(57)【要約】  シェル内コアの熱交換器内の動きによる影響を低減するための方法、および装置を提供する。熱交換器内の動きによる影響を低減するための一つの方法として（a）熱交換体を気化させる流体で浸し、前記熱交換器はシェル内部に画定された内部容積とシェルの内部容積内に配置された離間した複数のコアを含み；（b）上方容器に熱いプロセス供給流を導入し、前記上方容器は熱交換器の上部に位置し、前記上方容器は熱交換体と複数の導管を介して接続されている；を含む方法。【選択図】図１
2015510572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器内の動きによる影響を低減するための方法であって、
a.  熱交換器を気化させる流体で浸すこと、ここで前記熱交換器はシェル内部に画定された内部容積と前記シェルの内部容積内に配置された離間した複数のコアを含み；
b.  上方容器に熱いプロセス供給流を導入し、前記上方容器は熱交換器の上方に位置し、前記上方容器は複数の導管を介して熱交換器に接続されており、前記導管は前記上方容器と複数の離間したコアを接続するための外部管を含み、前記導管はさらに内部の蒸気上昇管を含み、前記内部の蒸気上昇管は前記複数のコアの熱膨張と収縮を可能にするため複数のコアの上端に固定され前記導管内部で浮遊し；
c.  前記シェルの内部容積内のコアに前記導管を介して前記熱い供給流を送達すること、ここで前記熱いプロセス供給流が気化させる流体との間接的熱交換を受け、それにより温かい液体流と非気化流を生成し、前記非気化流は蒸気と液体の混合物を含み；および
d.  前記非気化流を乖離を受けさせるために前記導管を介して前記上方容器へと送達すること、を含む。
【請求項２】
前記非気化流体が冷媒である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記上方容器がスロッシュ抑制バッフルを含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
熱交換器内の動きによる影響を低減するための方法であって、
a.  熱交換器を気化させる流体で浸すこと、ここで前記熱交換器はシェル内部に画定された内部容積と前記シェルの内部容積内に配置された離間した複数のコアを含み；
b.  分離容器に熱いプロセス供給流を導入すること、ここで前記分離容器は前記熱交換器の上方に位置し、前記分離容器は複数の外部管を介して前記熱交換器に接続されており；
c.  前記シェルの内部容積内のコアに前記外部管を介して熱いプロセス供給流を送達すること、ここで前記熱いプロセス供給流は気化させる流体との間接的熱交換を受け、それにより温かい液体流と非気化流を生成し、前記非気化流は蒸気と液体の混合物であり；そして
d.  前記非気化流を分離を受けさせるために前記分離容器へ送達すること、を含む。
【請求項５】
前記気化させる流体が冷媒である請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記分離容器がスロッシュ抑制バッフルを含む請求項４に記載の方法。
【請求項７】
熱交換器内の動きによる影響を低減するための方法であって、
a.  熱交換器を気化させる液体で浸すこと、ここで前記熱交換器はシェルの内部に画定された内部容積と前記シェルの内部容積内に配置された離間した複数のコアを含み；
b.  分離容器に熱いプロセス供給流を導入すること、ここで前記分離容器は前記熱交換器の上方に位置し、前記分離容器は液体出口と蒸気入口を含み；
c.  コアの上端にまたはコアの上端付近にある前記シェルの内部容積内のコアに前記液体出口を介して前記熱い供給流を送達すること、ここで前記熱い供給流が気化させる流体との間接的熱交換を受け、それにより温かい液体流と非気化流を生成し、前記非気化流は蒸気と液体の混合物であり；そして
d.  非気化流を分離を受けさせるために前記分離容器へ送達すること、を含む。
【請求項８】
前記気化させる流体が冷媒である請求項１２に記載の方法。
【請求項９】
前記分離容器がスロッシュ抑制バッフルを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１０】
a.  熱交換器であって、ここで前記熱交換器はシェルの内部に画定された内部容積と、前記シェルの内部容積内に配置された離間した複数のコアとを含み、前記内部容積は気化させる流体で横溢され、；そして
b.  前記熱交換器に接続された分離容器、ここで前記分離容器は熱交換器よりも高所に位置し、前記分離容器は、前記熱交換器に熱い供給流を送達し、また熱交換器から非気化流を受け取るような態様で前記熱交換器に接続されている、を含む装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の概要】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、35 U.S.C. §119(e)の下で2011年12月20日に出願された米国特許仮出願第61/578,144のここに本明細書の一部を構成するものとしてその全開示を援用する優先権の利益を主張し、また2012年12月18日に出願された「シェル内コア型熱交換器内におけるスロッシュ抑制のための内部バッフル」に関連する。
【０００２】
発明の分野
本発明はシェル内コア（core-in-shell）型熱交換器内の動きの影響を低減するための方法、および装置に関する。
【０００３】
発明の背景
自然状態の天然ガスは濃縮しなければ経済的に輸送することができない。昨今、その環境に優しいクリーンな燃焼特性により天然ガスの利用が著しく増加している。天然ガスの燃焼は他の化石燃料と比べて二酸化炭素の産出が少なく、このことは二酸化炭素の排出は温室効果を引き起こす重要な要因として認識されているため重要なことである。液化天然ガス（LNG）は環境問題に対する関心の増加により、人口密度が高い都市部でますます使用される可能性がある。
【０００４】
豊富な埋蔵量の天然ガスが世界中に存在している。これらのガス貯蔵量の多くは陸路からアクセスできないような沖合に位置しており、現存の技術の適用に基づいてストランデッドガス埋蔵量であると考えられている。現存の技術的なガスの埋蔵量は石油の埋蔵量よりも早く補給され、将来のエネルギー消費の需要を満たすためにはLNGの使用がより重要になっている。液体状態では、LNGは気相の天然ガスよりも６００倍小さい空間を占める。世界の多くの地域は技術的、経済的、政治的制限によりパイプラインでは到達できないため、LNG処理プラントを沖合に配置させ、沖合のLNGを処理プラントから輸送船まで直接輸送するために航海船を利用することにより初期設備投資を削減でき、またさもなければ非経済的な沖合ガス埋蔵量を解放ことができる。
【０００５】
浮体式液化プラントは陸上液化プラントに対する沖合での代替手段や、ストランデッド沖合埋蔵物のためのコストがかかる海底パイプラインに対する代替手段を提供する。浮体式液化プラントは沖に、またはガス田付近またはガス田に係留することができる。また、これは移動可能な資産を表し、ガス田が生産寿命終結に近づいているとき、または経済的、環境的、政治的状況により要請されたとき、新たな場所へ再配置することができる。
【０００６】
浮体式液化船が直面する問題の一つは熱交換器内の気化させる流体のスロッシングである。熱交換器内のスロッシングは熱交換器の安定性と制御に影響を与える力の産出をもたらしえる。もし気化させる流体が熱交換器のシェル内部を自由に揺れ動くことできるようであれば、その動く流体は熱交換器コアの熱的機能に悪影響を及ぼす。さらに、動きの周期的性質は熱伝達効率に周期的挙動をもたらし、またそれ故、LNG液化プラント内のプロセス条件が影響を受け得る。これらの不安定性はより劣ったプラント全体の性能を招き得、そして、利用可能な生産能力に対しより狭い操作範囲および制限をもたらし得る。
【０００７】
そのため、シェル内コア熱交換器内の動きの影響を低減するための方法、および装置に対する必要性が存在する。
【０００８】
発明の概要
一つの実施形態において、熱交換器内の動きの影響を低減するための一つの方法は,（a）熱交換器を気化させる流体で浸すこと、ここで前記熱交換器はシェル内部に画定された内部容積と前記シェルの内部容積内に配置された離間した複数のコアを含み、（b）上方容器に熱いプロセス供給流を導入すること、ここで前記上方容器は熱交換器の上方に位置し、前記上方容器は複数の導管を介して熱交換器と接続されており、前記導管は前記上方容器と離間した複数のコアを接続するための外部管を含み、前記導管はさらに内部径の蒸気上昇管を含み、前記内部の蒸気上昇管は前記複数にコアの上端に固定され複数のコアの熱膨張と収縮を可能にするため前記導管の内部で浮遊し、（c）前記シェルの内部容積内のコアに前記導管を介して前記熱い供給流を送達すること、ここで前記熱いプロセス供給流が気化させる流体との間接的熱交換を受け、それにより温かい液体流と非気化流を生成し、前記非気化流は蒸気と液体の混合物を含み、および（d）前記非気化流体を乖離を受けさせるために前記導管を介して前記上方容器へ送達すること、を含む。
【０００９】
他の実施形態において、熱交換器内の動きの影響を低減するための方法は、（a）熱交換器を気化させる流体で浸すこと、ここで前記熱交換器はシェルの内部に画定された内部容積と前記シェルの内部容積内に配置された離間した複数のコアを含み、（b）分離容器に熱いプロセス供給流を導入することで、前記分離容器は前記熱交換器の上方に位置し、前記分離容器は複数の外部管を介して前記熱交換器に接続されており、（c）前記シェルの内部容積内のコアに前記外部管を介して熱いプロセス供給流を送達すること、ここで前記熱いプロセス供給流は気化させる流体との間接的熱交換を受け、それにより温かい液体流と非気化流を生成し、前記非気化流は蒸気と液体の混合物であり、そして（d）前記非気化流を分離を受けさせるために前記分離容器へ送達すること、を含む。
【００１０】
さらに他の実施形態において、熱交換器内の動きの影響を低減するための方法は、（a）熱交換器を気化させる液体で浸すこと、ここで前記熱交換器はシェルの内部に画定された内部容積と前記シェルの内部容積内に配置された離間した複数のコアを含み、（b）前記分離容器に熱いプロセス供給流を導入すること、ここで前記分離容器は前記熱交換器よりも高所に位置し、前記分離容器は液体出口と蒸気入口を含み、（c）コアの上端にまたはコアの上端付近にある前記シェルの内部容積内のコアに前記液体出口を介して前記熱い供給流を送達すること、ここで前記熱い供給流は前記気化させる流体との間接的熱交換を受け、それにより温かい液体流と非気化流を生成し、前記非気化流は蒸気と液体の混合物であり、そして（d）非気化流を分離を受けさせるために前記分離容器へ送達すること、を含む。
【００１１】
さらなる実施形態において、装置は：（a）熱交換器、ここで前記熱交換器はシェルの内部に画定された内部容積と、前記シェルの内部容積内に配置された離間した複数のコアとを含み、前記内部容積は気化させる流体で横溢され、；そして（b）前記熱交換器に接続された分離容器、ここで、前記分離容器は前記熱交換器よりも高所に位置し、前記分離容器は前記熱交換器に熱い供給流を送達し、また前記熱交換器から非気化流を受け取るような態様で前記熱交換器に接続されている、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本発明は、その更なる利点とともに添付の図面と併せて、以下の説明を参照することにより最もよく理解することができる。
【図１】図１は外部水平型分離機を含む発明の一つの実施形態によるシェル内コア熱交換器の概略図である。
【図２】図２は外部の垂直型分離機を含む発明の一つの実施形態によるシェル内コア熱交換器の概略図である。
【図３】図３は外部の垂直型分離機を含む発明の一つの実施形態によるシェル内コア熱交換器の概略図である。
【００１３】
発明の詳細な説明
これより、本発明の実施形態を詳細に参照し、１又はそれ以上の具体例を添付の図面に示す。どの具体例も例示の手段として挙げたものであり、限定的なものではない。発明の範囲および精神から逸脱することなく本発明に多種の修正や変更を加えることができることは、当業者において明らかなことである。例えば、実施形態の一部として示されまたは説明されている特徴は、さらなる実施形態を得るために、ほかの実施形態において使用することができる。それゆえ、本発明は添付した請求の範囲およびその均等の範囲内の修正や変更を包含することが意図されている。
【００１４】
図１から図３を参照し、熱交換器１０は通常、シェル１２と、離間した複数のコア、つまりシェル１２内の第１コア１６、第２コア１８、そして第３コア２０とを含む。熱交換器１０内の離間した複数のコアは少なくとも１つのコアを含む。説明のために、熱交換器は水平に配置されている。しかし、熱交換器は、たとえば垂直であるように、任意の商業的に操作可能な態様で配置され得る。シェル１２内の離間した複数のコアは気化させる流体、すなわち液体冷媒中に完全に沈んでいる、つまり浸っている。
【００１５】
シェル内コア熱交換器の基盤設計は、熱いプロセス供給流の、より冷たい気化させる流体に対する交差交換を提供する。気化させる流体は、圧力容器に存在し、そこではアルミニウム蝋付けコンパクト交換器が取り付けられ、また沸点または沸点付近にある気化させる流体中に完全に沈んでいる。液体は熱交換器の底面に吸い込まれ、そこで液体はコア内のより熱い表面と接触する。そのとき気化させる流体は交換器コア通路を通して熱を伝導する。熱の伝導の大部分は気化させる流体の蒸発潜熱による。熱いプロセス供給流は交換器コアの通路の反対側を通るにつれ、冷却または凝縮される。
【００１６】
シェル内コア熱交換器の熱学的、水理学的挙動は交換器内の液位に依存する。交換器コア内における気化させる流体の循環のための駆動力は熱サイフォン効果による。熱サイフォン効果は、自然対流熱力から生じる受動的な流体移送現象のことである。流体の蒸発が起こると、気化させる流体が熱せられ気化させる流体の密度が減少する。それが自然に通路内を上方へ流れるにつれて、新しい液体が吸い込まれる。このことにより、コア内部の温度勾配よって誘起されたコア通路内への気化させる流体の自然循環が起こる。コア通路内のすべての気化させる流体が蒸発するのではなく、典型的に液体と気体の混合物が交換器コア通路を通り上部へ輸送され、コアの上端から排出される。コアの上方には、気体のみがコアのシェル側のオーバーヘッド部から出ていくように、液体と気体が分離するための十分なスペースを備えなければならない。次に交換器の上部で分離された液体は容器の底部へ再循環され、そこで次にコア内で蒸発される。シェル内コア熱交換器の上部で液体と気体を分離するための駆動力は重力である。
【００１７】
コア内の熱サイフォン循環効果はコア内部の実効液位とコア外部の液位間の外部水圧（差）によって増強または減少される。シェル内の液位が低下するにつれて、交換器コア内に液体を輸送する駆動力が低下し、実効熱伝導が減少される。液位がコアよりも下に低下すると、熱サイフォン効果の消失により気化させる流体の循環が停止し、熱伝導が消失する。もし液位がコアよりも高い状態、つまり浸漬した状態で熱交換器を作動させた場合、コア内で発生した蒸気がコアから脱するために付加のヘッドを乗り越える必要があるため、伝導される熱はさらに減少する。
【００１８】
浸漬した熱交換器の衝撃を克服するため、また液体と気体の混合物である非気化流の分離を確保するために、図１に示すように、上方容器３０が利用される。上方容器３０は熱交換器１０の上方に位置し、上方容器３０を熱交換器１０のシェル１２に接続する複数の蒸気分離導管３２を含む。導管３２は二つの容器を接続する外部管からなる。導管の内部には内部のより小径の蒸気ライザーが存在する。蒸気ライザーは、図１には示されていないが、交換器コア１６、１８，２０の熱膨張、収縮を可能にするため、コア１６、１８，２０の上端に固定され、導管３２の内部を浮遊している。蒸気ライザーは上方容器３０の正規の液位の上方で上方容器３０の内部で終わっている。蒸気ライザーは内部コア１６、１８または２０を出る非気化流を集めるためにコア１６、１８，２０上の上部多岐管を介してコア１６、１８，２０の上端に固定されている。非気化流は上方容器３０に導入される。次いで、液体が導管３２の環（蒸気ライザー外面と導管内面の間）を複数の導管３２を介して熱交換器１０のシェル１２内へ流れ下るように、非気化流は上方容器３０内で分離される。
【００１９】
複数の接続管を介して熱交換器シェル１０内に入ると、熱いプロセス供給流は気化させる流体との間接的熱交換を別々に受けるように外部接続管を介して複数の離間したコアに送達される。離間した複数のコアがそれぞれ別の熱いプロセス供給流を受け、気化させる流体と別々の熱いプロセス供給流との間の同時間接熱伝導を可能にさせている。気化させる流体と熱いプロセス供給流はそれぞれのコア内部の交互のプレートとフィンチャネル内を交差流方式で流れる。
【００２０】
先述のように、気化させる流体の一部のみがコア内において蒸発し、それにより気体と液体の混合物つまり非気化流体が発生し、コアの上端を出て、上方容器３０において分離されなければならない。蒸気ライザーはコアを出る非気化流が混合相流の状態を保持し、熱交換器１０の複数のコア１６、１８，２０の上端から多岐管を介して接続されている内部管内を輸送されるように設計され、そして上方容器３０の正常な液位の上方で上方容器３０の内部で終わっている。非気化流から生じた蒸気は上方容器３０内で分離され、上方容器３０に入ってくる非気化流からの蒸気と混合される。液体は熱いプロセス供給流から分離し、蒸気ライザーからの再循環液と混合し、導管３２の外環内を熱交換器の底部へと流れる。この実施形態において、上方容器は液面運動を最小限に抑えるためにスロッシュ抑制バッフルを含む。
【００２１】
代替手段として、図２に示すように、非気化流の分離を確保すべく浸漬された熱交換器の影響を克服するために、分離容器４０を利用することができる。分離容器４０は熱交換器１０の上方に垂直に配置され、そして熱交換器１０に接続された複数の導管４２を含む。非気化流は分離容器４０へ導入される。非気化流中の蒸気と液体は分離容器４０内で分離され、液体は外部分離容器を通り、分離容器４０の底部を通る複数の導管４２を通り熱交換器１０へと流れる。導管内の蒸気ライザーはコアを出る非気化液蒸気混合物が混合二相流の状態を保持し、複数のコア１６、１８，２０の上端から多岐管を介して接続されている内部管内を輸送されるように設計され、そして分離容器４０の蒸気空間に接続された水平なリターンヘッダー４３内の正常な液位の上方で分離容器４０内部で終わっている。複数のコア１６、１８、２０からの蒸気は分離容器４０内で分離され、分離容器４０内へ入ってくる非気化流からの蒸気と混合され、そして分離容器４０の上端から出て行く。再循環する液体は導管の環を通り、または分離容器４０の底部を通りシェル１０の底部へと戻される。
【００２２】
複数の接続管を通って熱交換器１０のシェル１２に入ると、熱いプロセス供給流は気化させる流体との間接熱交換を別々に受けるために外部接続管を通り複数の離間したコアへ送達される。気化させる流体と熱いプロセス供給流間における同時間接熱伝導を可能にするために、離間した複数の各コアは分離された熱いプロセス供給流を受け取る。気化させる流体と熱いプロセス供給流はそれぞれのコア内部の交互のプレートとフィンチャネル内を交差交流方式に流れる。
【００２３】
生成された非気化流は複数の外部管４２内で分離される。液体流は導管４２内部の環状管の外側を通り熱交換器１０内へ再循環され戻される。蒸気流は外部管４２を通り分離容器４０内へ流れる。分離容器内において液位は外部の液位制御バルブを介して維持される。分離容器４０が垂直であるため、動きの抑制は不要であろう。しかし、実施形態においては、スロッシュ抑制バッフルが分離容器内で利用されている。
【００２４】
図３を参照すると、熱交換器１０よりも高所または同等の高さに配置される分離容器５０は動きの影響を抑えるために利用でき、また熱交換器１０を完全に浸漬させる、浸漬のための代替的な方法である。図３において、分離容器５０は熱交換器の側部に位置しており、供給液出口管５２と複数の蒸気分離入口管を含む。熱いプロセス供給流、つまり混合相供給流は分離容器５０へ導入される。気化させる流体は分離容器５０から供給排出管を通り１またはそれより多くのフリーの排出管を通って熱交換器１０へと送達される。複数の導管を通り熱交換器シェル内へ入ると、熱いプロセス供給流は気化させる流体との間接的熱交換を別々に受けるように外部接続管を介して離間した複数のコアへ送達される。離間した複数のコアがそれぞれ分離された供給流を受け、気化させる流体と分離供給流との間の同時間接的熱伝導を可能にさせている。気化させる流体と供給流はそれぞれのコア内部の交互のプレートとフィンチャネル内を交差方式で流れる。
【００２５】
生成された非気化流体は複数の吸気管５４内で分離される。液体流は熱交換器１０内へ戻され再循環される。気体流は気体分離入口導管を通り分離容器５０内へ流れる。分離容器５０内において液位は外部の液位制御バルブを介して維持される。分離容器５０は垂直であるため、動きの抑制は不要であろう。しかし、一つの実施形態においては、スロッシュ抑制バッフルが分離容器５０内で利用される。
【００２６】
外部のまたは一体の分離装置に要求される蒸気分離空間のサイズを最小限にするために、ベーンパック、デミスターパッド、またはサイクロン装置のような内部装置を、分離容器に要求される直径を縮小し、かくして蒸気流から液滴を除去するために必要な全体のサイズを小さくするために、利用できる。
【００２７】
最後に、いかなる参考文献、特に本発明の優先日以降の発行日である参考文献、における論考も、本発明に対する先行文献であることを認めるものではないことに留意すべきである。同時に、以下のどのすべての請求項も本発明の追加的な実施形態として、この詳細な説明と明細書内に組み込まれる。
【００２８】
ここに記載したシステム及び方法を詳細に説明したが、以下の請求項により規定される発明の精神と範囲から逸脱することなく、多種の変更、置換、改変をすることができることに留意すべきである。当業者であればより好ましい実施形態を探究することができ、厳密にはここに記載されていない、本発明を実施するための他の方法を確認することができる。発明者の意図は、発明の変更や均等物は請求の範囲に属するものであり、詳細な説明、要約そして図面は本発明の範囲を限定するために用いるべきではないということである。本発明が以下の請求項とその均等物と同等の広さを有することが意図されている。
【図１】
2015510572.tif 000003
【図２】
2015510572.tif 000004
【図３】
2015510572.tif 000005
【国際調査報告】
2015510572.tif 000006