特表 2022-517147 反応・混合・熱交換管及び反応器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-03-04

(54)【発明の名称】反応・混合・熱交換管及び反応器

(51)【国際特許分類】

   F28D 7/10 20060101AFI20220225BHJP

   B01J 19/00 20060101ALI20220225BHJP

   B01F 25/40 20220101ALI20220225BHJP

   B81B 1/00 20060101ALI20220225BHJP

   F28F 1/02 20060101ALI20220225BHJP

   F28F 1/00 20060101ALI20220225BHJP

【ＦＩ】

F28D7/10 A

B01J19/00 321

B01F5/00 D

B81B1/00

F28F1/02 A

F28F1/00 B

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021555623

(86)(22)【出願日】2019-11-14

(85)【翻訳文提出日】2021-06-30

(86)【国際出願番号】 CN2019118506

(87)【国際公開番号】W WO2020125286

(87)【国際公開日】2020-06-25

(31)【優先権主張番号】201811607047.9

(32)【優先日】2018-12-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521263168

【氏名又は名称】青島▲たい▼▲たん▼▲にー▼▲がお▼連続化反応器有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】100103207

【弁理士】

【氏名又は名称】尾崎 隆弘

(72)【発明者】

【氏名】張蘇明

【テーマコード（参考）】

3C081

3L103

4G035

4G075

【Ｆターム（参考）】

3C081AA18

3C081BA03

3C081BA23

3C081BA24

3C081EA28

3L103AA11

3L103AA36

3L103BB26

3L103DD38

4G035AC12

4G035AE13

4G035AE15

4G075AA02

4G075AA45

4G075BA10

4G075BB05

4G075DA02

4G075EA05

4G075EA07

4G075EB22

4G075EB50

(57)【要約】

【課題】
【解決手段】 本発明は反応・混合・熱交換反応管及び反応器に関わる。ダブルキャビティ反応・混合・熱交換管が外管と内管を含み、内管（同軸）が外管を貫通して設置されていて、外管に若干の第一沈み部があり、前記第一沈み部により外管の内キャビティの断面に若干の第一狭い流れ通路が形成され、外管の内壁面と内管の外壁面との間に第一流体流通路が形成され、内管に若干の第二沈み部があり、第二沈み部により内管の内キャビティの断面に若干の第二狭い流れ通路が形成される。その構成により、流体分子の間の反応及び混合が強化され、交換される熱量の交換効率が大いに向上し、十分に正確に温度、圧力などのプロセス条件を制御でき、安全係数が高く、生産しやすく、運営コストが低い。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ダブルキャビティ反応・混合・熱交換管であって、外管(1)と内管(2)を含み、前記内管(2)が外管(1)を貫通して設置され、前記外管(1)に若干の第一沈み部(10)があり、前記第一沈み部(10)により、外管(1)の内キャビティ断面に若干の第一狭い流れ通路(11)が形成され、前記外管(1)の内壁面と内管(2)の外壁面の間に第一流体流通路(12)が形成されることを特徴とするダブルキャビティ反応・混合・熱交換管。

【請求項2】

前記内管(2)に若干の第二沈み部(20)があり、前記第二沈み部(20)により、内管(2)の内キャビティ断面に若干の第二狭い流れ通路(21)が形成されることを特徴とする請求項1に記載のダブルキャビティ反応・混合・熱交換管。

【請求項3】

前記第一沈み部(10)と第二沈み部(20)の位置が一々に対応することを特徴とする請求項2に記載のダブルキャビティ反応・混合・熱交換管。

【請求項4】

隣り合った第一沈み部(10)の間にも隣り合った第二沈み部(20)の間にもねじれ角があることを特徴とする請求項3に記載のダブルキャビティ反応・混合・熱交換反応管。

【請求項5】

隣り合った第一沈み部(10)の間と隣り合った第二沈み部(20)の間がねじれて過渡し、ねじれ過渡のところはラッパ状の円滑な過渡であることを特徴とする請求項4に記載のダブルキャビティ反応・混合・熱交換反応管。

【請求項6】

各第一沈み部(10)及び第二沈み部(20)が共に対称的に設置された沈みエリア(100)からなることを特徴とする請求項4に記載のダブルキャビティ反応・混合・熱交換反応管。

【請求項7】

前記内管(2)が外管(1)より長く、前記内管(2)の両端が各々外管(1)の両端から伸び出すことを特徴とする請求項4に記載のダブルキャビティ反応・混合・熱交換反応管。

【請求項8】

シェル、チューブシート及びプラグを含む反応・混合・熱交換器であって、請求項1～7のいずれかに記載のダブルキャビティ反応・混合・熱交換反応管を含み、ダブルキャビティ反応・混合・熱交換反応管がチューブシートに取り付けられ、第一流体流通路(12)が反応・混合・熱交換に参加する第一流体が流れるためのチューブ側であり、外管(1)の外にシェル側があり、シェル側及び内管(2)の内キャビティは熱交換媒質が流れるためのものであることを特徴とするシェル、チューブシート及びプラグを含む反応・混合・熱交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は石油化工、ファインケミカル、薬学的調製、食品及び飲料物などの工業分野、特に反応・混合・熱交換反応管及び反応器に関する。

【背景技術】

【0002】

均一、不均一流体の物理的混合または化学反応のプロセスは石油化工、ファインケミカル、薬学的調製、食品及び飲料物などの工業製造分野で常に用いられるが、このような物理的混合及び化学反応は急激な温度変化(瞬時放熱が普通である)を伴うので、火災、爆発などにつながる。近年、国内外でマイクロチャネル反応器により流体分子間またはサブ分子間の混合または化学反応を達成する技術が日増しに多く利用されており、それらのマイクロ反応器は様々な種類がある。それらのミクロンレベル、サブミリレベルのマイクロチャネルは同時に強大な熱交換力があり、実験室で従来達成できなかった化学反応を多く解決し、従来数時間ないし数十時間かからなければ完了しなかった化学反応がミリ秒、秒、分または時間内に完了するようになる。

【0003】

図1は米国コーニング社製の特殊ガラス及び炭化ケイ素製マイクロチャネル反応ユニットのイメージである。図において、通路は2枚の材料が非平面に接触してエッチングまたは彫刻により形成したものであり、深さが約数十ミクロンである。流体が入口からハート形の構造に入り、半月弧形の構造に衝撃を与えてから2路に分けられ、各々ハート形構造の両側から囲んでから、ハート形構造の底部の混合キャビティに入り、2路の離れた流体がここでもう一度混合し合流して次のハート形構造に入り、繰り返して循環する。その間に、隣り合った2つのハート形構造はプロセスに応じて直列接続または並列接続にされる。同時に、反応に必要な熱交換エネルギーが両面に挟まれた熱交換体サンドイッチに迅速に伝導され、伝導面積はケトル形容器反応器のジャケットまたはコイル形熱交換器より顕著に大きい。しかしながら、そのような反応器は構成が制限されて、1.8MPa以上の圧力、年間通過量2000ｍ³以上の液体流量の仕様を満たすことができない。

【0004】

国内外の他の反応、混合方法はプロセス及び流量の需要に応じて異なる径の金属毛細管構成のマイクロ反応器を利用し、ある業種では良好な効果も得られている。しかしながら、径の寸法に関わらず、毛細管は断面が丸く、小さな径により流体分子が内管空間で制限され、決まった反応、混合の効果も得られるが、全体的に平押し流の自己混合効果である。流体が流れる場合、管壁近くを流れる流体と同時に管の中央を流れる流体では、管壁と外界との熱交換効果が大いに違う。このような金属毛細管構成は厚い管壁にしてもよく、高圧、超高圧条件でも使用できる。

【0005】

また、従来、国内外で広く用いられる静的管形反応器は、様々な径管に異なる仕様、規則的または不規則的なフィラーが充填されていて、それにより流体が管内を流れる場合に強烈な乱流が生じるようにして、流体の反応、混合作用を強化する。しかしながら、乱流は流体分子間の非常に限られたスペースで強制的に結び合う効果を満たすことはできず、相対的に結び合う機会を多くするだけであり、二者の効果は大きく異なる。

【0006】

構成方法を問わず、現在、国内外でマイクロチャネルの原理に従い大流量、大重量の製品の連続的工業生産を達成する実例はごく僅かであり、主な原因として、微小反応は特有の微細構成及び材質、製造プロセスがその高い開発・製造コストにつながり、ほとんど高温、高圧、及び流体に固体結晶、粉末成分を含有するなどの条件に適応できず、単に多機の並列接続によっては生産高の倍増を達成できない。よって、マイクロ反応器はコストが高く、構成が複雑であり、大通過量、大重量及び工業化を達成し難い。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は前記の課題を解決するために反応・混合・熱交換反応管を提供する。その構成により、各成分の流体は第一流体流通路で絞り、拡散、混合、ねじれ、再絞りなどの重複的過程を経て、流体分子間の迅速反応、混合の強化の効果を達成し、必要な熱交換量が外管の壁及び内管の壁によりシェル側及び内管の内キャビティを流れる熱交換媒質と瞬間に交換し、十分に正確に温度、圧力などのプロセス条件を制御でき、安全係数が高く、特に強烈に放熱する高温、高圧、劇毒、爆発の恐れがある化学反応、均一混合プロセスの応用に適する。生産しやすく、運営コストが低い。技術解決策は次のとおりである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

外管及び内管を含み、前記内管が外管を貫通して設置されており、前記外管に若干の第一沈み部があり、前記第一沈み部により外管の内キャビティの断面に若干の第一狭い流れ通路が形成され、前記外管の内壁面と内管の外壁面との間に第一流体流通路を形成することを特徴とするダブルキャビティ反応・混合・熱交換管。

【0009】

上記の技術策に基づいて、前記内管に若干の第二沈み部があり、前記第二沈み部により内管の内キャビティの断面に若干の第二狭い流れ通路が形成される。

【0010】

上記の技術策に基づいて、前記第一沈み部と第二沈み部は位置が一々に対応する。

【0011】

上記の技術策に基づいて、隣り合った第一沈み部の間にも隣り合った第二沈み部の間にもねじれ角がある。

【0012】

上記の技術策に基づいて、前記内管が外管より長く、前記内管の両端がそれぞれ外管の両端から伸びだす。

【0013】

上記の技術策に基づいて、隣り合った第一沈み部の間も隣り合った第二沈み部の間もねじれて過渡し、ねじれ過渡のところはラッパ状の円滑な過渡である。

【0014】

上記の技術策に基づいて、各第一沈み部及び第二沈み部が共に対称的に設置された沈みエリアからなる。

【0015】

シェル、チューブシート、プラグ、及びチューブシートに取り付けられたダブルキャビティ反応・混合・熱交換反応管を含む反応・混合・熱交換器であって、第一流体流通路は反応・混合・熱交換に参加する第一流体が流れるための管である。外管の外にシェル側があり、シェル側及び内管の内キャビティは熱交換媒質が流れるためのものである。

【0016】

本発明の長所として、各成分の流体が第一流体の流通路で絞り、拡散、混合、ねじれ、再絞りなどの重複的過程を経て流体分子間で迅速に反応、混合する強化効果を達成し、必要な熱交換量が外管の壁及び内管の壁によりシェル側及び内管の内キャビティを流れる熱交換媒質と瞬間に交換し、十分に正確に温度、圧力などのプロセス条件を制御でき、安全係数が高く、特に強烈に放熱する高温、高圧、劇毒、爆発の恐れがある化学反応や均一混合プロセスにおける応用に適し、生産しやすく、運営コストが低い。

【図面の簡単な説明】

【0017】

更に明瞭に本発明の実施形態または従来の技術策について説明するために、次に実施形態または従来の技術の説明に使用する図について説明する。当然のことながら、下記の説明のための図は本発明の実施例のためのものに過ぎず、本分野の普通の技術者であれば、創造的労働を伴わず、関係する図により他の実施形態の図を作成できる。

【0018】

【図1】米国コーニング社のマイクロ反応器の内部ユニットを示す図。

【図2】本発明に記載のダブルキャビティ反応・混合・熱交換管の立体構成を示す図。

【図3】図2におけるエリアAの横断面構成を示す図。

【図4】図3における内管が除去された構成を示す図。

【図5】図3における外管が除去された構成を示す図。

【図6】図2におけるエリアBの横断面構成を示す図。

【図7】実施例3に記載のダブルキャビティ反応・混合・熱交換管端部の局所断面構成を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

次に図及び実施例を利用して本発明について更に説明する。

【0020】

次に本発明の実施例について詳細に説明する。前記の実施例が図に示される。その中で、同じまたは類似する番号は、同じまたは類似する部品、或いは同じまたは類似する機能を有する部品を示す。次に図を参考にして説明する実施例は例示的なものであり、本発明の説明に用いられるに過ぎず、本発明を制限するものではない。

【0021】

本発明の説明で、「内」、「外」などで指示した位置は、説明書の図面に示した位置に基づいて定義しており、本発明の簡明な説明のためのものであり、関係する装置または部品が特定の位置でなければならず、特定の位置で構成したり、取り扱うべきだと指示したり、暗示したりするものではないので、本発明に対する制限と理解されてはならない。

【0022】

本発明の説明で、別途に明確に規定や限定がされていなければ、「取り付ける」、「連結」及び「接続」という言葉は広義で理解すべきである。例えば、固定接続でも取り外し可接続でも包括的な接続でもよく、直接的な連結であってもいいし、媒質による間接的な連結であってもいい。本分野の普通の技術者は具体的な状況に応じて本発明における上記の用語の具体的な意味を理解できる。

【0023】

本発明の説明で、「第一」や「第二」は説明のためのものに過ぎず、相対的重要性に関する指示または暗示と理解されてはいけない。

【実施例1】

【0024】

図2～6に示すとおりに、本実施例のダブルキャビティ反応・混合・熱交換管は外管1と内管2を含み、前記内管2が外管1を貫通して設置されており、前記外管1に若干の第一沈み部10があり、前記第一沈み部10により外管1の内キャビティの断面に若干の第一狭い流れ通路11が形成され、前記外管1の内壁面と内管2の外壁面の間に第一流体流通路12が形成され、前記内管2に若干の第二沈み部20があり、前記第二沈み部20により内管2の内キャビティの断面に若干の第二狭い流れ通路21が形成される。外管1及び内管2は径が目的及び用途に応じて選択でき、工業生産が必要である場合、大径で大生産高、大重量に対する工業生産の要求を満たすことができ、実験室応用の場合、小径で実験の場合の正確化に対する要求を満たすことができる。

【実施例2】

【0025】

図2～6に示すとおり、実施例1に基づき、望ましくは、前記第一沈み部10は第二沈み部20と位置が一々に対応する。加工の際に、丸い断面の内管2を外管1を貫通させて設置してからスクイーズチャックで外管1の長手方向に沿って相次ぎ外管1の一部をフラットに挟み、外管1のフラットに挟まれた分が第一沈み部10となる。フラットに挟む過程で、外管1のフラットに挟まれた分の内壁が内管2の外壁面に接触する。続いてフラットに挟むと、内管2もフラットに挟まれ、内管2のフラットに挟まれた分が第二沈み部20となる。第一沈み部10及び第二沈み部20は相次いで出てきて、位置上の一致性があるので、第一沈み部10と第二沈み部20は一々に対応している。第一沈み部10及び第二沈み部20も内管2が外管1に制限される。なお、外管1と内管2の間に挟まれた第一流体流通路12は各所(外管の長手方向に沿う各所)の横断面積を同一にしなくてもよく、不均一、不規律の状態であってもよい。この方法は簡単であり、加工コストが低い。

【0026】

更に、隣り合った第一沈み部10の間にも隣り合った第二沈み部20の間にもねじれ角がある。ねじれ角は任意の角度であってもよいが、0度が望ましい。なお、各ねじれ角(異なる隣り合った第一沈み部10の間のねじれ角)は一致してもよいし、一致しなくてもよい。第二沈み部20と第一沈み部10に一致性があるので、内管の各ねじれ角と外管の各ねじれ角は同じである。このような構成により、第一流体流通路12内の第一流体が急激な乱流となり、迅速に熱を伝導し、正確にプロセスに必要な望ましい温度を制御できる。

【0027】

外管の内径と内管の外径はプロセス流体の需要に応じて各々選択し、望ましい間隙を残すようにする。外管と内管は軸線の同じ位置にある若干の異なる角度、連続的または非連続的沈み部により、外管の内壁と内管の外壁との間に不規則的な材料が連続的に流れる第一流体流通路12が形成され、内管に形成した沈み部により、内管のキャビティに類似的不規則な第二狭い流れ通路21が形成される。使用する場合、外管外壁と内管内壁を流れる熱交換媒質が同時に外管内壁と内管外壁の間を流れる第一流体流通路12の中の材料に対して二重(クロスフロー)熱交換を行う。内管と外管の間にネスティング関係しかなく、管にブラケットがないので、流体が快速に不規則のキャビティを通る場合に微細な高周波振動及びラジアルの変位が形成され、流体に更に急激な乱流が生じるようにする。

【実施例3】

【0028】

図3～7に示すとおりに、本実施例のダブルキャビティ反応・混合・熱交換管は、以下を特徴とする。外管1と内管2を含み、前記内管2が外管1を貫通して設置されていて、前記外管1に若干の第一沈み部10があり、前記第一沈み部10により外管1の内キャビティの断面に若干の第一狭い流れ通路11が形成され、前記外管1の内壁面と内管2の外壁面の間に第一流体流通路12が形成され、前記内管2に若干の第二沈み部20があり、前記第二沈み部20により、内管2の内キャビティ断面に若干の第二狭い流れ通路21が形成され、前記第一沈み部10は第二沈み部20と位置が一々に対応する。隣り合った第一沈み部10の間にも隣り合った第二沈み部20の間にもねじれ角がある。更に、隣り合った第一沈み部10の間も隣り合った第二沈み部20の間もねじれて過渡し、ねじれ過渡のところに自然的にラッパ状の円滑な過渡が形成されるので、行き止まりが形成されることがない。

【0029】

更に、各第一沈み部10及び第二沈み部20は共に対称的に設置された沈みエリア100の2箇所からなるものである。

【0030】

図7に示すとおりに、前記内管2が外管1より長くなるように、前記内管2の両端が各々外管1の両端から伸び出す。反応・混合・熱交換管の異なる用途及び流体プロセス、規模の要求に応じて第一狭い流れ通路11の断面積を選択してもよい。

【0031】

シェル、チューブシート、プラグ及びチューブシートに取り付けられたダブルキャビティ反応・混合・熱交換反応管を含む反応・混合・熱交換器。その中で、第一流体流通路12が反応・混合・熱交換に参加する第一流体が流れるためのチューブ側、外管1の外にシェル側がある。その中で、シェル側及び内管2の内キャビティは熱交換媒質が流れるためのものである。反応・混合・熱交換に参加する第一流体分子は第一狭い流れ通路11のところで強制的に絞られて結合し、ねじれ過渡のところを通じる場合、第一流体が放出され、混合し、ねじれてから次の第一狭い流れ通路11に入ってもう一度絞られ、繰り返して循環する強化効果が平押し流に近似するシングル・チャネル以上にあり、その間に生じたり、要求される熱量が外管1の壁及び内管2の壁によりシェル側及び内管2の内キャビティを流れる熱交換媒質と瞬間に交換し、熱交換効能が今まで本分野でよく見られる普通の管形、並列管形熱交換器よりはるかに高く、コーニング(ガラスの熱交換係数は元々高いものではない)製副木のサンドイッチ形熱交換係数よりも高い。例えば、現在、コーニング反応器は一部の製品が年流量2000ｍ³の強い発熱反応しか達することができないが、本発明による反応器は年間生産量百万トンレベルの高圧及び強烈な放熱・吸熱の流体の連続的反応製品を達成できる。

【0032】

上記に例を挙げて本発明について説明したが、本発明は上記の具体的な実施例に限るものではなく、本発明に基づいて行ったどのような変更も本発明の請求項の範囲にある。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【国際調査報告】