JP-2026514675-A - プロセス電化のための誘導加熱

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Abstract

導電性媒体と、導電性媒体に隣接する導体とを備えるヒータおよび／または反応器システムが説明される。システムは、電気エネルギーを供給し、導電性媒体のまわりに磁場を作り出すために、導体に結合された電気エネルギー源を備える。システムは、導電性媒体を加熱する渦電流を生成する。ヒータおよび／または反応器システムを備える加熱方法も説明される。

Inventors

ジョン、エイ．ビッケル
ラニヨン、カー

Assignees

シュナイダー、エレクトリック、ユーエスエー、インコーポレイテッド
シュナイダーエレクトリックシステムズユーエスエーインコーポレイテッド

Dates

Publication Date: 20260513
Application Date: 20240322
Priority Date: 20230324

Claims (20)

反応器チューブを加熱する方法であって、前記方法が、１つまたは複数の反応器チューブと、各反応器チューブに隣接し、そこから電気的に絶縁された少なくとも２つの導体と、前記少なくとも２つの導体に結合された電気エネルギー源と、を備える反応器加熱システムを提供することと、前記少なくとも２つの導体の各々に電気エネルギーを供給することであり、前記少なくとも２つの導体に電気エネルギーを供給することが、前記１つまたは複数の反応器チューブに電流を誘導し、前記１つまたは複数の反応器チューブを加熱する、供給することと、前記少なくとも２つの導体に供給される前記電気エネルギーの電流の大きさおよび周波数のうちの少なくとも１つを調節することによって、前記１つまたは複数の反応器チューブの温度を制御することとを備える、方法。
各反応器チューブに隣接する前記少なくとも２つの導体が、各反応器チューブに隣接する少なくとも１つの非重複部分を備える、請求項１に記載の方法。
各反応器チューブに隣接する前記少なくとも２つの導体の各々に供給される前記電気エネルギーの前記電流の大きさおよび前記周波数のうちの少なくとも１つを独立して調節することによって、前記１つまたは複数の反応器チューブの前記温度を制御することをさらに備える、請求項１に記載の方法。
前記電気エネルギーを供給することが、前記１つまたは複数の反応器チューブに渦電流を作り出す磁場を生成する、請求項１に記載の方法。
チューブへの熱侵入深さが、前記電流の大きさ、前記周波数、およびチューブ材料の関数である、請求項１に記載の方法。
少なくとも１つの温度センサを前記１つまたは複数の反応器チューブのうちの少なくとも１つに結合させることと、前記少なくとも１つの温度センサを使用して前記反応器チューブの前記温度を測定することであり、前記１つまたは複数の反応器チューブの前記温度を制御することが、前記測定された温度に応答する、測定することとをさらに備える、請求項１に記載の方法。
前記少なくとも１つの温度センサが、前記１つまたは複数の反応器チューブのうちの少なくとも１つの出口に位置づけられる、請求項６に記載の方法。
各反応器チューブに隣接する前記少なくとも２つの導体がワイヤである、請求項１に記載の方法。
前記１つまたは複数の反応器チューブの各々が、前記反応器チューブのまわりに巻きつけられたワイヤの形態の少なくとも２つの導体を備える、請求項８に記載の方法。
前記１つまたは複数の反応器チューブが、その中に配置された触媒を備え、前記方法が、反応物を前記１つまたは複数の反応器チューブを通過させて、前記反応物を反応させることであり、前記触媒と、前記１つまたは複数の反応器チューブを通過する前記反応物との温度が、前記１つまたは複数の反応器チューブの前記温度を制御することによって制御される、反応させることをさらに備える、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
前記触媒が、固体、液体、または気体触媒である、請求項１０に記載の方法。
前記反応物が、液体、蒸気、気体、またはそれらの組合せである、請求項１０に記載の方法。
前記１つまたは複数の反応器チューブ、前記反応物、および前記触媒の前記温度が、前記電気エネルギー源によって供給される前記電気エネルギーの前記電流の大きさおよび前記周波数のうちの少なくとも１つを調節することによって制御される、請求項１０～１２のいずれか一項に記載の方法。
前記電気エネルギー源が、太陽光、風力、水力発電、または潮力などの、低炭素排出要因を有する少なくとも１つのエネルギー源を含む、請求項１～１３のいずれか一項に記載の方法。
前記１つまたは複数の反応器チューブが鉄材料を備える、請求項１～１４のいずれか一項に記載の方法。
前記１つまたは複数の反応器チューブの各々を、前記反応器加熱システム内の他の導電性構成要素から電気的に絶縁することをさらに備える、請求項１～１５のいずれか一項に記載の方法。
前記反応器加熱システムが、２つ以上の反応器チューブを備え、前記導体の各々に供給される前記電気エネルギーの前記電流の大きさおよび前記周波数のうちの少なくとも１つが、各反応器チューブの前記温度を独立して制御するために独立して調節される、請求項１～１６のいずれか一項に記載の方法。
前記電気エネルギー源が、単相、二相、および三相電源のうちの少なくとも１つを含む、請求項１～１７のいずれか一項に記載の方法。
前記電気エネルギー源が三相電源を含み、前記三相電源の少なくとも１つの相が、前記１つまたは複数の反応器チューブに隣接する前記導体のうちの少なくとも１つに印加されることができる、請求項１８に記載の方法。
反応器チューブを加熱する方法であって、前記方法が、１つまたは複数の反応器チューブと、前記１つまたは複数の反応器チューブに隣接し、そこから電気的に絶縁された１つまたは複数の導体と、前記１つまたは複数の導体に結合された電気エネルギー源と、前記１つまたは複数の反応器チューブのうちの少なくとも１つの出口に結合された少なくとも１つの温度センサと、を備える反応器加熱システムを提供することと、前記１つまたは複数の導体の各々に電気エネルギーを供給することであり、前記導体に電気エネルギーを供給することが、前記１つまたは複数の反応器チューブに電流を誘導し、前記１つまたは複数の反応器チューブを加熱する、供給することと、前記１つまたは複数の導体に供給される前記電気エネルギーの電流の大きさおよび周波数のうちの少なくとも１つを調節することによって、前記１つまたは複数の反応器チューブの温度を制御することであり、前記１つまたは複数の反応器チューブの前記温度を制御することが、前記少なくとも１つの温度センサを使用して測定される温度に応答する、制御することとを備える、方法。

Description

関連出願の相互参照本出願は、２０２３年３月２４日に出願された米国特許仮出願第６３／４５４，５２３号の優先権を主張し、その開示全体が、参照により本明細書に組み込まれる。本開示は、工業プロセス内の導電性媒体のための誘導加熱システムに関する。特定の反応および分離は、反応を促進する、および／または所望の生成物を効率的に生成するために外部熱の存在を必要とする。反応器を加熱する多くのシステムが知られており、例えば、燃焼加熱などがある。燃焼加熱は、一般に、直接燃焼加熱システムまたは間接燃焼加熱システムのいずれかで構成される。燃焼加熱システム（直接または間接のいずれか）では、熱は、一般に、炭化水素の燃焼によって発生される。しかしながら、流体（例えば、反応器内の）または反応器システムに供給される熱が燃焼加熱システムによって供給される場合、問題が存在することがある。例えば、反応器チューブ内に流体を備える触媒反応システムでは、反応器チューブの燃焼加熱は、しばしば、各チューブに沿って不均一な温度勾配をもたらす。チューブに沿った不均一な温度勾配は、早期のチューブ故障につながり、スループット、触媒寿命、および所望の生成物の歩留り／品質に悪影響を与える可能性がある。追加として、多数の反応器チューブが存在する場合、一般に、チューブの間に温度差がある。同じ反応器システム内の反応チューブの間の温度差は、加熱の非効率、最適でないスループット、および所望の生成物の歩留り／品質の変動をもたらす。これらの上述の問題の各々はまた、一般に、直接加熱（例えば、流体の直接加熱）で直面する。例えば、流体を加熱するために燃焼ヒータが使用される場合、一般に、流体に沿って温度差がある。さらに、すべての燃焼ヒータは、典型的な損耗を受け、それは、最終的に、燃焼ヒータのエネルギー効率の低下につながる。燃焼ヒータが、ＣＯ２などの温室効果ガスを排出する炭化水素または他の材料の燃焼を備える場合、燃焼ヒータ・エネルギー効率のこの劣化は、燃焼ヒータから解放される温室効果ガスの増加に関与する。したがって、当技術分野において、熱がより制御可能および効率的な方法で供給される加熱プロセスおよび反応加熱システムを開発することが依然として必要とされている。さらに、当技術分野において、温室効果ガスまたは他の汚染物質の排出が最小化または除去される加熱方法の開発が依然として必要とされている。絶縁されたソレノイド誘電加熱コイル（導体）が外側に巻き付けられた単一の反応器チューブ（導電性媒体）を示す図である。パンケーキ・コイルの構成および電流の流れを示す図である。２つ以上の誘電加熱コイルが同じ反応器チューブを加熱するために使用される構成を示す図である。反応器チュービング（導電性媒体）と、チュービングの外側に巻き付けられた誘導加熱コイル（導体）の単一コイルとの間の相互作用を示す図である。電気的に絶縁された反応チューブを示す図である。チューブの内部にファウラント（汚染物質、ｆｏｕｌａｎｔ）を有する反応器チューブを示す図である。対応する参照文字は、図面の全体を通して対応する部分を示す。電気導体（例えば、銅線）に電流を流すと、導体のまわりに磁場が作り出される。大きい電流の流れは、導体のまわりにより強力な磁場をもたらすことになる。電流の流れの方向が変化すると、磁場の方向も変化する。電流の流れを交番させると（ＡＣシステムなどにおいて）、磁場の方向も交番することになる。導電性媒体に隣接して通電電気導体を配置すると、導電性媒体に局所化電流（すなわち、渦電流）が作り出されることになる。例えば、通電ワイヤを導電性チューブまたはパイプのまわりに巻くと、チューブまたはパイプ内に局所化電流が作り出されることになる。導体に供給される電流が大きいほど、磁場が大きくなり、導電性媒体内の渦電流が増加する。導電性媒体の電気インピーダンスのために、渦電流の流れは、導電性媒体に熱を生成する（すなわち、Ｉ２Ｒ損失のために）ことになる。この形態の加熱は、「ジュール加熱」（すなわち、誘導加熱）と呼ばれる。導電性媒体のインピーダンスは、発生される熱の量に大きく影響を与えることになる。より高い導電性媒体（例えば、銀、アルミニウム、銅、など）は、より低い導電性媒体（例えば、鉄、炭素鋼、ニッケル、など）よりも加熱するのにより大きい渦電流（本質的により大きい磁場）を必要とする。鉄導電性媒体（すなわち、鉄を含む）は、特にＡＣシステムにおいて、磁場の方向変化に起因してヒステリシス損失を示すことがある。ヒステリシス損失は、電流が流れるとき磁化と消磁を受けるシステムに存在する現象である。例えば、電流（すなわち、磁化力）が増加すると、導電性媒体の磁束が増加する。しかしながら、電流が減少すると、磁束は、より遅い速度で減少する。この現象がヒステリシス損失をもたらす。ヒステリシス損失の式は、以下の通りであり、Ｐｂ＝η＊Ｂｍａｘｎ＊ｆ＊Ｖここで、Ｐｂ＝ヒステリシス損失（Ｗ）、η＝材料に依存するシュタインメッツ・ヒステリシス係数（Ｊ／ｍ３）、Ｂｍａｘ＝最大磁束密度（Ｗｂ／ｍ２）、ｎ＝シュタインメッツ指数、ｆ＝磁化反転の周波数／秒（Ｈｚ）、およびＶ＝磁性材料の体積（ｍ３）である。ヒステリシス損失は、ジュール加熱よりも少ない熱に関与することがあるが、依然として、導電性媒体の加熱に関与することになる。非鉄金属導電性媒体は、ヒステリシス損失から熱を作り出さない。導電性媒体の表面が加熱されるとき、熱は、導電性媒体を通して局所的に伝導／移送され、特定の実施形態では、導電性媒体の内容物を加熱する。導電性材料全体に沿って所望の温度を達成するために、ある程度の「ソーク時間」が必要とされることがある。必要とされるソーク時間は、導電性媒体の構成材料、厚さ、および／または直径、磁場の周波数、導電性媒体からの熱損失（例えば、放射熱損失）、導電性媒体の幾何学的形状、磁場への導電性媒体の近接性、導電性媒体のインピーダンス、などに依存することになる。導電性媒体の表面が導電性媒体の内容物（例えば、パイプの内容物）を加熱する目的で加熱される実施形態では、内容物（例えば、パイプ内の流体および／または触媒）の識別性および特性がまた、必要とされる「ソーク時間」に影響を与えることがある。本明細書において、パイプ、チューブ、または反応器チューブである導電性媒体についての議論が対象であるが、説明されるプロセスおよび構成は、一般にヒータ・システム（例えば、一般に流体を加熱する）に等しく適用可能であることを理解されたい。すなわち、説明されるプロセスおよび構成はまた、流体を加熱することを対象とすることができ、流体は、導電性媒体の内部に含まれるか、または導電性媒体に接触するが、反応器システムまたは反応器チューブには存在しない。本開示の特定の実施形態は、一般に、導電性媒体を加熱する方法を対象とする。例えば、反応器チューブの加熱。特定の実施形態では、この方法は、反応器チューブ（すなわち、導電性媒体）、反応器チューブに隣接する導体、および導体に結合された電気エネルギー源を備える反応器システムを提供することを備えることができる。電気エネルギーが導体に供給され、それが、反応器チューブに電流を誘導し、反応器チューブを加熱する。いくつかの実施形態では、電気エネルギーは、反応器チューブおよびその内容物を加熱するために供給されることができる。反応器チューブおよび／またはその内容物の温度は、導体に供給される電気エネルギーを調節することによって制御されることができる。例えば、所望の温度を達成するために、導体に供給される電気エネルギーの電流の大きさまたは周波数を制御する。本明細書では、導電性媒体（例えば、反応器チューブ）の温度を制御または調節することについての議論が対象であるが、本明細書に記載の加熱のシステムおよび方法は、導電性媒体の内容物（例えば、反応器チューブ内の流体）の加熱に等しく適用可能であることが理解されるであろう。特定の実施形態では、導電性媒体は、チューブ形、円筒形、長方形、楕円形、円形、五角形、六角形、八角形、またはそれらの組合せからなる群から選択される形状のものである。加熱されることが望まれる導電性材料の他の形状がさらに使用されてもよい。１つの実施形態では、導電性媒体は、鉄、炭素鋼または炭素鋼合金、ステンレス鋼、クロム、モリブデン、シリコン、バナジウム、ニッケルまたはニッケル合金、チタン、ニオビウム、ニッケル合金、またはそれらの組合せからなる群から選択される材料を備える。例えば、特定の実施形態では、導電性媒体は、炭素鋼、炭素－（１／２）Ｍｏ、１（１／４）Ｃｒ－（１／２）Ｍｏ、２（１／４）Ｃｒ－１Ｍｏ、３Ｃｒ－１Ｍｏ、５Ｃｒ－（１／２）Ｍｏ、５Ｃｒ－（１／２）Ｍｏ－Ｓｉ、９Ｃｒ－１Ｍｏ、９Ｃｒ－１Ｍｏ－Ｖ、１８Ｃｒ－８Ｎｉ、１６Ｃｒ－１２Ｎｉ－２Ｍｏ、１８Ｃｒ－１０Ｎｉ－３Ｍｏ、１８Ｃｒ－１０Ｎｉ－Ｔｉ、１８Ｃｒ－１０Ｎｉ－Ｎｂ、ニッケル合金８００Ｈ／８００ＨＴ（例えば、ＡＳＴＭ＃５の最小粒子サイズ、またはより粗い）、２５Ｃｒ－２０Ｎｉ、またはそれらの組合せからなる群から選択される材料を備える。他の実施形態では、導電性媒体は、ＡＳＴＭＡ１９２、ＡＳＴＭＡ２１０ＧｒＡ－１、ＡＳＴＭＡ２０９ＧｒＴ１、ＡＳＴＭＡ２１３ＧｒＴ１１、ＡＳＴＭＡ２１３ＧｒＴ２２、ＡＳＴＭＡ２１３ＧｒＴ２１、ＡＳＴＭＡ２１３ＧｒＴ５、ＡＳＴＭＡ２１３ＧｒＴ５ｂ、ＡＳＴＭＡ２１３ＧｒＴ９、ＡＳＴＭＡ２１３Ｔ９１、ＡＳＴＭ２１３ＡＳＴＭＴＰ３０４、ＡＳＴＭＡ２１３ＴＰ３０４Ｈ、ＡＳＴＭＡ２１３ＴＰ３０４Ｌ、ＡＳＴＭＡ２１３ＴＰ３１６、ＡＳＴＭＡ２１３ＴＰ３１６Ｈ、ＡＳＴＭＡ２１３ＴＰ３１６Ｌ、ＡＳＴＭＡ２１３ＴＰ３１７、ＡＳＴＭＡ２１３ＴＰ３１７Ｌ、ＡＳＴＭＡ２１３ＴＰ３２１、ＡＳＴＭＡ２１３ＴＰ３２１Ｈ、ＡＳＴＭＡ２１３ＴＰ３４７、ＡＳＴＭＡ２１３ＴＰ３４７Ｈ、ＡＳＴＭＢ４０７、ＡＳＴＭＡ２１３ＴＰ３１０Ｈ、またはそれらの組合せから選択される材料を備える。いくつかの実施形態では、導電性媒体は、約１５ｍｍ以下、約１４ｍｍ以下、約１３ｍｍ以下、約１２ｍｍ以下、約１０ｍｍ以下、約９ｍｍ以下、約８ｍｍ以下、約７ｍｍ以下、約６ｍｍ以下、約５ｍｍ以下、約４ｍｍ以下、約３ｍｍ以下、約２ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、約０．５ｍｍ以下、約０．４ｍｍ以下、約０．３ｍｍ以下、約０．２ｍｍ以下、または約０．１ｍｍ以下の厚さを有する。例えば、約２ｍｍと約１５ｍｍとの間、約３ｍｍと約１５ｍｍの間、約４ｍｍと約１５ｍｍの間、約５ｍｍと約１５ｍｍの間、約５ｍｍと約１４ｍｍの間、約５ｍｍと約１３ｍｍの間、約５ｍｍと約１２ｍｍの間、約６ｍｍと約１２ｍｍの間、約６ｍｍと約１１ｍｍの間、または約６ｍｍと約１０ｍｍの間。他の実施形態では、導電性媒体は、約５ｍｍ以下、約４ｍｍ以下、約３ｍｍ以下、約２ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、または約０．５ｍｍ以下の外径を有する。例えば、約５ｍｍと約０．５ｍｍの間、約４ｍｍと約０．５ｍｍの間、約３ｍｍと約０．５ｍｍの間、約２ｍｍと約０．５ｍｍの間、または約１ｍｍと約０．５ｍｍの間。電気導体（すなわち、「導体」）は、電気が導体を通過するときに磁場が作り出される任意の導体とすることができる。例えば、電気導体は、ワイヤ、ケーブル、電極の形態、または任意の他の適切な形態のもとすることができる。特定の実施形態では、電気導体は、銅、銀、金、アルミニウム、鋼、また