JP6907500B2 - 熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換型の熱処理装置に関する。

熱交換型の熱処理装置として、反応体としての反応原料を含んだ気体又は液体の反応流体を、熱媒体を用いて加熱又は冷却することで、反応体の反応を進行させる反応装置がある。このような反応装置は、反応流体を流通させる反応流路と、熱媒体を流通させる熱媒体流路とを有する伝熱体を含み、相互の熱交換は、各流路において反応流体及び熱媒体がそれぞれ導入されてから排出されるまでの間に行われる。特許文献１は、熱媒体流路としての熱交換チャネルを含む熱交換器と、反応流路としてのプロセスマイクロチャネルとが積層された装置を開示している。

特表２００７−５３４４５７号公報

反応流路を形成する伝熱体の材料としては、一般にステンレス鋼などの金属が用いられる。一方、反応流体は、腐食性を持つ場合がある。その場合は、例えば１５年程度の長期に渡って反応装置が使用され続けると、腐食により反応流路を形成する部材が傷む。そこで、伝熱体を設計する際には、想定される耐用年数に合わせた腐食代を考慮して、伝熱体の各部、特に流路間の寸法が決定される。ここで、腐食代を多く設定すればするほど、流路間距離を増大させ、その結果、伝熱体全体のサイズアップにつながる。これは、流路間距離の増大に伴うコストの増加又は熱交換性能の低下を引き起こすので、望ましくない。これに対して、特許文献１では、このような腐食代を考慮した対策がなされていない。

そこで、本発明は、流路間の厚み増大に伴うコストの増加又は熱交換性能の低下を抑えるのに有利な熱処理装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、反応流体である第１流体と、第２流体との熱交換により前記第1流体に含まれる反応体を反応させる熱処理装置であって、第１流体を流通させる第１流路を有する金属製の平板状部材である第１伝熱体と、第２流体を流通させる第２流路を有する金属製の平板状部材であり、第１伝熱体に積層される第２伝熱体と、第１流路を形成する壁面の形状に合わせた外壁面と、前記第１流体が接する内壁面とを有する管壁を含み、第１流路に対して着脱可能に設置される管状部材と、を備え、管壁の延伸方向の長さは、第１流路における反応領域を含む長さに設定される。

また、上記熱処理装置において、管状部材は、一方の開口部に、管壁の外壁面よりも外側に突出する突出部を有してもよい。管状部材が第１流路に設置されているときに前記部と前記伝熱体との間を封止する封止材を有してもよい。また、伝熱体は、管状部材が第１流路に設置されているときに突出部を収容する溝部を有してもよい。更に、管壁の延伸方向の長さは、管状部材を導入する第１流路の導入口から、第1流路の延伸方向での終端までの長さに設定されてもよい。

本発明によれば、流路間の厚み増大に伴うコストの増加又は熱交換性能の低下を抑えるのに有利な熱処理装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る反応装置の構成を示す側面図である。 第１伝熱体を含む部位の構成及び形状を示す平面図である。 第２伝熱体を含む部位の構成及び形状を示す平面図である。 一実施形態における管状部材の形状を示す図である。 第１流路に設置されている管状部材の状態を示す図である。 第１流路に設置されている管状部材の状態を示す図である。 一実施形態における管状部材による作用及び効果を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ここで、実施形態に示す寸法、材料、その他、具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。また、本願の明細書及び図面において、実質的に同一の機能及び構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、本発明に直接関係のない要素は、図示を省略する。さらに、以下の各図では、鉛直方向にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内において、後述する第１及び第２流路の反応領域の延設方向にＹ軸を取り、かつ、Ｙ軸に垂直な方向にＸ軸を取る。

本発明の熱処理装置は、第１流体と第２流体とを流通させて、流体間の熱交換を利用する。以下、本実施形態に係る熱処置装置は、熱交換型の反応装置であるものとする。この場合、反応流体及び反応により生成された生成物が第１流体に相当し、熱媒体が第２流体に相当する。ただし、本発明は、熱交換器などの熱処理装置にも適用可能である。

図１は、本実施形態に係る反応装置１の構成を示す側面図である。反応装置１は、反応処理を行う本体部としての熱交換部３を備え、反応体としての反応原料を含んだ気体又は液体の反応流体を加熱又は冷却することで、反応体の反応を進行させる。

熱交換部３は、反応流体及び生成物が流通する反応流路を有する複数の第１伝熱体７と、熱媒体が流通する熱媒体流路を有する複数の第２伝熱体９と、蓋体３９とを含み、反応流体又は生成物と熱媒体とが互いに反対方向に流れる対向流型の構造を有する。第１伝熱体７、第２伝熱体９及び蓋体３９は、それぞれ、耐熱性を有する熱伝導性素材で形成された平板状部材である。

図２は、図１におけるＡ−Ａ部に対応した、第１伝熱体７を含む部位の構成及び形状を示す平面図である。第１伝熱体７は、反応領域を含む反応流路としての複数の第１流路１７を有する。第１流路１７は、その中間部分を反応領域とし、後述の第２伝熱体９内の第２流路を流通する熱媒体から供給された熱又は冷熱を受容して反応流体Ｍを反応させ、生成物Ｐを生成する。第１流路１７は、それぞれ、Ｚ方向の上方を開として、第１伝熱体７の一方の第１側面で開放され、反応流体Ｍが導入される第１導入口２０から、Ｙ方向に沿って他方の第２側面の直前まで直線状に伸び、流路断面を矩形とした溝である。これらの第１流路１７は、Ｘ方向に等間隔に配設されている。

第１伝熱体７は、第１基部１１と、２つの第１側壁１３と、複数の第１中間壁１５と、第１隔壁１９とを含む。第１基部１１は、第１伝熱体７のＸＹ平面全体を網羅する矩形板状の壁部である。第１側壁１３は、第１基部１１のＺ方向に垂直な主表面の片面上で、第１流路１７の延伸方向の左右端にそれぞれ設けられる壁部である。複数の第１中間壁１５は、第１基部１１の主表面の片面上で、２つの第１側壁１３に挟まれ、それぞれ、第１側壁１３と並列に、かつ、等間隔で設けられる壁部である。また、第１隔壁１９は、第１基部１１の主表面の片面上の第２側面側で、第１流路１７の延設方向に対して垂直方向となるＸ方向に沿って設けられる。第１流路１７が第２側面まで延伸すると、熱媒体が導入されている後述の第２空間Ｓ２に突き当たってしまう。そこで、第１隔壁１９は、複数の第１流路１７を流通してきた生成物Ｐの進行方向を変化させる。第１側壁１３、第１中間壁１５及び第１隔壁１９の各壁部のＺ方向の高さは、同一である。

また、第１伝熱体７は、第１隔壁１９の内側面に沿って延設された第１連絡流路２３を有する。第１連絡流路２３は、すべての第１流路１７に連通するとともに、一方の端部が第１側壁１３の一方に設けられた、生成物Ｐを第１伝熱体７の外部に排出するための第１排出口２１に連通する。なお、ここでは、流路の形状を明示するために、第１流路１７とは別に第１連絡流路２３を登場させているが、これは呼び名の差であって、反応流体Ｍ及び生成物Ｐを流通させるという流路の機能としては、第１連絡流路２３も第１流路１７の一種である。また、図２では、第１流路１７を流通し、第１排出口２１に導かれる流体のすべてが生成物Ｐであるものして描写されているが、実際には、反応に用いられなかった反応流体Ｍも含まれる場合もある。

図３は、図１におけるＢ−Ｂ部に対応した、第２伝熱体９を含む部位の構成及び形状を示す平面図である。第２伝熱体９は、熱媒体流路としての複数の第２流路３１を有する。第２流路３１は、熱媒体ＨＣから供給された熱又は冷熱を、外部すなわち第１伝熱体７に向けて供給する。第２流路３１は、それぞれ、Ｚ方向の上方を開として、第２伝熱体９の一方の第１側面で開放され、熱媒体ＨＣが導入される第２導入口３０から、Ｙ方向に沿って他方の第２側面の直前まで直線状に伸び、流路断面を矩形とした溝である。ただし、第２伝熱体９でいう第１側面は、上述の第１伝熱体７でいう第１側面とは、Ｙ方向で反対となる。これらの第２流路３１も、第１流路１７と同様に、Ｘ方向に等間隔に配設されている。さらに、不図示であるが、第２流路３１には、熱媒体との接触面積を増加させて熱媒体と第２伝熱体９との間の伝熱を促進するための伝熱促進体を設置してもよい。

第２伝熱体９は、第２基部２５と、２つの第２側壁２７と、複数の第２中間壁２９と、第２隔壁３３とを含む。第２基部２５は、第２伝熱体９のＸＹ平面全体を網羅する矩形板状の壁部である。第２側壁２７は、第２基部２５のＺ方向に垂直な主表面の片面上で、第２流路３１の延伸方向の左右端にそれぞれ設けられる壁部である。複数の第２中間壁２９は、第２基部２５の主表面の片面上で、２つの第２側壁２７に挟まれ、それぞれ、第２側壁２７と並列に、かつ、等間隔で設けられる壁部である。また、第２隔壁３３は、第２基部２５の主表面の片面上の第２側面側で、第２流路３１の延設方向に対して垂直方向となるＸ方向に沿って設けられる。第２流路３１が第２側面まで延伸すると、反応流体Ｍが導入されている後述の第１空間Ｓ１に突き当たってしまう。そこで、第２隔壁３３は、複数の第２流路３１を流通してきた熱媒体ＨＣの進行方向を変化させる。第２側壁２７、第２中間壁２９及び第２隔壁３３の各壁部のＺ方向の高さは、同一である。

また、第２伝熱体９は、第２隔壁３３の内側面に沿って延設された第２連絡流路３７を有する。第２連絡流路３７は、すべての第２流路３１に連通するとともに、一方の端部が第２側壁２７の一方に設けられた、熱媒体ＨＣを第２伝熱体９の外部に排出するための第２排出口３５に連通する。

そして、図１に示すように、Ｚ方向の最上部を蓋体３９とし、蓋体３９の下方に向かって第２伝熱体９と第１伝熱体７とを交互に積層し接合することで、接合体又は積層体としての熱交換部３が形成される。このとき、第１伝熱体７の第１流路１７と、第２伝熱体９の第２流路３１とは、第１基部１１又は第２基部２５を介して非接触で隣り合う。熱交換部３の組み立ての際には、各部材間をＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接や拡散接合等のような接合方法を利用して固着させることで、各部材間の接触不良に起因する伝熱性の低下等が抑止される。

熱交換部３を構成する各要素の熱伝導性素材としては、鉄系合金やニッケル合金等の耐熱性金属が好適である。具体的には、ステンレス綱等の鉄系合金、インコネル６２５（登録商標）、インコネル６１７（登録商標）、Ｈａｙｎｅｓ２３０（登録商標）等のニッケル合金のような耐熱合金が挙げられる。これらの熱伝導性素材は、第１流路１７での反応進行や熱媒体として使用し得る燃焼ガスに対する耐久性又は耐食性を有するので好ましいが、これらに限定されるものではない。また、鉄系メッキ鋼や、フッ素樹脂等の耐熱樹脂で被覆した金属、又は、カーボングラファイト等でもよい。

なお、熱交換部３は、少なくとも１つの第１伝熱体７と第２伝熱体９との一対の組で構成可能である。ただし、熱交換性能を向上させる観点から、伝熱体の数は多い方が望ましい。また、１つの第１伝熱体７に形成される第１流路１７及び１つの第２伝熱体９に形成される第２流路３１の数も、特に限定されるものではなく、熱交換部３の設計条件や伝熱効率などを考慮して適宜変更可能である。さらに、本実施形態では、熱交換部３自体を反応装置１の本体部と位置付けているが、熱交換部３からの放熱を抑制して熱損失を抑えるために、ハウジング又は断熱材で熱交換部３の周囲を覆う構成としてもよい。

また、反応装置１は、複数の第１流路１７のそれぞれに対して着脱可能に設置される複数の管状部材を備える。

図４は、１つの管状部材６０の形状を示す斜視図である。管状部材６０は、第１流路１７の延設方向に合わせて延伸する管壁６０ａと、管壁６０ａの一方の開口部に連設される突出部６０ｂとを含む。管壁６０ａは、第１伝熱体７における第１流路１７を形成する壁面の形状に合わせた外壁面６０ａ_１と、反応流体Ｍ又は生成物Ｐが接する内壁面６０ａ_２とを有する（図６参照）。突出部６０ｂは、管壁６０ａの外壁面６０ａ_１よりも外側に突出する部位である。本実施形態にける突出部６０ｂの形状は、管壁６０ａの四方の内壁部で囲まれた流路断面と同じ形状の開口を中心部に有するフランジ状である。ただし、突出部６０ｂの形状は、例えば、管壁６０ａの開口部における外壁面６０ａ_１の一部のみから外側に突出する棒状又は板状であってもよい。また、突出部６０ｂが突出する方向は、外壁面６０ａ_１に対して垂直方向に外側に向かうのみならず、外壁面６０ａ_１に対して傾斜して外側に向かう方向であってもよい。さらに、突出部６０ｂは、管壁６０ａと一体成形されるものであってもよいし、管壁６０ａとは別部材で、管壁６０ａに対して溶接等により接合されているものであってもよい。

図５は、第１流路１７に設置されている複数の管状部材６０の状態を示す図である。特に、図５（ａ）は、図１におけるＣ−Ｃ部の一部に対応した側面図である。一方、図５（ｂ）は、図１におけるＤ−Ｄ部の一部に対応した断面図である。

本実施形態では、第１流路１７の断面形状は、矩形である。管状部材６０の管壁６０ａの外壁面６０ａ_１は、第１流路１７を形成する壁面の形状すなわち第１流路１７の断面形状に合わせるので、管壁６０ａの外周形状も、矩形となる。ここで、管壁６０ａの外壁面６０ａ_１は、熱交換効率を維持するために、第１流路１７を構成する四方の壁面に対して広い範囲で接することが望ましい。ただし、管状部材６０は、第１流路１７に対して着脱可能であるので、第１流路１７を構成する壁面に対して管壁６０ａを移動可能とする程度に管壁６０ａの外壁面６０ａ_１との間の隙間を許容する。なお、第１流路１７を構成する壁面と管壁６０ａの外壁面６０ａ_１との間に、ある程度の隙間が存在する場合には、例えば、第１伝熱体７又は管状部材６０の少なくともいずれかと同一又は類似の熱伝導性素材からなるシムを挟み込んでもよい。また、管壁６０ａの延伸方向の長さは、少なくとも第１流路１７内の反応領域を含む程度であればよい。具体的には、例えば、管壁６０ａの延伸方向の長さを、管状部材６０を第１流路１７に設置したときに、第１導入口２０から第１流路１７が第１連絡流路２３に連接する部分までの間に位置する程度の長さとし得る。さらに、不図示であるが、管壁６０ａの内部には、反応体の反応を促進させるための触媒体を設置してもよい。

図６は、図５におけるＥ−Ｅ部の一部に対応した、管状部材６０の突出部６０ｂと、突出部６０ｂが直接的又は間接的に接触する第１伝熱体７及び第２伝熱体９の一部を示す断面図である。

図６（ａ）は、第１流路１７に対する管状部材６０の第１の設置例を示す図である。ある１つの第１流路１７に対して管状部材６０を第１導入口２０から挿入していくと、突出部６０ｂの一部の面が第１伝熱体７の側面７ａ又は第２伝熱体９の側面９ａに当接する。これにより、管状部材６０は、挿入された第１流路１７に対して位置決めされ、反応処理中でも第１流路１７内で位置ズレを生じさせることがない。また、作業者にとっても、突出部６０ｂを保持しながら、容易に管状部材６０の着脱を行うことができる。

図６（ｂ）は、第１流路１７に対する管状部材６０の第２の設置例を示す図である。管状部材６０の基本的な設置構成は、第１の設置例と同様である。これに対して、第２の設置例では、第１伝熱体７の側面７ａ又は第２伝熱体９の側面９ａに対して、突出部６０ｂの一部の面が封止材６２を介して当接する。封止材６２としては、ゴム等の弾性部材、樹脂材、金属部材又は無機繊維材（例えば、ノンアスベストガスケットなど）など種々の材料が採用可能である。この封止材を採用することにより、第１流路１７を構成する壁面と管壁６０ａの外壁面６０ａ_１との間に隙間が存在している場合、その隙間に反応流体Ｍが進入することを抑えることができる。

図６（ｃ）は、第１流路１７に対する管状部材６０の第３の設置例を示す図である。第３の設置例では、第１伝熱体７が突出部６０ｂの一部を収容する第１溝部７ｂを有し、同様に、第２伝熱体９が突出部６０ｂの他の一部を収容する第２溝部９ｂを有する。この構成により、突出部６０ｂの全体が第１伝熱体７又は第２伝熱体９の側面内に隠れるため、例えば、第１空間Ｓ１内での反応流体Ｍの流れを妨げにくいという利点がある。

さらに、反応装置１は、反応流体導入部４５及び生成物排出部４９と、熱媒体導入部５３及び熱媒体排出部５７とを備える。

反応流体導入部４５は、凹状に湾曲した筐体であり、複数の第１流路１７の第１導入口２０が開放されている熱交換部３の側面を覆い、熱交換部３との間に第１空間Ｓ１を形成する。反応流体導入部４５は、熱交換部３に対して着脱可能又は開閉可能に設置される。この着脱等により、例えば、作業者が第１流路１７に対する触媒体の挿入や抜き出しを行うことができる。また、反応流体導入部４５は、反応流体Ｍを熱交換部３の外部から内部へ導入する第１導入配管４７を有する。第１導入配管４７は、熱交換部３の側面に対して中心、具体的にはＸＺ平面上の中心に位置し、複数の第１導入口２０の開口方向と同一方向に連接されている。このような構成により、１箇所から導入された反応流体Ｍは、複数の第１導入口２０のそれぞれに分配される。

生成物排出部４９は、１つの開放面を有する箱状の筐体であり、第１伝熱体７の第１排出口２１に開放面が合うように、熱交換部３の第３側面に設置される。また、生成物排出部４９は、その壁部の１箇所に、生成物Ｐを熱交換部３の内部から外部へ排出する第１排出配管５１を有する。第１排出配管５１は、不図示であるが、生成物Ｐに対して後処理等を行う別の処理器に接続されている。このような構成により、複数の第１排出口２１のそれぞれから排出された生成物Ｐは、１箇所の第１排出配管５１から回収される。

熱媒体導入部５３は、反応流体導入部４５と同様に、凹状に湾曲した筐体であり、複数の第２流路３１の第２導入口３０が開放されている熱交換部３の側面を覆い、熱交換部３との間に第２空間Ｓ２を形成する。熱媒体導入部５３は、熱交換部３に対して着脱可能又は開閉可能に設置される。この着脱等により、例えば、作業者が第２流路３１に対する伝熱促進体の挿入や抜き出しを行うことができる。また、熱媒体導入部５３は、熱媒体ＨＣを熱交換部３の外部から内部へ導入する第２導入配管５５を有する。第２導入配管５５は、熱交換部３の側面に対して中心、具体的にはＸＺ平面上の中心に位置し、複数の第２導入口３０の開口方向と同一方向に連接されている。このような構成により、１箇所から導入された熱媒体ＨＣは、複数の第２導入口３０のそれぞれに分配される。

熱媒体排出部５７は、生成物排出部４９と同様に、１つの開放面を有する箱状の筐体であり、第２伝熱体９の第２排出口３５に開放面が合うように、熱交換部３の第３側面に設置される。また、熱媒体排出部５７は、その壁部の１箇所に、熱媒体ＨＣを熱交換部３の内部から外部へ排出する第２排出配管５９を有する。第２排出配管５９は、不図示であるが、熱媒体ＨＣを再利用するための別の処理器に接続されている。このような構成により、複数の第２排出口３５のそれぞれから排出された熱媒体ＨＣは、１箇所の第２排出配管５９から回収される。

熱交換部３は、液−液型熱交換器、気−気型熱交換器及び気−液型熱交換器のいずれとしても使用可能であり、反応装置１に供給する反応流体Ｍ及び熱媒体ＨＣは、気体及び液体のいずれであってもよい。また、反応装置１は、吸熱反応や発熱反応など様々な熱的反応による化学合成を可能とする。そのような熱的反応による合成として、例えば、式（１）で示すメタンの水蒸気改質反応、式（２）で示すメタンのドライリフォーミング反応のような吸熱反応、式（３）で示すシフト反応、式（４）で示すメタネーション反応、式（５）で示すフィッシャー−トロプシュ（Fischer tropsch）合成反応等の発熱反応による合成がある。なお、これらの反応における反応流体Ｍは、気体状である。

ＣＨ₄ ＋ Ｈ₂Ｏ → ３Ｈ₂ ＋ ＣＯ ・・・（１）
ＣＨ₄ ＋ ＣＯ₂ → ２Ｈ₂ ＋ ２ＣＯ ・・・（２）
ＣＯ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂ ・・・（３）
ＣＯ ＋ ３Ｈ₂ → ＣＨ₄ ＋ Ｈ₂Ｏ ・・・（４）
（２ｎ＋１）Ｈ₂ ＋ ｎＣＯ → Ｃ_nＨ_2n+2 ＋ ｎＨ₂Ｏ ・・・（５）

一方、熱媒体ＨＣとしては、反応装置１の構成素材を腐食させない流体物質が好適であり、例えば、水、油等の液状物質や、加熱空気、燃焼ガス等の気体状物質が使用できる。熱媒体ＨＣとして気体状物質を使用する構成は、液体媒体を使用する場合と比較して、取り扱いが容易である。

次に、本実施形態による作用について説明する。本実施形態では、反応流体Ｍ又は生成物Ｐが流通する第１流路１７に、管状部材６０が設置されている。以下、第１流路１７を構成する第１伝熱体７及び第２伝熱体９の材質と、管状部材６０の材質とを基準項目として、そのような材質を選択した場合の作用をそれぞれ説明する。

第１に、第１伝熱体７及び第２伝熱体９と管状部材６０とが同一の材質からなる場合について説明する。ここでは、これらの材質がステンレス鋼であると想定する。一般に、ステンレス鋼も耐食性が高い材料である。しかし、第１伝熱体７が、特に反応流体Ｍ又は生成物Ｐが流通するような高温度雰囲気で、かつ、長期に渡りそのような状態が続く第１流路１７を有する場合には、第１流路１７の酸化腐食を考慮する必要がある。

図７は、第１伝熱体７及び第２伝熱体９と管状部材６０とが同一の材質からなると想定し、管状部材６０を採用した場合における作用及び効果を説明するための概念図である。図７の上段部分は、比較対象としての一例であって、管状部材６０を採用しない場合における、第３伝熱体７０と第３伝熱体７０に形成されている第３流路７１とを示す断面図である。ここで、第３伝熱体７０は、本実施形態における第１伝熱体７に対応し、第３流路７１は、本実施形態における第１流路１７に対応する。一方、図７の下段部分は、本実施形態の管状部材６０を採用する場合における、第１伝熱体７と第１伝熱体７に形成されている第１流路１７とを示す断面図である。ここで、第１流路１７及び第３流路７１の流路断面の寸法は、ともに幅Ｗ×高さＤである。また、伝熱体の各部の厚みは、耐用年数が経過した時点でも十分な強度を確保するために、（「構造上十分な厚み」＋「耐用年数期間の腐食代」）とされるのが一般的である。そこで、ここでは、２つの隣接する流路間、すなわち、図２に示す第１中間壁１５の幅の構造上十分と考えられる厚みを５ｍｍと想定する。また、耐用年数を１５年と想定する。

まず、図７の上段を参照すると、２つの隣接する第３流路７１間の構造上十分な厚みＬ_１が５ｍｍである。また、１年で生じる腐食代を０．０４ｍｍと想定すると、耐用年数１５年では、片面で０．６ｍｍの腐食代ｄ_１を要する。したがって、２つの隣接する第３流路７１間の製作時点での厚みＬ_２としては、少なくとも（Ｌ_１＋ｄ_１×２）＝６．２ｍｍを要することになる。なお、この場合、第３流路７１の下方で対向する第２伝熱体９間の腐食代ｄ_１分を差し引いた距離ｄ_２は、おおよそ厚みＬ_２と同等である。

一方、図７の下段を参照すると、本実施形態では、反応流体Ｍ又は生成物Ｐは、第１伝熱体７及び第２伝熱体９に接しないため、第１伝熱体７には、上記のような腐食代を設ける必要がない。そのため、２つの隣接する第１流路１７間の製作時点での厚みは、２つの隣接する第１流路１７間の構造上十分な厚みＬ_１それ自体となる。また、反応流体Ｍ又は生成物Ｐと接する管状部材６０の交換頻度を、例えば、触媒の交換と合わせて３年に１回と想定すると、管状部材６０の厚みＴを例えば０．１５ｍｍ（＞０．０４ｍｍ×３年）とすることができる。この場合、２つの隣接する第１流路１７間の距離は、管状部材６０の厚みＴ×２分を加えても、５．３ｍｍである。なお、この場合、第１流路１７の下方で対向する第２伝熱体９間の管状部材６０の厚みＴ分を差し引いた距離ｄ_３は、おおよそ厚みＬ_１と同等である。

上記のような寸法で第１伝熱体７を構成可能であれば、第１伝熱体７に積層される第２伝熱体９の寸法も、それに合わせることが可能である。したがって、管状部材６０を採用する場合には、管状部材６０を採用しない場合と比較して、複数の第１伝熱体７及び第２伝熱体９を含む伝熱体全体を、図７に示すように小型化することが可能となる。具体的には、上記の各種数値を想定した例では、伝熱体全体の材料の量を１５％程度低減することができる。

第２に、第１伝熱体７及び第２伝熱体９の材質がステンレス鋼であり、管状部材６０の材質がステンレス鋼よりも高い耐食性を有する高耐食性鋼である場合について説明する。管状部材６０を採用せず、また、反応流体Ｍ又は生成物Ｐが腐食性の高い場合には、伝熱体自体の材質を高耐食性鋼とするか、又は、反応流体Ｍ又は生成物Ｐと接する流路の壁面部分に耐食化処理を行うなどの対策を要する。一方、本実施形態のように管状部材６０を採用する場合には、管状部材６０の材質のみを圧力温度条件下で必要な高耐食性鋼とすることができるため、高級材の使用を低減することができ、ひいては、反応装置１全体のコストを抑えることができる。

第３に、第１伝熱体７及び第２伝熱体９の材質がステンレス鋼であり、管状部材６０の材質がステンレス鋼よりも低い耐食性を有する低耐食性鋼である場合について説明する。低耐食性鋼は、通常のステンレス鋼と比較して安価である。低耐食性鋼がステンレス鋼と比較して２倍の速さで腐食すると想定した場合、管状部材６０の厚みＴを２倍に設定すれば、管状部材６０の交換頻度は、上記の場合と同様に３年に１回でよい。したがって、管状部材６０の寸法に特に制限がなければ、管状部材６０の材質としてこのような廉価材料を採用することでも、反応装置１全体のコストを抑えることができる。

次に、本実施形態による効果について説明する。

まず、第１流体と第２流体との熱交換を利用する熱処理装置は、第１流体を流通させる第１流路１７と、第１流路１７と非接触で隣り合う、第２流体を流通させる第２流路３１とを含む伝熱体７，９と、第１流路１７を形成する壁面の形状に合わせた外壁面６０ａ_１と、第１流体が接する内壁面６０ａ_２とを有する管壁６０ａを含み、第１流路１７に対して着脱可能に設置される管状部材６０とを備える。

本実施形態に係る熱処理装置によれば、腐食性の高い第１流体に起因して生じると予測される腐食代を伝熱体７，９側ではなく管状部材６０側に設けた上で、伝熱体７，９が必要な肉厚を確保するよう予め設計されている。さらに、管状部材６０は、適宜交換可能である。したがって、各流路間の厚み増大を抑えることができる。各流路間の厚み増大を抑えることができれば、特に伝熱体７，９を小型化し、結果的に特に材料費を抑えることができるので、熱処理装置全体としてもコストの増加を抑えることができる。一方、各流路間の厚み増大を抑えることができれば、熱交換がなされる流路間距離をより短くすることができるので、結果的に熱交換性能の低下を抑えることができる。

また、本実施形態に係る熱処理装置では、管状部材６０は、一方の開口部に、管壁６０ａの外壁面６０ａ_１よりも外側に突出する突出部６０ｂを有する。

本実施形態に係る熱処理装置によれば、突出部６０ｂの一部の面が伝熱体７，９の側面７ａ，９ａに当接するので、例えば、管状部材６０は、第１流路１７に対して位置決めされ、反応処理中に第１流路１７内で位置ズレを生じさせることがない。また、作業者は、突出部６０ｂを保持することができるので、容易に管状部材６０の着脱を行うことができる。

また、本実施形態に係る熱処理装置では、管状部材６０が第１流路１７に設置されているときに突出部６０ｂと伝熱体７，９との間を封止する封止材６２を有する。

本実施形態に係る熱処理装置によれば、例えば、第１流路１７を構成する壁面と管壁６０ａの外壁面６０ａ_１との間に隙間が存在していても、その隙間に第１流体が進入することを抑えることができる。

さらに、本実施形態に係る熱処理装置では、伝熱体７，９は、管状部材６０が第１流路１７に設置されているときに突出部６０ｂを収容する溝部７ｂ、９ｂを有する。

本実施形態に係る熱処理装置によれば、例えば、突出部６０ｂの全体が伝熱体７，９の側面７ａ，９ａ内に隠れるため、例えば、第１空間Ｓ１内での第１流体の流れを妨げにくいという利点がある。

（他の実施形態）
上記実施形態では、熱交換部３を構成する伝熱体として、第１流体が流通する第１流路１７を有する第１伝熱体７と、第２流体が流通する第２流路３１を有する第２伝熱体９との２種類の伝熱体を例示した。しかし、本発明は、このような構成の熱交換部３だけに適用されるものではない。例えば、熱交換部３を構成する伝熱体が１種類のみで、１つの伝熱体が、第１流体が流通する第１流路と、第２流体が流通する第２流路との双方を有する場合にも、本発明は適用可能である。このような構成によっても、第１流路と、同一伝熱体内にて非接触で隣り合う第２流路との間の厚みは、管状部材６０を採用しない場合に比べて薄くなるので、上記実施形態と同様の効果を奏する。

また、上記実施形態では、第１流路１７の断面形状が矩形であるものとしたが、本発明はこれに限らず、例えば円形であってもよい。管状部材６０の管壁６０ａの外壁面６０ａ_１は、第１流路１７を形成する壁面の形状に合わせるため、この場合、管壁６０ａの外周形状は、円形となる。

また、上記実施形態では、熱交換部３が、第１流路１７を流通する第１流体と、第２流路３１を流通する第２流体とが互いに反対方向に流れる対向流型であるものとしたが、互いに同方向に流れる並流型であってもよい。すなわち、本発明では、第１流体と第２流体とが流れる方向についても、なんら限定されるものではない。

さらに、上記実施形態では、熱交換部３を構成する第１伝熱体７と第２伝熱体９とがＺ方向すなわち鉛直方向に積層されるものとしているが、本発明は、これに限らない。例えば、熱交換部３を構成するこれらの伝熱体が、それぞれ接合された状態でＺ方向に立設するような、いわゆる横置きとして使用されるものとしてもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、この実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１ 反応装置
７ 第１伝熱体
９ 第２伝熱体
１７ 第１流路
３１ 第２流路
６０ 管状部材

Claims (5)

1. 反応流体である第１流体と、第２流体との熱交換により前記第１流体に含まれる反応体を反応させる熱処理装置であって、
   前記第１流体を流通させる第１流路を有する金属製の平板状部材である第１伝熱体と、
   前記第２流体を流通させる第２流路を有する金属製の平板状部材であり、前記第１伝熱体に積層される第２伝熱体と、
   前記第１流路を形成する壁面の形状に合わせた外壁面と、前記第１流体が接する内壁面とを有する管壁を含み、前記第１流路に対して着脱可能に設置される管状部材と、
   を備え、
   前記管壁の延伸方向の長さは、前記第１流路における反応領域を含む長さに設定される、熱処理装置。
2. 前記管状部材は、一方の開口部に、前記管壁の前記外壁面よりも外側に突出する突出部を有する請求項１に記載の熱処理装置。
3. 前記管状部材が前記第１流路に設置されているときに前記突出部と前記第１伝熱体又は前記第２伝熱体との間を封止する封止材を有する請求項２に記載の熱処理装置。
4. 前記第１伝熱体又は前記第２伝熱体は、前記管状部材が前記第１流路に設置されているときに前記突出部を収容する溝部を有する請求項２又は３に記載の熱処理装置。
5. 前記管壁の延伸方向の長さは、前記管状部材を導入する前記第１流路の導入口から、前記第1流路の延伸方向での終端までの長さに設定される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱処理装置。

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