(57)【要約】  熱交換器は、チューブの第一のグループと、このチューブの第一のグループと交互配置されたチューブの第二のグループとを含む熱交換部分を含む。チューブの第一のグループ及び第二のグループは、熱伝導媒体に接触している。所定の構造においては、熱交換部分の第一の端部における第一の入口マニフォルドが、チューブの第一のグループの第一の端部と流体連結している。第一の出口マニフォルドが、第一の入口マニフォルドから離隔されるとともに、チューブの第二のグループの第一の端部と流体連結している。熱交換部分の第二の端部における第二の入口マニフォルドが、チューブの第二のグループの第二の端部と流体連結している。第二の出口マニフォルドが、第二の入口マニフォルドから離隔されるとともに、チューブの第一のグループの第二の端部と流体連結している。
2013512409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換部分であって、前記熱交換部分の第一の端部から前記熱交換部分の第二の端部まで狭い間隔を空けられた幾何パターン状に延びる複数の平行なチューブを有する熱交換部分と、
前記複数の平行なチューブに接触している固体熱伝導媒体と、
を含む熱交換器。
【請求項２】
前記チューブは、スラリー内において使用される化学物質に適合するように選択された材料から形成され、前記材料は前記スラリーとともに使用されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記マトリクスが熱伝導材料から形成され、前記熱伝導材料はドリル加工及び鋳造のうちの１つによって加工できることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記マトリクスは、金属、セラミック、複合材料、ガラス、プラスチック及びグラファイトのうちの１つから形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記チューブは、前記マトリクスの材料の温度よりも高い温度において溶融又は軟化する材料から形成され、
前記マトリクスの材料は溶融状態で前記チューブの周囲に鋳込まれることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記マトリクスは液状のマトリクスの材料から形成され、前記液状のマトリクスの材料は、溶融状態から冷却以外のプロセスによって凝固することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記マトリクスの材料は、重合及び結晶化のうちの１つによって凝固する材料であることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記チューブはステンレス鋼から形成され、
前記マトリクスは鋳造された、アルミニウム、亜鉛、及びアルミ又は亜鉛の合金のうちの１つであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項９】
第一のマニフォルドは、前記熱交換部分の第一の端部に配置されるとともに、チューブの第一のグループの第一の端部に流体連結されており、
第二のマニフォルドは、前記熱交換部分の前記第一の端部に配置されるとともに前記第一のマニフォルドから離隔されており、前記第二のマニフォルドは、前記チューブの第一のグループと交互配置されているチューブの第二のグループの第一の端部に流体連結されており、
第三のマニフォルドは、前記熱交換部分の第二の端部に配置されるとともに、前記チューブの第一のグループの第二の端部に流体連結されており、
第四のマニフォルドは、前記熱交換部分の前記第二の端部に配置されるとともに前記第三のマニフォルドから離隔されており、前記第四のマニフォルドは、前記チューブの第二のグループの第二の端部に流体連結されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記第一〜第四のマニフォルドは、前記第一〜第四のマニフォルドを通じる流体用の、単一かつ均一な流路を提供するように構成されていることを特徴とする請求項９に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記第一のマニフォルドは、前記熱交換部分の第一の端部と前記第二のマニフォルドとの間に配置され、前記チューブの第二のグループの第一の端部は、前記第一のマニフォルドを通過して前記第二のマニフォルドに到達し、
前記第三のマニフォルドは、前記熱交換部分の第二の端部と前記第四のマニフォルドとの間に配置され、前記チューブの第二のグループの第二の端部は、前記第三のマニフォルドを通過して前記第四のマニフォルドに到達していることを特徴とする請求項９に記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記第一のマニフォルドは、前記第一のマニフォルドの第一の端部において第一のフランジを含み、前記第一のフランジは、前記熱交換部分の第一の端部において相フランジにボルト留めされ、前記第一のマニフォルドは、前記第一のマニフォルドの第二の端部において第二のフランジをも含み、
前記第一のマニフォルドは第一の管板によって前記第二のマニフォルドから離隔され、
前記第二のマニフォルドは第一のフランジを含み、且つ前記第一の管板と前記第一のマニフォルドの前記第二のフランジとを通過するボルトによって前記第一のマニフォルドにボルト留めされ、
前記第三のマニフォルドは、前記第三のマニフォルドの第一の端部において第一のフランジを含み、前記第一のフランジは、前記熱交換部分の第二の端部において相フランジにボルト留めされ、前記第三のマニフォルドは、前記第三のマニフォルドの第二の端部において第二のフランジをも含み、
前記第三のマニフォルドは第二の管板によって前記第四のマニフォルドから離隔され、
前記第四のマニフォルドは第一のフランジを含み、且つ前記第二の管板と前記第三のマニフォルドの前記第二のフランジとを通過するボルトによって前記第三のマニフォルドにボルト留めされていることを特徴とする請求項９に記載の熱交換器。
【請求項１３】
前記第一のマニフォルドに流体連結された第一の入口と、
前記第二のマニフォルドに流体連結された第二の入口と、
前記第三のマニフォルドに流体連結された第一の出口と、
前記第四のマニフォルドに流体連結された第二の出口と、
をさらに含む請求項９に記載の熱交換器。
【請求項１４】
前記第一のマニフォルドに流体連結された第一の入口と、
前記第二のマニフォルドに流体連結された第一の出口と、
前記第三のマニフォルドに流体連結された第二の出口と、
前記第四のマニフォルドに流体連結された第二の入口と、
をさらに含む請求項９に記載の熱交換器。
【請求項１５】
第一の流体と第二の流体との間の熱交換を提供する方法であって、
固体の熱伝導媒体に接触している、狭い間隔を空けられた幾何パターン状である、複数の平行なチューブを有し、略直線状の前記複数の平行なチューブは、チューブの第一のグループと、前記チューブの第一のグループと交互配置されている、チューブの第二のグループとを含んでいる熱交換器を提供するステップと、
前記第一の流体を前記チューブの第一のグループを通じて流すステップと、
前記第二の流体を前記チューブの第二のグループを通じて流すステップと、
を備えている方法。
【請求項１６】
前記第一の流体は第一の方向に流れ、前記第二の流体は前記第一の方向に対向する第二の方向に流れることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第一の流体及び前記第二の流体が同じ方向に流れることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記第一の流体を前記チューブの第一のグループを通じて流すステップが、スラリーを前記チューブの第一のグループを通じて流すステップを備えていることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記第二の流体を前記チューブの第二のグループを通じて流すステップが、スラリーを前記チューブの第二のグループを通じて流すステップを備えていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００９年１１月２４日に出願された同時係属の米国特許出願第１２／６２５２３７号の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は熱交換器に関し、とりわけ、スラリーのような所定の液体から別の液体への熱の伝達に関する。
【背景技術】
【０００３】
熱交換器は、所定の媒体から別の媒体へ熱を伝達するために用いられる装置である。鉱業のような産業においては、鉱石スラリーの加熱を必要とする多くのプロセスがある。スラリーとは、流体中の固体粒子の懸濁液である。スラリーは、沈殿する傾向を有する固体粒子を含有する。また、幾らかのスラリーはスケールを形成する傾向を有する。これら問題の両方は、スラリー処理において用いられる熱伝達装置及び別の装置を定期的に洗浄する必要性によって、熱交換プロセスの実行を困難にする。
【０００４】
高いエネルギー費用は、熱交換器を、これらプロセスの実現性に不可欠とする。現在、この必要性を満たす熱交換器は市場に存在しない。結果として、鉱石スラリーを（対向する方向に通過する別のスラリーを冷却することによる）対向流方式で加熱することが必要である場合には、接触熱交換器のような非常に複雑なシステムが用いられ、この接触熱交換器においては、蒸気が、所定のスラリーから放出され、隣接したマニフォルド内の別のスラリー内に吸収される。この接触熱交換器は、ボーキサイト鉱から酸化アルミニウムを製造するためのバイエルプロセスプラントにおいて用いられる、通常のタイプの交換器である。
【０００５】
スラリーは、螺旋型熱交換器、又はプレート型熱交換器のような既存の熱交換器の構成を通じて流れている。螺旋型交換器は１対の平面を含み、これら平面はコイル状に巻かれて対向流配置にある２つの経路を形成し、これら経路それぞれは長い湾曲した進路を有している。プレート型交換器は、薄い、わずかに隔てられた複数のプレートから構成され、これらプレートは、熱伝達のための非常に大きな表面積と流体通路とを有している。
【０００６】
渦巻型交換器及びプレート型交換器は、スラリーに対処可能であるとして普及が促進されたが、それら交換器は、スラリー中の固体の良好な懸濁を保持するような伝導性を通常は持たない物理的寸法を有した流体通路を採用している。渦巻型交換器及びプレート型交換器は、容易にアクセス可能な通路を有しておらず、幾つかの場合においては全くアクセス手段を有しておらず、高い維持費用を招く。渦巻型交換器及びプレート型交換器は、幾つかのスラリー用途において用いることができるが、実際にはこれら交換器は、比較的単純且つ希薄なスラリーに関してのみ使用可能であり、この比較的単純且つ希薄なスラリーにおいてはスラリー粒子は液体中に容易に懸濁し続ける。
【０００７】
円筒多管式交換器が、現在、幾つかのスラリー用途において同様に用いられている。円筒多管式熱交換器は、外殻を通じて延びるとともに加熱されるか又は冷却される媒体を包含している、一連のチューブからなる。外殻（又は大きなチューブ）は第二の流動媒体を含み、この第二の流動媒体は必要に応じて熱を供給するか又は吸収する。
【０００８】
現在、外殻が非スラリー（液体又は蒸気）を包含する円筒多管式交換器（ｓｈｅｌｌ−ａｎｄ−ｔｕｂｅ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）の、チューブ側におけるスラリーを加熱することは可能であるが、スラリーは、大きな粒子が沈殿して付着及び結果的な閉塞を引き起こす外殻側を流れることができないので、熱をスラリーからスラリーへ伝達することはできない。
【０００９】
１９９０年代においては、ニッケル鉱を処理する幾つかのプラントがオーストラリアに設置され、その全てが高温オートクレーブ（ａｕｔｏｃｌａｖｅ）を用いていた。詳細な調査がこれらプラントの設計に対して行われて、効果的な熱交換器が選択された。しかしながら、見出された最良のシステムは、蒸気が、わずかな吸引によってスラリーから引き出され、次いで円筒多管式交換器の外殻内において再凝縮され、これにより、対向する方向に通過するスラリーを加熱するシステムであった。これらニッケルプラントは、合計して１０億ドルを上回る設備投資を必要とするが、所定のスラリーから別のスラリーへ熱を伝達することができる単純な対向流交換器に対する設計が存在しなかったので、設計者たちは、熱を伝達するためのより良い方法を見出すことができなかった。これら複雑な熱交換システムは、熱の約７０％しか再利用せず、操業費用を大幅に削減する機会の逸失を示している。
【００１０】
また、グラファイトブロック熱交換器も当該技術分野において既知である。これら交換器においては、グラファイトブロックが、加熱（又は冷却）される溶体を運ぶための、狭い間隔を空けられた幾つかの平行な孔をドリル加工され、別の孔がこれら孔に対して直角にドリル加工されて、加熱（又は冷却）流体を運ぶ。このような交換器は、酸の加熱及び冷却のために広く用いられている。しかしながら、幾つかの理由、すなわち、グラファイトが軟質であり、摩耗作用を有するスラリーに対しては用いることができないこと、グラファイトは酸化する場合があり、それゆえ幾つかの用途に対して化学的に安定ではないこと、グラファイトは脆く、低い強度しか有さず、従ってこれら交換器が動作可能な圧力が制限される（高圧はクラックを形成するとともにチューブからチューブへ伝播させる）こと、によって、これら交換器は有用性が制限されている。また、グラファイトの脆性によって、チューブヘッダを端部に設置することが難しく、単純な直線流路（ｓｔｒａｉｇｈｔ−ｆｌｏｗｐａｔｈ）並列チューブ配列が不可能となる。この問題を回避するために、グラファイト交換器は直交流（ｃｒｏｓｓ−ｆｌｏｗ）チューブ配置によって設計されているが、この直交流チューブ配置は並列流配置程、効果的ではない。
【００１１】
グラファイトを代替する別の材料を用いる同様の交換器には出会っていない。主な理由は、金属のような材料から形成されたブロックを、ドリル加工すること、又は別様に機械加工することが高価であることであると考えられる。このような交換器の例は、金属ブロック内に鋳造されたチューブを開示する特許文献１に開示されている。管類は、対向流での加熱／冷却の達成には効果的ではない。同様に、特許文献２に示されているように、セラミックブロック交換器（グラファイトブロック交換器と同様のもの）が既知であるが、セラミック材料もグラファイトの脆い特性を有しており、管配置はスラリー用として十分単純ではない。既存の技術の、鉱業のような産業の要求を満たすための能力の欠如は、要求は存在するが、この要求を満たすための単純な熱交換器が存在しない、という事実によって裏付けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第１７９９６２６号明細書
【特許文献２】米国特許第４７１１２９８号明細書
【発明の概要】
【００１３】
本発明の第一の実施形態によると、熱交換器は、密接して配置された幾何パターン状である、固体の熱伝導媒体に接触している複数の平行した略直線のチューブであって、チューブの第一のグループと、このチューブの第一のグループと交互にされているチューブの第二のグループとを含んでいるチューブを含む、熱交換部分を含む。
【００１４】
チューブの第一及び第二のグループは、熱伝導媒体に接触し、この熱伝導媒体を介して互いに熱的に連結されている。本発明の幾つかの実施形態においては、チューブの第一及び第二のグループは熱伝導マトリクス内に埋め込まれている。本発明の一実施形態においては、交換器は円筒多管式熱交換器のようであり、塞がりやすい外殻側のみが、熱伝導材料からなる固体マトリクスによって置き換えられている。加熱又は冷却いずれかがなされるスラリーのような流体は、チューブの第一のグループ（例えばチューブの半分）を通じて第一の方向に流れる。第二の流体は、チューブの第二のグループを通じて、第一の流体の流れに対向する方向に流れる。第二の流体は、必要とされる熱を供給するか又は吸収する。
【００１５】
第二の入口マニフォルドが、熱交換部分の第二の端部に配置され、且つチューブの第二のグループの第二の端部に流体連結されている。第二の入口マニフォルドは、第二の入口に流体連結されている。第二の出口マニフォルドが、熱交換部分の第二の端部に配置され、且つ第二の入口マニフォルドからは離隔されている。第二の出口マニフォルドは、チューブの第一のグループの第二の端部に流体連結されている。また、第二の出口マニフォルドは第二の出口に流体連結されている。
【００１６】
構造の第一の端部において、第一の入口が、チューブの第一のグループの第一の端部に、第一の入口マニフォルドを通じて流体連結されている。第一の出口が、チューブの第二のグループの第一の端部に、第一の出口マニフォルドを通じて流体連結され、第一の入口マニフォルドからは離隔されている。
【００１７】
構造の第二の端部において、第二の入口が、チューブの第二のグループの第二の端部に、第二の入口マニフォルドを通じて流体連結されている。第二の出口が、チューブの第一のグループの第二の端部に、第二の入口マニフォルドからは離隔されている第二の出口マニフォルドを通じて流体連結されている。本発明の例示的な一実施形態においては、第一の入口マニフォルド及び第一の出口マニフォルドは、互いに一列に方向づけられており、第二の入口マニフォルド及び第二の出口マニフォルドは、互いに一列に方向づけられている。それぞれの場合においては、最も外側のマニフォルドのためのチューブは、最も内側のマニフォルドのボリュームを通過している。
【００１８】
本発明の第二の実施形態によると、所定の流体から別の流体に熱を伝達する方法は、狭い間隔を空けられた幾何パターン状である、熱伝導媒体に接触している複数の平行なチューブを有する熱交換器を提供するステップであって、この複数の平行なチューブはチューブの第一のグループと、このチューブの第一のグループと交互にされているチューブの第二のグループとを含んでいるステップと、第一の流体をチューブの第一のグループを通じて流すステップと、第二の流体をチューブの第二のグループを通じて流すステップと、を含む。本発明の方法は、少なくとも１つの流体がスラリーである場合にとりわけ有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】本発明の典型的な実施形態による熱交換器の、例示的な熱交換部分の軸方向の断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの熱交換器の、例示的な熱交換部分の半径方向の断面図である。
【図２】本発明の原理による例示的な熱交換器の断面略図である。
【図３】本発明の原理による例示的な熱交換器を採用したプロセスの略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
当業者は、本発明に係る以下の記載は一例にすぎず、多少なりとも限定するものではないことを理解する。本発明の別の実施形態は、このような当業者に容易に理解される。
【００２１】
ここで図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、軸方向及び半径方向の断面が、本発明の典型的な実施形態による熱交換器の、例示的な熱交換部分１０を示している。熱交換部分１０は、第一の端部１４と第二の端部１６とを有する外殻１２を含むことができる。複数のチューブ１８が、熱交換部分を通じて延びている。チューブ１８は、２組の平行なチューブとして配置されているとともに、狭い間隔を空けられた幾何パターンに、チューブの所定のセット内の流体から隣り合うセット内の流体への効果的な熱の流れを保証するような配置及び間隔で、交互配置されている。
【００２２】
チューブ１８は熱伝導媒体２０内に保持されている。熱伝導媒体は、例えば、金属、セラミック、複合材料、ガラス、プラスチック、グラファイト等のような、ドリル加工又は鋳造が可能である種々の熱伝導材料のいずれかから形成された固体マトリクスとすることができる。熱伝導媒体２０は、隣接しているチューブを互いに熱的に連結する。
【００２３】
本発明の様々な実施形態によると、多数の（２〜数百を上回る）チューブが、円筒多管式交換器において用いられるバンドルと同様の平行なチューブバンドル内に配置されている。円筒多管式交換器において採用されている寸法及び配列と同様の、チューブ寸法及び配列を用いることができる。チューブの大きさ（ｓｉｚｉｎｇ）及び間隔は、チューブと熱伝導媒体との間の熱伝達を最大化するように選択される。アルミニウム、エポキシ、セラミック等のような熱伝導材料からなる固体マトリクスが、チューブの周囲に配置される。
【００２４】
本発明の別の実施形態においては、熱交換部分は、狭い間隔を空けられた２つ以上の平行な穴を固体マトリクス内にドリル加工又は鋳造するステップであって、このマトリクスは、鋳造又はドリル加工が容易であるという理由、及び熱を容易に伝達するという理由によって選択された材料から形成されているステップと、次いで、化学的（非反応性）特性を理由として、又は摩耗に耐えるという理由によって選択された第二の材料からなるチューブを、孔に挿入して接合するステップであって、これにより、あるチューブから別のチューブへ熱を伝達する低い熱インピーダンスを有して良好な接合を形成するステップとによって、製造することができる。接合は、フィラー材料をチューブと孔との間の空隙内に注ぐことによって、又は、チューブを穴の内壁に対して外側に向かってスエージ加工（伸長）することによって形成することができる。
【００２５】
ここで図２を参照すると、断面略図が、本発明による熱交換器３０を示しており、ここで、図１Ａ及び図１Ｂにおいて示された熱交換部分１０は、第一の入口３２及び第一の出口３４に、入口マニフォルド３６及び出口マニフォルド３８をそれぞれ通じて、本発明の原理に従って構成された例示的な熱交換器の一端において連結されている。
【００２６】
入口マニフォルド３６は、出口マニフォルド３８から管板４２によって離隔されている。管板４２は、２組の溶体が混合することを防ぐが、チューブのセットそれぞれの中の流体又はスラリーが、交換器の端部から端部へ単一の経路内を流れることを可能とする。入口マニフォルド３６及び出口マニフォルド３８それぞれは、チューブのうちの１つのセットからの全ての流れを集める（又はこのような流れをチューブのセットの中に導入する）ように設計されている。管径及びマニフォルドは、固体を沈殿させることなく、且つ図２に示されているようにチューブの異なる２つのセットからの流れの混合を防いで、（水ベースの鉱物スラリー、又は腐食性の溶体中における鉱物スラリーのような）スラリーの均一な流れを可能とするように設計され且つ配置されている。図２に示されている例示的な実施形態においては、入口マニフォルド３６は熱交換部分１０に、相フランジにおいてボルト留めされている。同様に、管板４２及び出口マニフォルド３８は、入口マニフォルド３６に相フランジにおいてボルト留めされている。この構造は、修理又は保全のための熱交換器３０の分解を容易化する。
【００２７】
図２に示されているように、チューブ１８ａ、１８ｂ及び１８ｃの第一の端部が入口マニフォルド３６と連通し、これらチューブ１８ａ、１８ｂ及び１８ｃと交互配置されているチューブ１８ｄ、１８ｅ及び１８ｆの第一の端部が出口マニフォルド３８と連通している。熱交換部分１０の別の端部において、チューブ１８ａ、１８ｂ及び１８ｃの第二の端部が出口マニフォルド４４と連通し、チューブ１８ｄ、１８ｅ及び１８ｆの第二の端部が入口マニフォルド４６と連通している。出口マニフォルド４４は出口４８と連通し、入口マニフォルド４６は入口５０と連通している。入口マニフォルド４６は出口マニフォルド４４から管板５２によって離隔されている。管板５２は２組の溶体の混合を妨げる。入口マニフォルド４６、出口マニフォルド４４及び管板５２は、互いに、且つ熱交換部分１０の第二の端部にフランジにおいてボルト留めすることができ、これにより修理又は保全のための熱交換器３０の分解を容易化することができる。図２は、垂直に方向付けられた熱交換器３０を示しているが、当業者は、水平な、又は傾斜した方向付けが採用できることを理解する。
【００２８】
上述されたように、熱交換器３０の端部は、溶体またはスラリー（流体）が単一かつ均一な流路を維持するように構成されている。ここで説明された実施形態においては、第一の方向への流れは、ヘッダパイプを通じて、熱交換器の第一の端部において入口マニフォルド内に進入し、熱交換部分内のチューブの第一のセットを通過し、熱交換部分の第二の端部において全ての流体を収集し且つこの流体をマニフォルド側部のヘッダパイプに配分するための出口マニフォルドを通過する。第二の方向への流れは、ヘッダパイプを通じて熱交換器の第二の端部の入口マニフォルド内に入り、熱交換部分内のチューブの第二のセットを通過し、熱交換部分の第一の端部における、全ての流体を収集し且つこの流体をマニフォルド側部のヘッダパイプに配分する出口マニフォルドを通過する。チューブと管板４２及び５２との間のシールは、フレアレス管継手（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｆｉｔｔｉｎｇ）又はＯリングシールを用いて作ることができ、これにより、マニフォルド組立体及び管板は作業のために容易に取り外すことができる。当業者は、マニフォルドのセットのうちの１つの入口及び出口の機能は、本発明の別の実施形態によって反転させることができ、これにより対向流配置の代わりに並列に流れる配置が実現できることを理解する。
【００２９】
当業者は、チューブの第一及び第二のセットの端部は、上述のマニフォルド以外の構造を用いて互いに連結することができることを理解する。非限定的な例として、チューブの端部は、チューブコネクション又はパイプコネクションを用いて互いに合流させることができる。
【００３０】
本発明による方法においては、熱は、管式熱交換器内において、チューブ１８ａ、１８ｂ及び１８ｃからなる第一のセットの流動内容物からチューブ１８ｄ、１８ｅ及び１８ｆからなる第二のセットの流動内容物へ、流れが交換器の一端から他端への単一の経路として並列流（チューブのセット両方の中の流動内容物は、交換器の同一の端部に入る）又は対向流いずれかで生じるように配置することによって伝達することができ、この対向流においては、第一の溶体又はスラリーは熱交換器３０の第一の端部４０に進入して第二の端部から退出し、一方、第二の溶体又はスラリーは第二の端部に進入して第一の端部４０から退出する。
【００３１】
作動中には、加熱又は冷却されるスラリーが、チューブの第一のセット内を流れ、異なる加熱プロファイルを有する同様のスラリーが、チューブの第二のセット内を流れ、第二のセットにおけるチューブそれぞれは、チューブの第一のセットにおける少なくとも１つのチューブと隣り合っている。本発明は、２つのスラリーが対向する方向に流れ（対向流）、これにより一方のスラリーが加熱されると他方のスラリーが冷却される場合に、とりわけ有益である。典型的なシステムにおいては、このような対向流構成においてスラリーを、戻ってくる加熱されたスラリーに対して、室温から非常に高い温度（例えば摂氏２００度）に加熱することができ、この戻ってくる加熱されたスラリーは、非常に高い温度から室温に冷却される。２つのスラリーの温度の接近は、ほぼ摂氏数度とすることができ、これにより、たとえ高温の端部におけるスラリーが例えば摂氏２００度であったとしても、スラリーを摂氏数度上昇させるために十分な熱しか加える必要がない。
【００３２】
チューブのサイズ及び数は、円筒多管式交換器又は管式交換器（ｔｕｂｕｌａｒ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）の製造において既に実施されている変形と同様に、広い範囲に亘って変化させることができる。管径は、スラリー又はプロセス流体のタイプと、交換器の建造及び補修における費用のトレードオフとに応じて、１／２インチ未満〜３インチ以上とすることができる。同様に、チューブの数は、処理される液体又はスラリーの合計流量に応じて、２つのチューブから非常に多く（１０００を超えるチューブを有する幾つかの円筒多管式交換器と同様）のチューブまで変化させることができる。
【００３３】
チューブの間隔は、本発明においては通常の円筒多管式交換器においてよりもさらに重要であり、所定のセットにおけるチューブから、第二のセットにおける交互配置した（介在している）チューブへの熱流れの数学的モデリングに基づいている。チューブが極端に離れている場合、チューブを出て熱伝達マトリクスに入る熱は、チューブの軸に平行に流れ、同じチューブに入るか、又は隣り合ったチューブに非垂直点において入る。このことは結果として、熱伝達の効果を「不鮮明」にする。最善の配列においては、熱は所定のチューブの外へ、そして隣り合ったチューブ内へ、最短の流れ経路を用いて直接流れ、この最短の流れ経路は、チューブの軸に垂直な直線状の流れ経路である。このことは近いチューブ間隔を必要とするが、チューブが近すぎる場合には、交換器の構造が難しく、且つ高価になる。最良のマトリクスは、最も熱伝導性が良い材料から成る必要はなく、むしろ、チューブ間隔の制約内で、垂直な熱の流れを最大化する材料から成る。実際には、大部分の材料及び媒体に対して、チューブの中心同士の間隔は、チューブ径よりも約１／８インチ〜約３／４インチ広くすることができる。
【００３４】
熱交換器が適切に設計されている場合、熱の大部分はチューブの軸に対して垂直に流れる。このことは結果として、熱交換器が非常に多数、ほぼ無限の数の理論的な熱交換段（ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｓｔａｇｅ）を有することになる。この設計によって、チューブの所定のセット内を流れる液体又はスラリーから、チューブの別のセット内を流れる液体又はスラリーへの、非常に近い温度接近を得ることが可能となる。これは本発明の際立った特徴の一つである。外殻内の流体を有する円筒多管式交換器においては、理論段の数は、外殻内の流れ経路の有効性に影響され、通常は少数である。極端な例として、熱は外殻内の蒸気としてチューブ内のスラリーから引き出すことができるが、この場合、外殻内の蒸気が全て同じ温度であるので、交換器の長さに関わらず、ただ一つの伝達の理論段しかない。少数の理論段の影響は、交換器が、多数の理論段を有する熱交換器と同じ温度プロファイルを達成するために、はるかに長くなければならないということである。スラリーを処理する円筒多管式交換器の構成においては、引き出された熱は第二の交換器に送られなければならず、この第二の交換器において、熱は次いで別のスラリーに伝達される。本発明は、流れる流体がスラリーである場合に、熱の抽出と、同時に生じる伝達とのための、交換器の効率的な設計を可能にする。
【００３５】
本発明による一実施形態においては、５／８インチの外径及び１／２インチの内径を有するステンレス鋼チューブが、中心間７／８インチのブロック中心行列（ｂｌｏｃｋ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ  ｍａｔｒｉｘ）状に配置され、固体アルミニウムマトリクスが、これらチューブの周囲に鋳造された。チューブの外側の行を囲んでいる「外殻」マトリクスの厚さを変化させて、この領域の厚さがチューブ径の略半分にすべきであると判断された。小径のチューブは熱の伝達に非常に効果的であるが、幾つかのスラリーは、（これらスラリーがはるかに高い粘度を有するので）はるかに太いチューブを通じて処理される必要がある。また非常に大きい液体又はスラリー流量を有するプロセスプラントに対しては、交換器の資産及び維持費が、チューブ径が減少するにつれて増大するので、より大きなチューブを選択することができる。
【００３６】
本発明の開発の過程において、様々な熱交換器が、アルミニウム、亜鉛及び銅マトリクスを、外径５／８インチ、内径１／２インチの中心間約７／８インチのステンレス鋼チューブの周囲に鋳造することにより形成された。水に対して対向流的に流れる水を用いて、４００ＢＴＵ毎時毎平方フィート毎華氏度以上の（チューブの所定のセット内の液体からチューブの別のセット内の液体への）熱伝達率が達成された。円筒多管式交換器は、チューブ内の液体から外殻内の液体への熱伝達に関して、通常、３００ＢＴＵ毎時毎平方フィート毎華氏度を達成する。
【００３７】
ここで図３を参照すると、略図が、本発明の原理による例示的な熱交換器を採用した例示的なプロセスを示している。このプロセスは、参照符号６０において、華氏５０度且つ大気圧の鉱石スラリーを用いて開始する。ポンプ６２は、スラリーの圧力を４５０ＰＳＩに上昇させる。次いで、スラリーは熱交換器６４を通じて上方に圧送され、ここでスラリーは、熱交換器６４を通じて下方に移動するスラリーから熱を受ける。熱交換器６４の出口において、スラリーの温度は、圧力４３０ＰＳＩにおいて華氏３５０度である。スラリーはヒーター６８を有するオートクレーブ６６内に移動し、このヒーター６８は、スラリーが処理される際に、スラリーの温度を華氏２０度上昇させて華氏３７０度にする。次いで、スラリーは熱交換器６４を通じて下方に戻り、ここでこのスラリーは、熱交換器６４を通じて上方に移動する、対向して流れるスラリーに熱を伝達する。スラリーは、華氏７０度の温度及び４１０ＰＳＩの圧力で、熱交換器６４の底部を出る。次いで、スラリーは減圧バルブ７０を通過して、参照符号７２において、大気圧において温度華氏７０度で、下流のプロセスに移動する。
【００３８】
本発明は、効果的且つ効率的に、所定の鉱石スラリーから別の鉱石スラリーに熱を伝達することができる装置に対する、長年にわたる満たされていない必要性を満たし、従って、この必要性に満足していなかった既存の従来技術による熱交換器を超える大きな進歩を示す。
【００３９】
本発明は、鉱業における鉱物スラリーの熱交換に関連して開示されたが、当業者は、本発明が、別のタイプの交換器を現在使用している製薬産業及び化学産業において採用されている様々なプロセスにおける用途のような、鉱物スラリーよりもはるかに幅広い用途を有することを認識するだろう。これら産業において現在用いられている熱交換器は、複雑な幾何学形状、鋭い隅部、及び洗浄が難しい経路構成を有している。
【００４０】
両方向に移動する全ての流体が、容易にアクセス可能であり且つ容易に洗浄される円形状、直線状かつ非付着性のチューブを通じて移動する本発明による単純な構成は、従来技術の問題を解決する。本発明は、非常に効果的な、これまで利用できなかった熱交換器を提供し、この熱交換器は維持費用及び操業費用を大幅に削減する。
【００４１】
本発明の実施形態及び用途が図示され且つ記載されたが、上述より多くの変更形態が、本明細書の発明思想から逸脱することなく可能であることは、当業者には明白である。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神以外によって限定されるべきではない。
【符号の説明】
【００４２】
１０  熱交換部分
１２  外殻
１４  第一の端部
１６  第二の端部
１８  チューブ
２０  熱伝導媒体
３０  熱交換器
３２  第一の入口
３４  第一の出口
３６、４６  入口マニフォルド
３８、４４  出口マニフォルド
４２  管板
４８  出口
５０  入口
５２  管板
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
2013512409.tif 000007