JP2002500749A - 熱運動が可能な下端平板に吊した管を有する熱交換器及びそのための端部平板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 カーボンブラックの製造用に使用することを意図した管状熱交換器であって、上端壁面から下方管又は管板(18)まで、本質的に円筒形状の室の全体に渡り延在する複数の管(13)を含む、円筒状に閉じた室を含むものである。管は上端壁面に好ましくは溶接で取り付け、管板に吊し、上記管板が補正装置を備えることで、管(13)に発生する熱的に誘起される膨張及び収縮を可能にする。従来技術の手法での場合のように直立させるよりも、上記管(13)を吊すという配置により、管が加熱され、従ってそれ自身の重量を支持できないことによる損傷を避ける。

Description

【発明の詳細な説明】 熱運動が可能な下端平板に吊した管を有する熱交換器及びそのための端部平板 本発明は、管状熱交換器及び管状熱交換器用の管板に関し、特に、管自体を高 温にさらすことと組合わさった、重量を有する相当な長さの鉛直な管の熱交換器 、また相当な応力を受ける管板に関する。この管板は、カーボンブラックの製造 用の管状熱交換器に使用するのに特に適している。 カーボンブラックは、天然ガス又は鉱油の不完全燃焼又は熱分解により製造さ れる、微細に分割した粉末形態の炭素に使用する用語である。製造方法に依存し て、異なる種類のカーボンブラックが生じ、すなわちいわゆるチャネルブラック 、ファーネスブラック及びパイロリシスブラック（サーマルブラックとも呼ばれ る）である。ファーネスブラックは最も重要なカーボンブラックの形態であり、 他の２種類より相当広範に使用される。本発明は特にこの種類のカーボンブラッ クに関連し、本出願においては単に「カーボンブラック」と呼ぶ。 図1Aは、カーボンブラック（すなわちファーネスブラック型）の製造用の従来 型プラントを説明している。流入する燃焼用空気が、管状導管１を通り、管状熱 交換器２の上方部に流れ、そこで、その後油が燃焼器９及び燃焼反応炉３で燃焼 する前に、予備加熱する。このようにして予備加熱した空気は、導管５を経て燃 焼室10に移る。油は管状導管４を経て上記反応炉に添加する。空気量は、油の完 全燃焼に必要な酸素ガスの化学量論量の約50％に対応し、それによりカーボンブ ラックが形成する。反応炉３に水を添加することもで き、それは最終製品の品質に影響する。消費した燃焼空気との浮遊カーボンブラ ック(suspended carbon black)の混合物は、導管６を経て熱交換器の上部から、 通常水冷の冷却器７を通り、従来織物の袋濾過器を備えた濾過設備８へ導かれる 。この濾過設備において、カーボンブラックをガス流れから濾過し、そのガスは その後逆止弁16を通って流出することで、プラント11において更に浄化され、そ の後排気筒12を経て大気に排出される。 従来の熱交換器２の構造は、図1Bにおいてより明確に理解できる。熱交換器は 、複数の貫通した実質的に鉛直な管13を有する管状型のものである。燃焼工程か らのガスはこれらの管の内部を上昇し、それにより入口１を経て流入し、外側の 包被壁14により囲まれる、出口５に向かって下向きに管13の外側を通過する空気 により冷却される。熱伝達を増大するために、入口１を通り流入する空気は、複 数の主として水平の阻流板15を配置することにより、往復運動にかける。これら は、熱交換器の直径の約３／４を横切り延在する平板で作成され、それにより各 々の平板は管13を受ける複数の穴を備えている。入口１での熱交換器管13の温度 は、おそらく約1000℃であり、導管１を通り流入する空気はおそらく約800℃に 加熱される。これらの条件が、熱交換器の材料へ極度に過酷な応力を生じる。最 も高い機械的応力を受ける熱交換器の部分は、温度がおそらく900℃に達してい る、包被及び管板の下方部である。従って、上記温度で約１barの内部圧力、約2 000mmの包被壁の直径、50から150に達する管、加えて約13mの塔の高さにより、 特に管13は全重量を管板に載せているので、管板は格段に大きな応力に耐えなけ ればならないことが容易に理解できる。その上、実際の管13の下方部は、高温と 組合わさってそれ自体の重量により著しい負荷に曝される。管13は、各々の管の 上部に位置する個々の補正装置(compensator devic e)を有し、その機能は、例えば詰まりの結果としての管への熱誘起応力の負荷を 減ずることである。実際の外側の包被壁14についての同様の問題は、先のスウェ ーデン特許出願第9504344-4号により解決し、その内容をここで参照することに より導入する。上記特許出願によると、熱交換器は更なる包被壁を含み、それは 、その両端で開いているように、実質的に円筒で、外側の包被壁の内側に主に同 心に配置し、主に円筒形状の空間が２つの包被壁の間の間隔で形成され、それに より熱交換器の管と接触するようになる前に、入口を通り流入するガスがこの空 間を通過する。時折、管板は曝される著しい負荷に耐えられず、それは非常に高 価な修理費につながっている。 図２に示したような２重の底部の構造により、下方の管板を冷却する試みがな された。この設計において、入口１を通って入る流入空気の一部は、鉛直管17に 導かれ、上部断熱壁19と下部断熱壁20を含むことで、その２つの間に空間（マニ ホールド）21を形成する、２重の管板18に降下する。鉛直管17からの空気はマニ ホールド21に流れ込み、従って、管板を冷却し、その後に空気は排気管22を通り 流出し、熱交換器に戻る。しかしながらこの設計は十分に効果のあるものでない ことが分かり、それは管板を十分に冷却しないためである。従って、スウェーデ ン特許出願第9603739-5号により、マニホールド21を分割壁を使用し複数の流路 に分割し、それにより各々の流路が入口と排出部を備え、複数の熱交換器管が各 々の流路を通過するものを実験した。これにより十分な挙動で底部平板の過度な 温度の問題を解決したが、熱交換器管の下方部は依然非常に高温で、例えば曲が る又はゆがむことが起こりうる。13mの長さの熱交換器管は約100kgの重量になり うることを憶えておくべきである。管は管板上において全重量を有して位置して いるので、管板及び下方 の管の非常に高温の部分は特に著しく負荷がかかる。座屈が引き起こされると、 管への応力が増加し、変形過程が加速する。 本発明の主要な目的は、従って、管の下方部分を大きな負荷から保護した熱交 換器を製造することである。 本発明の第２の目的は、下方管板も大きな負荷から保護することである。 これらの目的及び他の目的は、請求項１の特徴部に従って熱交換器を設計する ことにより、意外なほど簡素な方法でうまく達成された。 限定するためでなく説明するため、以下に本発明を添付図面に関連して更に説 明する。 それらをここで簡単に説明すると、 図1Aは、先に記載したように、カーボンブラック製造用の従来型プラントの模 式図である。 図1Bは、先に記載したように、技術水準による熱交換器を示している。 図２は、先に記載したように、技術水準による熱交換器を示している。 図３は、第１の実施態様における本発明による管板を貫通する熱交換器管を示 している。 図４は、他の実施態様における図３と同一の部分を示している。 図３は、熱交換器管13の下方部がいかに熱交換器の下方領域における２重壁管 又は支持平板を貫通しているかを示している。先に出願されたスウェーデン特許 出願第9504344-4号及び第9603739-5号に従って、熱交換器管13を末端部で管板に 確実に溶接し、それにより、熱膨張又は収縮を可能にするため、管の上部が熱交 換器の上端で環状部(collar)又は補正器中を延びている。この知られている設 計を、ここで管13が下方部分に直立するのに代わり、その上方部から吊すという 方法で、本発明に従って変更した。管をその上方部から吊すために、熱交換器の 上端部（図示せず）、例えば図1B及び／又は図２における手段23に位置する、水 平平板での穴を通過する箇所で、それを単に溶接する。上記図における補正器24 は、簡素な溶接継手に取り替え、それにより管13は管板18から垂れ下がり、それ により管における熱運動(thermal movement)を可能にするように、各々の管13と 管板の間の接合を形成する。 図３において、管板の上部壁19及び下部壁20が存在することが分かる。上部壁 19はセラミック断熱材25及び鉄又は鋼の壁からなる。下部壁は耐火セラミック複 合材27、断熱セラミック複合材28及び鋼壁29からなることができる。耐火セラミ ック材料は27は、管板の下に位置する燃焼室10からの熱の放射から管板を断熱す るために必要である。 管板における空間21は、スウェーデン特許出願第9603739-5号に従って梁(rib) 30により複数の流路に細分できる。このことはしかしながら本発明の重要な特徴 でなく、それは、本発明は管板の負荷を除去するためである。保護管又はいわゆ るはめ輪(ferrule)30は、非常に高温なガスが流入するための管13の下方部に備 わっている。はめ輪の機能は、活性なガス(aggressive gas)が管13と接触するよ うになるのを妨げることと、それに加えて、断熱により管板による熱吸収を制限 することである。例えばセラミック被覆物(blanketing)で作成した中間断熱材31 が、このはめ輪31と管13の間に備わっている。この断熱材31の空間を作るために 、このはめ輪31は両端で広い入口を有する。取付リング42は、一部は管にはめ輪 を取り付け、一部は断熱材31を適所に固定するために、はめ輪の上端に沿って適 所に溶接することができる。はめ輪30を管13に溶接するのを容易 にするために、溶接リング43を管の端面のすぐ隣に備えることができる。その上 、保護筒(sleeve)32を管13の外側に備え、それにより更なる断熱材33、好ましく はセラミック被覆物を上記保護筒32と管13の間に備える。保護筒32は、末端部で 管13に溶接され、その一方、上部においては管13に対して相当簡素に支えられて おり、断熱材はそれにより囲まれている。上部においては、円錐形部分34を保護 筒32の外側に溶接し、上記部分34はその後、保護筒32より直径の大きい円筒部35 で末端となる。保護筒32の半径方向外側、及びそれに実質的に同心の、外側筒37 が存在するのが分かる。この外側筒を上部において上方支持体26の壁に固定し、 その底部端の上方に間隔を開けて下方管板29に溶接する。端部蓋(cap)38を外側 筒の下端に固定する。この端部蓋は複数の外向きに突出する舌状部(flap)を、例 えば合計で３枚有し、それは上向きに外側筒の下端上に折り曲げ、その後外側筒 の外側に溶接し、その一方、そうでなければ端部蓋38は外側筒の下方端に接して 位置するだけである。主にＬ型形状の断面を有するリング状留め具を、外側筒の 下方部分に近接して、その内側に溶接する。固定リング36、保護筒32、外側筒及 び端部蓋38で限定されたリング形状の空間を、１又は２個の密閉リング39a,39b で充填する。これらの密閉リングはセラミック被覆物、セラミックロープなどの ようなもので作成されている。 補正蛇腹40を、保護筒32と外側筒37の間の円筒形空間に備え、それは、保護筒 の円錐形部34と上部円筒形端部35の間の変化領域において上部で気密性に溶接さ れている。末端部において蛇腹を保持リング36に気密性に溶接する。蛇腹は押し 合う又は引き離すことができるので、管13は温度変化により膨張及び収縮するこ とができる。図３に示されている状況において、保護筒32の円筒形端部が上方管 板壁26に対して接している時に、管13は比較的低い温度を示す。図 ４に示されている状況において、保護筒32の円筒形端部が上方管板壁26から離れ ているときに、管13は図３の状況と比較して比較的高温を示す。 熱交換器管を管板から下方に吊したことにより、管自体の重量からの負荷によ り、管が座屈する又は変形する危険が除去される。図３及び４に示した蛇腹の設 計の結果、管は何より異なる温度で自由に膨張及び収縮することができる。管は 大抵13〜15mの長さであり、その膨張及び収縮は非常に意味があり、５cm程度の オーダーであることは容易に理解できることを憶えておくべきである。 付加的な利点もまた本発明の結果達成した。現在知られている管板に直立する 管を有する熱交換器は、座屈及び歪みに対する耐性を改良するために、下方領域 で壁面厚みをより大きくして管を製造することが必要であった。従って例えば13 mの長さの管を、上方の9mを３mmの壁面厚みで、また下方4mを５mmの壁面厚みで 製造した。しかしながらここで記載した発明は、下方のより厚い壁面厚みを不要 にすることができ、従って管をその全長に渡り例えば３mmの壁面厚みで製造する ことができる。 添付した要約書も、全体の記載の一部を構成するものである。

【手続補正書】特許法第１８４条の４第４項 【提出日】平成１０年１０月１２日（１９９８．１０．１２） 【補正内容】 請求の範囲 １．カーボンブラックの製造用に使用する管状熱交換器であって、実質的に円 筒の閉じた容器を含み、前記容器は複数の熱交換器管(13)を囲み、前記管は、上 端又は支持壁と下方管板(18)との間の、実質的に円筒形に形成した空間の全体に 渡り延在しているものであって、それにより前記管が、好ましくは溶接により、 前記上端壁に固定されているものにおいて、前記管を前記管板から垂れ下がるよ うに配置し、前記管板は２重壁であり、かつ空間(21)を囲み、前記空間を通って 冷却媒体が流れることができ、加えて前記管板が金属蛇腹(40)の形態で補正器を 備えることで、前記管(13)の熱誘起の膨張及び収縮を可能にすることを特徴とす る管状熱交換器。 ２．保護筒(32)が各々の管(13)の下方部分を包囲し、外側筒(37)が上記保護筒 (32)の外側に存在し、それにより前記蛇腹(40)が上記筒(32,37)の間の空間に存 在することを特徴とする、請求項１に記載の管状熱交換器。 ３．前記蛇腹(40)が上記筒(32,37)の間の前記空間を通るガスの流れを妨げる 、請求項１又は２に記載の管状熱交換器。 ４．カーボンブラックの製造用に使用する、管状熱交換器用の管板(18)であっ て、上方管板壁(26)、下方管板壁(29)、更にこれらの壁の間に形成された空間(2 1)を含み、前記空間を通って管板熱交換器管(13)が延在するものにおいて、金属 蛇腹(40)の形態の補正器を各々の管の周囲に備えることで、前記管(13)の熱誘起 の膨張及び収縮を可能にすることを特徴とする管板。 ５．保護筒(32)が各々の管(13)の下方部分を包囲し、外側筒(37)が上記保護筒 (32)の外側に存在し、それにより前記蛇腹(40)が上記筒(32,37)の間の空間に存 在する、請求項４に記載の管板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．管状熱交換器、特にカーボンブラックの製造用に使用されるものであって 、実質的に円筒の閉じた容器を含み、前記容器は複数の熱交換器管(13)を囲み、 前記管は、上端又は支持壁と下方管板との間の、実質的に円筒形の形状の空間の 全体に渡り延在しているものにおいて、前記管が前記上端平板に固定され、好ま しくは溶接により固定され、前記管板より吊されているものであって、それによ り前記管板が補正器を備ることで、前記管(13)の熱膨張及び熱収縮を可能にする ことを特徴とする管状熱交換器。 ２．各々の補正器が蛇腹(40)を含む請求項１に記載の管状熱交換器。 ３．前記管板が、２重の壁面であり、かつ冷却媒体の貫通した流れのための空 間(21)を囲んでいる請求項１又は２に記載の管状熱交換器。 ４．保護筒(32)が各々の管(13)の下方部分を包囲し、外側筒(37)が上記保護筒 (32)の外側に存在し、それにより前記蛇腹(40)が上記筒(32,37)の間の空間に存 在する、請求項１から３のいずれか１項に記載の管状熱交換器。 ５．前記蛇腹(40)が上記筒(32,37)の間の前記空間を通るガスの流れを妨げる 、請求項１から４のいずれか１項に記載の管状熱交換器。 ６．管状熱交換器用の管板(18)、特にカーボンブラックの製造用に使用される ものであって、上部管板壁面(26)、下方管板壁面(29)、更にこれらの壁面の間に 形成された空間(21)を含み、前記空間を通って管板熱交換器管(13)が延在するも のにおいて、補正器を各々の管の周囲に備えることで、前記管(13)の熱で誘起さ れる膨張及び 収縮を可能にすることを特徴とする管板。 ７．各々の補正器が金属製の蛇腹(40)を含む請求項６に記載の管板。 ８．保護筒(32)が全ての管(13)の下方部を包囲し、外側筒(37)が上記保護筒(3 2)の外側に存在し、それにより前記蛇腹(40)が上記筒(32,37)の間に存在する、 請求項６又は７に記載の管板。