JPH08501869A - 再生式熱伝達の方法及び再生式熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本願は一つの流動から他の流動へ熱を伝達するための技術と再生式熱交換器に関するものである。この技術は (基本構造として二つの循環流動床反応器 (Ａ)と (Ｂ) を有しているだけの) 再生式熱交換器の構成中、異なる循環流動床反応器の問での粒状熱伝達物質を再循環することをベースにしたものであり、熱伝達プロセスに携わる流動が別の循環流動床反応器に入ることにより温度の等化性向を可能にするものである。 温度の等化は前記反応器間の粒子の流動を調節することにより制御される。流動の混合は反応器 (Ａ) のサイクロン (２) 内で分離された粒子をそこで粒子が固定床を形成する管 (４) に主に流すことにより妨げられる。該管 (４) の底部から希望する量の粒子が制御されて一方の循環流動床反応器 (Ａ) から他方の循環流動床反応器 (Ｂ) へ移動する。前記管 (４) が満杯になると、前記サイクロン (２) で分離された粒子の残りが前記循環流動床反応器 (Ａ) に戻される。反応器 (Ｂ) の動作もまた完全に同様のものである。

Description

【発明の詳細な説明】 再生式熱伝達の方法及び再生式熱交換器 本願は循環流動床反応器の使用をベースにした、一つの流動から他の流動への 再生式熱伝達の技方に関するものであり、従来より使用されている固定素子型、 固定床型あるいは流動床型熱再生装置における問題点を解決するのに使用され得 るものである。 一つの流動から他の流動への熱の伝達はプロセス／エネルギー技術分野におけ る基本的な単位反応の一つである。現在、熱伝達はその動作原理の違いによって 主に復熱式、または再生式と呼ばれる二つの型の熱交換器が実用されている。 復熱式熱交換器においては、熱交換は流れを互いに隔離する不透過性の壁を介 して行われる。基本型の復熱式交換器では、熱エネルギーは一つの流動から他の 流動へ壁を介して直接伝導される。この復熱式熱交換器の内ある特定の応用型で は熱伝達媒体が二つの復熱式熱交換器の間で再循環される、いわゆる中間型循環 器により形成される。そしてこの種の熱交換器は、例えば事故等の状況において は高い活性度の流れが２次循環と混合されないことを確実にすることが要求され る原始力プラント等で使用される。またこの中間型循環復熱器の他の例としては 燃焼室外に設置された過熱器を備えた流動床ボイラにより形成されるものがある が、該ボイラにおいては燃焼室内で加熱された砂が別体の流動床過熱器内で冷却 されるというものである。復熱式熱交換器は容器壁の素材の浸蝕、腐蝕、あるい は温度等に関してその限界が見られる。今日、高度の機械的あるいは化学的スト レス下でも役立つ実用的な容器壁材は無いし、これら復熱式装置内の最高許容温 度は、壁材料の持つ強度によりかなり限定される。さらにその上、復熱式装置は 高価でありその制御能力も充分ではない。しかしながら中間型循環復熱器におい ては高い制御能力が期待できるのである。 一方、再生式熱交換器においては、熱エネルギーは加熱された熱伝達媒体がエ ネルギーを低温側の流動に放出し、その後冷却された熱伝達媒体を高温側の流動 で再加熱するという方法により伝達される。再生式熱交換器（以下、単に再生器 と呼ぶこともある）はさらにその動作原理の違いにより周期型と連続型に分類さ れる。 周期型の再生器においては高温側、低温側の流動は単純固定構造を介して周期 的に流通し、よって該固定構造は交互に熱エネルギーを蓄え又解放するものであ る。サウナの回分加熱型ロックストーブは紛れもなくこの周期型の再生器を最も 古い時期に応用したものである。 一方、連続型の再生器においては、熱蓄積媒体が一つの流動から他の流動に継 続的に再循環されるものである。この型の最もよく知られた再生器は、回転する 円筒型に形成された熱交換ディスクが熱エネルギーを一つの材料から他のそれへ と伝達しているＬｊｕｎｇｓｔｒｏｍ再生式熱交換器である。この連続型のもの は様々に形を変えて適用され、例えば空気調整用熱再生器等はリチウム塩化物ペ ーストで被覆された表面上の湿気を伝達させる機能を付加的に備えたものである 。 上記した固定型や、連続型熱伝達素子等を備えた上記種類の再生式熱交換器に 加え、さらに粒状熱伝達媒体に基づく再生器も公知である。固定床状態で粒状熱 伝達媒体を有するいくつかの異なった型の再生器があるが、該伝達媒体は床の各 層の間で機械的に再循環されている。 独特許３、２２５、８３８／Ａ／において、ガス流の間での熱伝達用に粒状熱 伝達媒体 (例えば磁製ペレット) が採用されているが、その粒状床は流動性であ り、それによりペレットは清潔に保たれ、又熱交換器の目詰まりなどは回避され る。米国特許４、３０７、７７３ではガスの汚染から熱を回復するために、気泡 状流動床の層に基づく再生式熱交換システムが採用されている異なる種類のプロ セスと装置を開示している。これらの特許の他、分離した平行な気泡状流動床の 層における粒状物質を交互に加熱／冷却することを基本とした様々な再生器も公 知である。英国特許２、１１８、７０２Ａは下方に向けてジグザク形状をとる固 定床層を基本とした再生器を開示している。 固定熱伝達素子や粒状物質の固定層領域を有する熱再生器における最大の問題 はやはりそれらをいかに清潔に保つかということである。また互いの流動が混合 することを防ごうとすればこれら再生器の防水の問題も考慮されねばならない。 さらに又、熱伝達材中に形成される温度差は熱伝達素子や熱伝達物質の寿命を縮 める機械的ストレスを与える。層状を為す固定床式再生器の欠点は固定床の層内 で流路を促すことである。その上、固定床式の層は流動の方向において明らかに 避けようのない熱勾配を形成してしまい、一つの層の熱を制御することは困難で ある。 流動床反応器において、流れの早さは使用されている熱伝達材の物理的特性に 適合させねばならず、再生器の制御範囲は最低流動速度と気体輸送速度の間に限 定される。実際にはこれは該再生器の熱伝達媒体は粗い粒子で形成するか、ある いは流れの速度が低く保たれなければならないということを意味する。またさら に、流動床の各層の間で過度に層が混合しないように熱伝達媒体を再循環させる ことには問題がある。この問題は熱伝達流間に高い圧力差があればさらに難しい 問題となる。ここにおいて一般的にはその耐久性や温度の限定がこの種の再生器 の特長の必須部分を排除してしまう機械弁を使用せざるを得なくなってしまうの である。先行技術における流動床式、固定床式再生器では熱伝達媒体を下部ユニ ットから上部ユニットへと再循環するために機械的あるいは空気コンベアの使用 を必要としているが、装置、プロセスに関する技術においてはこのようなコンベ ア類を実際に使用することは殆ど不可能である。事実、粒状熱伝達媒体の再循環 システムにこそ本願発明の熱再生式交換器の特長が見られるのである。 上記した欠点は、再生器が固定床式あるいは流動層床式反応器よりもむしろ循 環流動床反応器を採用しているという特長を持つ本願発明の方法により決定的に 克服し得るものである。この方法の詳細は請求項１の特徴部分の記載事項に述べ た通りである。 本願の、上記した固定床あるいは流動床式再生器に対する主な利点は次に述べ る点である。すなわち、 １．循環流動床技術に於ける流動と熱伝達の特性は先行したどの型の再生式熱交 換器よりも決定的に優れている。効果的な分流装置の使用により循環流動床再生 器内で微粉状熱伝達媒体を採用することができ、それと同時に高流速のための自 由な寸法の変更も可能にする。 ２．高流速により、循環流動床の技術に基づいた再生器は先行技術に較べて比較 的小型で、またコスト安である。 ３．循環流動床の技術に基づいた再生器は従来の固定床あるいは流動床技術に基 づくそれよりも遥かに広範囲な部分負荷で動作する。 ４．循環流動式再生器は種々雑多な物理的特性を有する媒体を採用可能とし、よ って、例えば２個あるいはそれ以上の異なる物理的、化学的特性の熱伝達材の同 時使用を容易にする。 ５．循環流動床式再生器においては、再生器の迅速で正確な制御を付加的に可能 にする循環媒体の再循環用管の簡単な配設により、平行に配置された反応器内で の媒体の混合性向が妨げられる。 ６．循環流動床の技術の特性である効果的な混合により、反応器の優れた温度制 御機能が達せられ、それが汚染流の取扱いに決定的な重要性をもたらす。 ７．循環流動床反応器の敷設は一つの交換器ユニットから他のそれへ循環媒体を 伝達する別体の機械的あるいは空気コンベアの使用を不要にする。これに対して 気泡状流動床あるいはジグザグ状固定床式層を使用した再生器はプロセスガス量 に対する空気キャリアガスコンベアの量を多くする必要がある。よってそのよう なコンベアの使用はたいていの場合不可能である。 ８．循環流動床式再生器の室内における浮遊濃度は、循環流動床式再生器の外部 再循環ループを従来の固定型の内部再循環で補完することにより簡単に制御可能 である。 以下に本発明について図１を参照しながら詳述することにする。 図１は本願による再生式熱交換器の基本構成を示し、室１、サイクロン２、そ れに戻し管３を各々備えた二つの循環流動床式再生装置ＡとＢからなり、その接 続状態は図１のような状熊に成っている。熱伝達に携わる流れはノズル９を介し て再生器内に入り、室１の下側部において循環流動床反応器内で再循環している 粒子と混合される。ここで該流れと再循環された粒子間の熱差は急速に等化され 、流れは実質的に該室の温度に等しくなる。この流れは室１を通って粒子を上昇 させ、サイクロン２の入口管１０へ運び、該入口管１０を介して浮遊媒体を付随 的にサイクロン２に運び入れる。粒子はガス流から分離し、ガス流は中央管１１ を通って排出される。そして分離された粒子はサイクロン室２の底部に着床する がその上表面１２は希望するレベルに保たれる。これら表面レベル１２は一方の サイクロン中では正確に制御されたレベルに調節される一方、他方のサイクロン では再循環される物質の量や運転条件等により決まる所定の範囲内で変化するよ うに設定される。そしてこれらサイクロンからは再循環された物質が図１の示す ように管３と４に送出される。この再循環物質の一部は管３と空気弁６を通って 室１に戻される。反応器ＡとＢの内部循環は室１内に含有される粒子の量を制御 する為にも使用することができ、これにより内部循環のない状況と比較して、例 えばより下方の室を使用することができるのである。この内部再循環はさらに又 、室間を再循環する物質が少なくしてそれら各室の清潔を確保するためにも使用 し得るのである。管４の底部からは反応器Ａの再循環粒子の一部が空気弁８を通 って反応器Ｂに伝達される。空気弁６と８の動作は固定床の下側層の部分で極め て少ない量のガス流の働きにより生じる支持反作用力の制御に基づいている。こ の支持反作用力が平衡限界力より小さくなった場合、固定床は重力的な下降を開 始する。上記動作原理が機械的あるいは空気コンベアなどに対して優れている点 はとりわけ、要求される制御の流れの量が非常に少なくてよくまた摩耗も少ない ことである。固定床状態の再循環粒子の縦隊は管３と４内で保持され、該縦隊は 重力下降する。管４の固定床層はＡとＢの流れが混合することを防いでいる。そ して管３の固定床層はガス流が誤った経路を介してサイクロンに入らないように 防いでのである。尤も、管３内の動作条件は固定床状態であるという利点がなく ても再生機能用に受け入れられるものではあるが。反応器Ｂにおいてもその状況 や 運転は殆ど類似している。ＡとＢの間の熱伝達はこれら反応器間の粒子の流れ量 を調節することにより制御されるのである。 上記描写は本願の熱交換器の基本構成のみを説明したものであり、本願の目標 を越えない範囲内で異なる実施例も可能である。例えば管４は粒子の水平移動を 可能にするために便宜的に傾斜させてもよいが、それでも上記方法において流れ が互いに混合しないようにしている。もし交換器構成のユニット間の圧力差が非 常に高い場合、管４はいくつかの直列接続部に分割してその高さが異常に高くな らないようにしている。二つの平行に接続された反応器は異なる温度レベルで動 作する複数の平行接続された反応器に替えることもでき、それによりガス流と固 体流は様々な方法で相互に接続され得るのである。このような反応器ユニットは 明かに直列接続でも動作され得る。化学的に活性化される熱伝達プロセスを使用 するれば希望する種類の化学的プロセスが実行される。またさらに上記変換器は 化学的、物理的プロセスを実行する為に、特に正確な温度制御がプロセス実行上 重要である場合等に採用され得るのである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年１０月１１日 【補正内容】 請求の範囲 １．２個またはそれ以上の平行に接続された循環流動床反応器より成る再生器に おして、該反応器の各々において、熱伝達循環に携わる流動は室 (１) の下部に 導かれ、そこで前記流動は再生器の１個またはそれ以上の循環流動床反応器の外 部循環の取入れ管 (４) と同循環流動床反応器の内部循環の取り入れ管 (３) と の双方から該室 (１) に入る熱伝達用の微粉砕された固体媒体に接触し、そして 又該固体媒体は同循環流動床反応器の前記室 (１) と通って熱伝達循環に携わる 流動に沿って上昇してサイクロン (２) に送られ、該サイクロン (２) からは分 離された固体媒体が前記管 (４) の上端に導かれ、該管 (４) に沿って前記固体 媒休の一部が再生器の他の循環流動床反応器に希望する量だけ取り入れられ、前 記サイクロンで分離された固体媒体の流動の残りは管 (３) に沿って前記再生器 の循環流動床反応器の下部に戻され、さらに該固体媒体粒子より解放された熱伝 達循環に携わる流れは中央管 (１１) を介して排出される、 ことを特徴とする一つの流動から他の流動へ再生熱を伝達する方法。 ２．前記固体媒体は上記再生器の循環流動床反応器群を接続する管 (４) の少な くともある部分で固定床の状態で下方へ移動することを特徴とする請求項１に記 載の方法。 ３．前記循環流動床反応器の一方における固体床 (１２) の上面は一貫したレベ ル制御を通して調節され、該循環流動床反応器の他側における固体床 (１２) の 上表面は再循環された固体媒体とその動作条件に応じて自由に自動調節が可能で あることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ４．前記再生器の少なくともいずれか一方の循環流動床反応器において固体床 ( １２) の上表面の調節はサイクロン (２) により分離された固体媒体の流れを、 そこから循環媒体制御弁 (８) により希望する量が制御されて他側の流動床反応 器へ送られる管 (４) に主に送出し、また該固体媒体の流れの残りを管 (３) に 余剰として送出することにより為されることを特徴とする請求項３に記載の方法 。 ５．循環媒体の弁 (６) と (８) の制御は、ガス流により管 (３) と (４) 内の 固定床層の下側部分で形成される支持反作用力を与えることにより為されること を特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の方法。 ６．３個またはそれ以上の循環流動床反応器を有する再生装置の固体媒体の流れ は、少なくとも３個の循環反応器内に組み入れられたループを形成することを特 徴とする請求項１に記載の方法。 ７．３個またはそれ以上の循環流動床反応器を有する再生装置の少なくとも１個 の循環流動床反応器の固体媒体の排出の流れは他の１個の循環流動反応器の固体 媒体の取入れの流れになることを特徴とする請求項１または６に記載の方法。 ８．再生装置システムの少なくとも１個の循環流動床反応器内で化学反応が生じ ることを特徴とする請求項１に記載の方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２個またはそれ以上の平行に接続された循環流動床反応器より成る再生器に おして、該反応器の各々において、熱伝達循環に携わる流動は室 (１) の下部に 導かれ、そこで前記流動は再生器の１個またはそれ以上の循環流動床反応器の外 部循環の取入れ管 (４) と同循環流動床反応器の内部循環の取り入れ管 (３) と の双方から該室 (１) に入る熱伝達用の微粉砕された固体媒体に接触し、そして 又該固体媒体は同循環流動床反応器の前記室 (１) と通って熱伝達循環に携わる 流動に沿って上昇してサイクロン (２) に送られ、該サイクロン (２) からは分 離された固体媒体が前記管 (４) の上端に導かれ、該管 (４) に沿って前記固体 媒体の一部が再生器の他の循環流動床反応器に希望する量だけ取り入れられ、前 記サイクロンで分離された固体媒体の流動の残りは管 (３) に沿って前記再生器 の循環流動床反応器の下部に戻され、さらに該固体媒体粒子より解放された熱伝 達循環に携わる流れは中央管 (１１) を介して排出される、 ことを特徴とする一つの流動から他の流動へ再生熱を伝達する方法。 ２．前記固体媒体は上記再生器の循環流動床反応器群を接続する管 (４) の少な くともある部分で固定床の状態で下方へ移動することを特徴とする請求項１に記 載の方法。 ３．前記循環流動床反応器の一方における固体床 (１２) の上面は一貫したレベ ル制御を通して調節され、該循環流動床反応器の他側における固体床 (１２) の 上表面は再循環された固体媒体とその動作条件に応じて自由に自動調節が可能で あることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。 ４．前記再生器の少なくともいずれか一方の循環流動床反応器において固体床 ( １２) の上表面はサイクロン (２) により分離された固体媒体の流れを、そこか ら循環媒体制御弁 (８) により希望する量が制御されて他側の流動床反応器へ送 られる管 (４) に主に送出し、また該固体媒体の流れの残りを管 (３) に余剰と して送出することにより為されることを特徴とする請求項３に記載の方法。 ５．循環媒体の弁 (６) と (８) の制御は、ガス流により管 (３) と (４) 内の 固定床層の下側部分で形成される支持反作用力を与えることにより為されること を特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の方法。 ６．３個またはそれ以上の循環流動床反応器を有する再生装置の固体媒体の流れ は、少なくとも３個の循環反応器内に組み入れられたループを形成することを特 徴とする先行するいずれかの請求項に記載の方法。 ７．３個またはそれ以上の循環流動床反応器を有する再生装置の少なくとも１個 の循環流動床反応器の固体媒体の排出の流れは他の１個の循環流動反応器の固体 媒体の取入れの流れになることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の 方法。 ８．再生装置システムの少なくとも１個の循環流動床反応器内で化学反応が生じ ることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の方法。