガスシフト反応器部分中の水性ガスシフト触媒床５０を有する。触媒型水性ガスシフト反応器部分中の反応器管３の部分は、第２の流体に対する流れ経路を形成する。第２の流体は、図３で矢印Ｂにより示されるように下方に流れ、管端３から出て、付加された化学反応器、例えば水性ガスシフト触媒床を含み、図２に図示したように出口管ヘッダ６に付加された、断熱水性ガスシフト反応器２１の中に入る。
【００１４】
第１の流体は、第１の流体と実質的に直交して流れる第２の流体と熱交換する。第２の流体は、反応器の構成によって第１の流体を加熱あるいは冷却してもよい。管のアレー３は、第１の流体と第２の流体の間の伝熱を増進することができる、外部熱交換フィン２０を有する。ろう付けするか、あるいはより好ましくは、水圧によって管３を拡げてプレートフィン２０と密接に接触させ、フィン２０とこれと接触する管３の間に熱伝導性ジョイントを形成することにより、フィン２０を反応器管に接合してもよい。
【００１５】
矩形プレートフィン２０を有するフィン付き管状熱交換器を図１から図３に示すが、本発明の方法は他のフィンの形状およびタイプに容易に適用できる。さらには、管状アレー中のフィンは、図１から図３に示すように平面状フィン（またはプレートフィン）である必要はないが、個別に取り付けたフィン（例えば、個別の管の長さに沿って間隔を置いて取り付けられた一連の環状フィン）、または連続的に付けられたらせん状のフィン、または当業者には明白なあらゆる他のタイプの熱交換フィンであってもよい。このフィンは、所定の管または管の列から延びることができ、そして他の列に取り付けられないため、フィンといくつかの管の列の間の熱伝導をもたらさない。
【００１６】
本発明は、有利なこととして、管のアレー３中の管に異なる予め決められた量の単位容積当りの全熱交換表面積を設けることにより、第２の流れ経路（すなわち、管のアレー３中の管のいずれか１つ）中の流体の最高温度と第２の流れ経路中の流体の最低温度の間の温度差を最小とする。ここで、この予め決められた量は、矢印Ａにより示される第１の流れ経路の入口１２までの管の場所の距離に左右される。所定の管の全熱交換表面積の量は、熱伝導的な方法で管に連結されたプレートフィンの総数と大きさにより、そして第１の流体に曝露された管とそれぞれの熱的に連結されたフィンの全部の表面積を合計することにより、同定可能である。次に、全熱交換表面積は、任意の所定の時間で対象の管内にもたらされる第２の流体の容積を表わす、対象とする管の単位容積当りで決定される。本発明は、有利なこととしては、第１の流体入口１２から第１の流体出口に向かう単位容積当りの熱交換面積の量を徐々に変えて、この反応器の触媒型水性ガスシフト反応器部分内の熱交換速度を制御して、所望の第２の流体出口温度から外れることを制限することができる。
【００１７】
図１から図３に図示する実施形態においては、プレートフィン２０の大きさは、第１の流体（すなわち、第１の流体流れ経路中最上流）の入口１２に最も近い列３ａ中の管が、次に最も近い列３ｂ中の管よりも少ない単位長さ当りのフィンに、熱伝導的な方法で連結されているような大きさである。同様に、列３ｂ中の管は、次に最も近い列３ｃよりも少ない単位長さ当りのフィンに熱伝導的な方法で連結されている。列３ｄから３ｊ中の管は、フィン２０全部に熱伝導的な方法で連結され、これによって管の単位長さ当り最高の熱伝導度を得る。
【００１８】
図１から図３に図示する実施形態においては、５組のプレートフィン２０は積み重ね配列で提供される。プレートフィン２０の各組は、列３ａから３ｊ中の全部の管に熱伝導的な方法で連結されている第１のプレートフィン２０ａと、列３ｂから３ｊ中の全部の管に熱伝導的な方法で連結されている第２のプレートフィン２０ｂと、列３ｃから３ｊ中の全部の管に熱伝導的な方法で連結されている第３のプレートフィン２０ｃと、列３ｄから３ｊ中の全部の管に熱伝導的な方法で連結されている第４のプレートフィン２０ｄと、を含む。このように、列３ａ中の各管は、第１の流体流れ経路から延びる管の長さに沿った５つのフィンプレートに連結され、列３ｂ中の各管は、第１の流体流れ経路から延びる管の長さに沿った１０個のフィンプレートに連結され、列３ｃ中の各管は、第１の流体流れ経路から延びる管の長さに沿った１５個のフィンプレートに連結され、そして列３ｄから３ｊ中の各管は、第１の流体流れ経路から延びる管の長さに沿った２０個のフィンプレートに連結される。本明細書中に示す開示を考慮すれば当業者には容易に明らかになるであるように、図１から図３に図示するフィンプレートの構成において、多数の異なる変更が可能である。例えば、フィンは図示したのとは異なるパターンであるか、あるいは任意の特別なパターンでないように、多数あるいは少数の列を設けるか、多数あるいは少数のフィンを第１の流体流れ経路中に設けるか、多数あるいは少数の組のフィンを設けるか、あるいは異なる構成のフィン長さを設けることができ、そしてフィンは図示したものと異なる大きさを有するように構成され、それによって単位長さ当りのフィン数が列３ａに対してのみ異なるか、あるいは列３ａから３ｊの各々またはその間の任意の構成に対して異なるものとすることができる。
【００１９】
管の単位熱交換容積当りの熱交換面積、および／または流入する第１の流体に最も近い管の列中の管の単位長さ当りの熱交換面積を減らすことによって、従来技術の構成において得られるものに対して、有利には第１および第２の流体の間の熱交換の速度を減少させてもよく、ここで、熱交換マトリックスは全て、同一の単位容積当りの熱交換面積を有する。第１の流体の出口に向かって、第１の流体の入口１２から単位容積当りの熱交換面積の量を徐々に変えることによって、熱交換速度をどこでも制御して、所望の第２の流体出口温度から外れることを制限してもよい。この方法は、一定の伝熱マトリックス性質を有する従来技術の構成と比較して、この熱交換器の全体性能を低下させる欠点を有するが、有利なこととしては、第２の流体通路出口４における温度勾配に対してほとんど完璧な制御を提供する。この利点は、いかなる混合死容積、またはスタティック攪拌器またはモータ駆動混合器などのいかなる流体混合手段を準備しなくとも、達成可能である。これらの混合装置は全て、本発明よりも大容積で、より複雑な、そして本発明におけるよりも信頼性が低い駆動付きの系を生じる。
【００２０】
図１から図３は、異なる数の列を有するプレートフィン２０が繰り返しのパターンで管３のアレーの周りに配置される、特に好ましい実施形態を図示する。フィン２０は自己間隔型のカラーを有してもよいので、この実施形態は容易に組み立てられる。図１は、明瞭に示すために広く間隔をあけたプレートフィンを示し、延びたカラーは接触しない。さらに好ましい実施形態においては、フィンカラーは各フィンの間で接触し、フィンの間隔を均一とし、均一な流体流れをもたらす。有利なこととしては、フィン２０の繰り返しパターンは、第１の流体流れ経路の面積全体にわたって、均一な流体流れももたらす。他の好ましい実施形態は、さらに組み立てが困難な、均一に間隔をあけた個別のフィンを取り付けることによって、あるいは各列に対して異なるフィン間隔を有する連続的なフィンを付けた管を取り付けることによって、類似の流れ分布を得る。プレートフィン熱交換マトリックスに対しては、インチ当りのフィンが変動する、あるいは表面増強の度合いが変動するフィンの帯片を取り付けて、同一の伝熱性能の漸次的な変動を得ることによって、同一の効果を得てもよい。
【００２１】
図２は、取り付けられた化学反応容器２１を有する、本発明の熱交換マトリックスを図示する。円形の断面を有する容器を図２に示すが、反応容器はいかなる形状を有してもよい。化学反応器は、触媒型、あるいは非触媒型でもよく、そして固体触媒担体、物質移動媒体、触媒モノリス、または当技術分野で知られているいかなる他の通常の化学反応器の内部構造物を有してもよい。化学反応帯域の前に混合手段を必要としないということは、本発明の特別な利点である。
【００２２】
特定された均一な温度または好ましい不均一な勾配のいずれかを作り出すように、本発明の装置を構成してもよい。各管の列、またはプレートフィン伝熱マトリックス中での流れの差分要素を、設計目的で別々の熱交換器として取り扱うことにより、このことを行ってもよい。当業者に既知の計算を用いて、熱交換マトリックスの単位容積当りの伝熱面積の量を変えて、好ましい温度勾配を作り出してもよい。
【００２３】
本発明の装置は、触媒型水性ガスシフトを熱交換と集積化する反応器での使用に、特に好適である。これは、Ｌｏｍａｘらの特許に述べられているタイプの一体化反応器において、特に有利である。
【００２４】
本明細書中で示し、そして説明された例示の実施形態は、本発明の好ましい実施形態を説明するものであって、特許請求の範囲をいかなる形でもこれに限定するものでないことに留意されたい。
【００２５】
上記の教示を考慮すれば、本発明の多数の改変および変更が可能である。したがって、添付の特許請求の範囲内で、本明細書中で特に述べられたものと別な方法で本発明を実施してもよいということが、理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】明瞭に示すために外部ハウジングと付加された化学反応器を取り除いた、本発明のオーダーメードの伝熱マトリックスを付けた熱交換器の斜視図である。
【図２】化学反応器を取り付けた、図１の熱交換器の斜視図である。
【図３】明瞭に示すために外部ハウジングと付加された化学反応器を取り除いた、図１のオーダーメードの伝熱マトリックスを付けた熱交換器の側面図である。
【図４】プレートフィン熱交換表面を外殻側面上の管に取り付け、そして断熱水性ガスシフト反応器帯域を、対流により冷却された水性ガスシフト反応器帯域の後に配置した、Ｌｏｍａｘらの特許の反応器である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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