JPH06503412A - 壁に向けて及び／または壁を介して、熱及び物質を伝達するための改良方法 - 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】 壁に向けて及び／または壁を介して、熱及び物質を伝達するための改良方法 本発明は、壁に向けて及び／又は壁を介して熱及び物質を伝達するための改良方 法に関わり、必要な場合は、透過性の壁とともに使用すべきである前記のような 方法に関わる。本発明は、また、熱及び物質の改良された伝達特性を有する、壁 と伝導性材料とから成る対にも関わる。

化学的または物理化学的技術の中には、操作空間を２つの領域に分け、その上こ れらの技術の実施を可能にするかまたは容易にするために熱量を供給または抽出 することによって、温度調整されるべき壁に向けて気体を伝達することが必要で あるような技術があり、それらは例えば、前記の気体を、壁を通して一方の領域 からもう一方へ通過させることを含み得る。このようにして前記の壁は、１つま たは複数の気体、液体または固体材料を含み、定常または非定常状態の媒介物（ ■ｅｄ＋ｎｍｌを構成する、開放または閉鎖領域を画定し得る。

ここで、壁に向けて気体を自由に通過することを保証しながら、壁の温度を、例 えば加熱によって、その使用面積の全体について一定に維持する問題がある。

同様に、少なくとも一方が気体状態である２つの流体を分ける伝導性の不透性の 壁を介して交換を実施する熱交換器についても問題がある。実際にこの型の熱交 換器では、気体流体と壁との間、最終的には他方の流体との間の熱伝達係数がと ても小さい。

既存の方法または装置では、壁に熱伝導性の良い材料を配置することによって、 壁に向けた熱伝達を向上しうるが、それと関連しては壁付近での気体の自由な循 環が妨げられるという欠点を有し、または、壁からあらゆる障害物を除去するこ とによって気体の通過を促進しつるが、その場合は、熱伝達が低下し、その上熱 伝達の調整が非常に悪い。

本発明は、壁に向けた気体通過及び熱伝達を同時に提供しうる方法を提案するこ とにより、これらの欠点を克服することを目的とする。

本発明の目的は、操作空間を２領域に分ける壁の付近で、熱該方法は、流れの作 用によって、気体状の放流（ｅｆｆｌｕｅｎｔ）を壁と接触させ、熱源から供給 される熱を壁に伝達する高い熱伝導性を有する多孔性の固相を、壁の少なくとも 一面に結合することを特徴とする。

本発明の方法は、ある透過性を示す前記の壁を介して一方の領域から他方へ物質 を伝達することを含む方法に応用されると共に、２つの領域間の熱伝達のみが存 在する、らまり壁が不透性である場合の方法にも応用されつる。

ある実施の変形例では、前記方法が透過性の壁によって一方が化学または物理化 学反応の部位である２つの領域に分けられた操作空間において実施され、前記壁 の少なくとも１つの面、特に熱源を含む領域の側の面は、壁の周辺に気体状の放 流を近づけ、熱源から発生する熱を伝達するような、多孔性で伝導性の固相に結 合されている。この方法によって壁の温度を正確に調整することができ、したが って化学または物理化学反応の温度条件と操作空間の一方の領域から他方の領域 へ伝達すべき気体の量の両方を調整しうる。

透過性の壁とは、ある温度・圧力条件において、気相の化合物を通過させつる壁 のことである。透過性と名づけられたこの性質は、温度の変化によって修正され 、ある条件の下では、はぼゼロとなりつる。

方法の正確な適用によれば、透過性が温度に応じて、はぼ直線的に変化する壁、 または温度変化に連動した、透過性の急激な変化を示す壁が使用されるであろう 。

本発明は、同様に、壁に向けた及び／または壁を介しての物質及び熱の伝達を向 上するために、高い熱伝導性を有する多孔性の固相が結合されている壁を含む、 壁と伝導性材料との対にかかわる。

本発明の方法で使用される透過性の壁は、分離、気体状の流体の拡散または触媒 反応工程において使用される有機質または無機質の膜の型に属する。

膜は、緻密膜、つまり壁の材料の中を通過すべき化合物を溶解し、拡散し、最後 に拡張することによって、物質の伝達を保証する膜でありうる。膜は多孔膜、つ まり細孔を通しての伝達を保証する膜でもありうる。

本発明の方法において使用できる有機膜の例としては、セルロース化合物、特に アセテート、ポリアクリロニトリル、シリコーンゴム、ポリカーボネート・ゴム ・シリコーン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリス ルホン、ポリアミド、ポリ酢酸ビニル、ポリカーボネート、ポリホスファゼン等 重合性化合物をあげることができる。

無機質膜の例としては、 一アルミナ、またはアルミナ、酸化ジルコニウム、もしくは酸化チタンを基にし たセラミック ーシリカ 一必要な場合は、酸による（Ｉｂ■ｅ　ｄ’　５ｅｉｄ）によって多孔性にした 、シリカベースのガラス −例えば、ニッケルまたはステンレス鋼等の焼結金属−パラジウムまたはその合 金、もしくは銀等のような重金属（Ｉｃ＋　ｍｅｌｓｏｘ　ｄｅｎｓｅ＋）を挙 げることができる。

必要な場合、これらの膜を、機械的強度を保証する焼結支持体（ａｎ　＋＋＋ｐ ｐｏ＋Ｉ　１ｒｉｌｌｅｌ　の上に配置しうる。

多孔性無機質膜の細孔の大きさは、一般的には１０〜２０００人である。

本発明の方法では、壁は、実質的に容量を低減化し、伝導性を向上させるために 有利には再圧縮される膨張グラファイト密度が０．００１〜１．５と小さいため に、膨張グラファイトは極めて多孔性が高く、それ故、グラファイトの性質に由 来する熱伝導性の良さを保証しながら、気体を自由に通過させつる。

本発明の特別な面に従って、異方性の熱伝達特性を有するように再圧縮された膨 張グラファイトを使用することは、壁の温度水準を効率よく制御するのに特に都 合がよい。

その場合、密度は０．０２〜１．５であり、熱伝導率は一般的に０、５〜３０Ｗ 　／　ｍ　／　Ｋである。

前記の再圧縮された膨張グラファイトは、一般的に５〜１５０の異方性係数（ｃ ｏｅ［ｌ１ｃｉｅｎｌ　ｄ＊ｎ１ｓｏｊｒｏｐｉｅ）を有する。この係数Ｄ１に 垂直な方向Ｄ２に沿って測定したグラファイトの熱伝導率に対する比によって決 定される。

使用される膨張グラファイトの量は、主として、それによって伝達されるべき熱 源との距離によって決まる。

ｅｏｎｄａｅｌ＋１ｃｅｌによって分けられ、少なくとも一方が気体状態である ２つの流体間の熱交換の改善にも適用される。

この種の適用においては、温度水準の異なる２つの流体が、熱量を交換するため に、壁をはさんで接触する。乱流気体と金属壁との間の伝達係数は小さく、通常 は１０〜４０Ｗ／ｒｒｆ／’Ｃであり、ある場合にはｌｌ０Ｗ／ｒｒｆ／’Ｃに 及ぶ。

本方法の別の変形例において、本発明は、気体状の流体の側の壁の少なくとも１ 面に、熱伝導性の高い、多孔性の固相を結合することにより、流体と伝導性金属 壁との熱伝達を向上する′ことを目的とする。このようなシステムを使用すると 、熱伝達係数は３００Ｗ／ｒｒｆ／℃に達しうる。

多孔性の固体は、伝達が行なわれる、気体状の流体と金属壁との間での交換のた めの活性面積を非常に大きくしうる。

交換が２つの気体状の流体に関わる場合、伝導性の多孔性固体を壁の両側に配置 するとよい。

この方法の変形例において使用される壁はこの型の交換器に慣用の金属壁である 。

使用する伝導性の多孔性固相は、この型の熱交換技術と両立する圧力損失（ｕｎ ｅ　ｐｅｒｌｅ　ｄｅ　ｃｈ＊ｒ（ｅ）を気体放流に与えるのに十分な多孔度を 有する固体を製造するような再圧縮率を選択して前記のように再圧縮された膨張 グラファイトであると都合がよい。

本発明の他の特徴と利点は、添付の図面に基づく、装置と方法の実施例を示す以 下の詳細な記載より、十分理解されるであろう。

一図１は、本発明の方法を実施するために使用しうる、壁と多孔性固相との対の 集合の概略断面図である。

−図２は本発明の別の実施態様による、壁と伝導材料とから成る対の集合の概略 断面図である。

図１に示されるように、６例が図示され、円断面を持ち模型の壁１７によって仕 切られた管１０は、再圧縮された膨張グラファイトから成る多孔性面相１２中に 規則的に配置される。流体が、管ＩＯの内部を、平行に、または図例中で、矢印 １４で示されるような交互の方向に通過する。図示されていない熱源から放出さ れる熱が、矢印１Ｇによって概略的に示されるように膨張グラファイトに達する 。図示されていない熱源から来る気体は、矢印１８によって概略的に示されるよ うに、膨張グラファイト内部で、’１ｆｌＯの壁Ｉ７の方へ移動し、相１２と管 ｌＯの内部に存在する流体相との圧力差のために、前記管の壁を通過する。壁を 通過する気体の量は、同じ圧力条件下では、矢印１６によって伝達される熱を介 して前記壁に付加された温度によって決められる。

図１の集合体は、気体を、前記管の内部を移動する流体と、化学的反応であるに せよ、物理的反応であるにせよ、反応させるために、壁の内部に配置された空間 に導（方法及び、壁の温度が前記方法の実施に影響を与える方法において使用さ れる。

実施例１ 本発明を実施しうる方法の例として、炭化水素の部分的酸化反応を挙げることが できる。実際は、これらの反応には主に３つの特徴がある。

−強い発熱性を示すために、反応の速度超過（■ｅｍｂｇｌｌｅｍｅｎｌ）を引 き起しうろコト。

一完全な酸化反応によって、常に収量が低下すること。

−副反応（ｌｅ＋　＋ｅｘｅｌｉｏｎ＋　ｐｘｒ■ｉ＋ｅｓ）を最低限に抑える ために、媒介物に存在する酸素量の制御が不可欠であること。

前記の理由のために、反応器（＋ｅ＊ｅｌｅ＋ｕｌの全長にわたって、反応に必 要な酸素を供給しうる膜を有する方法の使用を既に提案した。

この型の方法において、本発明による、膜壁と伝導性の多孔性固体との対（ｅｏ ａｐｌｉ　ｐ＊＋ｏｉ−ｍｅｍｂ＋１１ｉｒｅ−＋ｏｌｉｄｅ　ｐｏｒｅｗｘ） を使用することによって、一方では、反応から熱量を抽出し、他方では、壁の温 度を調整しながら酸素注入を制御しうる。

実施例２ 本発明の方法は、気体状態の物質の伝達および熱量の伝達による媒介物の温度調 整を含む、広範囲の化学的方法に利用しうる。　エチルベンゼンをスチレンに脱 水素化する方法は、本発明による方法の使用の別の実施例である。

エチルベンゼンをスチレンに脱水素化する反応は、吸熱性の触媒反応である。変 換を増進させるためには、一方では温度を上昇させ、他方では水素が発生するの に応じてそれを排出するのがよい。

この排出は、水素を選択的に通過させるように細孔の大きさを調節した無機質膜 を使用して実施しうる。

実施される方法において、全く熱量が発生しないならば、反応混合物の温度は急 速に下がる。従って、この低下によって変換全体が制限される。膜状の壁に伝導 性の多孔性固体を結合させることによって、膜状の反応器を等温にすることがで きる。

同時に、膜を介する水素の伝達速度は、その流量が膜の温度でて゛ あるＴに比例する範囲内まｌは制御される。

実施例３ 以下の実施例は、膜による分離方法における、壁の温変調節の利点を示す。約１ ０００人の細孔がｎ−ヘキサデカンで満たされている、アルミナ製の微孔性無機 質膜によって分けられる２室から成る従来の装置において、名目上の操作条件（ ｄｅｓｃｏｎｌｉ＋１ｏｅｓ　ｎｏｍｉｎｔｌｅｓ　ｄｅ　ｆｏｎｅｌｉｏｎｎ ｃｍｅｎｌ）　（２０℃）のもとで、以下の組成容量： 不活性物質（Ｉｎｅ山ｓｌ　：　２．７％、ＣＨ４：９Ｇ、８％、Ｃ２Ｈ６：４ ．９％、Ｃ３Ｈ８：　１．１９％、ｉＣ４ＨＩＯ：　０．２６％、ｎ　Ｃ４Ｈｌ ｏｏ、　１５％ をもつ混合部が処理される。

これらの名目条件における、混合物の成分の、使用した膜に対する透過性（Ｐ） およびメタンに対する選択性を以下の表１成分　Ｐ　（ｎ？、ｍ／ｎ（、ｓ、Ｐ ａ）　選択性ｎ−Ｃ４Ｈ，ｏ９．０　３７．ｓ 同じ操作を、混合物の注入室に、壁に結合されるとともに、温度を　１００℃に 上げるために、壁の加熱を保証し得る熱源にも結合された再圧縮の膨張グラファ イト密度（欠落）の層を装備このような条件の下で得られた結果を以下の表２に 示す。

表　２ 成分　透過性　選択性 これらの条件の下では、重い化合物の透過性の低下に対して、軽い気体の透過性 の十昇（メタ〕／の場合２倍）がろられた。

壁の温度調整によって、透過性が制御され、従って流れ及び選択性も制御されつ る。

実施例４ 図２において、図の例においては平面であり、２つの流体相２４及び２Ｇ（少な くども１っ２４が気体状態である）を分ける不透性の壁２２から成る熱交換器２ ０が示されている。少なくとも気体状の流体２４の側にある壁２２の面２３の上 に、高い熱伝導性をもつ多孔性の固相２８が結合されている。図の例においては 、２つの流体２４と２６とが気体状であり、多孔性の固相２Ｂが壁２２の両面２ ３は、矢印３０と３２とが概略的に示すように、多孔性の固相２８の中を移動す る。

多孔性の固相２８は０．０２〜１．５の密度を持つ、再圧縮した膨張グラファイ トを含む。前記再圧縮した膨張グラファイトが、再圧縮の結果、異方性の熱伝導 性を持つのか好ましい。このようにして、壁２２の表面に垂直なり方向の熱伝導 性は、壁に平行なり２方向の熱伝導性に比べて明らかに重要である。

ガス状流体２４．２６と壁との間の熱伝達係数は、本発明により２００〜３００ 　Ｗ／ゴ／℃の値となった。最適な熱伝達係数を得るためには、異方性の再圧縮 膨張グラフフィトの密度は約０２〜０．４であり、多孔度は０．９〜０．８２で ある。

ある型の熱交換器においては、壁２２は、筒型でありうる。

本発明の方法は、本来、壁に向けて及び／または壁を介Ｐ−熱伝達及び気相の自 由な循環を必要とするあらゆる物理化学的技術に使用しつる。

上記の実施例に加えて、下記の実施例：・換気または液体もしくは気体の通気又 は酸化。

・炭化水素化合物のハロゲン化反応。

・多孔性もしくは半透過性の膜／壁、または温度変化に従う透過性を持つ膜／壁 、つまり選択的透過性を持つ壁、つまりはフィルターを通しての気体の分離。

・気体が温度変化によって補足される容器で混合物を製造するためか、または、 そこに気体を貯蔵するために、与えられた温度で、多孔性の壁を介して気体を分 配／解放するための装置。

を非限定的方法で示しつる。

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. １．操作空間を２つの領域に分ける壁の周囲に、熱及び気体状態の物質を伝達す るための改良方法であって、流れの作用によって気体放流を壁と接触させ、熱源 によって供給される熱を壁に伝達する、高い熱伝導性を持つ多孔性固相が、前記 壁の少なくとも一面に結合されていることを特徴とする改良方法。
2. ２．前記の使用する壁が透過性の壁であって、熱源を備えた領域の方向に向く壁 の面が前記多孔性固相に結合されているため、一方の領域から他方への気体放流 の通過調整が可能であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ３．前記壁が有機質膜であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. ４．前記壁が無機質膜であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. ５．前記壁が不透過性であって、伝導性の多孔性固相が気体放流が移動する領域 の方向に向く壁の上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. ６．前記壁の両面が伝導性の多孔性固相を備えていることを特徴とする請求項５ に記載の方法。
7. ７．前記伝導性の多孔性固相が、少なくとも部分的に再圧縮された膨張グラファ イトから成ることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. ８．前記グラファイトが密度０．００１〜１．５及び熱伝導性０．５〜３０Ｗ／ ｍ／Ｋであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. ９．前記グラファイトが、異方性の熱伝達特性を持つことを特徴とする請求項８ に記載の方法。
10. １０．壁に向けた及び／または壁を介しての物質及び熱の伝達を改良するために 、高い熱伝導性を有する多孔性固相（１２，２８）が結合された壁（１７，２２ ）を含む、壁と伝導材料との対。
11. １１．前記壁２２が不透過性であることを特徴とする請求項１０に記載の対。
12. １２．前記多孔性の固相（２８）が壁（２２）の一面（２３）に結合しているこ とを特徴とする請求項１１に記載の対。
13. １３．前記多孔性の固相（２８）が壁（２２）の二面（２３，２５）に結合して いることを特徴とする請求項１１に記載の対。
14. １４．前記壁が筒状であることを特徴とする請求項１１から１３のいずれか一項 に記載の対。
15. １５．前記壁（１７）が透過性であることを特徴とする請求項１０に記載の対。
16. １６．前記壁（１７）が有機質の膜を含むことを特徴とする請求項１５に記載の 対。
17. １７．前記壁（１７）が無機質の膜を含むことを特徴とする請求項１５に記載の 対。
18. １８．前記壁（１７）が１０〜２０００Åの大きさの細孔を含むことを特徴／４ とする請求項１７に記載の対。
19. １９．前記多孔性の固相が、密度０．００１〜０．０２の膨張グラファイトを含 むことを特徴とする請求項１０から１８のいずれか一項に記載の対。
20. ２０．前記多孔性の固相が０．０２〜１．５の密度を有する、再圧縮された膨張 グラファイトを含むことを特徴とする請求項１０から１８のいずれか一項に記載 の対。
21. ２１．前記膨張のグラファイトが異方性の熱伝達特性を持つことを特徴とする請 求項２０に記載の対。