(57)【要約】  触媒床（７）に浸漬されて反応温度を所定の範囲に保つべく反応物を加熱または冷却するように意図されたプレート（３０）型の熱交換ユニット（１２）を備えている等温化学反応器（１）であって、前記プレート（３０）が２枚の平坦な壁（３１、３２）および長手方向のスペーサ（３３）によって形成され、熱交換流体を循環させるための平行なチャネル（３４）が得られている等温化学反応器（１）が説明される。
2011504415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレート（３０）型の少なくとも１つの熱交換ユニット（１２）を内部に備えている等温化学反応器（１）であって、
前記熱交換ユニット（１２）が、前記プレート（３０）を通って流れる該ユニット（１２）の内側の流体と、当該反応器（１）に収容された該ユニット（１２）の外側の流体との間に熱交換をもたらすように構成されている等温化学反応器（１）において、
前記熱交換ユニット（１２）の前記プレート（３０）の各々が、
‐実質的に二次元であって、互いに平行かつ互いから離れている第１の平坦な壁（３１）および第２の平坦な壁（３２）、ならびに
‐前記第１の平坦な壁（３１）を前記第２の平坦な壁（３２）へと接続し、前記壁（３１、３２）の間に定められる前記内側の流体を通過させるための互いに平行なチャネル（３４）をもたらしている複数の内部のスペーサ部材（３３）
を備えていることを特徴とする等温化学反応器。
【請求項２】
前記内部のスペーサ部材（３３）が、途切れることなく前記平坦な壁（３１、３２）を接続しており、前記平行なチャネル（３４）が互いに連通不能になっていることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
【請求項３】
前記内部のスペーサ部材（３３）が、途切れた部分を有しており、前記平行なチャネル（３４）同士間の流体の通路をもたらしていることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
【請求項４】
前記スペーサ部材（３３）が、前記プレート（３０）に対して縦方向に延びていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応器。
【請求項５】
前記スペーサ部材（３３）が、前記プレート（３０）に対して横方向に延びている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の反応器。
【請求項６】
前記熱交換ユニット（１２）の前記プレート（３０）の前記スペーサ部材（３３）が、中実な断面を有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の反応器。
【請求項７】
前記スペーサ部材（３３）が、矩形の断面を有しており、前記スペーサの厚さに等しい高さと２つの連続するスペーサ部材（３３）の間の距離に等しい幅とを有する矩形の断面のチャネル（３４）が実現されていることを特徴とする請求項６に記載の反応器。
【請求項８】
２つのさらなるスペーサ部材（３５）が、プレート（３０）自体の側方を閉ざすために、各々のプレート（３０）の前記壁（３１、３２）の長手縁に沿って設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の反応器。
【請求項９】
前記プレート（３０）の前記壁（３１、３２）が、前記外側の流体に接触するように意図された実質的に滑らかな外表面（３１ａ、３２ａ）を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の反応器。
【請求項１０】
前記熱交換ユニット（１２）の前記プレート（３０）の前記壁（３１、３２）および前記スペーサ部材（３３、３５）が、レーザプロセスによる溶接またはろう付けによって接合されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の反応器。
【請求項１１】
前記熱交換ユニット（１２）が浸漬される触媒床（７）を備えている等温または準等温の触媒反応器である請求項１〜１０のいずれか一項に記載の反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、その最も広い態様において、プレート型熱交換ユニットまたはプレート型熱交換器を内部に備えている化学反応器の技術分野に関する。
【０００２】
本発明は、非限定的な例として、内部の熱交換器を触媒層に浸漬させて備えている異成分間の発熱または吸熱反応のための等温または準等温化学反応器、あるいは動作状態において流体に浸漬される内部の熱交換器を備えている反応器に適用可能である。
【背景技術】
【０００３】
反応器そのものにおいて実行される化学反応へと熱をもたらし、あるいは反応器そのものにおいて実行される化学反応から熱を取り除くように構成された少なくとも１つの内部の熱交換器を備えているさまざまな種類の化学反応器が、公知である。
【０００４】
第１の例は、いわゆる等温または準等温反応器によって代表され、一般に、熱交換器を、反応温度を最適効率の範囲に保つために、発熱の化学反応の場合において反応物から熱を取り去り、あるいは吸熱反応の場合において熱を供給するという役目で、触媒層に浸漬させて備えている。等温反応器は、とりわけ、メタノール合成プラントにおいて使用される。
【０００５】
上述の種類の化学反応器の他の例は、尿素製造プラントのカルバメート凝縮器である。
【０００６】
さらなる例は、メタンガスの部分酸化によって得られる一酸化炭素を含んでいる合成ガスが、一酸化炭素の一部を二酸化炭素へと変換すべく処理されるいわゆるシフトコンバータ反応器によって代表される。この形式の反応器は、とりわけ、天然ガスから得られるチッ素および水素からアンモニアを製造するためのプロセスにおいて使用される。
【０００７】
上述の種類の化学反応器に、基本的に「プレート」と呼ばれる平行六面体形状の箱形の平たい本体を複数備えているプレート型熱交換器を設けることが知られている。これらのプレートは、基本的には、熱交換流体の通過する部屋を内部に定めるように、２枚の矩形の壁を少なくとも外周に沿って互いに接続することによって形成される。プレートの外表面に接する外部の流体と、プレートそのものの内部を循環する流体との間に、間接的な熱交換が生じる。必要に応じて、上述の内部の熱交換流体は、反応物または反応生成物の流れと同じであってよく（例えば、反応物の予熱を達成する）、あるいは化学反応に関与しない熱交換のためだけの流体（水、蒸気、溶融塩、など）であってよい。
【０００８】
化学反応器において使用するためのきわめて好都合なプレート型熱交換器が、ＥＰ−Ａ−１７０５４４５に開示され、いわゆる「膨張」プレートを備えており、すなわち２枚の平たい金属薄板を外周の溶接部およびおそらくは他の溶接点によって接合し、高い圧力（例えば、４００〜５００ｂａｒ）の流体による膨張のサイクルを加えて、２枚の薄板の間に流体が通過する内部の部屋を得ることによって形成されている。
【０００９】
上述の種類の化学反応器の分野において、サイズの割に大きな熱交換面、比較的低いコスト、および反応器への取り付けの容易さなどの利点を保証するプレート型熱交換器を使用することに、強い動機が存在することに留意しなければならない。
【００１０】
それでもなお、プレート型熱交換器を備える化学反応器は、いくつかの技術的限界を抱えており、依然として改善を必要としていると考えられる。
【００１１】
第１に、交換器の内部の損失水頭を可能な限り減らす必要がある。そのような損失水頭は、特に大容量のプラントにおいて、補機類（循環ポンプ）のかなりのエネルギー消費を引き起こす可能性がある。
【００１２】
さらには、「膨張」式のプレートを備える熱交換器を化学反応器に使用することは、多くの理由で好都合であるけれども、未だ克服されていないいくつかの技術的限界を抱えている。この種の熱交換器は、実際のところ、熱交換流体が循環するプレートの内部と反応器の圧力に曝されるプレートそのものの外側との間の大きな圧力差に耐えるようには構成されていない。
【００１３】
膨張式のプレート型熱交換器を、例えば７０〜８０ｂａｒで動作するメタノールの合成のための反応器に使用することが知られているが、より大きな圧力差（例えば、約１００ｂａｒまたはそれ以上）には、容易には適用できないように見受けられる。実際に、つぶれに対する抵抗は、実質的に、プレートの厚さおよびプレートそのものの間の溶接点の間隔によって決定されるが、厚さは、膨張プロセスが不可能になると考えられるため、特定の限界を超えて厚くすることはできず、同じ理由で、特定の限界を超えて溶接点の間隔を小さくする（すなわち、溶接点同士を近付ける）ことも不可能である。さらには、上述の高圧の流体による膨張を含む製造プロセスが、比較的高価につくことも指摘しておかなければならない。
【００１４】
上記例示の問題が、これまでのところ、きわめて高い圧力および／または侵食環境において動作する化学反応器へのプレート型熱交換器の普及を妨げ、あるいは制限している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の根底にある課題は、上述の従来技術の欠点および限界を解決するように構成されたプレート型熱交換ユニットを備える反応器を考案および提供することにある。
【００１６】
本発明は、特に、反応器の熱交換ユニットの内部の損失水頭を低減することを目的とし、プレートの内部と外部との間の大きな圧力差および／または腐食性の環境のもとでの熱交換ユニットの効果的な動作を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この課題は、少なくとも１つのプレート型熱交換ユニットを備えている化学反応器であって、
前記熱交換ユニットが、前記プレートを通って流れる該ユニットの内側の流体と、当該反応器に収容された該ユニットの外側の流体との間の熱交換を行うように構成されている化学反応器において、
前記熱交換ユニットの前記プレートの各々が、
‐実質的に二次元であって、互いに平行かつ互いから離れている第１の平坦な壁および第２の平坦な壁、ならびに
‐前記第１の平坦な壁を前記第２の平坦な壁へと接続し、前記第１および第２の壁の間に定められる前記内側の流体の通過のための複数の平行なチャネルをもたらしている複数の内部のスペーサ部材
を備えていることを特徴とする等温化学反応器によって解決される。
【００１８】
「実質的に二次元の壁」という用語によって、それらの壁が、第３の寸法（すなわち、厚さ）よりも著しく（例えば、１桁または２桁）大きい２つの寸法（それぞれ、長さおよび幅）を有する旨が意図される。
【００１９】
平坦な壁が、外側の流体に接触するように意図され、反応器の内部に連絡している外表面を有しており、プレートの反対側の内表面が、前記スペーサ部材によって離間させられつつ互いに面しており、プレートそのものを循環する内側の流体に接触する。
【００２０】
本発明の第１の実施の形態によれば、スペーサ部材が、各々のプレートにおいて途切れることなく延びており、前記第１および第２の壁の間に互いに連通不能な平行なチャネルが得られている。
【００２１】
本発明の第２の実施の形態においては、プレートのスペーサ部材が途切れた部分を有しており、途切れた部分によってチャネル間の流体の通路が形成されている。この通路によって、流れの均等化機能がもたらされている。
【００２２】
上述のスペーサ部材は、本発明の一実施の形態によれば縦方向であり、すなわちプレートの最大の寸法に沿って延びている。しかしながら、他の同等の実施の形態においては、スペーサが、プレートの主に延びる方向に交差する方向に延びていてもよい。
【００２３】
好ましい構造的態様によれば、前記第１および第２の平坦な壁が、それぞれの平坦な金属薄板によって実質的に形成される。スペーサ部材が、好ましくは矩形である中実な断面を有しており、前記スペーサの厚さに等しい高さと２つの隣り合うスペーサ部材の間の間隔に等しい幅とを有する矩形の断面のチャネルをもたらしている。
【００２４】
２つのさらなるスペーサ部材を、プレートの側方を閉ざすために、壁の長手縁に沿って設けることができる。
【００２５】
好ましくは、スペーサ部材は、内部の流体循環チャネルについて所望される高さに等しい適切な厚さの鋼帯によって製作され、レーザプロセスによって溶接され、あるいはろう付けによって接続される。
【００２６】
本発明の利点は、以下のとおりである。プレートの機械的強度が、きわめて高く、実質的に所望のとおりに高めることができる。実際に、平坦な壁の厚さを増すこと、および／またはスペーサ部材の間の距離（ピッチ）を小さくすることによって、より丈夫なプレートを得ることが可能である。その結果、プレートが、内側と外側との間のきわめて大きな圧力差に耐えることができる。
【００２７】
さらに、本発明によるプレートの構成の損失水頭は、膨張式のプレートの損失水頭よりも小さいことが明らかになっている。
【００２８】
さらなる利点は、外側の流体に接触するプレートの外表面を、完璧に滑らかにできることである。滑らかな外表面は、触媒の排出を容易にできるほか、腐食の開始点を有さないことでも好都合でありうる。
【００２９】
さらに、大きな交換面、低いコスト、および容易な設置など、等温反応器におけるプレート型の交換器の使用に由来する利点のすべてが維持される。
【００３０】
したがって、本発明の一態様は、プレート型の交換器が依然として未解決の欠点を抱えている用途において、上述の形式のプレート型熱交換ユニットを、伝統的なチューブ型の交換器の代わりに使用することからなる。
【００３１】
本発明の特徴および利点が、添付の図面を参照して好ましい実施の形態の例（例示であり、これらに限られるわけではない）についての以下の説明から、さらに明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態によるプレート型等温化学反応器の断面を概略的に示している。
【図２】図１の反応器の交換器の熱交換プレートを概略的に示している。
【図３】図２のプレートの断面を示している。
【図４】図１の反応器の熱交換プレートの断面を概略的に示している。
【図５】熱交換プレートのさらなる実施の形態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１を参照すると、等温化学反応器１が示されている。等温化学反応器１は、垂直軸を有する円筒形の外殻２、ならびに下端３および上端４を備えている。下端３および上端４には、反応物の導入のためのフランジ５および反応生成物の排出のためのフランジ６がそれぞれ備えられている。
【００３４】
図１の例は、例えばメタノールの合成のための触媒反応器に属し、実質的に円筒形かつ環状の構造の触媒床７を備えている。この触媒床７は、基本的には、円筒形の外壁８と、円筒形の内壁１０と、環状の底部７ｂとで構成されている。外壁８が、ジャケット２と協働して、幅の狭いすき間９を定めている。床７は、適切な触媒の塊（図示せず）を収容するように意図されている。
【００３５】
すき間９から床７へと反応ガスを通すことができ、ガス状の反応生成物を床７から前記反応生成物の収集器を構成する中央のダクト１１へと通すことができるよう、前記外壁８および前記内壁１０に孔が設けられている。
【００３６】
さらに、反応器は、全体が１２で指し示されているプレート型熱交換ユニットを、床７に収容し、触媒に浸漬させて備えている。
【００３７】
より具体的には、前記熱交換ユニット１２は、この例においては放射状のやり方で（すなわち、半径方向に）配置された複数の熱交換プレート３０を備えている。
【００３８】
熱交換流体（例えば、水）を、適切な循環手段（この例では、それぞれの流体導入ディスペンサ２２および流体排出コレクタ２１によって代表されている）によって各々のプレート３０へと送ることができる。ディスペンサ２２およびコレクタ２１は、反応器１内の適切な配管ならびに入口／出口フランジ２３および２４に接続されている。
【００３９】
前記熱交換流体、すなわち内側流体は、プレート３０の内側に定められた複数のチャネルを通過して流れる。
【００４０】
図１〜４の実施の形態を参照すると、各々のプレート３０が、基本的には、互いに平行な第１の平坦な壁３１および第２の平坦な壁３２と、前記第１の壁３１を前記第２の平坦な壁３２へと接続して前記内側流体のためのチャネル３４を得る複数の長手方向のスペーサ３３とを備えている。
【００４１】
壁３１および３２は、実質的に二次元であり、すなわち厚さよりも著しく大きい長さおよび幅を有している。例えば、長さが数メートルであり、幅が約１メートルであり、厚さが数ミリメートルである。
【００４２】
好ましくは、スペーサ３３は、中実な断面を有しており、さらに好ましくは、図示のように矩形であり、これらのスペーサの厚さに等しい高さと、隣接する２つのスペーサ３３の間の間隔（ピッチ）に等しい幅とを有する実質的に矩形の断面のチャネル３４が得られている。
【００４３】
図示の実施の形態においては、スペーサ３３が、途切れることなく壁３１および３２を接続しており、壁３１、３２の内表面およびスペーサ３３の連続的な側面によって画定された互いに平行かつ互いに連通不能なチャネル３４が得られている。換言すると、プレート３０の長手方向の広がりに沿って、チャネル３４のうちの１つへと流入する流体の流れは、隣のチャネルを通って流れる流体と混ざることがあり得ない（図４）。
【００４４】
２つのさらなるスペーサ３５が、プレート３０の側方を閉じるために、壁３１および３２の長手縁に沿って設けられている。このようなスペーサ３５は、スペーサ３３と同一であってよい。
【００４５】
壁３１および３２は、好ましい実施の形態においては、それぞれ平坦な金属薄板から形成され、スペーサ３３は、内部の流体循環チャネル３４について所望される高さに等しい適切な厚さの帯板によって実現される。
【００４６】
好ましい製造プロセスは、レーザプロセスによるスペーサ部材３３、３５の壁３１および３２への溶接を提供する。しかしながら、反応器（すなわち、プレートの外側）における腐食性環境の存在など、特定の場合においては、腐食の引き金となりうるすき間の形成を避けるために、プレート本体３０の外側の溶接を、溶接金属によって手作業で実行することが可能である。
【００４７】
図に示されているように、壁３１および３２の外表面（それぞれ３１ａおよび３２ａとして示されている）が、プレート３０そのものの外表面であり、反応器１内に収容された外側流体に直接接触するように意図されている。プレートの反対側の内表面は、互いに面するとともに、チャネル３４内を循環する内側流体に接触する。したがって、熱交換が、２つの流体を直接接触させることなく、間接的に生じる。
【００４８】
表面３１ａおよび３２ａは、好ましくは滑らかである。この特徴は、これに限られるわけではないが、触媒反応器において特に好都合である。図１の例を参照すると、滑らかな外表面を有するプレート３０は、床７に収容された触媒の排出および交換を容易にする。
【００４９】
上述の形式のユニット１２は、大きな圧力差および／または潜在的に腐食性な環境で動作するために、ステンレス鋼または二相鋼のプレート３０の壁３１、３２およびスペーサ３３で製作される。例として、壁３１、３２は、数ミリメートルの厚さを有することができ、スペーサ３３は、約５ｍｍの厚さを有することができる。
【００５０】
本発明による熱交換ユニットが、上述の目的を達成し、特に内部と外部との間の圧力差に対して優れた抵抗を提供することを、理解すべきである。さらには、上述のような膨張式のプレートに対して、負荷損が低減されることも明らかになっている。負荷損の低減は、いくつかの事例では、１／３から最大１／１０にもなりうる。
【００５１】
さらなる実施の形態（図示されていない）においては、スペーサ部材３３が、それらの長手方向の途中で途切れた部分を有しており、チャネル３４同士の間にそれぞれの流体の通路が得られている。スペーサ部材の途切れた部分、したがってチャネル間の流体の通過は、チャネル３４内の流れの均等化の効果において有利となりうる。
【００５２】
熱交換流体（例えば、水）は、チャネル３４に開口またはスロット２５を備えているディスペンサ２２およびコレクタ２１（図４）によって、プレートへと供給され、プレートから集められる。
【００５３】
図５は、プレート３０のスペーサ３３がプレート３０に対して横方向に配置され、半径方向のチャネル３４が得られているさらなる実施の形態に属し、その他の技術的特徴は、上述のものと実質的に同等である。熱交換流体の供給は、上述のような開口２５を備えている長手方向のディスペンサ２２’およびコレクタ２１’によって得られている。
【００５４】
図５の実施の形態は、例えば、プレートへの熱負荷（反応によって生成または吸収される熱の量）が半径に沿って大きく変化する半径方向流の反応器において好都合である。
【００５５】
再び図１を参照すると、動作は以下のとおりである。反応物が、フランジ５によって反応器１へと供給され、すき間９から収集器１１へと半径方向に触媒反応ゾーンを横切る。熱交換流体（例えば、水）が、フランジ２３および２４をそれぞれ通って出入りし、プレート３０へと供給される。例えば発熱反応に関しては、ユニット１２によって行われる熱交換によって、触媒床および反応生成物が冷却され、反応温度が最適な効率の範囲に保たれる。
【００５６】
当業者にとって明らかであるとおり、本発明は、上述した等温触媒反応器の事例に限定されず、シフトコンバータ、尿素プラント反応器、などといった種々の種類の化学反応器に同様に適用可能である。
【００５７】
同等の実施の形態においては、ユニット１２のプレート３０が、半径方向ではない配置を有することができ、ユニット１２が、例えば、実質的に平行なプレートを備える形式であってよい。
【００５８】
さらには、内側流体および外側流体が（例えば、反応物を反応熱で予熱するために）同じ流体であってもよいが、プレートの内側の流体が熱交換だけを目的としており、外側の（プロセス）流体とは異なっている上述の形式の反応器が、高圧の反応器にとって好ましい。
【００５９】
最後に、本発明の適用が、半径方向流または半径方向−軸方向流の反応器に限定されず、他の形式の等温化学反応器においても同様に好都合であることに、注意すべきである。
【図１】
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【図２】
2011504415.tif 000004
【図３】
2011504415.tif 000005
【図４】
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【図５】
2011504415.tif 000007
【国際調査報告】
2011504415.tif 000008
2011504415.tif 000009
2011504415.tif 000010