JPH02213696A - 多管式伝熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、たとえば多管式アクリル酸反応器、多管式熱
交換器等に用いられる熱交換媒体がその胴側を流動し伝
熱管の冷却あるいは加熱を行う多管式伝熱装置に関する
。

〔従来の技術、発明が解決しようとする課題〕従来、プ
ロピレンの酸化により合成されるアクリル酸は、モリブ
デン系触媒を充填した管状反応器に於いて、プロピレン
が水蒸気の存在下気相高温で接触酸化をうけアクロレイ
ンが生成し、ついでこのアクロレインが酸化されてアク
リル酸が生成されるが、その際に発生する反応熱を除去
すると共にその熱を有効に利用するために、反応装置の
触媒反応管の外側に硝酸塩系の熔融塩等の熱媒を循環さ
せるようになっている。第８図に従来のこの種の反応装
置を示す。

第８図に於いて触媒の充填された反応管（伝熱管）１は
、上下の管板２により固定されている。

熱媒は反応器胴１１の下部の入口ノズル３より反応器胴
１１内へ導入され反応熱を回収した後反応器胴１１の上
部の出口ノズル４より排出される。その際熱媒の伝熱性
能を向上させるために、反応器洞内に邪魔板５が設置さ
れる。加熱流体であるプロピレンと空気を混合した原料
ガスは、ノズル６より上方から反応管ｌ内へ流入し、管
内にてアクリル酸を生成した後ノズル７より排出される
よう構成されている。

上記の従来の反応装置に於いては、その胴側流体の熱交
換率を上げるために、従来は、第９図、第１０図、第１
１図に示される邪魔板又はロッドが設置されてきた。

第９図は最も一般的に使用される欠円形の邪魔板を示し
、図示されるような欠円板５ａ、　５ａ’が胴側流体の
流れ方向に交互に設けられる。この形式の邪魔板を伝熱
管本数の大なるまたは管長の大なる大型伝熱装置に適用
した場合には、以下の問題点があった。

（１）胴側流体である熱媒が、各欠円板によって形成さ
れる方向変換する通路のそれぞれに於いて流れ方向に対
し横に配置された伝熱管を横切ることとなり、胴側流体
の流れの抵抗が極めて増大する。このことば熱媒の循環
に高いエネルギを消費することを意味する。

（２）胴側流体の速度分布が不均一となる。すなわち反
応器胴の軸方向流れが大なる個所、半径方向の流れが大
なる個所及び流体の滞留個所が生じる。このために、肩
側伝熱係数に大きなバラツキを生じ、したがって触媒反
応温度に不均一な分布が生じて、触媒の劣化を早めると
ともに、反応速度にも不均一が生じ効率が低下する。

第１Ｏ図は他の邪魔板の例を示し、これは、環状板（ド
ーナツ板）５ｂと円板５ｂ’　とを胴側流体の流れ方向
に交互に設けるようにした円板−環状板形部Ｒ板を用い
るものである０本形式の場合は、上記第５図の欠円形の
邪魔板に比し圧力損失は低下するものの、上記（２）の
問題点は以前解消されぬために、胴側伝熱係数にバラツ
キが生じ、例えば温度依存性の高い触媒を充填した反応
器にとっては不都合であった。

一方、低圧力損失かつ伝熱係数の均一化を可能ならしめ
る形式として第１１図に示すロッドバッフルがある。こ
れは、バッフルリングＯＩＡ〜０１０に取付けられた４
種類のロッド０１〜０４によって反応管（伝熱管）１を
支持すると共に、平行流となって流れる胴側流体に若干
の乱れを生じさせるものであるが、これを上記の大型反
応器等に適用する際には、新たに以下の問題点が生ずる
。

（１）構造上、反応管は第１１図（＾）に示すように直
角配列とせねばならず、三角配列に比し胴径が大となる
ために、流体の流速が低下し、従って伝熱係数の改善度
は小さい。

（２）伝熱係数を保つために、ロッド設置間隔を小さく
する必要があり、反応管長の大なる反応器に於いてはロ
ッド数が極めて増加する。

（３）胴径の大きい大型反応器に於いては、ロッドのタ
ワミ等により、製作と組立てが困難となる。

（４）胴側流体としての熱媒は完全な平行流のため、あ
る反応管中で発生反応熱量が増大した場合、その反応管
を覆う熱媒の温度上昇は増大し反応管中の温度をさらに
増大させる方向に働らきすなわち熱的な自己安定性がな
い。

本発明は、上記のような従来型の多管式伝熱装置が有す
る問題点を解決すべ〈発明されたものであり、低い圧力
損失あるいは均一な伝熱性能であることを要求される特
に大容量の反応装置あるいは熱交換装置として有効な多
管式伝熱装置を提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の多管式伝熱装置は、 （１）邪魔板に伝熱管の外径より大きい複数の孔を体の
流路とした。

（２）上記（１）の多管式伝熱装置において、邪魔板の
複数の孔の孔径に分布を持たせ、伝熱管外周部と胴側流
体の流路面積に分布を与えた。

〔作用〕

上記（１）の本発明では、邪魔板の孔と伝熱管とによっ
て形成される環状流路を通って胴側流体が流れるために
、同環状流路の面積を適当な大きさにすることができ、
これによって圧力損失が低下し、また伝熱性能が高めら
れる。

上記（２）の本発明では、上記（１）の発明に加えて、
流路面積に分布が与えられ流路面積を異らせることによ
って、胴側流体は伝熱装置の邪魔板に沿って半径方向の
流れが生ずる。これによちて、平行流の場合に比して伝
熱性能を高めることが可能である。この半径方向の流量
は、孔径の分布を適宜選定することによって適宜の値に
設定することができる。従って、邪魔板に垂直な伝熱装
置の軸方向の流れに対する半径方向の流れの流量比は自
由に設定することができ、圧力損失の許容値内において
伝熱性能を高めることができる。

また更に、例えば、環状分散管によって流体を伝熱装置
洞内に導入又は導出する場合には、上記（２）の本発明
において導入部又は導出部にある邪魔板の中心部の流路
面積を大きくし、周辺部の流路面積を小さくすることに
よって、胴側流体が導入部又は導出部において伝熱管群
を半径方向に流動することによって中央部に生ずる圧力
損失を補償して軸方向の流れの流量分布を均一にするこ
ともてきる。

〔実施例〕

本発明の第一の実施例を第１図及び第２図によって説明
する。

曾 本実施例は、上記第１図に示す形式の反応器に適用され
たものであって、以下説明する部分に改良が加えられた
ものである。第１図及び第２図において、第４図におけ
ると同一の部分は同一の符号が付せられており、その説
明を省略する。

本実施例では、第２図に示されるように、反応器胴１１
内に下方から上方へ胴側流体の流れ方向に間隔をおいて
＃１〜＃７の７個の邪魔板が設けられ、各邪魔板の外周
は反応４胴１１の外壁内周の全周に取付けられている。

また、胴側流体の人口ノズル３及び出口ノズル４には、
複数のスリット孔８′をもち反応４胴１】を取囲む環状
分散管８が連設されている。

各邪魔板５には、第１図に示すように、伝熱管１の外径
よりも十分に大きい径をもつ複数の孔が設けられ、各孔
には伝熱管１が貫通しており、液孔と伝熱管１の外周部
との間に形成される環状部分を胴側流体の流路１０とし
ている。なお、矢印は胴側流体の流れの方向を示す。

本実施例においては、孔と伝熱管１との間に十分大きな
面積の環状の流路が形成ささるために、胴側流体の圧力
損失を小さくすることができる。

また流体の圧力損失が小さく胴側流体の速度が確保され
、伝熱性能を高めることができる。

本発明の第二の実施例を第３図によって説明する。

胴側流体が、反応器洞内で邪魔板に垂直な軸方向におい
て完全な平行流となることに依る伝熱性能の低下を防ぐ
ことが特に要求される伝熱装置に於いては、邪魔板に沿
う半径方向の適当な流れを生じさせる必要がある。

本実施例はこのためのものであって、以下説明するよう
に、上記第一の実施例において、各邪魔板の環状流路面
積に分布を設は半径方向流れを生じさせるようにしたも
のである。

即ち、第３図に示すように、第１の邪魔板５＾に於いて
は、円周によって限られる中心部のＩ域に設置される伝
熱管まわりの環状流路ｌＯが大きくなるように邪魔板５
＾の孔径を大きくし、環状の周辺部の■域に設置される
伝熱管のまわりの環状流路１０は小さくなるように邪魔
板５Ａの孔径を小さくした。逆に第２の邪魔板５Ｂに於
いては、中央部の１域に設置される伝熱管の環状流路１
０は小さ（なるように孔径を小さくし、周辺部の■域に
設置される伝熱管の環状流路ｌＯは大きくなるように孔
径を大きくした。

このような構造の第１及び第２の邪魔板５Ａ、５Ｂを流
れ方向に交互に配置することによって、その流路面積差
に相当する半径方向流れ（邪魔板５Ａ、５Ｂに沿う流れ
）が生ずることとなる。この流れにより伝熱性能を完全
平行流に対する値に比し高く保つことが可能となる。

本実施例では、上記のように、邪魔板の開孔径を変える
ことにより流路面積が自由に設定され、軸方向流れに対
する半径方向流れの流量比を自由に設定することができ
る。これによって、圧力損失の許容値を守りつつ、装置
の伝熱性能が最適になるようにすることが可能となる。

また、本実施例を多管式反応装置に適用した場合には反
応管中のプロセスに熱的偏差が生じてもこの半径方向流
れにより反応管を覆う胴側流体である熱媒の温度が急激
に上昇することを防ぐことができる。これによって、各
反応管内における反応が均一に行なわれると共に触媒反
応器内の触媒の劣化程度も均一に保つことができる。

なお、上記第二の実施例においては、・第１及び第２の
邪魔板５Ａ、５Ｂに設けた開孔面積分布は、それぞれ同
心円状の配列になっておりかつ２種類の開孔径を設けて
いるが、開孔の孔径分布についてはそれぞれの機器の構
造及び目的に応じ最適に定めることができることはいう
迄もない。

本発明の第三の実施例を第４図によって説明する。

上記第１及び第二実施例において、流動及び伝熱性能を
有効にするためには、胴側流体の入口部及び出口部の流
量分布を、反応８胴の半径方向に均一とすることが好ま
しい。たとえば、第２図に示すように反応８胴を取囲み
スリット孔をもつ環状分散管８より胴側流体が洞内に導
入され、又は導出される場合に、本実施例が用いられる
。

即ち、本実施例では、第２図に＃１で示される導入部の
邪魔板５及び＃７で示される導出部の邪魔板５を以下の
ような構造とした。すなわち、第４図に示すように、邪
魔板５を同心円によって胴の中心部（■域）、週辺部（
■域）及び両者の中間部（■域）に分け、中心部付近（
Ｉ域）の各伝熱管まわりの環状流路面積を大きくし、中
間部小さくした。

本実施例では、胴の入口部及び出口部において、胴側流
体が伝熱管群を半径方向に流動することにより生ずる圧
力損失のために、中央部（Ｉ域）における胴軸方向の流
量が減少しないように、中央部（Ｉ域）の流路面積を大
きくし、流路面積を次第に小さくすることによって、半
径方向の流れによる圧力損失が補償され、反応８胴の軸
方向流量分布を均一にすることができる。

上記本発明の実施例を多管式触媒反応装置に用いた適用
例を以下説明する。

本適用例は、第２図に示すような反応装置を用いる。プ
ロセス流体は、入口ノズル６より反応装置内へ導入され
１１０００本よりなる外径２６ｍｍ管長１２０００ｎｎ
の触媒充填反応管１の内部において所定の反応をし、そ
の際発生す°る反応熱は、管外部を流動している胴側流
体の熱媒により有効に回収されている。そして反応後の
プロセス流体は出口ノズル７より排出されている。一方
塊１１００００ｒｒｆ／ｈの硝酸塩系溶融塩である熱媒
は入口ノズル３よりスリット孔を有する環状分散管を経
由し、内径３７００ｍｍの反応８胴１１の外周部より反
応装置洞内へ導入される。

最下段の邪魔板＃１（第２図参照）としては、上記第三
実施例に係る中心部（Ｉ域）、中間部（■域）及び週辺
部（■域）からなる邪魔板が用いられる。同各部の寸法
は第５図（八）中に示される通りであり、また各部にお
ける邪魔板の孔の径の寸法は、それぞれ同図中Ａ、ＢＣ
に示す通り３１ｍＩＩ＋２８ｍｍ、　２７ｍｍであり、
中心部から中間部、周辺部に至るに従って順次孔の径が
小さく設定され、従って環状の流路面積も順次小さくな
っている。

従って、反応装置洞内へ導入された熱媒は、まず同邪魔
板＃ｌによって半径方向においては一均一な軸方向の流
れに整流される。

次いで熱媒は反応装置洞内を下方より上方へ流れ、第５
図（Ｂ）に示す邪魔板＃２へと流動する。

同邪魔板＃２は上記第二実施例に係るものであって、同
図中Ｉ域及び■域では流路面積を小さくする径の小さい
孔が設けられ、■域及びＮ域では流路面積を大きくする
径の大きい孔が設けられている。各部ｌ〜■の寸法及び
それら域の孔の径Ａ〜Ｄは、それぞれ図中に示す通りで
ある０以上の流路面積差に基づいて、熱媒に半径方向流
れが生ずる。一方邪魔板＃２を通過した熱媒は、次いで
第５図（Ｃ）に示す邪魔板＃３へと流動する０本邪魔板
＃３も上記第二実施例に係るものであり、同図中に示す
ように、Ｉ域及び■域では流路面積を大きくする径の大
きい孔が設けられ、■域及び■域では流路面積を小さく
する径の小さい孔が設けられている。各部Ｉ〜■の寸法
及びその孔の径Ａ〜０は図中に示す通りである。その流
路面積差に基づく半径方向流れが生じ、この流れは邪魔
板＃２とは逆方向となる。以下同様の流動パターンを交
互に邪魔板＃６迄繰り返し管より放出される反応熱を回
収する。

邪魔板＃６を通過した熱媒は、上記邪魔板＃１と同様の
構造をもつ最上段の邪魔板＃７を通ることによって、半
径方向において反応器胴の軸方向の流れを均一にし、そ
の上で入口ノズル３と同様なスリット孔を有する環状分
散管を経由して出口ノズル４より反応装置外へと導出さ
れる。

上記のように、本適用例では、熱媒の半径方向流れを適
度に設けることにより圧力損失を低く押さえ、かつ半径
方向及び軸方向に−様な高い伝熱性能を保つことが可能
となった。同時にこの半径方向流れが各反応管のプロセ
ス条件を均一とすることを可能としている。すなわち、
反応管中のプロセス温度にバラツキが生しても胴側の流
体温度は均一化してゆくために、プロセス温度のバラツ
キが大きくならぬという効果を奏する。これは触媒充填
反応装置にとって、触媒の劣化程度を均一化する効果を
もたらすことになる。

本適用例における胴側流体の反応器胴の半径方向及び軸
方向の伝熱特性を第６図及び第７図に示す。これらの図
が示すように、本適用例においては、半径方向及び軸方
向において、−様な流動伝熱特性が得られた。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、邪魔板の孔とこれを貫
通する伝熱管との間に環状の胴側流体の流路を設けると
いう簡単な手段によって、胴側流体の圧力損失を低下さ
せて良好な伝熱性能を得ることができる。

また、本発明は、上記環状の胴側流体流路に適当な面積
分布を与えることによって、伝熱装置内における胴側流
体に軸方向流量に対して適当な半径方向の流量を与え、
許容された圧力損失の範囲内において伝熱性能を高める
ことができ、更に、軸方向の流れの流量分布を均一にす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明の第一の実施例の邪魔板と伝熱管
の部分の継断面図、第１図（Ｂ）は同横断面図、第２図
は同実施例に係る反応装置の継断面図、第３図（Ａ）　
、　（Ｂ）はそれぞれ本発明の第二の実施例の邪魔板の
胴側流体流路の面積分布を示す説明図、第４図は本発明
の第三の実施例の邪魔板の胴側流体流路の面積分布を示
す説明図、第５図（Ａ）　、　（Ｂ）（Ｃ）はそれぞれ
本発明の適用例である反応器の邪魔板の胴側流体流路の
面積分布を示す説明図、第６図は同適用例の反応器胴の
半径方向における比熱伝達係数を示すグラフ、第７図は
同適用例の反応器胴の軸方向における比熱伝達係数を示
すグラフ、第８図は従来の多管式触媒反応装置の説明図
、第９図は従来の欠円形邪魔板の説明図、第１０図は従
来の円板−環状板部＠板の説明図、第１１１１ｉｌは従
来のロッドバッフルを示し、同図（八）はその立面図、
同図（Ｂ）はその斜視説明図、同図（Ｃ）は反応管とロ
ッドの説明図である。 １・・・電熱管、　　　　　　　２・・・管板。 ３・・・胴側流体の入口ノズル。 ４・・・胴側流体の出口ノズル ５．５Ａ、５Ｂ・・・邪魔板。 ６．７・・・原料ガスノズル ８・・・環状分散管。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）邪魔板に伝熱管の外径より大きい複数の孔を設け
   、同孔のそれぞれに伝熱管を貫通させ、伝熱管の外周部
   と邪魔板の孔との間の環状部分を胴側流体の流路とした
   ことを特徴とする多管式伝熱装置。
2. （２）上記邪魔板の複数の孔の孔径に分布を持たせ伝熱
   管外周部と邪魔板の孔との間の胴側流体の流路面積に分
   布を与えたことを特徴とする請求項（１）に記載の多管
   式伝熱装置。