JP2009506296A - チューブ式熱交換器内の付着物を減少させるためのデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、流体が通過するチューブ（１）内の付着物を減少させるためのデバイスに関する。本発明のデバイスは、可動性回転部材（３）と、チューブ（１）の上流側端部に強固に連結できる軸受形成固定部材（２）とを備えている。更に、固定部材（２）に連結された可動性部材（３）は、上流側トラニオン形成部分（４）及び下流側乱流生成部分（５）を含む。乱流生成部分（５）は、チューブ（１）内の流体の流れによって回転されるような形状となっている。上流側トラニオン形成部分（４）及び下流側乱流生成部分（５）は、全長にわたって変形可能な細長い可撓性コネクタ（６）によって互いに連結されている。

Description

本発明は、流体が流れるチューブ内、より詳細には熱交換器のチューブ内の付着物を減少させるための、回転乱流生成部材を備えたタイプの新規なデバイスに関する。このデバイスは、特に、石油産業又は石油化学産業で使用される。

２０数年にわたり、例えば、懸濁液中の不純物による付着物、流体に溶解した無機塩が付着することによる付着物、熱分解プロセスでコーク（ｃｏｋｅ）が形成されることによる付着物、又は溶解性の硫黄含有種による炭化水素の付着物が起らないようにする目的で、熱交換器のチューブ内で自由に回転するように設置されたデバイスが知られている。前記不純物又は前記コークは、所定の温度条件及び圧力条件で、流体を搬送するラインの内壁に付着することにより流れに対する障害物を形成する傾向がある。こうした障害物は、下流側で行われるプロセスにとって有害であり、又は、更に重大なことには、チューブの内面で発生するホットスポットにより、その金属構造体が損傷し、これにより製品の漏れを生じさせる場合がある。

このようなデバイスは、例えば、本出願人が出願した欧州特許出願ＥＰ ０ １７４ ２５４号、欧州特許出願ＥＰ ０ ２３３ ０９２号、フランス国特許出願ＦＲ ２ ６３７ ６５９号、欧州特許出願ＥＰ ０ ２８２ ４０６号、欧州特許出願ＥＰ ０ ３６９ ８５１号、及び欧州特許出願ＥＰ １ ２２７ ２９２号に記載されている。これらは、流体の流れの作用で自由に回転するようにチューブの上流側端部に固定された、概して螺旋形状の可動性部材を共通して備えている。上述の文献に記載のデバイスでは、可動性部材の寸法及びチューブの内部の寸法は、チューブ及び／又は可動性部材の使用寿命に有害な影響を及ぼさないように、可動性部材がチューブの内壁を連続的に引っ掻くことがないように定められる。流体の乱流の増大により、主としてチューブ内の付着物を減少させる効果が得られる。流体の乱流は、熱均等化効果により、及び壁の近くの高い剪断作用により、ホットスポットが形成されないようにするとともに、付着物が形成されないようにする。剪断作用は、前記壁に緩く付着した付着物の除去に役立つ。

欧州特許出願ＥＰ ０ ３６９ ８５１号では、本出願人は、断面において、特にチューブの内面を引っ掻くように形成された少なくとも一つの先の尖った縁部を含む可動性部材を更に詳細に説明している。
欧州特許出願ＥＰ ０ １７４ ２５４号 欧州特許出願ＥＰ ０ ２３３ ０９２号 フランス国特許第ＦＲ ２ ６３７ ６５９号 欧州特許出願ＥＰ ０ ２８２ ４０６号 欧州特許出願ＥＰ ０ ３６９ ８５１号 欧州特許出願ＥＰ １ ２２７ ２９２号

従来技術のデバイスの唯一の弱点は、これらのデバイスの取り付けシステムであり、更に詳細には、デバイスをチューブの上流側端部に取り付けるのに役立つ固定部分に可動性部材を保持するトラニオンである。実際、数ｍの長さを持ち、流体により回転される可動性部材は、トラニオンよりも数倍大きく且つ重量があり、これによりトラニオンに大きな引張力を及ぼす。この引張力は、約５００ｒｐｍ乃至２０００ｒｐｍの範囲内の高い回転速度とあいまって、取り付けシステムに高い摩擦を加え、これにより可動部分を急速に磨耗させる。

今日では、製油所の熱交換器で使用される取り付けシステムの使用寿命は、１２カ月乃至３６カ月の範囲内である。この期間を延ばすのが望ましいということは明らかである。これは、これらのシステムの交換には、作動中の設備を完全に停止させなければならず、また、費用が自動的に発生し、オペレータの収入が失われるためである。

従って、本出願人は、流体を搬送するチューブに回転可動性部材を取り付けるための公知のシステムを形成する金属製部分の磨耗の問題を良好に理解し、解決することを目的として調査を行ってきた。こうした調査により、磨耗作用が、トラニオンのところで、詳細には、前記トラニオンが、軸受又は任意に設けられた摩擦ワッシャーの先の尖った縁部と摩擦接触している場所で、最も強く起こっていることが観察された。この磨耗特性は、流体により回転される、概して外径がチューブの内径よりも小さい可動性部材がトラニオンをその回転軸線から無理に移動させ、強制的に回転錐面パターンをなして回転することによって生じる。

本出願人は、また、螺旋の第１の一つ又は幾つかの巻回部が、これらの巻回部の外径がチューブの内径よりも小さく、原則的にはチューブ壁との摩擦が起るはずがないにも関わらず、磨耗するということを発見した。

本出願人は、従って、公知の洗浄デバイスの可動性部材を支持する取り付けシステムの使用寿命を大幅に延ばすため、上文中に説明した摩擦及び磨耗をできるだけ減少させることに全力を注いだ。この目的は、可動性部材のトラニオンを、チューブの一部に沿って延びる、流体の流れによって回転される、概して螺旋状の部分に連結する、可撓性コネクタを備えた取り付けシステムによって達成される。

従って、本発明の目的は、流体が通過するチューブ内の付着物を減少させるための、少なくとも一つの乱流生成部材を備えたタイプのデバイスであって、可動性回転部材と、チューブの上流側端部に強固に連結するのに適した軸受形成固定部材とを含むデバイスにおいて、
固定部材に連結された可動性部材は、上流側トラニオン形成部分と、チューブ内を流れる流体によって回転されるような形状の下流側乱流生成部分とを含み、
上流側部分及び下流側部分は、全長にわたって変形可能な細長い可撓性コネクタによって互いに連結されている、ことを特徴とするデバイスを提供することである。

本発明の文脈において、「可撓性」コネクタは、概して、「破壊や劣化が生じることなく、容易に曲げたり元に戻したりすることができる」コネクタを意味する（Ｌｅ Ｎｏｕｖｅａｕ Ｐｅｔｉｔ Ｒｏｂｅｒｔの２０００年６月版を参照されたい）。これは、「弾性であり、曲げることができ、加工可能である」という意味を持つ。

本発明の更なる主題は、流体が通過する複数のチューブを備えた熱交換器において、付着物減少デバイスが、前記チューブのうちの少なくとも一つの上流側端部に固定されている、ことを特徴とする熱交換器である。

トラニオンと、流体により回転される螺旋状部分との間の可撓性コネクタにより、これらの二つの部分を或る程度「分離」できる。これらは、明らかに、たいていの場合互いに同じ速度で回転するけれども、従来では螺旋状部分がトラニオンの下流側端部に及ぼしていた無理に外そうとする力が大幅に減少する。これは、コネクタの全長によってこの力が減衰するためである。本発明による可撓性コネクタ取り付けシステムでは、トラニオンが描く回転錐面を最小に減少させるか或いは全くなくし、トラニオンはチューブの幾何学的軸線と実質的に平行に回転する。

本発明で使用される可撓性コネクタは、デバイスの作動条件において十分な耐薬品性及び機械的強度を持つ場合には、任意の材料から形成されていてもよい。可撓性コネクタは、好ましくは金属製であり、好ましくは鋼製であり、とりわけステンレス鋼製であり、あるいは、プラスチック、炭素線維、合成繊維、エラストマー製であり、あるいは、これらの材料のうちの複数の材料の組み合わせを含む複合材料製である。

可撓性コネクタは、例えば、編まれた又はねじられた紐で形成されたケーブル、組み合わせリングで形成された鎖、又は場合によっては互いにヒンジ止めした一連のリングで形成されたリング状チューブであってもよい。

可撓性カップリングが、編まれた又はねじられたケーブルのタイプである場合には、好ましくは、１本乃至１００本の範囲内、好ましくは１本乃至５０本の範囲内の複数の紐を有している。

長さが１０ｍの可動性部材について、可撓性コネクタの長さは、１ｃｍ乃至５ｃｍの範囲内であることが好ましく、より好ましくは２ｃｍ乃至４ｃｍの範囲内である。可撓性コネクタの直径は、２ｍｍ乃至１０ｍｍの範囲内であり、好ましくは４ｍｍ乃至８ｍｍの範囲内である。

前記可撓性コネクタは、トラニオンの下流側端部と回転部分の上流側端部との間に固定される。これらの二つの部分への連結は、それ自体公知の技術によって、例えば溶接、クランプ止め又はねじ止め、又は場合によっては接着剤結合によって形成できる。

回転部分は、原則では、チューブを通って流れる流体をそのチューブの軸線を中心として回転させることができる任意の適切な非対称な形状を有する。最小の圧力降下で最大の乱流を生成する最も効率的な形状は螺旋である。従って、冒頭に記載した種類のほぼ全てのデバイスで螺旋が使用される。螺旋は、本発明にとっても好ましい。

この螺旋は、チューブの内壁を連続的に引っ掻くことがないようにするため、外径がチューブの内径よりも小さくなければならない。それにも関わらず、螺旋の外径は、乱流を生成することに加え、チューブ壁に緩くくっついた付着物又は粒子を取り除くのに十分な剪断力を発生させる上で十分にチューブ内径と近接していなければならない。チューブの内径に対する螺旋の外径の比が、０．５乃至０．９の範囲内であり、好ましくは０．６乃至０．８の範囲内であるシステムで、概して、満足のいく乱流及び剪断の効果が得られる。

螺旋の最初の巻回部又は最初の幾つかの巻回部を除いて、上述の範囲内にある比は、チューブと螺旋との間で、そのほぼ全長にわたって摩擦接触が起こらないようにする上で十分に低いということがわかった。上述のように、本出願人は、実際には、チューブの内径に対する螺旋の外径の比が上述の範囲内にある場合、少なくとも螺旋の最初の巻回部、場合によってはこれに続く２、３の巻回部が摩擦により僅かに磨耗するということを発見した。この作用は、本願で説明した可撓性コネクタ取り付けシステムでは小さいけれども、それにも関わらず、本発明によるデバイスの特定の作動条件において生じる。この問題点は、螺旋の第１の巻回部又は最初の幾つかの巻回部の外径が、螺旋の他の巻回部の外径よりも小さい螺旋を使用することにより解決された。

直径が減少した「第１」巻回部の数は、螺旋の全ての巻回部のうちの１％乃至５％を越えない。これらの巻回部に関し、チューブの内径に対するこれらの巻回部の外径の比は、０．１乃至０．６の範囲内であり、好ましくは０．２乃至０．６の範囲内である。複数の巻回部に関し、これらの巻回部の外径は、上流側から下流側まで徐々に増大することが好ましい。

トラニオンを受け入れて支持するように設計された軸受形成固定部材は、熱交換器チューブの端部に対する取り付けの丈夫さを確保すること及び流体流れに対する障害を最小にすることの二つの機能を果たす限り、様々な形状を備えていてもよい。軸受形成固定部材は、好ましくはカップ状ヨークの形状を有しており、このカップ状ヨークは、可動性部材のトラニオンを受け入れるオリフィスがドリル穿孔によって形成された中央部分と、チューブの上流側端部に固定するのに適した形状を持つ互いに対称な二つの枝部とを含んでいる。軸受形成部分のこのヨーク形状は公知であり、例えば、本出願人が出願した、欧州特許出願ＥＰ ０ ２３３ ０９２号、欧州特許出願ＥＰ ０ ２８２ ４０６号、及び欧州特許出願ＥＰ ０ ３６９ ８５１号に記載されている。例えば、欧州特許出願ＥＰ ０ ２３３ ０９２号に記載されているように、チューブの端部を閉じるのに適した中空円筒体を端部が形成するカップ状ヨークであってもよく、又は、好ましくは、堅いが弾性である材料でヨークを形成し、二つの枝部の端部をチューブの上流側端部に強制的に係合させてチューブの内壁に弾性的に当接させてもよい。しかしながら、本発明は、軸受形成部分をチューブの上流側端部にしっかりと接合するのに適した任意の他のシステムを含む。

本発明によるデバイスの特定の実施形態において、トラニオンは、その上流側端部に設けられた第１ストップによって、軸受のオリフィスに保持され、このオリフィスに連結される。チューブ状の第２ストップが、可動性部材のトラニオンを受け入れるのに適したオリフィスの延長部分において、ヨークの中央部分に設けられている。軸受に接合されたこの第２ストップは、トラニオンを可動性部材の回転軸線に維持する機能を果たし、従って、好ましくは、比較的長くなっている。チューブを通過する流体によって可動性部材を回転させたとき、トラニオンに接合された第１ストップが、固定部材に接合されたチューブ状の第２ストップと摩擦接触する。

本発明のデバイスの好ましい実施形態では、第１ストップと第２ストップとの間に一つ又はそれ以上の摩擦ワッシャーが設けられている。この摩擦ワッシャーはフリーとなっており、可動性部材にも固定部材にも接合されていない。摩擦ワッシャーは、好ましくは、第１及び第２のストップとは異なる材料から形成されており、又は硬度が異なる材料から形成されており、場合によっては摩擦係数が非常に低い抗摩擦タイプであり、第１及び第２のストップの材料よりも全体的に軟質の材料から形成される。このような材料の例として、鋼、特に熱処理を施した鋼、銅合金、セラミック、及びグラファイトが挙げられる。

例えば、欧州特許出願ＥＰ ０ ２３３ ０９２号、欧州特許出願ＥＰ ２ ６３７ ６５９号、及び欧州特許出願ＥＰ ０ ２８２ ４０６号から公知の摩擦ワッシャーは、平らなまたはストップの摩擦面と適合する摩擦面を有する。摩擦ワッシャー及び／又はチューブ状ストップの特定の形状を採用することにより、接触面を最小に減少することが好ましい。

本発明を、添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明による付着物減少デバイスを示し、可動性部分３及び固定部分２がチューブ１の上流側端部に固定されている。本願にわたって、「上流側」及び「下流側」という用語は、矢印Ｂが示す、チューブ１を通過する流体の流れ方向に関して定義される。デバイスの固定部分２はヨーク形状を有し、この固定部分２は、中央にオリフィスを穿孔したプレート７と、原則としてチューブ軸線に関して互いに対称な二つの枝部８とを有している。これらの枝部８の端部は、チューブの内壁に当接する。固定部分は、更に、プレート７に接合されたチューブ状ストップ１０を含む。このストップ１０のチャンネルはプレートのオリフィスと位置合わせされており、このオリフィスとともに比較的長い一つのチャンネルを形成する。このチャンネルは、主として、トラニオン４を可動性部材３の回転軸線に維持する機能を果たす。可動性部材３は、固定部品２に自由に回転するように取り付けられている。前記可動性部材は、その上流側端部から、ストップ９、このストップ９に接合されたトラニオン４、ステンレス鋼製のケーブルから製造された可撓性コネクタ６、及び最後に、流体の流れによって矢印Ａの方向に回転する螺旋状部品５を含む。螺旋の巻回部は大きさが全て同じではなく、最初の二つの巻回部の外径は、それに続く巻回部よりも小さい。更に、トラニオンに接合されたストップ９と、ヨークに接合されたストップ１０との間に摩擦ワッシャー１１が設けられる。

図２は、本発明によるデバイスの上流側部分の拡大図である。図１との相違は、金属製トラニオン４の代りに可撓性コネクタ６の延長部分を使用することである。この場合、延長部分は上流側端部がストップ９に接合されている。上文中に説明した、摩擦ワッシャー１１及びストップ１０の全ての可能な形態が、本発明のこの特定の態様に適用されることは明らかであろう。

次に、本発明を以下の例示的な実施形態を用いて説明する。

実施例
本発明によるデバイスの有効性を試験するため、本出願人は、欧州特許出願ＥＰ １ ２２７ ２９２号の例による熱交換器の作動条件を使用した。

これらの条件は以下の通りである。

無機塩がストリップされていない（脱塩が行われていない）軽質アラビア原油を、蒸留残液を使用して２６０℃まで加熱するのに使用される、製油所の熱交換器を用いる。

熱交換器のチューブの内径は２０．２ｍｍである。

チューブの長さは６１００ｍｍである。

本発明による付着物減少デバイスを、５６４本のチューブの各々に設置した。付着物減少デバイスの可動性部材は、直径が１．２ｍｍであり、ニッケルを６４．９％、モリブデンを８．７５％、及び鉄を２６．３５％含有する合金で形成されている。使用される可撓性コネクタは、ステンレス鋼製の５０本の紐を可動性部材の回転方向にねじったケーブルである。可撓性コネクタの長さは１．５ｃｍであり、その直径は５ｍｍである。チューブの内径に対する、乱流生成部材の巻回部の外径の比は０．６５である。最初の三つの巻回部の直径は、残りの巻回部の直径よりも小さい。チューブの内径に対する、これらの最初の三つの巻回部の直径の比は０．２乃至０．５の範囲内の大きさである。

以上の条件で、９９％よりも多い付着物減少デバイスの使用寿命を二年から四年に延長できる。従って、付着物減少デバイスの取り付けシステムの使用寿命が大幅に延びる。更に、摩擦によるチューブ内壁の磨耗の痕跡は、従来技術の付着物減少デバイスにおいて記録されたものよりも大幅に少なかった。最初の巻回部は、その外側部分に磨耗の痕跡を実際上全く残さなかった。

本発明による洗浄デバイスが上流側端部に固定されたチューブの長さ方向における断面図である。 可動性部材をチューブに取り付けるためのデバイスの特定の実施形態の図である。

Claims (13)

1. 流体が通過するチューブ（１）内の付着物を減少させるための、少なくとも一つの乱流生成部材を備えたタイプのデバイスであって、可動性回転部材（３）と、前記チューブ（１）の上流側端部に強固に連結するのに適した軸受形成固定部材（２）とを含むデバイスにおいて、
   前記固定部材（２）に連結された前記可動性部材（３）は、上流側トラニオン形成部分（４）と、前記チューブ（１）内を流れる流体によって回転されるような形状の下流側乱流生成部分（５）とを含み、
   前記上流側部分（４）及び前記下流側部分（５）は、全長にわたって変形可能な細長い可撓性コネクタ（６）によって互いに連結されている、ことを特徴とするデバイス。
2. 請求項１に記載のデバイスにおいて、
   前記可撓性コネクタ（６）は、編まれた又はねじられた紐でできたケーブル、鎖、又はリング状チューブである、ことを特徴とするデバイス。
3. 請求項２に記載のデバイスにおいて、
   前記可撓性コネクタ（６）は金属製であり、好ましくは鋼製であり、とりわけステンレス鋼製であり、あるいは、プラスチック、炭素線維、合成繊維、エラストマー製であり、あるいは、これらの材料のうちの複数の材料の組み合わせを含む複合材料製である、ことを特徴とするデバイス。
4. 請求項２に記載のデバイスにおいて、
   前記ケーブルは、１本乃至１００本の範囲内、好ましくは１本乃至５０本の範囲内の複数の紐を含む、ことを特徴とするデバイス。
5. 請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載のデバイスにおいて、
   前記可撓性コネクタ（６）の長さは１ｃｍ乃至５ｃｍの範囲内であり、好ましくは２ｃｍ乃至４ｃｍの範囲内である、ことを特徴とするデバイス。
6. 請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載のデバイスにおいて、
   前記可撓性コネクタの直径は２ｍｍ乃至１０ｍｍの範囲内であり、好ましくは４ｍｍ乃至８ｍｍの範囲内である、ことを特徴とするデバイス。
7. 請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載のデバイスにおいて、
   前記下流側乱流生成部分（５）は螺旋形状である、ことを特徴とするデバイス。
8. 請求項７に記載のデバイスにおいて、
   前記チューブの内径に対する前記螺旋の外径の比は、０．５乃至０．９の範囲内であり、好ましくは０．６乃至０．８の範囲内である、ことを特徴とするデバイス。
9. 請求項７又は８に記載のデバイスにおいて、
   前記螺旋の第１の巻回部又は最初の幾つかの巻回部の外径は、前記螺旋の他の巻回部の外径よりも小さい、ことを特徴とするデバイス。
10. 請求項９に記載のデバイスにおいて、
    前記チューブの内径に対する、前記第１の巻回部又は最初の幾つかの巻回部の外径の比は、０．１乃至０．６の範囲内であり、好ましくは０．２乃至０．６の範囲内である、ことを特徴とするデバイス。
11. 請求項１乃至１０のうちのいずれか一項に記載のデバイスにおいて、
    前記軸受形成固定部材（２）はカップ状ヨークであり、このカップ状ヨークは、前記可動性部材（３）の前記トラニオン（４）を受け入れるためのオリフィスをドリルで穿孔した中央部分（７）と、前記チューブ（１）の前記上流側端部に固定するのに適した形状を持つ互いに対称な二つの枝部（８）とを含む、ことを特徴とするデバイス。
12. 請求項１１に記載のデバイスにおいて、
    前記トラニオン（４）の端部に、第１ストップ（９）が設けられており、前記可動性部材の前記トラニオンを受け入れるのに適した前記オリフィスの延長部分における、前記ヨークの前記中央部分（７）に、チューブ状第２ストップ（１０）が設けられており、前記第２ストップは前記トラニオンを維持するためのチャンネルを形成するように設けられている、ことを特徴とするデバイス。
13. 流体が通過する複数のチューブ（１）を備えた熱交換器において、
    請求項１乃至１０のうちのいずれか一項に記載の付着物減少デバイスが、前記チューブのうちの少なくとも一つの上流側端部に固定されている、ことを特徴とする熱交換器。

Images