(57)【要約】熱交換器などの物理的および／または化学的工程を実行する装置は、液体が流れる流動層と、循環のために流体から流動層粒子を分離する分離機とを備える。本発明によると、上部ボックスは、流体の本流を流体の部分流とともに排出する手段と、粉体を排出する手段を別々に備える。【選択図】図１
2004518930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器などの物理的および／または化学的工程を実行する装置であって、
上向きのチューブを備えたリザーバーを有し、前記チューブは上端部および下端部においてそれぞれ管板に取り付けられて上部ボックスおよび下部ボックスと連通し、前記下部ボックスには粉体の流動層を維持する少なくとも一つの分配プレートが配置され、前記流動層は、前記下部ボックスから供給されて前記チューブ内を流れる、処理または熱すべき流体によって準定常の流動状態に維持可能であり、
前記リザーバーの外部に配置され、前記流体から分離された前記粉体を前記下部ボックスに戻すダウンカマーをさらに有する装置において、
前記上部ボックスは、前記上部ボックスにおいて重力作用により前記流体から分離された前記粉体を、前記流体の部分流とともに前記ダウンカマーに排出する第１排出部と、前記上部ボックスにおいて流れの上昇方向に配置され、前記粉体が分離された前記流体の本流を排出する第２排出部とを備えることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項２】
請求項１に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記上部ボックスは、前記流体の上昇速度を低下する、一体化した流速低減手段を有することを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項３】
請求項２に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記流速低減手段は、膨張スペースを有することを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記流速低減手段は、流動抵抗部を備えることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項５】
請求項４に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記流動抵抗部は、作動中に前記上部ボックス内に形成される前記粉体の第２の流動層によって少なくとも部分的に形成されることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項６】
請求項５に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記第１排出部の開口は、作動中に前記流動層と連通し、
前記第２排出部は、前記流動層より上の、流れが上昇する方向に離れた位置に配置されることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項７】
請求項４から請求項６のいずれかに記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記流動抵抗部は、前記第１および第２排出部の間の前記膨張スペースに延在し、流通開口を備えた分配プレートを有することを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記ダウンカマーの上端部付近には、流れが上昇する方向からみて前記第１および第２排出部の間の前記上部ボックスに接続する排出管が設けられることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項９】
請求項８に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記ダウンカマーの前記排出管は、第２分離機を備えることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項１０】
請求項３から請求項９のいずれかに記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記膨張スペースは、前記上部ボックスの一部であり、前記リザーバーに対して大きな直径を有することを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれかに記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記第１排出部の開口には、スクリーンが設けられることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれかに記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記下部ボックスには、スクリーンが設けられることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれかに記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記ダウンカマーの上端部付近は、前記ダウンカマーに運ばれた前記粉体を前記ダウンカマーの下方に移動する第１チャンネルと、前記粉体が含まれない前記流体を前記ダウンカマーの上方に移動する第２チャンネルとを備えることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記ダウンカマーは前記ダウンカマーの上部に前記第１チャンネルおよび前記第２チャンネルを形成するために、下方に延びる分離プレートを備えることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記第１チャンネルは、前記ダウンカマーの上部において下方に延びるチューブとして形成され、前記チューブによって前記粉体を前記ダウンカマーに供給することを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項１６】
請求項１４または請求項１５に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記分離プレートまたは前記チューブは、オーバーフロー開口を備えることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項１７】
物理的および／または化学的工程を実行する方法において、
処理される流体によって流動層が攪拌され、
熱交換器を上方に通過した後、前記流体は前記流体の上昇速度を前記流体内の流動層粒子の落下速度よりも低下する領域を通過し、
前記流動層粒子は、重力作用により前記流体から分離して前記流体の部分流とともに前記領域から排出され、一方、前記流動層粒子を含まない前記流体の本流は、前記領域から別に排出されることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、熱交換器などの物理的および／または化学的工程を実行する装置において、上向きのチューブを備えたリザーバーを有し、チューブは上端部および下端部においてそれぞれ管板に取り付けられて上部ボックスおよび下部ボックスと連通し、下部ボックスには粉体の流動層を維持する少なくとも一つの分配プレートが配置され、流動層は、下部ボックスから供給されてチューブ内を流れる、処理または熱すべき流体によって準定常の流動状態に維持可能であり、リザーバーの外部に配置され、流体から分離された粉体を下部ボックスに戻すダウンカマーをさらに有する装置に関する。
【０００２】
このような装置として、国際出願ＰＣＴ／ＮＬ９４／ＯＯＯ８１によるものが知られている。この装置では、リザーバーの外側に設置されるダウンカマーがその上端で分離器を介して上部ボックスに連結されている。分離器は、サイクロンとして設計され、流体と粉体（固体粒子）とを分離する。ダウンカマーの下端は、開閉切り換えによりリザーバーの下部ボックスと連通可能となっている。
【０００３】
上記装置の変形例として、特に高粘性の流体および／または大容量の流体の処理に適したものが、ＰＣＴ／ＮＬ９４／０００８２に記載されている。この装置では、下部ボックスにおいて流体を分けて供給する。流体の一部は流動層の上に供給され、これにより、安定した十分な濃度の流動層を得ることができる。この変形例は、下部ボックスに延在する流入部を有するチューブを備えている。チューブの流入部には、流体の流入を増加するために、管壁に流入開口が配置されている。
【０００４】
ＰＣＴ／ＮＬ９４／ＯＯＯ８１とＰＣＴ／ＮＬ９４／ＯＯＯ８２による装置においては、流動層粒子群を含む全流動体が、リザーバーの直立チューブから上部ボックスを介してサイクロンからなる分離器に流入する。固体粒子（以降、流動層粒子と呼ぶ）は、分離器によって流体から分離される。
【０００５】
この構成は、サイクロン、特に流動体の処理量が多い場合のサイクロンのサイズが非常に大きくなり、さらに分離器の壁面、および分離器と上部ボックスとの連結管を流動体中の流動層粒子による摩耗から保護しなければいけないという欠点がある。 そのように比較的大きなサイクロン分離器における損耗に対処する場合、非常に高価な構成となってしまう。とくに、流動体も腐食性がある場合には非常にコストがかかる。
【０００６】
さらに、分離器を上部ボックスとほぼ同じくらいの高さに配置するため、大きなサイクロン分離器を別に支えなければならない。上部ボックスを備えたリザーバーは通常かなりの高さに達するので、その支持部材はしばしば複雑で高価なものとなる。
【０００７】
分離機としてサイクロンを用いる場合の他の欠点は、流動層粒子と流動体を分離するために圧力低下が必要となる点である。これらの粉体が低密度、例えば、２４００ｋｇ／ｃｍ３で、粒子の寸法が例えば１〜２ｍｍと比較的小さい粒子である場合、この圧力低下が外部ダウンカマーにおける流動層粒子の下方への移動を妨げ、さらには反対に流動層粒子を上方へと不所望に移動させてしまう。その結果、流動層粒子は下部ボックスには供給されることなく、分離機を通して流動体とともに放出される。
【０００８】
本発明の目的は、冒頭で言及したタイプの装置において、上述した欠点を除いた装置を提供することである。本発明による装置は、したがって、上部ボックス、上部ボックスにおいて重力作用により流体から分離された粉体を、流体の部分流とともにダウンカマーに排出する第１排出部と、上部ボックスにおいて流れの上昇方向に配置され、粉体が分離された流体の本流を排出する第２排出部とを備える
【０００９】
上部ボックス内における流体の上昇速度は、チューブ内における速度より低い。その結果、選択された流体の上昇速度と粘性、粉体の形状と重さに応じて、チューブを介して流体とともに流動層から運ばれた粉体（固体粒子）は上部ボックスの下部で重力作用により流体から分離される。粉体と分離された流体は、上部ボックスの上部にさらに上昇する。したがって、流体の上昇速度は、流体中の粉体が落下する速度よりも遅くなるように設定される。
【００１０】
第１排出部を用いることによって、上部ボックスで分離された粉体を流体の部分流とともにダウンカマーに排出することができる。一方、上方の下流側に配置される第２排出部によって、流体の本流を粉体なしの状態で排出することができる。
【００１１】
流体の部分流により、粉体の排出を第１排出管を通して確実に、十分な処理量で行うことができる。粉体を含んだ流体の部分流が第１排出管を通って流れることを促進するために、本装置は、第１排出部において圧力差を生成する手段を設けることができる。これにより、第１排出管の入り口付近の圧力を第１排出管の出口付近よりも高くする。
【００１２】
圧力差を発生させるための手段には、上部ボックス内の流動抵抗を利用することもできる。流動抵抗としては、例えば上部ボックス内の分配プレート、第１排出部の入口から高さｈの位置に広がる流動層、入口損失および／または第２排出管における管の抵抗がある。
【００１３】
さらに、第１排出管の流出口の位置で、ダウンカマーを第１排出管の流入口に対して圧力が低い領域、例えば下流側に位置する第２排出管の一部と接続してもよい。
【００１４】
分配プレートを用いて、上部ボックスを、第１排出管が接続される下部と、分配プレートにより低圧力となり、第２排出管が接続される第２部とに分割してもよい。ここで、ダウンカマーの上部は上部ボックスの上部に接続される。
【００１５】
分離された粉体は、上部ボックスからダウンカマーに供給されて重力作用により落下する。
【００１６】
粉体は、少量で調整可能な流動体の部分流とともに外部ダウンカマーに供給される。ダウンカマー内で、流動体と粉体は再び重力作用により分離される。粉体が分離した後の流体の部分流は、わずかな圧力差を発生することにより外部ダウンカマーの上端を介して排出される。有効な実施の形態として、外部ダウンカマーはその上端付近に排出管が設けられている。この排出管は、上部ボックス内の流体の流れる方向からみた場合に、第１および第２排出管の間の上部ボックスに連結されている。もちろん、粉体が分離した流体の部分流を本流に流す配管を別の方法で設けることもできる。
【００１７】
本発明によると、上部ボックスに対して外部に配置されるサイクロン分離機の使用を避けることができ、このような比較的大きな追加装置の利用と、それに伴う損耗に対処するための部材の利用が必要なくなる。さらに、特別な支持機構が必要ない。流速低減手段が上部ボックスと一体化されているので、上部ボックスとリザーバー用に既存の支持機構で十分である。さらに、上部ボックスと外部ダウンカマーの間の圧力低下は小さくてよいので、粉体が不所望に上方に流れてしまうリスクが実質的に低くなる。
【００１８】
上部ボックスと一体化された、流速を低下する手段を用いることによって、使用する流体の処理量が大きいおよび／または高粘性である場合でも、上部ボックスにおける流体の上方速度を流動体内の粉体の落下速度よりも小さくすることができ、その結果、粉体を分離することができる。
【００１９】
流速低減手段は、上部ボックスと一体化した膨張スペースを備えることが好ましい。この膨張スペースは、例えば上部ボックスにおいてリザーバーに対して拡大した直径を有する部分とする。これにより、膨脹スペースを備えた上部ボックスの上方向の寸法を比較的小さくすることができる。
【００２０】
これに加えて、または代替として、流速低減手段は上部ボックスに一体化した流動抵抗部を備えてもよい。流動抵抗部は、例えば上部ボックスの第１および第２排出開口の間に延在し、流通開口を有する分配プレートである。流動抵抗部は、粉体の第２の流動層として形成することもできる。この流動層は、例えば上部ボックスに設けられた支持板の上に形成される。この支持板は、例えば、チューブの開口の上に配置される絞りプレートとして設定される。第１排出開口は流動層に接し、第２排出開口は流動層からある距離だけ上方に配置されることが望ましい。
【００２１】
本発明はまた、化学的および／または物理的工程を実行する方法に関する。さらなる有効な実施の形態は従属する請求項において定義される。
【００２２】
装置の下部ボックスに流体を供給する方法、およびダウンカマーを介して固体粒子を下部ボックスに戻す方法は、当業者には周知の方法である。また、これらは、例えば、国際出願ＰＣＴ／ＮＬ９４／ＯＯＯ８１およびＰＣＴ／ＮＬ９４／０００８２に記載されるように種々の方法により実現される。
【００２３】
本発明の詳細を、以下の図面に示される実施の形態を用いて説明する。
図１は、本発明による熱交換器の概略断面図である。
図２は、図１に示す熱交換器のダウンカマーの、分離壁が設けられた上端部の詳細を示す。
これらの図面は、本発明の実施の形態を図示しているのみである。 これらの図面において、同様または対応する要素は同じ参照符号によって示されている。
【００２４】
図１は、リザーバー１を備える熱交換器を示す。リザーバー１は、ライザー群２を有し、ライザー２の上端２Ａおよび下端２Ｂは、それぞれ上下の管板２Ｃ、２Ｄに取り付けられている。上部管板２Ｃの上には、リザーバー１から隔てられた上部ボックス４が配置されている。ライザー２は上部ボックスに開口している。一方、下部管板２Ｄの下には、リザーバーから隔てられた下部ボックス３が配置されている。下部ボックス３には、１枚以上の分配プレート５が固体粒子（粉体）の流動層を維持するために設けられている。ライザー２の下端部２Ｂには、開口７を備えた流出部６が設けられている。上部管板２Ｃの上、または近距離の位置には、開口８を備える絞りプレート９が配置されている。開口８はライザー２の開口と重なり、その直径はライザー２の内径よりも小さい。上部ボックス４には、開口１２と開口１０とが設置されている。開口１２は、上部ボックス４内で分離された流動層粒子を流体の部分流とともに上部ボックスから排出する第１排出管１３に連結している。上部ボックス４には、さらに第２排出管１１が設けられている。第２排出管１１は、矢印Ｐで示される流体の流れの上方に配置され、粉体を含まない流体の本流を排出する。第１排出管１２は、外部ダウンカマー１４の上端部に接続される。処理すなわち加熱される流体は、配管２０を介して熱交換器に供給される。配管２０は、下部ボックス３に連通する配管２１Ａと、外部ダウンカマー２３の下端部に位置する回収リザーバー２２に連通する配管２１Ｂとに分岐する。外部ダウンカマーを通って供給される流動層粒子を維持する分配プレート２４により、回収リザーバー２２は下部セクション２５と上部セクション２６に分割される。上部セクション２６は、１以上の配管を介して下部ボックス３に接続されている。これにより、回収リザーバー２２からの流動層粒子を下部ボックス３にフィードバックする。配管２０，２１Ｂ、２７には、調整弁または遮断弁（ｓｈｕｔ−ｏｆｆ ｖａｌｖｅ）を設けてもよい。
【００２５】
流出ボックス４では、流動体の分割が行われる。 流動体の内の最も多量な部分、すなわち本流は、流出ボックス４をほぼ上方向Ｐに流れ、開口１０および第２排出管１１を介して排出される。 流動体の内のわずかな部分である部分流は、全流動層粒子を含有し、流出ボックス４からほぼ横方向にある開口１２および第１排出管１３を介して外部ダウンカマー１４の上端に排出される。相対的に大きな流動体の本流が流出ボックス４から流動層粒子を引き込んでしまうことを防止するために、本実施の形態においては、流速低減手段を備えている。流速低減手段は、一体化した膨張スペースＥとして形成され、流体が上方へ流れる速度を低減する。膨脹スペースにおける上部ボックス４の直径はリザーバー１よりも大きい。膨脹スペースＥを備えた上部ボックス４の寸法は、使用中に第２配管から流動層粒子が排出されることがないように、流動体の速度を低くするように設定される。
【００２６】
流動体の部分流の流量は、第１排出管１３と第２排出管１１との間の膨張スペースに流動抵抗部を設けることによって調整してもよい。例えば、上部ボックス４に流通開口を備えた分配プレート１５を設ける。本流は必ずこの分配プレートを通過することになり、その結果、圧力差が発生する。部分流は、この分配プレートを通過せず、配管１３，ダウンカマー１４の上部および配管１６を介して、分配プレートの後側の低圧のスペースに流入する。この分配プレートの寸法設計に応じて、圧力差が変化する。圧力差が大きい場合は部分流が大きくなる。ここでも、配管１６内に調整弁１７を設けることによって圧力差を低下させることができる。
【００２７】
この実施の形態では、例えば、０．０５から０．１ｂａｒだけの圧力差で本流の１０〜１５％の部分流を実現することができる。このわずかな部分流は、流出ボックス４から全ての循環流動層粒子をダウンカマー１４の上部に運ぶ。ダウンカマー内で、流動層粒子が矢印で示される部分流とともに上方に引き込まれてしまうことを防止するために、ダウンカマーの上部の直径は、ダウンカマー内の上部における流動体の上昇速度が部分流内の単一の流動層粒子の落下速度よりも実質的に遅くなるように設計される。
【００２８】
もちろん、上部ボックス４内に流動抵抗を発生させる他の手段を設けてもよい。例えば、流出ボックス内の流動層面の開口部１２から上の高さｈ、管抵抗、多孔プレート、グリッド、オリフィスおよび／または配管の入口損失により流動抵抗を発生させることができる。流動層粒子のサイズ、流動層粒子の密度、流動体の部分流およびダウンカマー１４の上部の断面積の適切な選択により、ダウンカマー１４の上部において流動層粒子以外の粒子、いわゆる“流動層異物”を流動層粒子から分離し、上方に流れる部分流とともに排出することが可能となる。この“流動層異物”は、例えば、熱交換器に供給された流動体に既存の粒子、または熱交換器内で形成される結晶物等の粒子である。したがって、ダウンカマー内を下方に流れる流動層粒子とともに結晶物を再び流入ボックスに供給することを防ぐことができる。熱交換器内に結晶物が残留することを防止でき、その結果、長期間残留することによる通常好ましくない結晶物の粉砕を阻止できる。
【００２９】
流出ボックス４の壁面に、流出ボックス内に存在する流動層粒子の磨き洗浄効果を受けずに堆積物（付着物）が形成される場合がある。これらの付着物は徐々に大きくなり、破砕する。破砕したかけらは、流動体の本流とともに流出ボックス４から排出できないほどの大きさになる可能性がある。流出ボックス４内の流動層粒子の流動化およびそれに伴うヤスリ効果の結果、実際には“流動層異物”といえる破砕付着物の大きさがわずかに減少する。しかし、同時に、これらの物質は循環する流動層の粒子とともに、上部ボックス４とダウンカマー１４の上部とを接続する配管１３の開口１２へ移動する。大きな破砕付着物がダウンカマー１４に進入すること防ぐために、開口１２に例えばスクリーンプレート１２Ａを設けてもよい。スクリーンプレート１２Ａは開口を備え、流動層粒子と流動層粒子のヤスリ効果によって十分に小さくなった付着物のかけらを通過させることができる。開口を通過しない付着部は、流出ボックス内の流動層に長期間さらされ、その結果、スクリーンプレートすなわちケージ状のスクリーン１２Ａを通過できるまでこれらの付着物のかけらを小さくすることができる。配管１３を介してダウンカマー１４の上部に運ばれた摩耗した付着物が、依然として流動体の部分流とともに排出されるには大きすぎる場合、これらの付着物はダウンカマーの下方に流れる流動層粒子に引き込まれて流入ボックスに流入し、その後、チューブ、流出ボックスおよび配管１３を介して再びダウンカマーに進入する。付着物の粒子がこのように移送される間、付着物は流動層粒子と継続的に接触し、研磨または粉砕されてさらに小さくなる。最終的に、付着物の粒子は流動体の部分流とともにダウンカマーの上部から排出されるまで小さくなる。
【００３０】
さらに、配管２７の接続点よりも上の流入ボックス３にスクリーンプレート５Ａを設置してもよい。なお、配管２７は流動層粒子と付着物の粒子を流入ボックスに供給する。これにより、付着物の粒子が流入ボックス内の研磨粉砕流動層内に留まる時間が延長され、その結果、これらの粒子のサイズがさらに小さくなる。上述したように流出ボックス内に形成された付着物の粒子を小さくし、最終的にこれらの粒子を流動体の部分流とともに排出する方法は、他の箇所、例えば流入ボックスまたは熱交換器の上流の配管で形成された付着物にも適用することができる。上述したスクリーン１２Ａ、５Ａを種々の形状に設計してもよく、また、例えばＰＣＴ／ＮＬ９４／ＯＯＯ８１に概して説明された他のタイプの熱交換器の上部ボックスまたは下部ボックスに用いてもよい。
【００３１】
さらに、配管１６には分離機１８を設けることもできる。分離機１８は、所定の寸法を越える“流動層異物”を配管１９を通して部分流から取り除くことができる。これらの粒子の放出は、連続的に行っても、断続的に行ってもよい。部分流は本流に対して小さいため、この分離機を比較的小さな寸法のものとして実現することができる。一般に、部分流は流出ボックス４の圧力の低い部分に放出される。すなわち、本実施の形態では、部分流は分配プレート１５より下流側に放出される。分配プレート１５を使用しない場合は配管１１に排出される。配管１１内は、流出ボックス内の流動層面の開口１２から上の高さｈ、入口損失および管抵抗の結果によって流出ボックス内よりも圧力が低くなっている。上述した構成により、部分流を本流と合流できるという利点がある。本流が増加すると圧力差も増加し、これによって部分流も増加する。もちろん、本流が低下すると、圧力差および部分流も低下する。
【００３２】
流動体の部分流を流動体の本流に戻すことなく、流出ボックス内よりもはるかに圧力が低くなる他の箇所に放出する場合もある。これには、部分流の十分な制御が必要となる。すなわち、部分流が制御されない場合、大量の部分流が放出され、さらには部分流とともに流動層粒子が熱交換器から排出されてしまうというリスクがあるためである。配管１３、ダウンカマー１４の上部および配管１６を通る流出ボックス４からの部分流を実現するために必要な圧力差は、以前はおよそ０．０５〜０．１ｂａｒであると考えられていた。ダウンカマー１４の上部を適切に設計することによって、この圧力差を減少することができる。さらに、分配プレート１５を使用することなく、または、配管１１の一部における圧力損失を組み合わせるか否かに関わらず開口１０の入口圧力の損失を用いることなく、所望の部分流を実現することもできる。
【００３３】
図２に、上述した圧力低下を制限または回避することができるダウンカマー１４の上部の実施の形態を示す。
【００３４】
ここで、ダウンカマー１４の上部は２つの通路（チャンネル）に分割される。配管１３に接続され、上部は閉鎖し下部は開放した第１チャンネル１４Ａは、流出ボックス４から流入する循環流動層粒子と“流動層異物”とを含む流動体の部分流を下方へ流れさせる。第２チャンネル１４Ｂの断面積は、チャンネル１４Ａの断面積だけ減少したダウンカマー１４の上部の断面積によって決定される。第２チャンネル１４Ｂは、“流動層異物”を付加的に含んだ流動体の部分流を上方に流す。チャンネル１４Ｂにおける流動体の部分流の上昇速度は、流動体の流動層の単一の粒子の落下速度よりも小さくなければならない。チャンネル１４Ａの断面積をチャンネル１４Ｂよりも小さく設計することによって、チャンネル１４Ａ内に高濃度の流動層粒子を形成することができる。これは、流出ボックス４から配管１３，チャンネル１４Ａ、チャンネル１４Ｂ、最終的に配管１６を通って流出ボックス４または配管１１との接続点に連通する流動体の自然循環を促す。チャンネル１４Ａの長さを大きく選択するほど、流動体の部分流を自然循環させるための駆動力を増加させることができる。十分な長さのチャンネル１４Ａとチャンネル１４Ａ内の流動層粒子の十分な高濃度により、分配プレートによる圧力差、または入口損失による圧力差を用いないようにすることができる。あるいは、この圧力差と管路抵抗による圧力差と組み合わせた圧力差を用いないようにすることもできる。このように２つのチャンネルを備えたダウンカマー自体を、例えばＰＣＴ／ＮＬ９４／ＯＯＯ８１に記載されるタイプの他の熱交換器に用いることも有効であると考えられる。
【００３５】
本実施の形態に示すように、チャンネル１４Ａ、１４Ｂはダウンカマー１４の上部で下方に延在する分離プレート２８によって形成される。これらのチャンネルは、他の方法で形成することもできる。例えばダウンカマーの上部で下方に延在するチューブを設け、そのチューブによりダウンカマーに流動層粒子を供給する。このチューブは、第２排出管１３を延長して形成されることが望ましい。
【００３６】
流動体の部分流を完全に自然循環で処理する場合は、自然循環の自己開始動作を促すように配管１３を下方向の角度に配置してもよい。
【００３７】
ダウンカマー１４の上部を、望ましくはチャンネル１４Ａ、１４Ｂを収容するのみでなく、流動層粒子を格納するタンクとしても機能させる。通常の使用時、ダウンカマー１４はその半分を流動層粒子の充填層で満たすことが望ましい。この実施例では通常の使用時、循環流動層粒子の充填層はダウンカマーの下部２３でおよそ１０〜１５ｃｍ／ｓの流れであることが望ましい。ダウンカマーの下部２３の断面積は、循環流動層粒子の量とダウンカマーにおける粉体の層の流れ速度から決定される。配管２１Ｂを通る流動体の流れが止まると、ダウンカマーから流入ボックスへの流動層粒子の移送も止まる。ただし、配管２１Ａからの流動体の流れは、大量の流動層を流入ボックス３，チューブ２そして流出ボックス４から配管１３およびチャンネル１４Ａを介してダウンカマーの上部まで噴き上げる。チャンネル１４Ａはその長さを長くするように設計されているので、チャンネル１４Ａの下のスペースは一般に、このような大量の流動層粒子を収容するには十分でない。したがって、熱交換器の流入ボックス、チューブおよび流出ボックスから流入する流動層粒子によって、チャンネル１４Ａも満杯になってしまう可能性がある。チャンネル１４Ａが満杯になって、流動層粒子の充填層によって配管１３の放出部も満たされて流動層粒子が配管中で留まってしまうことを防止することが望ましい。これは部分流の自然循環の自己起動を妨害してしまう。配管１３の流出開口に達するまでチャンネル１４Ａが流動層で満たされることを防止するために、チャンネル１４Ａとチャンネル１４Ｂとの間の分離プレートに一つ以上の開口２９を設けてもよい。これにより、流動層粒子がチャンネル１４Ａからチャンネル１４Ｂに流れ出ることが可能となり、ダウンカマーの上部全体の断面積を流動層粒子の格納のために使用することができる。大半のケースでは、ダウンカマー１４の上部の断面積にチャンネル１４Ａとチャンネル１４Ｂを収容するとともに、所定量の流動層粒子を格納する必要性から、ダウンカマー上部の断面積は、充填層の速度によって決定されるダウンカマー下部２３の断面積よりも大きくなる。このため、ダウンカマー１４の断面積はステップ状に構成されている。
【００３８】
本発明がこれらの実施の形態に制限されないものであることは、明らかである。特許請求の範囲に提起された本発明の範囲内で、種々の実施の形態が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱交換器の概略断面図である。
【図２】図１に示す熱交換器のダウンカマーの、分離壁が設けられた上端部の詳細を示す。
【図１】
2004518930.tif 000003
【図２】
2004518930.tif 000004
【国際公開パンフレット】
2004518930.tif 000005
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【手続補正書】
【提出日】平成14年4月18日(2002.4.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】熱交換器などの物理的および／または化学的工程を実行する装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器などの物理的および／または化学的工程を実行する装置であって、
上向きのチューブ（２）を備えたリザーバー（１）を有し、前記チューブは上端部（２Ａ）および下端部（２Ｂ）においてそれぞれ管板（２Ｃ、２Ｄ）に取り付けられて上部ボックス（４）および下部ボックス（３）と連通し、前記下部ボックス（３）には粉体の流動層を維持する少なくとも一つの分配プレート（５）が配置され、前記流動層は、前記下部ボックス（３）から供給されて前記チューブ（２）内を流れる、処理または熱すべき流体によって準定常の流動状態に維持可能であり、
前記リザーバー（１）の外部に配置され、前記流体から分離された前記粉体を前記下部ボックス（３）に戻すダウンカマー（１４）をさらに有し、
前記上部ボックス（４）は、前記上部ボックス（４）において重力作用により前記流体から分離された前記粉体を、前記流体の部分流とともに前記ダウンカマー（１４）に排出する第１排出部（１３）と、前記上部ボックス（４）において流れの上昇方向に配置され、前記粉体が分離された前記流体の本流を排出する第２排出部（１１）とを備える装置において、
前記ダウンカマー（１４）は、その上端部付近に、重力作用によって前記粉体が分離された前記流体の部分流を前記流体の本流に合流させる排出管を備えることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項２】
請求項１に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記上部ボックス（４）は、前記流体の上昇速度を低下する、一体化した流速低減手段を有することを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項３】
請求項２に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記流速低減手段は、膨張スペース（Ｅ）を有することを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記流速低減手段は、流動抵抗部を備えることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項５】
請求項４に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記流動抵抗部は、作動中に前記上部ボックス（４）内に形成される前記粉体の第２の流動層によって少なくとも部分的に形成されることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項６】
請求項５に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記第１排出部の開口（１２）は、作動中に前記流動層と連通し、
前記第２排出部（１１）は、前記流動層より上の、流れが上昇する方向に離れた位置に配置されることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項７】
請求項４から請求項６のいずれかに記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記流動抵抗部は、前記第１および第２排出部（１３，１１）の間の前記膨張スペースに延在し、流通開口を備えた分配プレート（１５）を有することを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記ダウンカマー（１４）の上端部付近には、流れが上昇する方向からみて前記第１および第２排出部（１３．１１）の間の前記上部ボックス（４）に接続する前記排出管（１６）が設けられることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項９】
請求項８に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記ダウンカマーの前記排出管（１６）は、第２分離機（１８）を備えることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項１０】
請求項３から請求項９のいずれかに記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記膨張スペースは、前記上部ボックス（４）の一部であり、前記リザーバー（１）に対して大きな直径を有することを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれかに記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記第１排出部（１３）の開口には、スクリーン（１２Ａ）が設けられることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれかに記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記下部ボックス（３）には、スクリーン（５Ａ）が設けられることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれかに記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記ダウンカマー（１４）の上端部付近は、前記ダウンカマーに運ばれた前記粉体を前記ダウンカマーの下方に移動する第１チャンネル（１４Ａ）と、前記粉体が含まれない前記流体を前記ダウンカマーの上方に移動する第２チャンネル（１４Ｂ）とを備えることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記ダウンカマーは前記ダウンカマーの上部に前記第１チャンネル（１４Ａ）および前記第２チャンネル（１４Ｂ）を形成するために、下方に延びる分離プレート（２８）を備えることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記第１チャンネル（１４Ａ）は、前記ダウンカマー（１４）の上部において下方に延びるチューブとして形成され、前記チューブによって前記粉体を前記ダウンカマーに供給することを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項１６】
請求項１４または請求項１５に記載の物理的および／または化学的工程を実行する装置において、
前記分離プレートまたは前記チューブは、オーバーフロー開口を備えることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する装置。
【請求項１７】
物理的および／または化学的工程を実行する方法において、
処理される流体によって流動層が攪拌され、
熱交換器を上方に通過した後、前記流体は前記流体の上昇速度を前記流体内の流動層粒子の落下速度よりも低下する領域を通過し、
前記流動層粒子は、重力作用により前記流体から分離して前記流体の部分流とともに前記領域から排出され、前記部分流において重力作用により再び前記流体と前記粉体とが分離され、一方、前記流動層粒子を含まない前記流体の本流は、前記領域から別に排出されることを特徴とする物理的および／または化学的工程を実行する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、熱交換器などの物理的および／または化学的工程を実行する装置において、上向きのチューブを備えたリザーバーを有し、チューブは上端部および下端部においてそれぞれ管板に取り付けられて上部ボックスおよび下部ボックスと連通し、下部ボックスには粉体の流動層を維持する少なくとも一つの分配プレートが配置され、流動層は、下部ボックスから供給されてチューブ内を流れる、処理または熱すべき流体によって準定常の流動状態に維持可能であり、リザーバーの外部に配置され、流体から分離された粉体を下部ボックスに戻すダウンカマーをさらに有する装置に関する。
【０００２】
このような装置として、ＧＢ２０８７５３８に記載されたものが知られている。これは、上部ボックスからの粉体を断続的に下部ボックスにフィードバックする外部ダウンカマーにロックシステムを備えている。
【０００３】
ＥＰ００６５３３２およびＥＰ０４５１５１８には、粉体と流体の両方を内部ダウンカマーを通して上部ボックスから下部ボックスに戻して循環させることにより、流動層を準定常状態の流動化状態に維持する流動層式熱交換器が開示されている。
【０００４】
さらに、このような装置として、国際出願ＰＣＴ／ＮＬ９４／ＯＯＯ８１によるものが知られている。この装置では、リザーバーの外側に設置されるダウンカマーがその上端で分離器を介して上部ボックスに連結されている。分離器は、サイクロンとして設計され、流体と粉体（固体粒子）とを分離する。ダウンカマーの下端は、開閉切り換えによりリザーバーの下部ボックスと連通可能となっている。
【０００５】
上記装置の変形例として、特に高粘性の流体および／または大容量の流体の処理に適したものが、ＰＣＴ／ＮＬ９４／０００８２に記載されている。この装置では、下部ボックスにおいて流体を分けて供給する。流体の一部は流動層の上に供給され、これにより、安定した十分な濃度の流動層を得ることができる。この変形例は、下部ボックスに延在する流入部を有するチューブを備えている。チューブの流入部には、流体の流入を増加するために、管壁に流入開口が配置されている。
【０００６】
ＰＣＴ／ＮＬ９４／ＯＯＯ８１とＰＣＴ／ＮＬ９４／ＯＯＯ８２による装置においては、流動層粒子群を含む全流動体が、リザーバーの直立チューブから上部ボックスを介してサイクロンからなる分離器に流入する。固体粒子（以降、流動層粒子と呼ぶ）は、分離器によって流体から分離される。
【０００７】
この構成は、サイクロン、特に流動体の処理量が多い場合のサイクロンのサイズが非常に大きくなり、さらに分離器の壁面、および分離器と上部ボックスとの連結管を流動体中の流動層粒子による摩耗から保護しなければいけないという欠点がある。 そのように比較的大きなサイクロン分離器における損耗に対処する場合、非常に高価な構成となってしまう。とくに、流動体も腐食性がある場合には非常にコストがかかる。
【０００８】
さらに、分離器を上部ボックスとほぼ同じくらいの高さに配置するため、大きなサイクロン分離器を別に支えなければならない。上部ボックスを備えたリザーバーは通常かなりの高さに達するので、その支持部材はしばしば複雑で高価なものとなる。
【０００９】
分離機としてサイクロンを用いる場合の他の欠点は、流動層粒子と流動体を分離するために圧力低下が必要となる点である。これらの粉体が低密度、例えば、２４００ｋｇ／ｃｍ３で、粒子の寸法が例えば１〜２ｍｍと比較的小さい粒子である場合、この圧力低下が外部ダウンカマーにおける流動層粒子の下方への移動を妨げ、さらには反対に流動層粒子を上方へと不所望に移動させてしまう。その結果、流動層粒子は下部ボックスには供給されることなく、分離機を通して流動体とともに放出される。
【００１０】
本発明の目的は、冒頭で言及したタイプの装置において、上述した欠点を除いた装置を提供することである。本発明による装置は、したがって、ダウンカマーがその上端部付近に、重力作用によって粉体が分離された流体の部分流を流体の本流に合流させる排出管を備えることを特徴とする。
【００１１】
上部ボックス内における流体の上昇速度は、チューブ内における速度より低い。その結果、選択された流体の上昇速度と粘性、粉体の形状と重さに応じて、チューブを介して流体とともに流動層から運ばれた粉体（固体粒子）は上部ボックスの下部で重力作用により流体から分離される。粉体と分離された流体は、上部ボックスの上部にさらに上昇する。したがって、流体の上昇速度は、流体中の粉体が落下する速度よりも遅くなるように設定される。
【００１２】
第１排出部を用いることによって、上部ボックスで分離された粉体を流体の部分流とともにダウンカマーに排出することができる。一方、上方の下流側に配置される第２排出部によって、流体の本流を粉体なしの状態で排出することができる。
【００１３】
流体の部分流により、粉体の排出を第１排出管を通して確実に、十分な処理量で行うことができる。粉体を含んだ流体の部分流が第１排出管を通って流れることを促進するために、本装置は、第１排出部において圧力差を生成する手段を設けることができる。これにより、第１排出管の入り口付近の圧力を第１排出管の出口付近よりも高くする。
【００１４】
圧力差を発生させるための手段には、上部ボックス内の流動抵抗を利用することもできる。流動抵抗としては、例えば上部ボックス内の分配プレート、第１排出部の入口から高さｈの位置に広がる流動層、入口損失および／または第２排出管における管の抵抗がある。
【００１５】
さらに、第１排出管の流出口の位置で、ダウンカマーを第１排出管の流入口に対して圧力が低い領域、例えば下流側に位置する第２排出管の一部と接続してもよい。
【００１６】
分配プレートを用いて、上部ボックスを、第１排出管が接続される下部と、分配プレートにより低圧力となり、第２排出管が接続される第２部とに分割してもよい。ここで、ダウンカマーの上部は上部ボックスの上部に接続される。
【００１７】
分離された粉体は、上部ボックスからダウンカマーに供給されて重力作用により落下する。
【００１８】
粉体は、少量で調整可能な流動体の部分流とともに外部ダウンカマーに供給される。ダウンカマー内で、流動体と粉体は再び重力作用により分離される。粉体が分離した後の流体の部分流は、わずかな圧力差を発生することにより外部ダウンカマーの上端を介して排出される。有効な実施の形態として、外部ダウンカマーはその上端付近に排出管が設けられている。この排出管は、上部ボックス内の流体の流れる方向からみた場合に、第１および第２排出管の間の上部ボックスに連結されている。もちろん、粉体が分離した流体の部分流を本流に流す配管を別の方法で設けることもできる。
【００１９】
本発明によると、上部ボックスに対して外部に配置されるサイクロン分離機の使用を避けることができ、このような比較的大きな追加装置の利用と、それに伴う損耗に対処するための部材の利用が必要なくなる。さらに、特別な支持機構が必要ない。流速低減手段が上部ボックスと一体化されているので、上部ボックスとリザーバー用に既存の支持機構で十分である。さらに、上部ボックスと外部ダウンカマーの間の圧力低下は小さくてよいので、粉体が不所望に上方に流れてしまうリスクが実質的に低くなる。
【００２０】
上部ボックスと一体化された、流速を低下する手段を用いることによって、使用する流体の処理量が大きいおよび／または高粘性である場合でも、上部ボックスにおける流体の上方速度を流動体内の粉体の落下速度よりも小さくすることができ、その結果、粉体を分離することができる。
【００２１】
流速低減手段は、上部ボックスと一体化した膨張スペースを備えることが好ましい。この膨張スペースは、例えば上部ボックスにおいてリザーバーに対して拡大した直径を有する部分とする。これにより、膨脹スペースを備えた上部ボックスの上方向の寸法を比較的小さくすることができる。
【００２２】
これに加えて、または代替として、流速低減手段は上部ボックスに一体化した流動抵抗部を備えてもよい。流動抵抗部は、例えば上部ボックスの第１および第２排出開口の間に延在し、流通開口を有する分配プレートである。流動抵抗部は、粉体の第２の流動層として形成することもできる。この流動層は、例えば上部ボックスに設けられた支持板の上に形成される。この支持板は、例えば、チューブの開口の上に配置される絞りプレートとして設定される。第１排出開口は流動層に接し、第２排出開口は流動層からある距離だけ上方に配置されることが望ましい。
【００２３】
本発明はまた、化学的および／または物理的工程を実行する方法に関する。さらなる有効な実施の形態は従属する請求項において定義される。
【００２４】
装置の下部ボックスに流体を供給する方法、およびダウンカマーを介して固体粒子を下部ボックスに戻す方法は、当業者には周知の方法である。また、これらは、例えば、国際出願ＰＣＴ／ＮＬ９４／ＯＯＯ８１およびＰＣＴ／ＮＬ９４／０００８２に記載されるように種々の方法により実現される。
【００２５】
本発明の詳細を、以下の図面に示される実施の形態を用いて説明する。
図１は、本発明による熱交換器の概略断面図である。
図２は、図１に示す熱交換器のダウンカマーの、分離壁が設けられた上端部の詳細を示す。
これらの図面は、本発明の実施の形態を図示しているのみである。 これらの図面において、同様または対応する要素は同じ参照符号によって示されている。
【００２６】
図１は、リザーバー１を備える熱交換器を示す。リザーバー１は、ライザー群２を有し、ライザー２の上端２Ａおよび下端２Ｂは、それぞれ上下の管板２Ｃ、２Ｄに取り付けられている。上部管板２Ｃの上には、リザーバー１から隔てられた上部ボックス４が配置されている。ライザー２は上部ボックスに開口している。一方、下部管板２Ｄの下には、リザーバーから隔てられた下部ボックス３が配置されている。下部ボックス３には、１枚以上の分配プレート５が固体粒子（粉体）の流動層を維持するために設けられている。ライザー２の下端部２Ｂには、開口７を備えた流出部６が設けられている。上部管板２Ｃの上、または近距離の位置には、開口８を備える絞りプレート９が配置されている。開口８はライザー２の開口と重なり、その直径はライザー２の内径よりも小さい。上部ボックス４には、開口１２と開口１０とが設置されている。開口１２は、上部ボックス４内で分離された流動層粒子を流体の部分流とともに上部ボックスから排出する第１排出管１３に連結している。上部ボックス４には、さらに第２排出管１１が設けられている。第２排出管１１は、矢印Ｐで示される流体の流れの上方に配置され、粉体を含まない流体の本流を排出する。第１排出管１２は、外部ダウンカマー１４の上端部に接続される。処理すなわち加熱される流体は、配管２０を介して熱交換器に供給される。配管２０は、下部ボックス３に連通する配管２１Ａと、外部ダウンカマー２３の下端部に位置する回収リザーバー２２に連通する配管２１Ｂとに分岐する。外部ダウンカマーを通って供給される流動層粒子を維持する分配プレート２４により、回収リザーバー２２は下部セクション２５と上部セクション２６に分割される。上部セクション２６は、１以上の配管を介して下部ボックス３に接続されている。これにより、回収リザーバー２２からの流動層粒子を下部ボックス３にフィードバックする。配管２０，２１Ｂ、２７には、調整弁または遮断弁（ｓｈｕｔ−ｏｆｆ ｖａｌｖｅ）を設けてもよい。
【００２７】
流出ボックス４では、流動体の分割が行われる。 流動体の内の最も多量な部分、すなわち本流は、流出ボックス４をほぼ上方向Ｐに流れ、開口１０および第２排出管１１を介して排出される。 流動体の内のわずかな部分である部分流は、全流動層粒子を含有し、流出ボックス４からほぼ横方向にある開口１２および第１排出管１３を介して外部ダウンカマー１４の上端に排出される。相対的に大きな流動体の本流が流出ボックス４から流動層粒子を引き込んでしまうことを防止するために、本実施の形態においては、流速低減手段を備えている。流速低減手段は、一体化した膨張スペースＥとして形成され、流体が上方へ流れる速度を低減する。膨脹スペースにおける上部ボックス４の直径はリザーバー１よりも大きい。膨脹スペースＥを備えた上部ボックス４の寸法は、使用中に第２配管から流動層粒子が排出されることがないように、流動体の速度を低くするように設定される。
【００２８】
流動体の部分流の流量は、第１排出管１３と第２排出管１１との間の膨張スペースに流動抵抗部を設けることによって調整してもよい。例えば、上部ボックス４に流通開口を備えた分配プレート１５を設ける。本流は必ずこの分配プレートを通過することになり、その結果、圧力差が発生する。部分流は、この分配プレートを通過せず、配管１３，ダウンカマー１４の上部および配管１６を介して、分配プレートの後側の低圧のスペースに流入する。この分配プレートの寸法設計に応じて、圧力差が変化する。圧力差が大きい場合は部分流が大きくなる。ここでも、配管１６内に調整弁１７を設けることによって圧力差を低下させることができる。
【００２９】
この実施の形態では、例えば、０．０５から０．１ｂａｒだけの圧力差で本流の１０〜１５％の部分流を実現することができる。このわずかな部分流は、流出ボックス４から全ての循環流動層粒子をダウンカマー１４の上部に運ぶ。ダウンカマー内で、流動層粒子が矢印で示される部分流とともに上方に引き込まれてしまうことを防止するために、ダウンカマーの上部の直径は、ダウンカマー内の上部における流動体の上昇速度が部分流内の単一の流動層粒子の落下速度よりも実質的に遅くなるように設計される。
【００３０】
もちろん、上部ボックス４内に流動抵抗を発生させる他の手段を設けてもよい。例えば、流出ボックス内の流動層面の開口部１２から上の高さｈ、管抵抗、多孔プレート、グリッド、オリフィスおよび／または配管の入口損失により流動抵抗を発生させることができる。流動層粒子のサイズ、流動層粒子の密度、流動体の部分流およびダウンカマー１４の上部の断面積の適切な選択により、ダウンカマー１４の上部において流動層粒子以外の粒子、いわゆる“流動層異物”を流動層粒子から分離し、上方に流れる部分流とともに排出することが可能となる。この“流動層異物”は、例えば、熱交換器に供給された流動体に既存の粒子、または熱交換器内で形成される結晶物等の粒子である。したがって、ダウンカマー内を下方に流れる流動層粒子とともに結晶物を再び流入ボックスに供給することを防ぐことができる。熱交換器内に結晶物が残留することを防止でき、その結果、長期間残留することによる通常好ましくない結晶物の粉砕を阻止できる。
【００３１】
流出ボックス４の壁面に、流出ボックス内に存在する流動層粒子の磨き洗浄効果を受けずに堆積物（付着物）が形成される場合がある。これらの付着物は徐々に大きくなり、破砕する。破砕したかけらは、流動体の本流とともに流出ボックス４から排出できないほどの大きさになる可能性がある。流出ボックス４内の流動層粒子の流動化およびそれに伴うヤスリ効果の結果、実際には“流動層異物”といえる破砕付着物の大きさがわずかに減少する。しかし、同時に、これらの物質は循環する流動層の粒子とともに、上部ボックス４とダウンカマー１４の上部とを接続する配管１３の開口１２へ移動する。大きな破砕付着物がダウンカマー１４に進入すること防ぐために、開口１２に例えばスクリーンプレート１２Ａを設けてもよい。スクリーンプレート１２Ａは開口を備え、流動層粒子と流動層粒子のヤスリ効果によって十分に小さくなった付着物のかけらを通過させることができる。開口を通過しない付着部は、流出ボックス内の流動層に長期間さらされ、その結果、スクリーンプレートすなわちケージ状のスクリーン１２Ａを通過できるまでこれらの付着物のかけらを小さくすることができる。配管１３を介してダウンカマー１４の上部に運ばれた摩耗した付着物が、依然として流動体の部分流とともに排出されるには大きすぎる場合、これらの付着物はダウンカマーの下方に流れる流動層粒子に引き込まれて流入ボックスに流入し、その後、チューブ、流出ボックスおよび配管１３を介して再びダウンカマーに進入する。付着物の粒子がこのように移送される間、付着物は流動層粒子と継続的に接触し、研磨または粉砕されてさらに小さくなる。最終的に、付着物の粒子は流動体の部分流とともにダウンカマーの上部から排出されるまで小さくなる。
【００３２】
さらに、配管２７の接続点よりも上の流入ボックス３にスクリーンプレート５Ａを設置してもよい。なお、配管２７は流動層粒子と付着物の粒子を流入ボックスに供給する。これにより、付着物の粒子が流入ボックス内の研磨粉砕流動層内に留まる時間が延長され、その結果、これらの粒子のサイズがさらに小さくなる。上述したように流出ボックス内に形成された付着物の粒子を小さくし、最終的にこれらの粒子を流動体の部分流とともに排出する方法は、他の箇所、例えば流入ボックスまたは熱交換器の上流の配管で形成された付着物にも適用することができる。上述したスクリーン１２Ａ、５Ａを種々の形状に設計してもよく、また、例えばＰＣＴ／ＮＬ９４／ＯＯＯ８１に概して説明された他のタイプの熱交換器の上部ボックスまたは下部ボックスに用いてもよい。
【００３３】
さらに、配管１６には分離機１８を設けることもできる。分離機１８は、所定の寸法を越える“流動層異物”を配管１９を通して部分流から取り除くことができる。これらの粒子の放出は、連続的に行っても、断続的に行ってもよい。部分流は本流に対して小さいため、この分離機を比較的小さな寸法のものとして実現することができる。一般に、部分流は流出ボックス４の圧力の低い部分に放出される。すなわち、本実施の形態では、部分流は分配プレート１５より下流側に放出される。分配プレート１５を使用しない場合は配管１１に排出される。配管１１内は、流出ボックス内の流動層面の開口１２から上の高さｈ、入口損失および管抵抗の結果によって流出ボックス内よりも圧力が低くなっている。上述した構成により、部分流を本流と合流できるという利点がある。本流が増加すると圧力差も増加し、これによって部分流も増加する。もちろん、本流が低下すると、圧力差および部分流も低下する。
【００３４】
流動体の部分流を流動体の本流に戻すことなく、流出ボックス内よりもはるかに圧力が低くなる他の箇所に放出する場合もある。これには、部分流の十分な制御が必要となる。すなわち、部分流が制御されない場合、大量の部分流が放出され、さらには部分流とともに流動層粒子が熱交換器から排出されてしまうというリスクがあるためである。配管１３、ダウンカマー１４の上部および配管１６を通る流出ボックス４からの部分流を実現するために必要な圧力差は、以前はおよそ０．０５〜０．１ｂａｒであると考えられていた。ダウンカマー１４の上部を適切に設計することによって、この圧力差を減少することができる。さらに、分配プレート１５を使用することなく、または、配管１１の一部における圧力損失を組み合わせるか否かに関わらず開口１０の入口圧力の損失を用いることなく、所望の部分流を実現することもできる。
【００３５】
図２に、上述した圧力低下を制限または回避することができるダウンカマー１４の上部の実施の形態を示す。
【００３６】
ここで、ダウンカマー１４の上部は２つの通路（チャンネル）に分割される。配管１３に接続され、上部は閉鎖し下部は開放した第１チャンネル１４Ａは、流出ボックス４から流入する循環流動層粒子と“流動層異物”とを含む流動体の部分流を下方へ流れさせる。第２チャンネル１４Ｂの断面積は、チャンネル１４Ａの断面積だけ減少したダウンカマー１４の上部の断面積によって決定される。第２チャンネル１４Ｂは、“流動層異物”を付加的に含んだ流動体の部分流を上方に流す。チャンネル１４Ｂにおける流動体の部分流の上昇速度は、流動体の流動層の単一の粒子の落下速度よりも小さくなければならない。チャンネル１４Ａの断面積をチャンネル１４Ｂよりも小さく設計することによって、チャンネル１４Ａ内に高濃度の流動層粒子を形成することができる。これは、流出ボックス４から配管１３，チャンネル１４Ａ、チャンネル１４Ｂ、最終的に配管１６を通って流出ボックス４または配管１１との接続点に連通する流動体の自然循環を促す。チャンネル１４Ａの長さを大きく選択するほど、流動体の部分流を自然循環させるための駆動力を増加させることができる。十分な長さのチャンネル１４Ａとチャンネル１４Ａ内の流動層粒子の十分な高濃度により、分配プレートによる圧力差、または入口損失による圧力差を用いないようにすることができる。あるいは、この圧力差と管路抵抗による圧力差と組み合わせた圧力差を用いないようにすることもできる。このように２つのチャンネルを備えたダウンカマー自体を、例えばＰＣＴ／ＮＬ９４／ＯＯＯ８１に記載されるタイプの他の熱交換器に用いることも有効であると考えられる。
【００３７】
本実施の形態に示すように、チャンネル１４Ａ、１４Ｂはダウンカマー１４の上部で下方に延在する分離プレート２８によって形成される。これらのチャンネルは、他の方法で形成することもできる。例えばダウンカマーの上部で下方に延在するチューブを設け、そのチューブによりダウンカマーに流動層粒子を供給する。このチューブは、第２排出管１３を延長して形成されることが望ましい。
【００３８】
流動体の部分流を完全に自然循環で処理する場合は、自然循環の自己開始動作を促すように配管１３を下方向の角度に配置してもよい。
【００３９】
ダウンカマー１４の上部を、望ましくはチャンネル１４Ａ、１４Ｂを収容するのみでなく、流動層粒子を格納するタンクとしても機能させる。通常の使用時、ダウンカマー１４はその半分を流動層粒子の充填層で満たすことが望ましい。この実施例では通常の使用時、循環流動層粒子の充填層はダウンカマーの下部２３でおよそ１０〜１５ｃｍ／ｓの流れであることが望ましい。ダウンカマーの下部２３の断面積は、循環流動層粒子の量とダウンカマーにおける粉体の層の流れ速度から決定される。配管２１Ｂを通る流動体の流れが止まると、ダウンカマーから流入ボックスへの流動層粒子の移送も止まる。ただし、配管２１Ａからの流動体の流れは、大量の流動層を流入ボックス３，チューブ２そして流出ボックス４から配管１３およびチャンネル１４Ａを介してダウンカマーの上部まで噴き上げる。チャンネル１４Ａはその長さを長くするように設計されているので、チャンネル１４Ａの下のスペースは一般に、このような大量の流動層粒子を収容するには十分でない。したがって、熱交換器の流入ボックス、チューブおよび流出ボックスから流入する流動層粒子によって、チャンネル１４Ａも満杯になってしまう可能性がある。チャンネル１４Ａが満杯になって、流動層粒子の充填層によって配管１３の放出部も満たされて流動層粒子が配管中で留まってしまうことを防止することが望ましい。これは部分流の自然循環の自己起動を妨害してしまう。配管１３の流出開口に達するまでチャンネル１４Ａが流動層で満たされることを防止するために、チャンネル１４Ａとチャンネル１４Ｂとの間の分離プレートに一つ以上の開口２９を設けてもよい。これにより、流動層粒子がチャンネル１４Ａからチャンネル１４Ｂに流れ出ることが可能となり、ダウンカマーの上部全体の断面積を流動層粒子の格納のために使用することができる。大半のケースでは、ダウンカマー１４の上部の断面積にチャンネル１４Ａとチャンネル１４Ｂを収容するとともに、所定量の流動層粒子を格納する必要性から、ダウンカマー上部の断面積は、充填層の速度によって決定されるダウンカマー下部２３の断面積よりも大きくなる。このため、ダウンカマー１４の断面積はステップ状に構成されている。
【００４０】
本発明がこれらの実施の形態に制限されないものであることは、明らかである。特許請求の範囲に提起された本発明の範囲内で、種々の実施の形態が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱交換器の概略断面図である。
【図２】図１に示す熱交換器のダウンカマーの、分離壁が設けられた上端部の詳細を示す。




【国際調査報告】
2004518930.tif 000026
2004518930.tif 000027