特表 2024-523028 熱交換ブロックおよびその製造方法、並びにそのブロックを備えた熱交換器およびその実装方法

(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】2024-06-25

(54)【発明の名称】熱交換ブロックおよびその製造方法、並びにそのブロックを備えた熱交換器およびその実装方法

(51)【国際特許分類】

   F28F 7/00 20060101AFI20240618BHJP

   F28D 21/00 20060101ALI20240618BHJP

   F28F 7/02 20060101ALI20240618BHJP

   F28F 21/02 20060101ALI20240618BHJP

【ＦＩ】

F28F7/00

F28D21/00 A

F28F7/02

F28F21/02

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023577292

(86)(22)【出願日】2022-06-07

(85)【翻訳文提出日】2024-01-26

(86)【国際出願番号】 IB2022055277

(87)【国際公開番号】W WO2022263972

(87)【国際公開日】2022-12-22

(31)【優先権主張番号】21179189.2

(32)【優先日】2021-06-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(31)【優先権主張番号】22171766.3

(32)【優先日】2022-05-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】517316177

【氏名又は名称】メルセン フランス ピィ ソシエテ パ アクシオンス シンプリフィエ

(74)【代理人】

【識別番号】100121728

【弁理士】

【氏名又は名称】井関 勝守

(74)【代理人】

【識別番号】100165803

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 修平

(74)【代理人】

【識別番号】100179648

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 咲江

(74)【代理人】

【識別番号】100222885

【弁理士】

【氏名又は名称】早川 康

(74)【代理人】

【識別番号】100140338

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100227695

【弁理士】

【氏名又は名称】有川 智章

(74)【代理人】

【識別番号】100170896

【弁理士】

【氏名又は名称】寺薗 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100219313

【弁理士】

【氏名又は名称】米口 麻子

(74)【代理人】

【識別番号】100161610

【弁理士】

【氏名又は名称】藤野 香子

(72)【発明者】

【氏名】ブノワ，ジェレミー

(72)【発明者】

【氏名】ボリー，マチュー

(72)【発明者】

【氏名】ブリュン，ギヨーム

(57)【要約】

熱交換ブロック（１）は、本体（１０）と、プロセス流体の流れを意図する縦流路（２０）と、サービス流体の流れを意図する横流路（６０）と、を備える。本発明によれば、少なくとも１の底面部（２）、特に上流側の底面部は、中央部表面（Ｓ３）を規定する中央ボウル部（３）と、外周部基準面（Ｓ４）を規定する周座部（４）と、移行部（５）と、最も近い横流路（６０ａ）と中央表面（Ｓ３）との間の距離（ｈ３）よりも実質的に大きい、最も近い横流路（６０ａ）と外周部表面（Ｓ４）との間の距離（ｈ４）と、を区画する。本発明のブロックに発生する熱応力は、先行技術におけるものよりもはるかに低く、これによりブロックおよび熱交換器の両方の寿命は、先行技術におけるものよりも格段に長い。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱交換ブロック（１；５０１；１００１，２００１，３００１）であって、
本体（１０）であって、特にグラファイト製であり、特に、断面が円形状である円柱形状を有する本体と、
前記ブロックの縦方向（Ｌ１）に沿って当該本体に形成された第１のいわゆる縦流路（２０）であって、各縦流路が、前記本体の２つの対向する底面部（２，６；５０２，５０６；１００２，１００６，２００２，２００６，３００２，３００６）の間に連続的に延びているとともに前記底面部で開口していて、前記縦流路が第１のいわゆるプロセス流体の流れを意図する、第１のいわゆる縦流路と、
横方向に沿って当該本体に形成された第２のいわゆる横流路（６０；５６０）であって、各横流路が、前記本体の２つの対向する横面部（７，８）の間に連続的に延びているとともに前記横面部で開口していて、前記横流路が第２のいわゆるサービス流体の流れを意図する、第２のいわゆる横流路と、を備え、
少なくとも１の底面部（２；５０２；１００２，１００６，２００２，２００６，３００２，３００６）が、
いわゆる中央部基準面（Ｓ３；Ｓ５０３）を規定し、前記ブロックの構成材料の温度を均質化することを意図する中央のいわゆる均質化ボウル部（３；５０３；１００３，１１０３，２００３，２１０３，３００３，３１０３）と、
いわゆる外周部基準面（Ｓ４；Ｓ５０４）を規定し、前記縦方向に沿って前記中央ボウル部に対して上流側に突出していて、シール手段を受けるように適合した周座部（４；５０４）と、
前記周座部と前記中央ボウル部との間に延びている移行部（５；５０５）と、
最も近い横流路（６０ａ；５６０ａ）のいわゆる対向壁（６１；５６１）と外周部表面（Ｓ４；Ｓ５０４）との間のいわゆる外周部距離（ｈ４；ｈ５０４）であって、最も近い横流路（６０ａ）の前記壁（６１；５６１）と中央部表面（Ｓ３；Ｓ５０３）との間のいわゆる中央部距離（ｈ３；ｈ５０３）よりも実質的に大きく、前記距離（ｈ３；ｈ５０３）および（ｈ４；ｈ５０４）が前記ブロックの前記縦方向に沿うとみなされる、いわゆる外周部距離と、
を区画するように、当該底面部に凹部（２２；５２２）が設けられたことを特徴とする熱交換ブロック。

【請求項2】

請求項１に記載の熱交換ブロックにおいて、
前記外周部距離と前記中央部距離との比（ｈ４／ｈ３）は、１．２よりも大きく、好ましくは２よりも大きいことを特徴とする熱交換ブロック。

【請求項3】

請求項１または２に記載の熱交換ブロックにおいて、
ｄ６０ａが前記最も近い横流路（６０ａ）の直径であるとき、前記外周部距離（ｈ４）は、ｄ６０ａよりも大きく、特に２×ｄ６０ａよりも大きいことを特徴とする熱交換ブロック。

【請求項4】

請求項１から３までのいずれか１つに記載の熱交換ブロックにおいて、
ｔ２６が前記縦流路（２０）と前記横流路（６０）との間の最小の材料厚さであるとき、前記中央部距離（ｈ３）は、ｔ２６よりも大きく、好ましくは２×ｔ２６よりも大きいことを特徴とする熱交換ブロック。

【請求項5】

請求項１から４までのいずれか１つに記載の熱交換ブロックにおいて、
前記移行部の基準面（Ｓ５）と前記ボウル部の基準面（Ｓ３）との間のいわゆる移行角度（ａ５）は、３０°～９０°の間であることを特徴とする熱交換ブロック。

【請求項6】

請求項１から５までのいずれか１つに記載の熱交換ブロックにおいて、
前記底面部のうち上流側の底面部（２；５０２）にのみ前記ボウル部（３；５０３）が設けられる一方、対向する下流側の底面部（６；５０６）は実質的に平らであるか、当該下流側の底面部には流体分配チャンバが設けられ、
当該チャンバの深さ（Ｄ９０３）は、前記ボウル部の深さ（Ｄ３／Ｄ５０３）よりも十分に小さいことを特徴とする熱交換ブロック。

【請求項7】

請求項１から５までのいずれか１つに記載の熱交換ブロックにおいて、
上流側の底面部および下流側の底面部の両方に、それぞれ前記ボウル部（１００３，１１０３，２００３，２１０３，３００３，３１０３）が設けられることを特徴とする熱交換ブロック。

【請求項8】

請求項１から７までのいずれか１つに記載の熱交換器ブロックの製造方法において、
予備成形物、特に標準的な熱交換器ブロックを提供するステップであって、前記予備成形物は、予備成形物本体と、前記予備成形物の２つの対向する両方とも実質的に平らである底面部で開口していて、前記予備成形物の縦方向に沿って当該予備成形物本体に形成された第１のいわゆる縦流路と、前記予備成形物の２つの対向する横面部で開口していて、横方向に沿って当該予備成形物本体に形成された第２のいわゆる横流路と、を備える、ステップと、
前記ボウル部（３）および前記移行部（５）を形成するために、特に機械加工または類似の工程によって前記予備成形物の材料を除去するステップと、を備える方法。

【請求項9】

熱交換器（Ｉ；ＩＩ；ＩＩＩ）であって、
下部カバー（３１０；１３１０）、上部カバー（３２０；１３２０）および外周ケーシング（３３０；１３３０）を有する筐体と、
前記下部カバーと前記上部カバーとの間に配置された少なくとも１の熱交換ブロック（１、１０１、２０１；５０１；１００１，２００１，３００１）と、を備え、
各前記ブロックは、
本体と、
前記ブロックの縦方向に沿って当該本体に形成された第１のいわゆる縦流路であって、前記本体の２つの対向する底面部で開口していて、前記縦流路が第１のいわゆるプロセス流体の流れを意図する、第１のいわゆる縦流路と、
横方向に沿って当該本体に形成された第２のいわゆる横流路であって、前記本体の２つの対向する横面部で開口していて、前記横流路が第２のいわゆるサービス流体の流れを意図する、第２のいわゆる横流路と、を備え、
当該熱交換器は、
前記第１の流路内への前記第１の流体の第１の流入手段（３２２；１３３２）と、
前記第２の流路内への前記第２の流体の第２の流入手段（３３６；１３３６）と、
前記第１の流路からの前記第１の流体の第１の流出手段（３１２；１３１２）と、
前記第２の流路からの前記第２の流体の第２の流出手段（３３７；８３７；１３３７）と、をさらに備え、
少なくとも１の熱交換ブロック（１；５０１；１００１，２００１，３００１）が請求項１から７までのいずれか１つに記載の熱交換器ブロックであることを特徴とする熱交換器。

【請求項10】

請求項９に記載の熱交換器において、
請求項６に記載の熱交換ブロック（１；５０１）を１つ備え、
前記１つのブロックは、前記第１の流入手段（３２２）の最も近くに位置するいわゆる上流側のブロックであり
前記１つのブロック（１；５０１）には、前記第１の流入手段の方に向けられた前記いわゆる上流側の底面部（２；５０２）に位置する１つのボウル部（３；５０３）が設けられる、熱交換器。

【請求項11】

請求項１０に記載の熱交換器において、
前記ブロックの縦方向に沿うとみなされる、前記最も近い横流路（５６０ａ）の前記対向壁（５６１）と前記第２の流体の前記第２の流出手段（８３７）の上壁（８３８）との間の距離（ｄ５６１）は、２０ｍｍよりも小さく、特に１０ｍｍよりも小さく、
前記最も近い横流路（５６０ａ）の前記壁（５６１）は、有利には前記上壁（８３８）よりも前記第１の流入手段に最も近いことを特徴とする熱交換器。

【請求項12】

請求項９に記載の熱交換器において、
いくつかの、好ましくはすべての熱交換ブロックが請求項７に記載の熱交換ブロック（１００１，２００１，３００１）である、熱交換器。

【請求項13】

請求項１０または１１に記載の熱交換器を実装する方法であって、
前記第１のおよび第２の流体は、それらについての熱交換を可能とするために前記第１のおよび第２の流路で循環され、
前記第１の流体は、気体である場合に、顕著な凝縮を伴わずに単相の状態で前記熱交換器を通って流れ、
前記第１の流体が、特に８０℃よりも高い温度で前記第１の流入手段に流入する一方、前記第２の流体が、特に－２０℃～＋３５℃の間の温度で前記第２の流入手段に流入する、方法。

【請求項14】

請求項１３に記載の、請求項１１に記載の熱交換器を実装する方法において、
前記第１の流体は、２００℃よりも高い温度で前記第１の流入手段に流入する、方法。

【請求項15】

請求項１２に記載の熱交換器を実装する方法であって、
前記第１のおよび第２の流体は、それらについての熱交換を可能とするために前記第１のおよび第２の流路で循環され、
前記第１の流体は、前記熱交換器を通って凝縮にさらされ、前記第１の流体の流入温度が、特に＋８０℃～＋３００℃の間である一方、前記第１の流体の流出温度が、特に－１５℃～＋６０℃の間であり、
前記第２の流体の流入温度が、特に－２０℃～＋３５℃の間である一方、前記第２の流体の流出温度が、特に－１５℃～＋４５℃の間である、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ブロック型熱交換器の技術分野に関連し、特に、熱的および機械的な問題の両方に関して改良された形状を備える熱交換ブロックに関連する。本発明は、また、このような熱交換ブロックを備える熱交換器にも関連する。

【背景技術】

【0002】

種々の熱交換器が知られていて、とりわけ、プレート型、チューブ型、またはフィン型の熱交換器が挙げられる。本発明は、特に、ブロック型熱交換器に関連する。後者は、一般的には、まず、ともに熱交換器の主軸に沿って設けられた、いわゆるプロセス流体のための流入口および流出口を備える。さらに、当該熱交換器のケーシングには、ともにいわゆるサービス流体のための横方向の流入口および流出口が設けられる。プロセス流体は、例えば、酸であり、サービス流体は、水のような熱伝導流体である。

【0003】

ケーシングは、少なくとも１の熱交換ブロック、一般的には、上下に積み重ねられた複数の熱交換ブロックを収容する。各ブロックは、熱伝導材料で作られている。本発明は、より具体的には、金属に対して腐食性のプロセス流体に関連する。この点に関して、前記材料は、一般的にはグラファイトであり、任意に例えばポリマー型の添加剤と結合している。当該ブロックは、平行六面体状または円柱状であってもよく、本発明は、より具体的には円柱形状のブロックを意図していることに留意されたい。

【0004】

プロセス流体およびサービス流体のそれぞれの循環を目的とする２系列の流路が、前記ブロックにくり抜かれている。第１の流路は、縦長であり、本体の底面部の間に連続的に延びていて、前記底面部で開口している。さらに、第２の流路は、横長であり、本体の対向する横面部の間に連続的に延びていて、前記横面部で開口している。

【0005】

上記の公知のタイプのブロック型熱交換器は、例えば、欧州特許出願公開第０１９６５４８号および国際公開第２００６／０８１９６５号で説明されている。

【0006】

しかしながら、上記開示されたような先行技術のブロック型熱交換器は、特に機械的な問題に関して、満足できるものではない。実際に、熱交換器の寿命を短縮する、いくつかの材料破壊が観察されている。これらの破壊は、特に、高温のプロセス流体の流れに関して上流側にある、ブロックの底面部の外周部で発生する。

【0007】

米国特許出願公開第３３９１０１６号は、グラファイトの環状体によって形成される熱交換要素を製造する工程を説明している。米国特許出願公開第２８２１３６９号は、中央に中空の内部を有するカラムを形成するように軸方向に整列して配置された、複数の中空の円筒形のグラファイトブロックを備える熱交換器を開示している。これらの２つの文献は、本発明が目的とするタイプとは実質的に異なるタイプの熱交換ブロックを扱っている。実際に、ブロックの環状形状によって、横流路は、ブロックの横面部の間に連続的に延びていない。

【0008】

最後に、イギリス特許出願公開第１０７８８６８号は、いくつかのグラファイトブロックが設けられているが外部ケーシングが設けられていない熱交換器を開示している。前記ブロックのそれぞれは、クランプによって相互に固定された２つの別個の部品によって形成される。このさらなる文献は、このブロックが縦および横流路を含まないことから、本発明によるタイプの熱交換ブロックに関しない。実際に、このイギリスの文献では、プロセス流体およびサービス流体は、ともにブロックの底面部で開口した２系列の流路に流れる。そうとはいえ、本発明の目的の１つは、上記の先行技術に伴う欠点を改善することを可能とする熱交換ブロックを提供することにある。

【0009】

本発明のさらなる目的は、それが設けられた熱交換器に対して満足な熱的および機械的性能の両方を確実にするブロックを提供することにある。

【0010】

本発明のさらなる目的は、特にこの熱交換器に属するブロックにくり抜かれた流路に関して、比較的シンプルな構造を有し、機械的な破断の危険性を特に伴わずに製造することが可能な熱交換器を提供することにある。

【発明の概要】

【0011】

本発明の対象の１つは、熱交換ブロック（１；５０１；１００１，２００１，３００１）であり、
－本体（１０）であって、特にグラファイト製であり、特に、断面が円形状である円柱形状を有する本体と、
－前記ブロックの縦方向（Ｌ１）に沿って当該本体に形成された第１のいわゆる縦流路（２０）であって、各縦流路が、前記本体の２つの対向する底面部（２，６；５０２，５０６；１００２，１００６，２００２，２００６，３００２，３００６）の間に連続的に延びているとともに前記底面部で開口していて、前記縦流路が第１のいわゆるプロセス流体の流れを意図する、第１のいわゆる縦流路と、
－横方向に沿って当該本体に形成された第２のいわゆる横流路（６０；５６０）であって、各横流路が、前記本体の２つの対向する横面部（７，８）の間に連続的に延びているとともに前記横面部で開口していて、前記横流路が第２のいわゆるサービス流体の流れを意図する、第２のいわゆる横流路と、を備え、
少なくとも１の底面部（２；５０２；１００２，１００６，２００２，２００６，３００２，３００６）が、
－いわゆる中央部基準面（Ｓ３；Ｓ５０３）を規定し、前記ブロックの構成材料の温度を均質化することを意図する中央のいわゆる均質化ボウル部（３；５０３；１００３，１１０３，２００３，２１０３，３００３，３１０３）と、
－いわゆる外周部基準面（Ｓ４；Ｓ５０４）を規定し、前記縦方向に沿って前記中央ボウル部に対して上流側に突出していて、シール手段を受けるように適合した周座部（４；５０４）と、
－前記周座部と前記中央ボウル部との間に延びている移行部（５；５０５）と、
－最も近い横流路（６０ａ；５６０ａ）のいわゆる対向壁（６１；５６１）と外周部表面（Ｓ４；Ｓ５０４）との間のいわゆる外周部距離（ｈ４；ｈ５０４）であって、最も近い横流路（６０ａ）の前記壁（６１；５６１）と中央部表面（Ｓ３；Ｓ５０３）との間のいわゆる中央部距離（ｈ３；ｈ５０３）よりも実質的に大きく、前記距離（ｈ３；ｈ５０３）および（ｈ４；ｈ５０４）が前記ブロックの前記縦方向に沿うとみなされる、いわゆる外周部距離と、
を区画するように、当該底面部に凹部（２２；５２２）が設けられたことを特徴とする熱交換ブロックである。

【0012】

本発明による熱交換ブロックの有利な特徴によれば：
－前記外周部距離と前記中央部距離との比（ｈ４／ｈ３）は、１．２よりも大きく、好ましくは２よりも大きい。
－ｄ６０ａが前記最も近い横流路（６０ａ）の直径であるとき、前記外周部距離（ｈ４）は、ｄ６０ａよりも大きく、特に２×ｄ６０ａよりも大きい。
－ｔ２６が前記縦流路（２０）と前記横流路（６０）との間の最小の材料厚さであるとき、前記中央部距離（ｈ３）は、ｔ２６よりも大きく、好ましくは２×ｔ２６よりも大きい。
－前記移行部の基準面（Ｓ５）と前記ボウル部の基準面（Ｓ３）との間のいわゆる移行角度（ａ５）は、３０°～９０°の間である。
－前記底面部のうち上流側の底面部（２；５０２）にのみ前記ボウル部（３；５０３）が設けられる一方、対向する下流側の底面部（６；５０６）は実質的に平らであるか、当該下流側の底面部には流体分配チャンバが設けられ、当該チャンバの深さ（Ｄ９０３）は、前記ボウル部の深さ（Ｄ３／Ｄ５０３）よりも十分に小さい。
－上流側の底面部および下流側の底面部の両方に、それぞれ前記ボウル部（１００３，１１０３，２００３，２１０３，３００３，３１０３）が設けられる。

【0013】

本発明のさらなる対象の１つは、上記に規定される熱交換器ブロックの製造方法であり、
－予備成形物、特に標準的な熱交換器ブロックを提供するステップであって、前記予備成形物は、予備成形物本体と、前記予備成形物の２つの対向する両方とも実質的に平らである底面部で開口していて、前記予備成形物の縦方向に沿って当該予備成形物本体に形成された第１のいわゆる縦流路と、前記予備成形物の２つの対向する横面部で開口していて、横方向に沿って当該予備成形物本体に形成された第２のいわゆる横流路と、を備える、ステップと、
－前記ボウル部（３）および前記移行部（５）を形成するために、特に機械加工または類似の工程によって前記予備成形物の材料を除去するステップと、を備える方法である。

【0014】

本発明のさらなる対象の１つは、熱交換器（Ｉ；ＩＩ；ＩＩＩ）であり、
－下部カバー（３１０；１３１０）、上部カバー（３２０；１３２０）および外周ケーシング（３３０；１３３０）を有する筐体と、
－前記下部カバーと前記上部カバーとの間に配置された少なくとも１の熱交換ブロック（１、１０１、２０１；５０１；１００１，２００１，３００１）と、を備え、
各前記ブロックは、
－本体と、
－前記ブロックの縦方向に沿って当該本体に形成された第１のいわゆる縦流路であって、前記本体の２つの対向する底面部で開口していて、前記縦流路が第１のいわゆるプロセス流体の流れを意図する、第１のいわゆる縦流路と、
－横方向に沿って当該本体に形成された第２のいわゆる横流路であって、前記本体の２つの対向する横面部で開口していて、前記横流路が第２のいわゆるサービス流体の流れを意図する、第２のいわゆる横流路と、を備え、
当該熱交換器は、
－前記第１の流路内への前記第１の流体の第１の流入手段（３２２；１３３２）と、
－前記第２の流路内への前記第２の流体の第２の流入手段（３３６；１３３６）と、
－前記第１の流路からの前記第１の流体の第１の流出手段（３１２；１３１２）と、
－前記第２の流路からの前記第２の流体の第２の流出手段（３３７；８３７；１３３７）と、をさらに備え、
－少なくとも１の熱交換ブロック（１；５０１；１００１，２００１，３００１）が上記に規定される熱交換ブロックであることを特徴とする熱交換器である。

【0015】

本発明による熱交換器の有利な特徴によれば：
－前記熱交換器は、上記に規定される熱交換ブロック（１；５０１）を１つ備え、前記１つのブロックは、前記第１の流入手段（３２２）の最も近くに位置するいわゆる上流側のブロックであり、前記１つのブロック（１；５０１）には、前記第１の流入手段の方に向けられた前記いわゆる上流側の底面部（２；５０２）に位置する１つのボウル部（３；５０３）が設けられる。
－前記ブロックの縦方向に沿うとみなされる、前記最も近い横流路（５６０ａ）の前記対向壁（５６１）と前記第２の流体の前記第２の流出手段（８３７）の上壁（８３８）との間の距離（ｄ５６１）は、２０ｍｍよりも小さく、特に１０ｍｍよりも小さく、前記最も近い横流路（５６０ａ）の前記壁（５６１）は、有利には前記上壁（８３８）よりも前記第１の流入手段に最も近い。
－いくつかの、好ましくはすべての熱交換ブロックが上記に規定される熱交換ブロック（１００１，２００１，３００１）である。

【0016】

本発明のさらなる対象の１つは、上記に規定される熱交換器を実装する方法であり、前記第１のおよび第２の流体は、それらについての熱交換を可能とするために前記第１のおよび第２の流路で循環され、前記第１の流体は、気体である場合に、顕著な凝縮を伴わずに単相の状態で前記熱交換器を通って流れ、前記第１の流体が、特に８０℃よりも高い温度で前記第１の流入手段に流入する一方、前記第２の流体が、特に－２０℃～＋３５℃の間の温度で前記第２の流入手段に流入する、方法である。

【0017】

本発明の特徴によれば、前記第１の流体は、２００℃よりも高い温度で前記第１の流入手段に流入してもよい。

【0018】

本発明のさらなる対象の１つは、上記に規定される熱交換器を実装する方法であり、前記第１のおよび第２の流体は、それらについての熱交換を可能とするために前記第１のおよび第２の流路で循環され、前記第１の流体は、前記熱交換器を通って凝縮にさらされ、前記第１の流体の流入温度が、特に＋８０℃～＋３００℃の間である一方、前記第１の流体の流出温度が、特に－１５℃～＋６０℃の間であり、前記第２の流体の流入温度が、特に－２０℃～＋３５℃の間である一方、前記第２の流体の流出温度が、特に－１５℃～＋４５℃の間である、方法である。

【図面の簡単な説明】

【0019】

以下、本発明について、非限定的な例として提供される添付図面を参照しながら説明する。

【図1】図１は、本発明の第１の実施形態によるブロックが設けられた熱交換器を示す縦断面図である。

【図2】図２は、本発明によるブロックを示す部分断面斜視図である。

【図3】図３は、図１と類似の縦断面図であり、図２のブロックの上流側の端部および図１の熱交換器をより詳細に示す図である。

【図4】図４は、図３と類似の縦断面図であり、先行技術によるブロックの上流側の端部およびこのようなブロックが設けられた熱交換器を示す図である。

【図5】図５は、図３のブロックの上流側の端部を拡大して示す縦断面図である。

【図6】図６は、本発明のブロックの代表的な比の値による、当該ブロックの熱応力および機械応力の両方の変化を示すグラフである。

【図7】図７は、図１と類似の縦断面図であり、本発明の第２の実施形態によるブロックが設けられた熱交換器の一部を拡大して示す図である。

【図8】図８は、図３と類似の縦断面図であり、図７のＶＩＩＩ部分を拡大してより詳細に示す図である。

【図9】図９は、図１の熱交換器の概略正面図であり、特に当該熱交換器のブロック部分の横流路および当該流路における流体の流れを示す図である。

【図10】図１０は、図７の熱交換器の概略正面図であり、特に当該熱交換器のブロック部分の横流路および当該流路における流体の流れを示す図である。

【図11】図１１は、本発明の他の変形例によるブロックの概略正面図である。

【図12】図１２は、図１と類似の縦断面図であり、本発明の第３の実施形態によるブロックが設けられた熱交換器を示す図である。

【図13】図１３は、２つの異なるケースにおける、先行技術の熱交換器の主寸法に沿うグラファイト温度の変化を概略的に示すグラフである。

【図14】図１４は、先行技術の熱交換器および図１２の熱交換器のそれぞれについてのグラファイト温度の変化を概略的に示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本明細書では、以下の参照符号を用いる。
Ｉ 本発明の第１の実施形態による熱交換器
１ 本発明による上流側のブロック
１０ ブロック１の本体
１２ １０上のバッフル部
Ｌ１ ブロックの縦方向
２ ブロック１の上流側の底面部
Ｃ ２の中央部
Ｐ ２の外周部
２０ 縦流路
２２ 底面部２における凹部
３ 底面部２の中央ボウル部
ｈ３ Ｓ３と６１との間の距離
４ 底面部２の座部
ｈ４ Ｓ４と６１との間の距離
４１ 肩部
５ ボウル部３と座部４との間の移行部
Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５ ３，４，５の基準面
ａ５ Ｓ３とＳ５との間の角度
６ ブロック１の下流側の底面部
７，８ 横流路の上流側、下流側の面
６０ 横流路
ｔ２６ ２０と６０との間の材料厚さ
ｄ６０ ６０の直径
６０ａ 上流側の横流路
ｄ６０ａ 流路６０ａの直径
６１ ６０ａの壁
６０ｂ～６０ｅ 流路６０ａの直下の流路
ＤＺ デッドゾーン
１０１，２０１ 先行技術による、熱交換器Ｉのブロック
１０２，２０２ ブロック１０１，２０１の上流側の面
１０６，２０６ ブロック１０１，２０１の下流側の面
３１０ 熱交換器Ｉの下部カバー
３１２ ３１０における開口部
３２０ 熱交換器Ｉの上部カバー
３２２ ３２０における開口部
３２４ ３２０内の空間
３２６ カラー部
３２８ スプリング
３３０ 熱交換器Ｉのケーシング
３３５ 外周チャンバ
３３６，３３７ 流入および流出管
ＩＶ 先行技術による熱交換器
４０１ 上流側のブロック
４０２ ４０１の底面部
ｈ４０２ ４０２と４６０ａとの間の距離
Ｃ’ ４０２の中央部
Ｐ’ ４０２の外周部
４６０ 横流路
ｈ４６０ ２つの流路４６０の間の距離
４６０ａ 上流側の横流路
４２０ カバー
Ｒ ４２０の載置ゾーン
ＩＩ 本発明の第２の実施形態による熱交換器
５０１以降：１以降と同様、ただし５００を足したもの
８３８ クライアント管８３７の壁
ｄ５６１ 壁５６１と８３８とのの間の距離
９０３／Ｄ９０３ 分配チャンバおよびその深さ（図１１）
ＩＩＩ 本発明の第３の実施形態による熱交換器
１００１以降：１以降と同様、ただし１０００を足したもの
１１０３ ブロック１００１の第２のボウル部
２００１ 本発明による第２のブロック
２００３，２１０３ ブロック２００１の各端側のボウル部
３００１ 本発明による第３のブロック
３００３，３１０３ ブロック３００１の各端側のボウル部

【0021】

図１は、本発明の第１の実施形態による熱交換器であり、全体としてＩで参照されるものを示すものである。この熱交換器は、まず複数の熱交換ブロック１，１０１，２０１を備える。以下さらに詳細に説明されるように、ブロック１は、本発明によるものであり、ブロック１０１，２０１は、先行技術に準ずるものである。この例では、上下に積み重ねられた３つのブロックが表されていて、異なる数のブロックが想定されてもよいと理解される。好ましくは、ブロックの数が何であっても、本発明によるブロックが１つだけ提供される。

【0022】

これらの異なるブロック１，１０１，２０１は、あらゆる適切な材料、例えばグラファイトのような、特に腐食環境に適合した材料で作られている。各ブロックは、本体を有し、ブロック１に関するものについては符号１０で参照される。前記本体は、断面が円形状である典型的な円柱形状を有する。特に図２および図５に示すような、バッフル部１２として公知であるものが、この本体１０の外周部に提供される。

【0023】

Ｌ１は、熱交換器の主軸と平行である、各ブロックの主軸または縦軸を指す。それ自体公知の態様で、各ブロックには、相互に熱交換に置かれることを意図する２つの流体の流れを可能とするための異なる流路がくり抜かれている。

【0024】

軸Ｌ１と平行であり縦流路と呼ばれる第１の系列の流路２０が、各ブロックの対向する底面部２，６で開口している。縦流路に沿う、流体の流れ方向に関して、各底面部２は、上流側と呼ばれ、各対向する底面部６は、下流側と呼ばれる。

【0025】

さらに、第２の系列の横流路６０は、特に軸Ｌ１に対して垂直に斜めに延びていて、各ブロックの対向する横面部７，８で開口している。運転時には第１のおよび第２の系列の流路でそれぞれ循環する２つの流体が熱交換に置かれる。これらの流路２０，６０は、互いに離れていて、つまり互いに開口していない。

【0026】

ブロック１～２０１とは別に、熱交換器Ｉは、下部カバー３１０、上部カバー３２０および外周ケーシング３３０も備える。上部カバー３２０には、３つすべてのブロックの縦流路への第１のいわゆるプロセス流体の流入口とする開口部３２２がくり抜かれている。この流入口は、上流側に配置され図示されていないこの流体の供給源に接続されている。前記開口部は、カバーの下面に設けられた空間３２４に通じている。

【0027】

さらに、下部カバー３１０には、縦流路外への第１の流体の流出口とする開口部３１２がくり抜かれている。この流出口は、配管のような適切な下流側の設備に接続されている。そのようなものとして公知である後者は、図示されていない。

【0028】

ケーシング３３０は、ブロック１～２０１におけるプロセス流体と熱交換に置かれることを意図する第２のいわゆるサービス流体の循環を目的とする外周ボウル部３３５を、ブロックの対向する壁とともに規定する。この目的のために、ケーシングには、第２の流体のそれぞれの流入口３３６と、さらなる配管のような他の適切な下流側の設備に接続される流出口３３７との配管が設けられている。そのようなものとしてまた公知である後者は、図示されていない。

【0029】

上記の空間３２４は、使用時に上流側のブロック１に載置される外周カラー部３２６を区画する。２つの流体の間のあらゆる接触を回避するために、ブロック１の導電壁とカラー部３２６との間の密閉を確実にすることが重要である。この目的のために、前記ブロックと前記カラー部との間の界面部には、公知であり詳細に図示しないシール手段が設けられている。さらに、上部カバー３２０には、ブロックおよび前記シール手段に、制御された圧縮力を及ぼすように適合した押圧手段が設けられる。示された例では、これらの押圧手段は、そのようなものとして公知であるスプリング３２８によって形成される。

【0030】

本実施例では、上流側のブロック１の下流側の底面部６、および他のブロック１０１，２０１の両底面部１０２，１０６，２０２，２０６は、先行技術に従って製造される。他の実施形態、特に図１２～１４の１つでは、以下に詳述するように、両方の底面部にそれぞれのチャンバが設けられてもよい。

【0031】

図１に戻って、前記典型的な面の一般的な構造は、それ自体公知であり、ここで詳細に説明されない。これらの底面部６，１０２，１０６，２０２，２０６が実質的に平らであることを説明すれば十分である。「平ら」とは、前記底面部がブロックの主縦軸に対して全体的に同じ高さに形成されたことを意味する。この点に関して、各底面部は、完全に平ら、または、例えば、Ｏ（オー）リングタイプのシール部材の座部を形成するのに適している、深さが浅い少なくとも１の溝がくり抜かれていてもよい。

【0032】

上流側のブロック１の上流側の底面部２は、一方で、本発明に従って製造される。実際に、それは平らではないが、中央凹部２２が設けられ、その深さはかなりのものであり、故に以下を区画する：
－カバーに設けられた空間３２４に通じている中央ボウル部３；
－前記ボウル部を放射状に取り囲む周座部４；および
－前記周座部と前記中央ボウル部との間に延びている移行部５

【0033】

本実施形態では、前記中央ボウル部３は、平らであり、いわゆる中央部基準面Ｓ３を規定する。代替として、このボウル部は、平らでなくてもよく、例えば、波形状を有してもよい。この場合、前記基準面は、前記ボウル部の平均高さによって規定される。

【0034】

前記座部４は、縦方向Ｌ１に沿って前記中央ボウル部３に対して上流側に突出している。これは、本実施形態では平らである、いわゆる外周部基準面Ｓ４を規定する。いくつかの変形例では、この座部は平らではないが、例えば、いくつかのシールを受けるように適合した溝が設けられる。表面Ｓ４は、そして、上記の表面Ｓ３と同様に、座部の平均高さによって規定される。使用時に、上部カバー３２０のカラー部３２６は、座部４に載置され、この座部に、スプリング３２８による圧縮する作用を及ぼす。

【0035】

本実施例では、座部４の径方向内側端部に肩部４１が設けられたことに留意されたい。この肩部は、その機能が一般的には環状シールを維持するものであり、機械的な作用を及ぼさない。

【0036】

移行部５は、本実施例では図５の断面で見ると直線的である。代替案として、この部分は、例えば段差を規定した他の形状を有してもよい。部分５は、表面Ｓ３，Ｓ４と同様に規定される移行面Ｓと関連する。

【0037】

以下、ブロック１の上流側の底面部２のいくつかの重要な代表的な寸法を規定する：
－ブロックの縦方向に沿う、最も近い横流路６０ａの壁６１と外周部表面Ｓ４との間のいわゆる外周部距離ｈ４。前記壁６１は、図におけるその位置に関して「上側」と呼ばれるが、プロセス流体の流入口の方に向けられているため、「対向する側」とも呼ばれる。
－ブロックの縦方向に沿う、最も近い横流路の前記壁６１と中央部表面Ｓ３との間のいわゆる中央部距離ｈ３。

【0038】

以下詳述する本発明の重要な特徴によれば、前記距離ｈ４は、前記距離ｈ３よりもはるかに大きい。この点に関して、本出願人が先行技術の欠点および前記本質的な特徴の重要性に関する説明を特定したことを、強調されたい。

【0039】

次に、先行技術による熱交換器ＩＶを示す図４を参照する。この図４では、熱交換器Ｉのものと類似の機械的要素に、４００を足した同じ参照符号が付されている。

【0040】

まず、上部カバー４２０が上流側のグラファイトブロック４０１に載置される、いわゆる載置ゾーンＲについて言及する。このゾーンでは、最小限のクランプ力が加えられ、クランプ力は、カバー４２０が支持されるグラファイトカラムの領域に、顕著な圧縮応力を引き起こす。載置ゾーンＲに対する圧縮荷重は、最大許容引張応力に近い引張応力をもたらす。この問題は、カバーを支持する面の下を通る上流側の横流路４６０ａの存在によって悪化する。

【0041】

機械的性能を確実にするために、先行技術による熱交換器には、平らな底面部４０２を形成する、かなりの材料厚さが設けられる。換言すると、前記図４に示すように、前記底面部２と上流側の横流路４６０ａとを隔てる距離ｈ４０２は、２つの隣り合う系列の横流路の間の距離ｈ４６０よりもはるかに大きい。これにより、水平流路の第１層の領域でグラファイト材料によって支持される応力を低減することが可能となる。

【0042】

この設計は、機械的事項に関する限り理論的に有利であるが、望ましくない熱応力の問題を生じさせる。図４に示される後者は、高温でプロセス流体が熱交換器に流入する場合に特に深刻である。

【0043】

底面部４０２の中央部Ｃ’では、グラファイト表面は、まず、流入する高温のプロセス流体と接触する。さらに、これは、大きいｈ４０２の値によって、第１の冷却流路から、はるかに離れている。この底面部の外周部Ｐ’でも、グラファイト表面は、流入する高温のプロセス流体と接触する。しかし、中央部Ｃ’とは異なり、この外周部Ｐ’は、プロセス流体よりも十分に低い温度を有するサービス流体からも極めて近い。

【0044】

その結果、中央部の温度Ｔ_Ｃ’は、外周部の温度Ｔ_Ｐ’よりもはるかに大きい。結果として、中央部近傍のグラファイトの体積は、外周部近傍のグラファイトの体積よりも大きく膨張し、熱交換器全体に熱応力の発生を引き起こす。この応力は、特に外周部領域Ｐ’でなんらかの材料破壊を引き起こす可能性が高い。

【0045】

後者は、実際に、クランプ力による機械応力とグラファイトブロックを通る温度勾配による熱応力との組み合わせにさらされる。この破壊現象は、熱交換器が、均一かつ低い温度を有するに十分な長時間アイドリング状態であった後に、高温のプロセス流体を受け取り始める過渡モードで特に発生する可能性が高い。要約すると、本出願人は、上流側の端部にかなりの材料厚さを有する先行技術の熱交換ブロックが設けられたとしても、機械的脆弱性を逆にもたらすことを特定した。

【0046】

上記の通り、本発明の重要な特徴の１つは、比ｈ４／ｈ３を顕著に増加させることである。この点に関して、図６は、比ｈ４／ｈ３に対する機械応力および熱応力の両方の変化を示す。図６のグラフで、ｘ－軸は前記比に対応する。さらに、一点鎖線は、ブロックの機械応力を代表するパラメータＭの変化を示し、破線は、ブロックの熱応力を代表するパラメータＴの変化を示し、実線は、全体的な応力Ｇ、すなわちＭ，Ｔの応力値の合計を示す。Ｍ，Ｔの両方の値が低いほど、挙動が良好である。

【0047】

図６によって示されるように、熱応力は、比ｈ４／ｈ３が増加するにつれて減少する。さらに、機械応力は、前記比ｈ４／ｈ３が増加するにつれて増加する。しかし驚くべきことに、熱応力の減少は、機械応力の増加よりもはるかに顕著である。結果として、全体的な応力Ｇの値は、比ｈ４／ｈ３の増加によって減少する傾向にある。

【0048】

理論的には、この比ｈ４／ｈ３の増加は、ｈ４の値の増加させること、および／またはｈ３の値の減少させることにより達成され得る。実際にはｈ４を先行技術のブロックのそれと類似の値に維持することが望ましい。この点に関して、ｈ４は、有利には、上部カバーを通ってクランプ力によって加えられる応力が材料の機械的特性と適合するように設定される。ブロックの底面部２の特定の形状によって、クランプ力は、主に環状座部４によって担われ、補助的に移行部５によって担われる。

【0049】

一方で、ｈ３は、先行技術よりも十分に小さい値に到達するために顕著に低減される。換言すると、底面部の中央部分は、ブロックの外周部よりも格段に薄くされる。さらに、驚くべきことに、このｈ３の減少は、全体的な機械的挙動に対して不利にならない。これにより、図４に示すような平らな底面部を有する先行技術のブロックに対して、熱応力をはるかに低下させることが可能となる。したがって、ｈ３は、有利には、クランプ力による機械応力を考慮することなく非常に低い値に設定され得る。この低い値は、互いに近いボウル部３の上面と直下の水平流路６０ａの層との間の効率的な熱交換に有利である。

【0050】

先行技術と比較したとき、高温のプロセス流体と接触するカラム上面と低温のサービス流体と接触する第１層の流路との間の改良された熱交換がみられる。その結果、図３に示す底面部２の中央部分Ｃは、使用時に、図４に示す先行技術の中央部分Ｃ’よりも低い温度を有する。本発明による温度勾配Ｔ_Ｐ－Ｔ_Ｃは、したがって、先行技術の勾配Ｔ_Ｐ’－Ｔ_Ｃ’に対して顕著に低減される。

【0051】

その結果、この温度勾配によって発生する熱応力は、先行技術におけるものよりもはるかに低く、これにより本発明によるブロック１および熱交換器の両方の寿命が、先行技術におけるものよりも格段に長くなる。このブロックの破損の低減は、製造される含浸処理されたグラファイトの全体的な体積の減少をもたらす。さらに、取り扱われるこのような含浸処理されたグラファイトの廃棄物も少なくなる。これらの利点は、本明細書の末尾に記載された比較例に示される。

【0052】

要約すると、本発明は、ターゲットゾーンにおけるグラファイト材料を除去する側に立つ。これにより、高い機械的性能を維持しながら、この局所的な薄肉化によって熱的性能を改良することが可能となる。したがって、驚くべきことに、材料を除去することは、全体的な機械的挙動に対して不利にならない。

【0053】

図６のグラフに戻って、当業者は、全体的な応力Ｇの顕著な減少を得るために比ｈ４／ｈ３の適切な値を選択し、したがって、ブロックおよび熱交換器全体の全体的な挙動を実質的に改良する立場であろう。

【0054】

この改良は、ブロック全体にわたる温度均質化の技術的効果によるものであり、その度合いは、上記の比ｈ４／ｈ３の値とともに増加する。この技術的効果が顕著となる比を閾値比と呼ぶ。本発明の一般的な範囲によれば、この閾値比ｈ４／ｈ３は、有利には１．２よりも大きく、好ましくは２よりも大きい。

【0055】

さらに、当業者は、ブロックおよびの熱交換器の全体的な機械的強度を維持するためにこの比を選択するであろう。この点に関して、前記比ｈ４／ｈ３は、有利には５０よりも小さく、好ましくは１５よりも小さい。

【0056】

特に図５を参照して、有利な態様では：
－ｄ６０ａが流路６０ａの直径であるとき、ｈ４は、ｄ６０ａよりも大きく、好ましくは２×ｄ６０ａよりも大きい。この点に関して、ｈ４は、例えば、８ｍｍ（ミリメートル）よりも大きい。
－ｈ４は、１０×ｄ６０ａよりも小さく、好ましくは５×ｄ６０ａよりも小さい。この点に関して、ｈ４は、例えば、１００ｍｍよりも小さく、特に５０ｍｍよりも小さい。
－ｔ２６が流路２０，６０の間の材料厚さであるとき、ｈ３は、ｔ２６よりも大きく、好ましくは２×ｔ２６よりも大きい。この図５では、１つの流路２０の壁は、破線で概略的に示されている。この点に関して、ｈ３は、例えば、１ｍｍよりも大きい。
－ｈ３は、０．８×ｈ４よりも小さく、好ましくは０．４×ｈ４よりも小さい。この点に関して、ｈ３は、例えば、２０ｍｍよりも小さい。

【0057】

図５に戻って、部分５の基準面Ｓ５と表面Ｓ３との間の角度ａ５について言及する。一般的には、前記角度ａ５は、３０°～９０°の間である。示された例では、前記部分は、直線的である。しかし、前記部分５は、異なる形状、特に段状に形成されてもよい。この場合、基準面は、前記部分５の底点および頂点を通る線である。

【0058】

ブロック１は、対向する底面部が実質的に平らである、先行技術による標準的なブロックから始めて製造されてもよい。この点に関して、凹部２２は、これらの底面部の１つに提供される。この段階は、一般的には機械加工の工程によって実行されてもよい。前記凹部が提供されると、これは、中央ボウル部３および移行部５の両方の形成をもたらす。一般的には、座部４のレベルで、前記標準的なブロックの外周部で材料は除去されない。このような製造方法は、典型的な熱交換ブロックを改修することを可能とすることから、有利である。

【0059】

上記の熱交換器Ｉの使用を考慮すると、プロセス流体およびサービス流体は、流入口３２２，３３６を介して、公知の方法で流入する。熱交換器Ｉは、さらに具体的には、プロセス流体の実質的に単相流に対応するいわゆる冷却運転に適合している。この点に関して、前記プロセス流体は、液体であってもよく、気体である場合にはあらゆる顕著な凝縮を受けない。

【0060】

典型的な方法では、プロセス流体の流入温度は、８０℃よりも高い。以下詳述するように、本発明は、本実施形態のボウル部３よりも深いボウル部の可能性も包含する。これを念頭に置いて、ブロック１および熱交換器Ｉは、特に、２００℃よりも低い流入温度を有するプロセス流体を処理するために提供される。この温度の範囲では、この第１の実施形態の特定の形状が、熱的な問題に関する先行技術の設計に関して有利である。さらに、その比較的浅いボウル部によって、ブロックの製造が簡便である。

【0061】

一方で、サービス流体の流入温度は、一般的には、－２０℃～＋３５℃の間である。これらの２つの流体が熱交換器に流入すると、通常の方法で熱交換に置かれる。冷却されたプロセス流体は、－１５℃～＋６０℃の間の典型的な温度で流出口開口部３１２を介して流出する一方、温められたサービス流体は、－１５℃～＋４５℃の間の典型的な温度で流出管３３７を介して流出する。

【0062】

図７、図８および図１０は、本発明の第２の実施形態による熱交換器ＩＩおよびブロック５０１を示す。これらの図では、第１の実施形態のものと類似の機械的要素に、５００を足した同じ参照符号が付されている。図７は、本発明による上流側のブロック５０１と、先行技術に準ずる隣り合うブロック６０１と、を表す。

【0063】

この第２の実施形態の熱交換ブロック５０１は、深めのボウル部５０３が設けられた点で、上記説明したブロック１と主に異なる。より詳細な態様では、全体的なサイズが同じであるブロックについて、上流側の横流路５６０ａは、横流路６０ａのはるか下に位置している。換言すると、ブロック５０１には、これらのブロックの上流側の部分で、ブロック１に対して少ない横流路が設けられる。図９と比較してブロック５０１を示す概略図１０は、ブロック５０１がブロック１の上側の流路６０ａ，６０ｂをもはや含まないことを示す。

【0064】

図８に戻って、排出サービス流体と接触する、管８３７の壁８３８について言及する。この壁８３８は、プロセス流体の流入口の方に向けられていることから、慣例により上壁と呼ばれる。この第２の実施形態によれば、流路５６０ａの上壁５６１と上記説明した上壁８３８との間の距離ｄ５６１は、有利には２０ｍｍよりも小さく、特に１０ｍｍよりも小さい。

【0065】

本発明は、上壁５６１が管の上壁８３８の下に位置する可能性を包含する。しかし、この直近の可能性は、さらなる熱的効果をもたらさない一方で製造をより複雑化させ、熱伝達面積を低減することから、あまり好ましくない。

【0066】

この第２の実施形態の他のいくつかの特性パラメータの値は、上記説明した第１の実施形態のものに対して類似である。実際に、ｈ５０４は、ｈ４と類似であり、ｈ５０３は、ｈ３と類似であり、比ｈ５０４／５０３は、比ｈ４／ｈ３と類似であり、角度ａ５０５が、角度ａ５と類似である。

【0067】

いわゆる深めのボウル部５０３が設けられた、この第２の実施形態は、さらに具体的には、プロセス流体の流入温度が高い、一般的には２００℃よりも高い、熱交換器の冷却運転に適合している。本出願人は、これらのプロセス流体の流入温度の値について、第１の実施形態のボウル部３のようなボウル部では、完全に満足な温度均質化が確実にならないことを発見した。

【0068】

本出願人は、サービス流体の流れは、ブロック１の最も上流側の部分で特定の特性を有することを特に発見した。概略図９では、上流側の流路６０ａのラインとは別に、流路の他の隣り合うラインが６０ｂ～６０ｄで示されている。このケースでは、本出願人は、第１の実施形態によるブロック１の上側の流路６０ａ～６０ｄのこれらの４つのラインに沿って、はるかに少ないサービス流体が流れることを認め、このラインの数は異なってもよいことに留意されたい。

【0069】

したがって、これらの上側の流路６０ａ～６０ｄのラインは、図９でＤＺで参照されるいわゆるデッドゾーンを形成する。このゾーンでは、上記説明したように、少ないサービス流体が流れ、さらに、非常に低速で流れる。この現象の発見によって、本出願人は、ブロック１の最も上流側の部分におけるグラファイトの破損の危険性が特に高いとの結論に達した。実際に、このゾーンでは、主なグラファイト破損の危険性を構成する、かなりの気化が発生する可能性が高い。

【0070】

その結果、より深いボウル部５０３を掘ることは、上記説明したデッドゾーン現象を低減させつつも、温度均質化の技術的効果の向上を可能とする。この点に関して、この第２の実施形態による深めのボウル部が設けられたブロック５０１に関連する特定の利点は、本明細書の末尾に記載された比較例によって示される。

【0071】

また、ブロック５０１の製造工程がブロック１のそれよりも簡便ではないとしても、ブロック５０１は、機械的強度に関しては依然として満足できるものであることに留意されたい。

【0072】

図１１は、ブロック１またはブロック５０１に足され得る本発明の他の変形例を示す。この変形例によれば、ブロック１／５０１の上流側の底面部２／５０２には、上記説明したボウル部３／５０３が設けられる。一方で、ブロックの下流側の底面部６／５０６には、米国特許出願公開第３３９１０１６号、米国特許出願公開第２８２１３６９号およびイギリス特許出願公開第１０７８８６８号で説明された先行技術に一般的によるチャンバ９０３が設けられる。このチャンバは、ブロック１／５０１と隣り合う図示しないブロックとの間の流体分配の機能のみを確実にし、ボウル部のＤ３／Ｄ５０３よりも十分に小さい深さＤ９０３を有する。一般的には、Ｄ３／Ｄ５０３とＤ９０３との比は、１．３よりも大きい。

【0073】

冷却運転に提供される、本発明の２つの上記の実施形態は、本発明によるブロック１／５０１が１つ設けられた熱交換器Ｉ／ＩＩを参照している。プロセス流体の流れに対して上流側に提供される前記ブロックには、プロセス流体の流入口の方に向けられたボウル部３／５０３が１つが設けられる。実際に、このような冷却の際に、グラファイト温度は、ブロックの上面Ｓ３またはＳ５０３からプロセス流体の流出口に向かって実質的に直線的に減少する傾向にある。その結果、温度均質化の必要性は、特に、上流側のブロックの上流側の部分で要求され、このことが、この単一のボウル部の提供について説明する。

【0074】

変形例として、熱交換器には、上流側にいわゆるニュートラルブロックが設けられてもよい。そのようなものとして公知であるこのニュートラルブロックは、熱交換機能を確実にしないが、流体分配のような補助的機能を確実にする。この点に関して、本発明による単一のブロックは、上流側に、前記ニュートラルブロックの隣に位置している。

【0075】

図１２は、本発明の第３の実施形態による熱交換器ＩＩＩを示す。この図では、第１の実施形態のものと類似の機械的要素に、１０００を足した同じ参照符号が付されている。

【0076】

この第３の実施形態の熱交換器ＩＩＩは、本質的には本発明によるブロック１００１，２００１，３００１が設けられた点で、上記説明した熱交換器Ｉ，ＩＩと主に異なる。さらに、これらのブロックのそれぞれには、それぞれの底面部にそれぞれ位置する２つの温度均質化ボウル部が設けられる。

【0077】

より詳細な態様では、上流側のブロック１００１には、上流側の底面部１００２に上流側のボウル部１００３が設けられ、下流側の底面部１００６に下流側のボウル部１１０３が設けられる。さらに、中間ブロック２００１には、上流側の底面部２００２に上流側のボウル部２００３が設けられ、下流側の底面部２００６に下流側のボウル部２１０３が設けられる。最後に、下流側のブロック３００１には、上流側の底面部３００２に上流側のボウル部３００３が設けられ、下流側の底面部３００６に下流側のボウル部３１０３が設けられる。

【0078】

典型的な態様では、上記説明したボウル部１００３，１１０３，２００３，２１０３，３００３，３１０３は、有利には第１の実施形態のボウル部３の深さに対応する、同じ深さを有する。特に、第２の実施形態のボウル部５０３のような深めのボウル部を提供することはあまり好ましくない。図１２は、上下に重ねられた３つの熱交換ブロックを示すが、この数は異なってもよいことに留意されたい。

【0079】

この実施形態の熱交換器ＩＩＩは、プロセス流体の二相流に対応する凝縮運転に特に適合している。この点に関して、前記プロセス流体は、完全または部分的に凝縮にさらされた気体である。例として、プロセス流体の流入温度は、＋８０℃～＋３００℃の間である一方、その流出温度は、－１５℃～＋６０℃の間である。さらに、サービス流体の流入温度は、－２０℃～＋３５℃の間である一方、その流出温度は、－１５℃～＋４５℃の間である。

【0080】

図１３に関して、凝縮の際に、熱交換器Ｉ全体のグラファイト温度の変化は、冷却運転の際の変化とはるかに異なる。図１３は、熱交換器の主寸法Ｚｅｘｃｈに沿うこのグラファイト温度ＧＴを示す２つの曲線Ｃ，Ｃ’をまとめている。流入口に近い第１のゾーンＺ１，Ｚ’１では、冷却運転の際と同様に温度がゆっくりと低下するが、凝縮が発生すると顕著に上昇し、これは、ゾーンＺ２，Ｚ’２に対応する。最後に、この温度は、流出口に近いゾーンＺ３，Ｚ’３で漸進的な低下に戻る。

【0081】

さらに、ゾーンＺ２，Ｚ’２の位置は、流体の種類だけではなく運転条件などのいくつかのパラメータに応じて、熱交換器に応じて異なってもよい。この点に関して、図１３の実線曲線は、プロセス流体の流入口に近いゾーンＺ２を示す。一方で、この同じ図１３で、破線曲線は、プロセス流体の流出口の近傍であるゾーンＺ’２を示す。

【0082】

その結果、当該凝縮のケースにおける温度均質化の必要性は、冷却運転のように上流側の部分にのみではなく熱交換器全体に要求される。本出願人によるこの認識は、すべてのブロックのみではなく、これらのブロックの各底面部におけるボウル部の提供が有利であることを説明する。

【0083】

図１４は、凝縮の際に本発明によってもたらされる技術的効果のモデリングを示す。実線曲線は、ボウル部が設けられていない先行技術の熱交換器の場合の、熱交換器の主寸法Ｚｅｘｃｈに沿うグラファイト温度ＧＴの変化を示す。一方で、破線曲線は、複数のボウル部が設けられた熱交換器ＩＩＩの場合の、熱交換器の同じスポットにおける同じ温度変化を示す。

【0084】

気体凝縮は、先行技術ではグラファイトを破損または少なくとも弱くする可能性が高い、顕著な温度上昇ＤＴを引き起こすことに留意されたい。一方で、本発明によって、ゾーンｄｔで温度はほとんど上昇せず、熱交換器の機械的完全性にとって好ましい。さらに、上記の２つの曲線は、熱交換器の最も上流側の部分および下流側の部分で混在している。

【0085】

図１２の実施形態では、すべてのブロックに、対向するボウル部が設けられる。理論的には、本発明は、少なくとも１のブロックに１つのボウル部が設けられる、またはボウル部が全く設けられない変形例を包含してもよい。この変形例は、凝縮の位置が正確に特定できる特定のケースに適しているであろう。しかし、このような変形例は、熱交換器の各領域における温度均質化を確実にしないことから、はるかに好ましくない。

【0086】

最後に、本発明の３つの主な実施形態では、熱交換器は、プロセス流体の上部流入口および前記プロセス流体の下部流出口を有して垂直に延びている。代わりに、前記プロセス流体は、下部から上部に流れてもよい。さらに他の変形例として、熱交換器は、水平にまたは斜めの形態で延びていてもよい。

【0087】

要約すると、本発明は、熱交換器の少なくとも一部分にわたってグラファイト温度を均質化することを可能とする、ボウル部の機能の特定に基づいている。さらに、異なる適用に応じて、上記詳述した、いくつかの実施形態が考慮されてもよい。冷却の際には、１つのボウル部が好ましく、プロセス流体の流入温度が高い場合特に深めのボウル部が好ましい。凝縮の際には、各ブロックの各底面部に複数のボウル部が好ましい。

【0088】

本発明によるブロックの底面部に提供されるボウル部は、上述の米国特許出願公開第３３９１０１６号、米国特許出願公開第２８２１３６９号およびイギリス特許出願公開第１０７８８６８号で開示されたブロックに提供されるチャンバとは異なることに留意されたい。実際に、これらの先行技術の配置では、前記チャンバは、２つの隣り合うブロックの間の流体分配の機能のみを確実にする。一方で、これらのチャンバは、深さが非常に浅いことによって、温度均質化の顕著な機能を果たすのに適合していない。いずれにしても、これらの文献は、この均質化機能に関しない。

【0089】

比較例
以下の例は、本発明の２つの主な実施形態による特徴によってもたらされる利点および技術的効果を示す。

【0090】

第１に、先行技術による熱交換ブロック４０１が提供された。図４に関して、このブロックの特徴および寸法は、以下の通りである：
－全体的な高さ：４８２ｍｍ
－全体的な直径：６０２ｍｍ
－プロセス流路の数：２９５
－各プロセス流路の直径：１６ｍｍ
－サービス流路の数：４６４
－各サービス流路の直径：１０ｍｍ
－距離ｈ４６０：５ｍｍ
－距離ｈ４０２：２６ｍｍ

【0091】

熱交換器を形成するために、先行技術による１０つのブロックが図１のものと類似の筐体に上下に重ねられて収容された。

【0092】

第２に、本発明の第１の実施形態によるブロック１が提供された。このブロック１は、先行技術によるブロック４０１と異なり、本質的には以下の通りである。
－距離ｈ４（図５を参照）は、２４．４ｍｍである。
－距離ｈ３（図５をまた参照）は、５ｍｍである。

【0093】

このブロック１が、ブロック４０１と類似の、先行技術による他のブロックとともに筐体に収容された。

【0094】

第３に、本発明の第２の実施形態によるブロック５０１が提供された。このブロック５０１は、本発明の第１の実施形態によるブロック１とは異なり、本質的には以下の通りである。
－距離ｈ５０４（図８を参照）は、５４．４ｍｍである。
－距離ｈ５０３（図８を参照）は、５ｍｍである。
－より少ない横方向サービス流路５６０が設けられる。実際に、このブロック５０１には、ブロック１の２つの上部横流路６０ａ～６０ｂが設けられていない。

【0095】

このブロック５０１が、ブロック４０１と類似の、先行技術による他のブロックとともに筐体に収容された。

【0096】

上流側のブロックとして上記のブロック４０１，１，５０１がそれぞれ設けられた３つの熱交換器ＩＶ，Ｉ，ＩＩが同じ実装方法にさらされた。各熱交換器について、ガス状塩素酸ＨＣｌが３１４２．８ｋｇ／ｈの流量で、１３３５℃の温度で、かつ３．２０ｂａｒｇの圧力でプロセス流路に供給された。同時に、一般的には水であるサービス流体が、８７０００ｋｇ／ｈの流量で、６３．６℃の温度で、かつ４．２５ｂａｒｇの圧力で、サービス流路４６０に供給された。

【0097】

これらの実装中、各熱交換器について、いくつかのパラメータが測定され、以下の表にまとめられた：
－Ｔ１ｍａｘは、流体流路に流入する水の最高温度である。図８で参照される、Ｔ１ｍａｘの位置は、壁５６１に近い、流路５６０ａの上端に対応する。
－Ｔ２ｍａｘは、熱交換器のグラファイトスキンの最高温度である。図８で参照される、Ｔ２ｍａｘの位置は、グラファイト壁５６１に対応する。
－Ｔ３ｍａｘは、熱交換器のグラファイトスキンの最高温度である。図８で参照される、Ｔ３ｍａｘの位置は、グラファイト表面Ｓ５０３に対応する。

【0098】

【0099】

異なるシミュレーション値によって示されるように、本発明は、先行技術に対して、実装における異なる特性の温度を実質的に低下させることを可能とする。特に、本発明の第２の実施形態による熱交換器ＩＩおよびブロック５０１は、第１の実施形態による熱交換器Ｉおよびブロック１に対して、これらの温度のさらなる低下をもたらす。

【0100】

この比較例は、熱的な問題に関して、本発明の利点を明確に示す。さらに、上記説明したように、この熱的な技術的効果は、本発明による熱交換器の顕著な機械的弱体化をもたらさない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【国際調査報告】