(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。この装置は、上向きのチューブを備えたリザーバーを有し、本発明によるとこれらのチューブには管壁に分離口を有する流出部が設けられ、その分離口を介して流体の部分流を分離する。本発明は、また、物理的および／または化学的工程を実行する方法にも関する。【選択図】図１
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【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、
少なくとも前記リザーバーと前記上部ボックスとの間の部分の前記チューブには、管壁に分離口を有する流出部が設けられ、前記分離口を介して前記流体の部分流を分離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、
前記分離口の最小直径は、前記粉体の粒子の最小直径よりも小さい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、
前記分離口の最小直径は、前記粉体の粒子の長さよりも小さい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１から請求項３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、
前記分離口（流出開口）は、少なくとも部分的に下向きであ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１から請求項４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、
前記流出部は、前記リザーバーと前記上部ボックスとの間に配置される中間リザーバーを通って延在し、前記中間リザーバーは前記分離された流体を前記中間リザーバーから排出する排出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、
前記中間リザーバーから前記分離された流体を排出する前記排出部は、前記上部ボックスに接続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６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、
前記中間リザーバーから分離された前記流体を排出する前記排出部は、前記流体から前記粉体を分離する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８】
請求項５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、
前記中間リザーバーから分離された前記流体を排出する前記排出部は、前記上部ボックス内に延在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９】
請求項１から請求項８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、
前記分離機は前記上部ボックスと一体化した膨張スペースを備え、重力作用によって前記流体の流速を減少して前記流体から前記粉体を分離し、
前記上部ボックスは、前記流体の部分流とともに分離された前記粉体を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前記流体が流れる方向の下流側に配置され、前記粉体を含まない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１０】
請求項９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、前記第１および第２排出部の間に、圧力差を発生する手段、特に分配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、
前記分離機は前記上部ボックスと一体化したサイクロン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、
前記分離機は前記ダウンカマーの上部に設けられたサイクロン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１３】
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、
前記流体はチューブ群を通ってリザーバー内を上方に移動し、
前記リザーバーを通過した後、前記流体の部分流を前記チューブの横壁を通して分離し、粉体は残りの前記流体とともに前記チューブ群から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であって、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、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機を介して上部ボックスに連結されている。分離機はサイクロン型であり、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割して供給する。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、流体の流入量を増加するために、管壁に流入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分離機に流入する。流動層粒子と呼ばれる固体粒子は、分離機によって流体から分離される。
【０００５】
この構成には、サイクロン、特に流動体の処理量が多いサイクロンのサイズが非常に大きくなり、さらに分離機の壁面、および分離機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。このように比較的大きなサイクロン分離機における損耗に対処するには、非常に高価な構造となってしまう。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、分離機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機を別で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】
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。本発明によると、リザーバーと上部ボックスの間のチューブに流出部が設けられ、その管壁にはチューブを流れる流動体からその一部を分離する分離口が設けられている。リザーバーと上部ボックスの間に設けられた分離口を有する流出部を用いることによって、流体の一部を分離し、上部ボックス内の流体の流速を低下させることができる。また、分離口のスクリーン作用により、流出部から上部ボックスに流入する残りの流動体には、相対的に濃度の濃い流動層粒子が含まれる。その結果、サイクロン分離機を実質的に小さくする、あるいは後述するように省略することができる。寸法を小さくしたサイクロン分離機は、上部ボックスおよび／またはダウンカマーの上端と一体化させることができる。その結果、分離機のために特別の支持構造を設けることを回避できる。
【０００８】
本発明によると、ライザー内の流動物体の大半は、流出部の分離口を介してライザーから抜かれる。流動層を含む残りの流動体は、流出部の上端から流出して上部ボックスへ流入する。流体の流速が比較的遅く、流動層粒子群の濃度が比較的高いため、実質的にサイクロンを小さく、それほど高価でないものとすることができる。さらに、上部ボックス内にサイクロン分離機を収容することもでき、この場合、特別の支持構造を設置する必要がない。その上、上部ボックス内に安定して濃い流動層を得ることができる。
【０００９】
分離口は、スロット形状とすることもできるが、実質的に円形または楕円形の穴とすることが望ましい。
【００１０】
分離口の最小の直径を粉体の最小直径より小さくするように選択することによって、流動体の部分流が確実に粉体を含まないようにすることができる。
【００１１】
粉体が細長いチョップドスレッド状の粒子（ｃｈｏｐｐｅｄ ｔｈｒｅａｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）からなるとき、分離口の最小直径がスレッド粒子の長さよりも小さければ、スレッド粒子群が分離口から分離してしまう可能性を常に低くすることができる。さらに、分離口の少なくとも一部が下向きに構成された場合、粉体の粒子が分離する可能性を低下することができる。このような構成で使用される場合、少なくとも一部が下向きの流出開口は、流出開口から流出する流動体が水平面に対してある角度を持って下向きに流れるように方向付けられている。このような下向きの流出開口は、例えばピンを分離口に挿入し、分離口の周りの管壁の材料をリザーバー方向に曲げることによって形成される。その結果、管壁の表面はおろし金状（ｒａｓｐ−ｓｈａｐｅｄ）となり、分離口の上端部は常に流出開口の下部よりも径方向に外側に位置する。
【００１２】
有効な構成として、流出部は中間リザーバーを通って延在し、中間リザーバーは、リザーバーと上部ボックスとの間に配置され、中間リザーバーからの分離流体を排出するための排出部を備えている。このような中間リザーバーにより、実質的に装置の構成が簡素化され、中間リザーバーは、例えば流出部が収容される２枚の管板の間にすっきりと形成される。リザーバーと中間リザーバーの外周面は、共通としてもよい。
【００１３】
中間リザーバーの排出部を上部ボックスの上部に接続することも有効である。この排出部は、装置の内部に配置しても、外部に配置してもよい。排出部は、流体の一部とともに分離された粉体をさらに分離する分離機を付加的に備えてもよい。
【００１４】
処理量、流体の粘性、および固体粒子の種類に応じて、上部ボックス内での流動体の流速低下により重力作用を利用して流動体から固体粒子を分離することができる。この場合、上部ボックスは第１排出部と、第２排出部とを備えてもよい。第１排出部は、流動体の一部の排出における圧力差の作用によって粉体をダウンカマーに排出する。第２排出部は、上部ボックスからみた場合に下流側に位置し、粉体を含まない流体の本流を排出する。第１排出部と第２排出部の間の上部ボックスには、圧力差を発生する手段、とくに分配プレートを設けることが望ましい。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
本発明の詳細を、以下の図面に示される実施の形態を参照して説明する。
図１は、本発明による熱交換器の概略断面図であり、この熱交換器は分割された排出部と一体化した分離機である膨張部を有する上部ボックスを備えている。
図２は、図１に示す熱交換器の上部の概略断面図であり、この熱交換器は、分離された流体の本流を中間リザーバーから上部ボックスの上部へ排出する内部排出管を有している。
図３は、本発明による熱交換器の上部の概略断面図であり、サイクロン分離機が上部ボックスと一体化している。
図４は、本発明による熱交換器の概略断面図であり、サイクロン分離機がダウンカマーの上端と一体化している。
これらの図面は、本発明におけける実施の形態のみを図示するものである。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。
【００１８】
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の上方には中間リザーバー３が配置され、ライザー２の流出部４が中間リザーバー３を通って延在している。流出部４の管壁には、分離口５が設けられている。流出部４の上端は、エンドプレート６に取り付けられている。下部管板２Ｄの下方には、下部ボックス７が設けられている。下部ボックス７には一つ以上の分配プレート８が配置され、例えばチョップドスレッド（ｃｈｏｐｐｅｄ ｔｈｒｅａｄ）状の固体粒子の流動層を維持している。
【００１９】
ライザー２の下端２Ｂには、流入部９が設けられ、その管壁には流入開口１０が設けられている。エンドプレート６の上、あるいは近距離の位置には、絞りプレート１１が配置されている。絞りプレート１１には開口１２が設けられている。開口１２は、流出部４の開口と重なり、その直径は流出部４の内径よりも小さい。エンドプレート６の上には、上部ボックス１３が配置される。上部ボックス１３は第１開口１６を備えている。第１開口１６には第１排出部１７が接続され、上部ボックス１３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１８に排出する。第１開口１６の上部、すなわち上部ボックスにおいて流体が流れる方向Ｐの下流には、第２開口１４が設けられている。第２開口１４には第２排出部１５が接続され、粉体を含まない流体の本流を排出する。
【００２０】
処理または熱すべき流体は、配管３０を介して熱交換器に供給される。配管３０は、下部ボックス７に流体を供給する配管３１と、外部ダウンカマー１８の下端部３４に位置し、流動層粒子を循環する回収リザーバー３３に連通する配管３２とに分岐する。下部ボックスへ供給する流動体の一部は配管３５を通して供給され、分配プレート８の下方から流動体を供給する。残りの流動体は、バイパス管３６を介して下部ボックスに供給される。バイパス管３６は流動層の上にある数個の接続点３８を介してリングライン３７に接続されている。これにより、分配プレートの上に高流量および／または高粘性の流体を供給し、十分重く詰まった流動層を得ることができる。チューブ内の高流量、さらに比較的速い流速にも関わらず、チューブ２の全体における流動層および流体の分配はまだ最適なものではない。
【００２１】
回収リザーバー３３は、分配プレート３９により下部セクション４０と上部セクション４１に分割される。分配プレート３９は、外部ダウンカマー１８を介して供給れる流動層の状態を保つために用いられる。上部セクション４１には、下部ボックス７に連通し、回収リザーバー３３からの流動層粒子をフィードバックする１つ以上の配管４２が接続されている。配管３０，３２，３６，４２には、調整弁または遮断弁（ｓｈｕｔ−ｏｆｆ ｖａｌｖｅ）を設けてもよい。
【００２２】
本発明においては、チューブ２内の比較的高速の流動体は、上部ボックス１３に達する直前でその流速が低下する。これは、流動体の一部である部分流がチューブ２から流出部４の壁面に設けられた開口５を通って、流出部４の周囲に配置された中間リザーバー３に放出されるためである。壁面に設けられた開口５のスクリーン作用の結果、管壁を通って固体粒子が分離されてしまうリスクが低くなり、部分流の大半は流動体となる。
【００２３】
分離口５を粉体の粒子サイズに対して十分に小さくなるように選択した場合には、流出部の壁面を通して分離された部分流が粉体を全く含まないようにすることもできる。管壁を介して分離された部分流は、中間リザーバー３から１本以上のバイパス管１９を介して圧力の低い空間へ流入する。本実施の形態では、バイパス管１９は上部ボックス１３に接続され、部分流は、流出部４の端部から放出された流体の本流と合流する。本実施の形態では、絞りプレート１１の開口１２において本流を絞った結果の圧力差、上部ボックス１３の絞りプレート１１のすぐ上で流動化した粒子によって形成される流動層の結果として起こる上部ボックスでの圧力差、および上部ボックスに設けられた多孔分配プレート２０によって発生する圧力差によって、流動体の部分流を発生させることが可能となる。プレート２０の（孔部の）サイズによって、大小異なる圧力差を実現することができる。圧力差が大きい場合は、より大きな部分流が発生する。配管１９に調整弁２１を設けることによって、部分流の調整を行うようにしてもよい。
【００２４】
プレート２０を用いる代わりに、バイパス管１９を第２排出管１５に接続することによっても、圧力差を得ることができる。この場合、第２開口１４の入口損失とバイパス管１９の通過部分の抵抗から圧力差が生じる。もちろん、相対的に圧力が低い装置の別の部分にバイパス管１９を接続してもよい。
【００２５】
流出部４の端部から流動体は比較的遅い速度で上部ボックス１３へ流入する。ここで、上部ボックスは比較的高濃度の流動層粒子を含有する。その結果、絞りプレート１１上に、十分な密度の安定した流動層が形成される。
【００２６】
流出ボックス１３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１３をほぼ上方向Ｐに流れ、開口１４および第２排出管１５を介して排出される。流動体の内のわずかな部分、すなわち分離された流動層粒子を含有する部分流は、流出ボックス１３からほぼ横方向にある開口１６および第１排出管１７を介して外部ダウンカマー１８の上端に排出される。流動体の本流が流出ボックス１３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、流出ボックスは一体化された膨張スペースＥを備えている。膨脹スペースの位置において上部ボックス１３はリザーバー１よりも大きな直径を有している。上述したように、膨張スペースＥを有する上部ボックス１３は、多孔分配プレート２０をさらに備えており、少なくとも上部ボックスの上部では、上方向Ｅに流れる流体の速度が重力による流動層粒子の落下速度よりも低くなる。その結果、重力作用により流動層粒子を流体から分離することができる。
【００２７】
流出部４の管壁を介して多量の流動体を分離するためには、流動層粒子より大きい分離口５を選択することが望ましいといえる。ピンを用いて分離口を変形し、分離口の上側の縁を常に流出開口の下部より径方向に外側へ配置することで、流出開口を若干下向きにすることにより、流動層粒子が分離してしまうリスクを減少することができる。開口を通過してしまった粉体は、配管１９に設けられた分離機２２によって分離される。分離機２２から回収された流動層粒子は、遮断弁２４が設けられた配管２３によって排出される。
【００２８】
図２に示すように、中間リザーバー３からの流動体の部分流は、上部ボックス１３内に設置されるバイパス管１９を用いることによって排出することができる。流出部４の分離口５は流動層粒子より小さいことが望ましい。バイパス管１９は、リザーバー３に接続され、エンドプレート６と絞りプレート１１を貫通して延在している。調整弁２１をバイパス管に配置することによって、バイパス管を通る流量を調整することができる。この調整弁は、装置の外から伝達装置を用いて操作される。もちろん、バイパス管１９内の流動抵抗を一定としてもよい。
【００２９】
また、サイクロン分離機（セパレータ）を用いた従来の方法により、流動層粒子を流体から分離してもよい。流出部４の端部から上部ボックス１３に流入する流体の速度は比較的遅く、流動層粒子の濃度は比較的高い。したがって、比較的小さいサイズのサイクロン分離機を選択することができる。
【００３０】
図３に示すように、上部ボックス１３にサイクロン分離機４０Ａを収めることもできる。粉体を含んだ流動体は、流入開口４１を介してサイクロン分離機４０Ａに流入し、サイクロン分離機４０Ａによって第１排出管４５に連通する流動体の本流に分離される。分離された流動層粒子を含む流動体の部分流は、第１排出部４２を用いて外部ダウンカマー１８の上端へ排出される。
【００３１】
図４に示すように、サイクロン分離機４０Ｂを外部ダウンカマー１８の上端に一体化させることもできる。この場合、上部ボックス１３には排出管４４が設けられる。排出管４４は、流動層粒子が含まれた、すなわち分離されていない流動体を、上部ボックス１３から排出する。この流動体は、流入開口４６を介してサイクロン分離機４０Ｂに供給される。その後、固体粒子を含まない流動体の本流は排出部４５を介してサイクロン分離機４０Ｂから放出され、分離された粉体は重力作用によりダウンカマー１８の下部へ落下する。
【００３２】
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。特許請求の範囲に定義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り、この熱交換器は分割された排出部と一体化した分離機である膨張部を有する上部ボックスを備えている。
【図２】図１に示す熱交換器の上部の概略断面図であり、この熱交換器は、分離された流体の本流を中間リザーバーから上部ボックスの上部へ排出する内部排出管を有している。
【図３】本発明による熱交換器の上部の概略断面図であり、サイクロン分離機が上部ボックスと一体化している。
【図４】本発明による熱交換器の概略断面図であり、サイクロン分離機がダウンカマーの上端と一体化している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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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（２）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（１３）および下部ボックス（７）と連通し、前記下部ボックス（７）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（８）が配置され、前記流動層は、前記下部ボックス（７）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（７）に戻すダウンカマー（１８）をさらに有する装置において、
少なくとも前記リザーバー（１）と前記上部ボックス（１３）との間の部分の前記チューブ（２）には、管壁に分離口（５）を有する流出部（４）が設けられ、前記分離口（５）を介して前記流体の部分流を分離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、
前記分離口（５）の最小直径は、前記粉体の粒子の最小直径よりも小さい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、
前記分離口（５）の最小直径は、前記粉体の粒子の長さよりも小さい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１から請求項３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、
前記分離口（流出開口）（５）は、少なくとも部分的に下向きであ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１から請求項４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、
前記流出部は、前記リザーバー（１）と前記上部ボックス（１３）との間に配置される中間リザーバー（３）を通って延在し、前記中間リザーバー（３）は前記分離された流体を前記中間リザーバーから排出する排出部（１９）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、
前記中間リザーバー（３）から前記分離された流体を排出する前記排出部（１９）は、前記上部ボックス（１３）に接続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６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、
前記中間リザーバー（３）から分離された前記流体を排出する前記排出部（１９）は、前記流体から前記粉体を分離する分離機（２２）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８】
請求項５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、
前記中間リザーバーから分離された前記流体を排出する前記排出部（１９）は、前記上部ボックス内に延在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９】
請求項１から請求項８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、
前記分離機は前記上部ボックス（１３）と一体化した膨張スペース（Ｅ）を備え、重力作用によって前記流体の流速を減少して前記流体から前記粉体を分離し、
前記上部ボックス（１３）は、前記流体の部分流とともに分離された前記粉体を前記ダウンカマー（１８）に排出する第１排出部（１７）と、前記上部ボックス（１３）において前記流体が流れる方向（Ｐ）の下流側に配置され、前記粉体を含まない前記流体の本流を排出する第２排出部（１５）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１０】
請求項９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、前記第１および第２排出部（１７，１５）の間に、圧力差を発生する手段、特に分配プレート（２０）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、
前記分離機は前記上部ボックス（１３）と一体化したサイクロン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、
前記分離機は前記ダウンカマー（１８）の上部に設けられたサイクロン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１３】
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、
前記流体はチューブ群を通ってリザーバー内を上方に移動し、
前記リザーバーを通過した後、前記流体の部分流を前記チューブの横壁を通して分離し、粉体は残りの前記流体とともに前記チューブ群から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であって、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、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機を介して上部ボックスに連結されている。分離機はサイクロン型であり、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割して供給する。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、流体の流入量を増加するために、管壁に流入口が配置されている。
【０００４】
ＤＥ３９３９０２８には、内部ダウンカマーを備え、上部ボックスで粉体の流動化を促進する流動層式熱交換器が記載されている。上部ボックス内に延在するチューブの端部には、分離口を備えた流出部が設けられている。
【０００５】
ＥＰ０８５１１８８には、管通孔が設けられたコンデンサの伝達チューブが記載されている。
【０００６】
ＦＲ１３２２２３６には、中間リザーバーを通って延在するチューブを備えた、流動層を用いない冷却器が記載されている。このチューブには、チューブの中に補助液体を流入させるように、多孔壁が設けられている。
【０００７】
ＰＣＴ／ＮＬ９４／ＯＯＯ８１とＰＣＴ／ＮＬ９４／ＯＯＯ８２による装置においては、流動層粒子を含む全流動体が、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分離機に流入する。流動層粒子と呼ばれる固体粒子は、分離機によって流体から分離される。
【０００８】
この構成には、サイクロン、特に流動体の処理量が多いサイクロンのサイズが非常に大きくなり、さらに分離機の壁面、および分離機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。このように比較的大きなサイクロン分離機における損耗に対処するには、非常に高価な構造となってしまう。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。
【０００９】
さらに、分離機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機を別で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。
【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。本発明によると、リザーバーと上部ボックスの間のチューブに流出部が設けられ、その管壁にはチューブを流れる流動体からその一部を分離する分離口が設けられている。リザーバーと上部ボックスの間に設けられた分離口を有する流出部を用いることによって、流体の一部を分離し、上部ボックス内の流体の流速を低下させることができる。また、分離口のスクリーン作用により、流出部から上部ボックスに流入する残りの流動体には、相対的に濃度の濃い流動層粒子が含まれる。その結果、サイクロン分離機を実質的に小さくする、あるいは後述するように省略することができる。寸法を小さくしたサイクロン分離機は、上部ボックスおよび／またはダウンカマーの上端と一体化させることができる。その結果、分離機のために特別の支持構造を設けることを回避できる。
【００１１】
本発明によると、ライザー内の流動物体の大半は、流出部の分離口を介してライザーから抜かれる。流動層を含む残りの流動体は、流出部の上端から流出して上部ボックスへ流入する。流体の流速が比較的遅く、流動層粒子群の濃度が比較的高いため、実質的にサイクロンを小さく、それほど高価でないものとすることができる。さらに、上部ボックス内にサイクロン分離機を収容することもでき、この場合、特別の支持構造を設置する必要がない。その上、上部ボックス内に安定して濃い流動層を得ることができる。
【００１２】
分離口は、スロット形状とすることもできるが、実質的に円形または楕円形の穴とすることが望ましい。
【００１３】
分離口の最小の直径を粉体の最小直径より小さくするように選択することによって、流動体の部分流が確実に粉体を含まないようにすることができる。
【００１４】
粉体が細長いチョップドスレッド状の粒子（ｃｈｏｐｐｅｄ ｔｈｒｅａｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）からなるとき、分離口の最小直径がスレッド粒子の長さよりも小さければ、スレッド粒子群が分離口から分離してしまう可能性を常に低くすることができる。さらに、分離口の少なくとも一部が下向きに構成された場合、粉体の粒子が分離する可能性を低下することができる。このような構成で使用される場合、少なくとも一部が下向きの流出開口は、流出開口から流出する流動体が水平面に対してある角度を持って下向きに流れるように方向付けられている。このような下向きの流出開口は、例えばピンを分離口に挿入し、分離口の周りの管壁の材料をリザーバー方向に曲げることによって形成される。その結果、管壁の表面はおろし金状（ｒａｓｐ−ｓｈａｐｅｄ）となり、分離口の上端部は常に流出開口の下部よりも径方向に外側に位置する。
【００１５】
有効な構成として、流出部は中間リザーバーを通って延在し、中間リザーバーは、リザーバーと上部ボックスとの間に配置され、中間リザーバーからの分離流体を排出するための排出部を備えている。このような中間リザーバーにより、実質的に装置の構成が簡素化され、中間リザーバーは、例えば流出部が収容される２枚の管板の間にすっきりと形成される。リザーバーと中間リザーバーの外周面は、共通としてもよい。
【００１６】
中間リザーバーの排出部を上部ボックスの上部に接続することも有効である。この排出部は、装置の内部に配置しても、外部に配置してもよい。排出部は、流体の一部とともに分離された粉体をさらに分離する分離機を付加的に備えてもよい。
【００１７】
処理量、流体の粘性、および固体粒子の種類に応じて、上部ボックス内での流動体の流速低下により重力作用を利用して流動体から固体粒子を分離することができる。この場合、上部ボックスは第１排出部と、第２排出部とを備えてもよい。第１排出部は、流動体の一部の排出における圧力差の作用によって粉体をダウンカマーに排出する。第２排出部は、上部ボックスからみた場合に下流側に位置し、粉体を含まない流体の本流を排出する。第１排出部と第２排出部の間の上部ボックスには、圧力差を発生する手段、とくに分配プレートを設けることが望ましい。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
本発明の詳細を、以下の図面に示される実施の形態を参照して説明する。
図１は、本発明による熱交換器の概略断面図であり、この熱交換器は分割された排出部と一体化した分離機である膨張部を有する上部ボックスを備えている。
図２は、図１に示す熱交換器の上部の概略断面図であり、この熱交換器は、分離された流体の本流を中間リザーバーから上部ボックスの上部へ排出する内部排出管を有している。
図３は、本発明による熱交換器の上部の概略断面図であり、サイクロン分離機が上部ボックスと一体化している。
図４は、本発明による熱交換器の概略断面図であり、サイクロン分離機がダウンカマーの上端と一体化している。
これらの図面は、本発明におけける実施の形態のみを図示するものである。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。
【００２１】
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の上方には中間リザーバー３が配置され、ライザー２の流出部４が中間リザーバー３を通って延在している。流出部４の管壁には、分離口５が設けられている。流出部４の上端は、エンドプレート６に取り付けられている。下部管板２Ｄの下方には、下部ボックス７が設けられている。下部ボックス７には一つ以上の分配プレート８が配置され、例えばチョップドスレッド（ｃｈｏｐｐｅｄ ｔｈｒｅａｄ）状の固体粒子の流動層を維持している。
【００２２】
ライザー２の下端２Ｂには、流入部９が設けられ、その管壁には流入開口１０が設けられている。エンドプレート６の上、あるいは近距離の位置には、絞りプレート１１が配置されている。絞りプレート１１には開口１２が設けられている。開口１２は、流出部４の開口と重なり、その直径は流出部４の内径よりも小さい。エンドプレート６の上には、上部ボックス１３が配置される。上部ボックス１３は第１開口１６を備えている。第１開口１６には第１排出部１７が接続され、上部ボックス１３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１８に排出する。第１開口１６の上部、すなわち上部ボックスにおいて流体が流れる方向Ｐの下流には、第２開口１４が設けられている。第２開口１４には第２排出部１５が接続され、粉体を含まない流体の本流を排出する。
【００２３】
処理または熱すべき流体は、配管３０を介して熱交換器に供給される。配管３０は、下部ボックス７に流体を供給する配管３１と、外部ダウンカマー１８の下端部３４に位置し、流動層粒子を循環する回収リザーバー３３に連通する配管３２とに分岐する。下部ボックスへ供給する流動体の一部は配管３５を通して供給され、分配プレート８の下方から流動体を供給する。残りの流動体は、バイパス管３６を介して下部ボックスに供給される。バイパス管３６は流動層の上にある数個の接続点３８を介してリングライン３７に接続されている。これにより、分配プレートの上に高流量および／または高粘性の流体を供給し、十分重く詰まった流動層を得ることができる。チューブ内の高流量、さらに比較的速い流速にも関わらず、チューブ２の全体における流動層および流体の分配はまだ最適なものではない。
【００２４】
回収リザーバー３３は、分配プレート３９により下部セクション４０と上部セクション４１に分割される。分配プレート３９は、外部ダウンカマー１８を介して供給れる流動層の状態を保つために用いられる。上部セクション４１には、下部ボックス７に連通し、回収リザーバー３３からの流動層粒子をフィードバックする１つ以上の配管４２が接続されている。配管３０，３２，３６，４２には、調整弁または遮断弁（ｓｈｕｔ−ｏｆｆ ｖａｌｖｅ）を設けてもよい。
【００２５】
本発明においては、チューブ２内の比較的高速の流動体は、上部ボックス１３に達する直前でその流速が低下する。これは、流動体の一部である部分流がチューブ２から流出部４の壁面に設けられた開口５を通って、流出部４の周囲に配置された中間リザーバー３に放出されるためである。壁面に設けられた開口５のスクリーン作用の結果、管壁を通って固体粒子が分離されてしまうリスクが低くなり、部分流の大半は流動体となる。
【００２６】
分離口５を粉体の粒子サイズに対して十分に小さくなるように選択した場合には、流出部の壁面を通して分離された部分流が粉体を全く含まないようにすることもできる。管壁を介して分離された部分流は、中間リザーバー３から１本以上のバイパス管１９を介して圧力の低い空間へ流入する。本実施の形態では、バイパス管１９は上部ボックス１３に接続され、部分流は、流出部４の端部から放出された流体の本流と合流する。本実施の形態では、絞りプレート１１の開口１２において本流を絞った結果の圧力差、上部ボックス１３の絞りプレート１１のすぐ上で流動化した粒子によって形成される流動層の結果として起こる上部ボックスでの圧力差、および上部ボックスに設けられた多孔分配プレート２０によって発生する圧力差によって、流動体の部分流を発生させることが可能となる。プレート２０の（孔部の）サイズによって、大小異なる圧力差を実現することができる。圧力差が大きい場合は、より大きな部分流が発生する。配管１９に調整弁２１を設けることによって、部分流の調整を行うようにしてもよい。
【００２７】
プレート２０を用いる代わりに、バイパス管１９を第２排出管１５に接続することによっても、圧力差を得ることができる。この場合、第２開口１４の入口損失とバイパス管１９の通過部分の抵抗から圧力差が生じる。もちろん、相対的に圧力が低い装置の別の部分にバイパス管１９を接続してもよい。
【００２８】
流出部４の端部から流動体は比較的遅い速度で上部ボックス１３へ流入する。ここで、上部ボックスは比較的高濃度の流動層粒子を含有する。その結果、絞りプレート１１上に、十分な密度の安定した流動層が形成される。
【００２９】
流出ボックス１３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１３をほぼ上方向Ｐに流れ、開口１４および第２排出管１５を介して排出される。流動体の内のわずかな部分、すなわち分離された流動層粒子を含有する部分流は、流出ボックス１３からほぼ横方向にある開口１６および第１排出管１７を介して外部ダウンカマー１８の上端に排出される。流動体の本流が流出ボックス１３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、流出ボックスは一体化された膨張スペースＥを備えている。膨脹スペースの位置において上部ボックス１３はリザーバー１よりも大きな直径を有している。上述したように、膨張スペースＥを有する上部ボックス１３は、多孔分配プレート２０をさらに備えており、少なくとも上部ボックスの上部では、上方向Ｅに流れる流体の速度が重力による流動層粒子の落下速度よりも低くなる。その結果、重力作用により流動層粒子を流体から分離することができる。
【００３０】
流出部４の管壁を介して多量の流動体を分離するためには、流動層粒子より大きい分離口５を選択することが望ましいといえる。ピンを用いて分離口を変形し、分離口の上側の縁を常に流出開口の下部より径方向に外側へ配置することで、流出開口を若干下向きにすることにより、流動層粒子が分離してしまうリスクを減少することができる。開口を通過してしまった粉体は、配管１９に設けられた分離機２２によって分離される。分離機２２から回収された流動層粒子は、遮断弁２４が設けられた配管２３によって排出される。
【００３１】
図２に示すように、中間リザーバー３からの流動体の部分流は、上部ボックス１３内に設置されるバイパス管１９を用いることによって排出することができる。流出部４の分離口５は流動層粒子より小さいことが望ましい。バイパス管１９は、リザーバー３に接続され、エンドプレート６と絞りプレート１１を貫通して延在している。調整弁２１をバイパス管に配置することによって、バイパス管を通る流量を調整することができる。この調整弁は、装置の外から伝達装置を用いて操作される。もちろん、バイパス管１９内の流動抵抗を一定としてもよい。
【００３２】
また、サイクロン分離機（セパレータ）を用いた従来の方法により、流動層粒子を流体から分離してもよい。流出部４の端部から上部ボックス１３に流入する流体の速度は比較的遅く、流動層粒子の濃度は比較的高い。したがって、比較的小さいサイズのサイクロン分離機を選択することができる。
【００３３】
図３に示すように、上部ボックス１３にサイクロン分離機４０Ａを収めることもできる。粉体を含んだ流動体は、流入開口４１を介してサイクロン分離機４０Ａに流入し、サイクロン分離機４０Ａによって第１排出管４５に連通する流動体の本流に分離される。分離された流動層粒子を含む流動体の部分流は、第１排出部４２を用いて外部ダウンカマー１８の上端へ排出される。
【００３４】
図４に示すように、サイクロン分離機４０Ｂを外部ダウンカマー１８の上端に一体化させることもできる。この場合、上部ボックス１３には排出管４４が設けられる。排出管４４は、流動層粒子が含まれた、すなわち分離されていない流動体を、上部ボックス１３から排出する。この流動体は、流入開口４６を介してサイクロン分離機４０Ｂに供給される。その後、固体粒子を含まない流動体の本流は排出部４５を介してサイクロン分離機４０Ｂから放出され、分離された粉体は重力作用によりダウンカマー１８の下部へ落下する。
【００３５】
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。特許請求の範囲に定義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り、この熱交換器は分割された排出部と一体化した分離機である膨張部を有する上部ボックスを備えている。
【図２】図１に示す熱交換器の上部の概略断面図であり、この熱交換器は、分離された流体の本流を中間リザーバーから上部ボックスの上部へ排出する内部排出管を有している。
【図３】本発明による熱交換器の上部の概略断面図であり、サイクロン分離機が上部ボックスと一体化している。
【図４】本発明による熱交換器の概略断面図であり、サイクロン分離機がダウンカマーの上端と一体化している。




【国際調査報告】
2004520562.tif 000026
2004520562.tif 000027