JP2020176830A - 反応ガスを急冷するための熱交換器 - Google Patents

反応ガスを急冷するための熱交換器 Download PDF

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Abstract

【解決手段】反応ガスを急冷するための熱交換器は、− 内側管状壁及び外側管状壁を有する冷却可能な二重壁管であって、内側管状壁は、急冷する反応ガスを搬送すべく構成されており、内側管状壁及び外側管状壁によって画定される空間が冷媒を搬送すべく構成されている二重壁管と、− 耐火性充填材料が充填された中間空間を画定する外側壁部分及び内側壁部分を含み、二又に分かれている長手断面を有する管状連結部材であって、管状連結部材の合流端部が、冷却不可能な反応ガスを搬送するパイプと連結して配置されており、外側壁部分は、冷却可能な二重壁管の外側管状壁と連結されており、内側壁部分と冷却可能な二重壁管の内側管状壁との間に軸方向の間隙が残されている管状連結部材とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、反応ガスを急冷するための熱交換器に関する。
このような装置が一般に知られており、例えばエチレン製造プラントの分解炉に見出される場合があり、分解炉では二次反応を回避するために、この装置を使用して分解ガスを迅速に冷却する。反応ガスを急冷するための熱交換器は一般に、
− 内側管状壁及び外側管状壁を有する冷却可能な二重壁管であって、前記内側管状壁は、急冷する前記反応ガスを搬送すべく構成されており、前記内側管状壁及び前記外側管状壁によって画定される空間が冷媒を搬送すべく構成されている二重壁管と、
− 耐火性充填材料が充填された中間空間を画定する外側壁部分及び内側壁部分を含み、二又に分かれている長手断面を有する管状連結部材であって、前記管状連結部材の合流端部が、冷却不可能な反応ガスを搬送するパイプと連結して配置されており、前記外側壁部分は、冷却可能な前記二重壁管の前記外側管状壁と連結されており、前記内側壁部分と冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁との間に軸方向の間隙が残されている管状連結部材と、
− 前記内側壁部分と冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁との間の前記軸方向の間隙を密閉すべく構成されている密閉部材と
を備えている。
このような熱交換器の例が、例えば米国特許第5732981 号明細書の文献に見出されることができ、この文献は、高温の非冷却パイプと冷却パイプとの間のジョイントを開示しており、非冷却パイプの端部は断面で二又に分かれており、その間に可撓性要素、例えばＯリングを有しており、冷却パイプの表面及び非冷却パイプの内部の表面に密に載置されている。しかしながら、この先行技術の装置の不利点は、前記管状連結部材の内側壁部分が高温の反応ガスの通過により軸方向に膨張するとき、密閉部材が押しつぶされる場合があるので、密閉部材が破損する場合があるということである。適切に密閉されなければ、高温の反応ガスは、このように同様に破損する場合がある耐火性充填材料が充填された中間空間に漏れる場合がある。
米国特許出願公開第2010／0319888 号明細書には、反応ガスを冷却するための先行技術の熱交換器の別の例が開示されている。密閉部材を更に保護しようとして、管状連結部材の内側から密閉部材にこれ以上到達することができず、一定期間後に前記密閉部材の交換が必要であることが判明した場合、例えば摩耗の場合、前記密閉部材の交換が著しく複雑になる。
これらの先行技術の熱交換器の別の問題は、前記耐火性充填材料が、前記管状連結部材の内側壁部分と外側壁部分との熱膨張差により破損するか、又は押しつぶされる場合があるということである。
更なる問題として、冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁及び前記外側管状壁によって画定される空間に冷媒が効率的に流れないということがある。
本発明の目的は、前述した問題の一又は複数を解決又は緩和することである。特に、本発明の第１の態様は、プロセスの全ての段階の様々な温度範囲で耐火性充填材料を効果的に密閉する、反応ガスを急冷するための改善された熱交換器を提供することを目的とする。本発明の別の目的は、必要な場合に効率的に修理することができる熱交換器を提供することである。本発明の第２の態様は、前記管状連結部材の内側壁部分と外側壁部分との熱膨張差を補償する、反応ガスを急冷するための改善された熱交換器を提供することを目的とする。本発明の第３の態様は、冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁及び前記外側管状壁によって画定される前記空間に冷媒を効率的に流すことができる、反応ガスを急冷するための改善された熱交換器を提供することを目的とする。
これらの目的のために、本発明の第１の態様によれば、反応ガスを急冷するための熱交換器において、− 内側管状壁及び外側管状壁を有する冷却可能な二重壁管であって、前記内側管状壁は、急冷する前記反応ガスを搬送すべく構成されており、前記内側管状壁及び前記外側管状壁によって画定される空間が冷媒を搬送すべく構成されている前記二重壁管と、− 耐火性充填材料が充填された中間空間を画定する外側壁部分及び内側壁部分を含み、二又に分かれている長手断面を有する管状連結部材であって、前記管状連結部材の合流端部が、冷却不可能な反応ガスを搬送するパイプと連結して配置されており、前記外側壁部分は、冷却可能な前記二重壁管の前記外側管状壁と連結されており、前記内側壁部分と冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁との間に軸方向の間隙が残されている前記管状連結部材と、− 前記内側壁部分と冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁との間の前記軸方向の間隙を密閉すべく構成されている密閉部材とを備えており、前記密閉部材と係合する前記内側管状壁の縁部が、前記密閉部材と係合する斜面を含む、少なくとも部分的に傾斜した縁部を有していることを特徴とする熱交換器が提供される。特に、前記密閉部材と係合する前記内側管状壁の縁部は、前記密閉部材と係合する斜面を含む、少なくとも部分的に傾斜した縁部を有している。密閉部材が前記内側管状壁の少なくとも部分的に傾斜した縁部の斜面と係合するので、密閉部材は、前記管状連結部材の前記内側壁部分の軸方向の熱膨張中に前記斜面に沿って徐々に移動し得るため、前記管状連結部材の前記内側壁部分と前記外側壁部分との熱膨張差が部分的に補償される。このようにして、前記内側管状壁の縁部と前記管状連結部材の軸方向に膨張する内側壁部分との間での前記密閉部材の押しつぶしが回避され得る。
好ましい実施形態では、前記密閉部材は、摺動自在に重なる薄肉端部を有してもよい。前記摺動自在に重なる薄肉端部を結合すると、リング状の密閉部材が形成され得る。密閉部材が設けられる、前記内側管状壁と前記管状連結部材の前記内側壁部分との間の軸方向に制限された空間により、前記密閉部材の熱膨張は特に、前記密閉部材の周方向の膨張になり、このような膨張は、前記摺動自在に重なる薄肉端部によって補償され得るため、優れた密閉性を、閉ループ密閉部材より効率的な方法で異なる温度範囲で得ることができる。加えて、前記管状連結部材の前記内側壁部分の軸方向の熱膨張中に前記密閉部材が前記斜面に沿って徐々に移動するため、前記摺動自在に重なる薄肉端部は、前記リング状の密閉部材の直径の僅かな変化をも補償し得る。
有利には、前記密閉部材は、前記内側管状壁の前記少なくとも部分的に傾斜した縁部に対して前記密閉部材を押し付けるために配置されたばね状要素を有し得る。前記ばね状要素の弾性は、全ての温度範囲で優れた密閉性を保証し得る。特に前記ばね状要素は、温度の急激な低下が伴うシャットダウン中に密閉部材が元の形状に迅速に戻ることを保証し得る。
更に好ましい実施形態では、前記内側管状壁の前記縁部は径方向の内側に傾斜していてもよい。このような径方向の内側への傾斜は、前記管状連結部材の内側から密閉部材に到達することができる位置に設けられ得るため、保守が必要な場合に保守を容易にするという利点を有する。或いは、前記内側管状壁の前記縁部は更に径方向の外側に傾斜していてもよい。
まだ更に好ましい実施形態では、前記密閉部材と係合する前記内側壁部分の縁部が、前記内側管状壁の前記縁部の側の前記少なくとも部分的に傾斜した縁部から径方向に間隔を空けて、前記少なくとも部分的に傾斜した縁部と実質的に平行な斜面を含む部分的に傾斜した縁部を有してもよい。前記内側壁部分の熱膨張中、前記内側壁部分、特に前記斜面は径方向及び軸方向の両方に膨張してもよく、従って、前記管状連結部材の内側と耐火性充填材料が充填された前記中間空間との間の第２の密閉部分を形成する前記内側管状壁の前記縁部の側の前記少なくとも部分的に傾斜した縁部と係合する。両方の斜面の径方向及び／又は軸方向への離隔距離が、好ましくは前記管状連結部材の最大の熱膨張差以下であることが当業者には明らかである。
前記密閉部材は、好ましくは前記管状連結部材の前記内側壁部分の前記部分的に傾斜した縁部の傾斜していない部分と係合してもよい。このように密閉部材が、一方の軸方向の側で前記内側管状壁の少なくとも部分的に傾斜した縁部の斜面と係合し、他方の軸方向の側で前記管状連結部材の前記内側壁部分の前記部分的に傾斜した縁部の傾斜していない部分と係合するので、傾斜していない部分は、前記管状連結部材の前記内側壁部分の軸方向の熱膨張中に前記密閉部材の比較的自由で容易な径方向の移動を可能にする一方、前記管状連結部材の前記内側壁部分の前記部分的に傾斜した縁部の前記傾斜していない部分での前記密閉部材の比較的良好な支持を維持する。
有利な実施形態では、前記耐火性充填材料は、軸方向及び径方向に延びている少なくとも２つのスリットによって分離した耐火性充填材料の少なくとも２つの扇形部分を有してもよい。前記管状連結部材の径方向により膨張する内側壁部分と前記管状連結部材の径方向にあまり膨張しない外側壁部分との間に押しつぶされる場合がある前記耐火性充填材料の破損を回避するために、前記少なくとも２つのスリットは前記耐火性充填材料の周方向の熱膨張を吸収することができ、膨張差は高温の反応ガスへの近さの差によるものである。耐火性充填材料は、例えば180 °の２つの扇形部分、若しくは例えば120 °の３つの扇形部分に均等に分割されてもよく、又は不均等な扇形部分に分割されてもよい。この特徴は、それ自体で発明とみなされ得る。
より有利な実施形態では、前記少なくとも２つのスリットは、高温用途でよく知られているセラミックペーパーの層を有し得る。比較的軟質の充填材料であるセラミックペーパーの前記層は、前記管状連結部材の前記内側壁部分と前記外側壁部分との周方向の熱膨張差を吸収することができる。或いは、前記少なくとも２つのスリットは薄層のセラミック材料を有してもよい。
セラミックペーパーの層が、前記耐火性充填材料と前記管状連結部材の前記外側壁部分との間に設けられていることが好ましい。前記層の厚さは、前記管状連結部材の前記内側壁部分と前記外側壁部分との径方向の熱膨張差を適切に補償する機能という点で選択されてもよい。代替例として、セラミックペーパーの前記層は、処理しにくいドライアウトプロセス中にガス化する無灰の熱分解性ポリマー材料と取り換えられてもよい。
前記耐火性充填材料は、好ましくは異なる熱伝導率を有する耐火性充填材料の少なくとも２つの層を軸方向に有してもよく、前記耐火性充填材料の少なくとも２つの層の熱伝導率は、冷却可能な前記二重壁管に向かって減少する。このようにして、断熱性が冷却可能な二重壁管に向かって高まる一方、管状連結部材の合流端部に対する応力が減少し得る。
好ましい実施形態では、冷却可能な前記二重壁管の前記外側管状壁は、少なくとも部分的にマンガン及び／又はモリブデンから形成されている。これらの材料の一方又は両方を使用することにより、前記外側管状壁の厚さが減少して長さが増加する可能性がもたらされ、その結果、冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁と前記外側管状壁との熱膨張差による前記内側管状壁の軸方向の圧縮が減少する。或いは、炭素鋼が冷却可能な前記二重壁管の前記外側管状壁のために更に使用されてもよく、又は当業者に周知の他の適切な材料が使用されてもよい。
有利な実施形態では、冷却可能な前記二重壁管は、前記管状連結部材に近い冷却可能な前記二重壁管の下端部側で、冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁及び前記外側管状壁によって画定される前記空間に冷媒を流入させるべく配置された冷媒入口ノズルを有している。このようにして、冷媒は、前記内側管状壁内の高温の気体が依然として最も高い温度を有して冷媒を最も必要とするレベルで二重壁管に流入する。
より有利な実施形態では、前記冷媒入口ノズルは、冷却可能な前記二重壁管の前記外側管状壁と前記管状連結部材の前記外側壁部分との間に延びて冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁を囲んでいる冷媒ボックスに含まれている。冷媒ボックスを冷却可能な前記二重壁管と前記管状連結部材との間に挿入することにより、例えばより厚い外側管状壁を必要とする、冷媒入口ノズルと関連する構造上の制約にその部分が比較的容易に適用され得る。或いは、冷却可能な前記二重壁管の前記外側管状壁は、冷媒入口ノズルを直接有し得る。
熱交換器は、好ましくは冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁及び前記外側管状壁によって画定される前記空間への冷媒の流れを導くために配置された少なくとも１つのバッフルを有してもよい。このようなバッフルは、冷媒の流れを規制することにより冷却の効果を高め得る。更に、バッフルは冷媒の流れの滞留を防ぐことができ、前記冷媒入口ノズルの反対側で冷却可能な二重壁管の底レベルでのアンダー析出腐食を防ぐことができる。アンダー析出腐食は、冷媒に存在する少量の塩が沈殿し得る場合に生じる。塩が沈殿する領域が熱流束を受ける場合、冷媒、例えば水が蒸発し、塩が後に残る。このような高濃度の塩は、沈殿物の真下の水空間の表面を攻撃する。
前記少なくとも１つのバッフルは、好ましくは冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁の外側に固定して連結されてもよい。このように、前記少なくとも１つのバッフルは、冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁と前記外側管状壁との間で冷媒を搬送する環状空間内に設けられており、前記内側管状壁の周りで冷媒を効率的に流す。或いは、前記少なくとも１つのバッフルは更に、冷却可能な前記二重壁管の外側管状壁、又は前記冷媒ボックスの壁、特に前記冷媒入口ノズルの壁に固定されてもよい。
好ましい実施形態では、少なくとも１つのバッフルは前記冷媒入口ノズルの方向に延びてもよい。この少なくとも１つのバッフルは、前記管状連結部材に近い冷却可能な二重壁管の前記内側管状壁の下端部側の周りの前記冷媒入口ノズルから入る冷媒の流れを分離して導くことを促進し得る。代替例では、前記少なくとも１つのバッフルは、例えば前記冷媒ボックスの前記冷媒入口ノズルの真上で、前記二重壁管の前記内側管状壁及び前記外側管状壁によって画定される前記環状空間の別の位置に更に配置されてもよい。
前記少なくとも１つのバッフルが、前記冷媒入口ノズルの中心軸に対して偏心していることが有利である。このようにして、前記二重壁管の前記内側管状壁の周りの均一でない渦が生成されて、冷却効果を高めることができる。
より有利な実施形態では、前記熱交換器は、入ってくる前記冷媒の流れが２つの横断方向に導かれるように少なくとも２つの交差して配置されたバッフルを有してもよく、前記二重壁管の前記内側管状壁の周りで流れる冷媒の渦巻き効果を高める。
本発明の第２の態様によれば、反応ガスを急冷するための熱交換器において、− 内側管状壁及び外側管状壁を有する冷却可能な二重壁管であって、前記内側管状壁は、急冷する前記反応ガスを搬送すべく構成されており、前記内側管状壁及び前記外側管状壁によって画定される空間が冷媒を搬送すべく構成されている前記二重壁管と、− 耐火性充填材料が充填された中間空間を画定する外側壁部分及び内側壁部分を含み、二又に分かれている長手断面を有する管状連結部材であって、前記管状連結部材の合流端部が、冷却不可能な反応ガスを搬送するパイプと連結して配置されており、前記外側壁部分は、冷却可能な前記二重壁管の前記外側管状壁と連結されており、前記内側壁部分と冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁との間に軸方向の間隙が残されている前記管状連結部材と、− 前記内側壁部分と冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁との間の前記軸方向の間隙を密閉すべく構成されている密閉部材とを備えており、前記耐火性充填材料は、軸方向及び径方向に延びている少なくとも２つのスリットによって分離した耐火性充填材料の少なくとも２つの扇形部分を有していることを特徴とする熱交換器が提供される。このような熱交換器は、前述した利点の一又は複数を有し得る。
本発明の第３の態様によれば、反応ガスを急冷するための熱交換器において、− 内側管状壁及び外側管状壁を有する冷却可能な二重壁管であって、前記内側管状壁は、急冷する前記反応ガスを搬送すべく構成されており、前記内側管状壁及び前記外側管状壁によって画定される空間が冷媒を搬送すべく構成されている前記二重壁管と、− 耐火性充填材料が充填された中間空間を画定する外側壁部分及び内側壁部分を含み、二又に分かれている長手断面を有する管状連結部材であって、前記管状連結部材の合流端部が、冷却不可能な反応ガスを搬送するパイプと連結して配置されており、前記外側壁部分は、冷却可能な前記二重壁管の前記外側管状壁と連結されており、前記内側壁部分と冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁との間に軸方向の間隙が残されている前記管状連結部材と、− 前記内側壁部分と冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁との間の前記軸方向の間隙を密閉すべく構成されている密閉部材と、− 冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁及び前記外側管状壁によって画定される前記空間への冷媒の流れを導くために配置された少なくとも２つの互いに交差して配置されたバッフルとを備えていることを特徴とする熱交換器が提供される。このような熱交換器は、前述した利点の一又は複数を有し得る。
本発明を、例示的な実施形態の図面を参照して更に説明する。対応する要素は対応する参照符号で示されている。
本発明に係る熱交換器の好ましい実施形態を示す長手断面図である。 非加熱状態の図１の丸で囲まれた領域を示す拡大図である。 加熱状態の図２の前記拡大図である。 図１の熱交換器の密閉部材の好ましい実施形態を示す図である。 図４の枠で囲まれた領域を示す拡大図である。 耐火性充填材料の図１の線X-X に沿った横断面図である。 図１の枠で囲まれた領域を示す拡大図である。 図１の熱交換器の冷媒入口ノズルを軸方向で示す正面略図である。 図８のようなバッフルの代替形状を示す側面図である。
図１は、本発明に係る熱交換器の好ましい実施形態を示す長手断面図である。熱交換器は、内側管状壁4 及び外側管状壁3 を有する冷却可能な二重壁管1 を備えている。前記内側管状壁4 は、急冷されるか、又は冷却可能な前記反応ガスを搬送すべく構成されている。前記内側管状壁4 及び前記外側管状壁3 によって画定される空間15が冷媒、例えば水を搬送すべく構成されている。
冷却可能な前記二重壁管1 の前記外側管状壁3 は、例えば少なくとも部分的にマンガン及び／又はモリブデン、又は炭素鋼、又は当業者に周知のあらゆる他の適切な材料から形成されてもよい。外側管状壁3 の壁厚は、例えば５〜20mmの範囲内であってもよい。冷却可能な前記二重壁管の外径は、例えば100 〜200 mmの範囲内であってもよい。厚さが例えば５〜14mmの前記内側管状壁4 は、例えば合金鋼から形成されてもよく、例えば0.5Mo 又は1.25Cr-0.5Mo又はあらゆる他の適切な材料から形成されてもよい。前記二重壁管1 の前記内側管状壁4 によって画定される内管の外径は、例えば60〜140 mmの範囲内であってもよい。
熱交換器は、耐火性充填材料6, 7が充填された中間空間21を画定する外側壁部分11及び内側壁部分14を含み、二又に分かれている長手断面を有する管状連結部材10を更に備えている。前記管状連結部材10は、例えば少なくとも部分的に合金鋼、例えば25Cr-35NiNb から形成されてもよく、又は当業者に周知のあらゆる他の適切な材料から形成されてもよい。外側壁部分11及び内側壁部分14の厚さは、例えば７〜14mmの範囲内とすることができる。
前記管状連結部材10の合流端部16が、冷却不可能な反応ガスを搬送するパイプ17と連結して配置されている。前記合流端部16は、例えば反応ガスを搬送する前記パイプ17に溶接部分で溶接されてもよく、又は別の方法で連結されてもよい。外側壁部分11は、冷却可能な前記二重壁管1 の前記外側管状壁3 と、例えば溶接によって直接連結されているか、又は例えば図１のように中間の冷媒ボックス2 を介して間接的に連結されている。前記管状連結部材10の内径は、前記二重壁管1 の前記内側管状壁4 によって画定される内管の内径と等しいか、又は僅かに（＜２mm）より小さくすることができる。
前記内側壁部分14と冷却可能な前記二重壁管1 の前記内側管状壁4 との間に軸方向の間隙27が残されている。熱交換器は、前記内側壁部分14と冷却可能な前記二重壁管1 の前記内側管状壁4 との間の前記軸方向の間隙27を密閉すべく構成されている密閉部材9 を更に備えている。熱交換器の冷却可能な二重壁管1 は、前記管状連結部材10に近い冷却可能な前記二重壁管1 の底レベルで、冷却可能な前記二重壁管1 の前記内側管状壁4 及び前記外側管状壁3 によって画定される前記空間に冷媒を流入させるべく配置された冷媒入口ノズル5 を更に有し得る。冷媒入口ノズル5 は、二重壁管1 の外側管状壁3 に接線方向又は径方向に達してもよい。このような冷媒入口ノズル5 の内径は、例えば60〜125 mmの範囲内であってもよい。図１の実施形態では、前記冷媒入口ノズル5 は、冷却可能な前記二重壁管1 の前記外側管状壁3 と前記管状連結部材10の前記外側壁部分11との間に延びて冷却可能な前記二重壁管1 の前記内側管状壁4 を囲んでいる冷媒ボックス2 に含まれている。
外径が例えば110 〜220 mmの範囲内の冷媒ボックス2 は、例えば炭素鋼、又は合金、例えば1.25Cr-0.5Mo、又はあらゆる他の適切な材料から形成されてもよい。冷媒ボックス2 は、前記外側管状壁3 及び前記外側壁部分11に、例えば前記冷媒ボックス2 の円筒状延長部12を介して溶接部分13で溶接されてもよく、又は別の方法で連結されてもよい。冷媒入口ノズル5 も、前記二重壁管1 の底レベルで内側管状壁4 に固定して連結されてもよく、例えば溶接部分13で溶接されてもよい。冷媒ボックス2 は、外側壁部分11又は外側管状壁3 の厚さより厚くてもよい厚さが例えば10〜24mmの範囲内の補強外部シェルを有してもよいが、そうである必要はない。
図２及び図３は、図１の丸で囲まれた領域の拡大図であって、管状連結部材10の内側壁部分14が冷却可能な前記二重壁管1 の内側管状壁4 に対向する領域のより詳細な図を表す。前記内側壁部分14と冷却可能な前記二重壁管1 の前記内側管状壁4 との間に軸方向の間隙27が残されている。密閉部材9 は、前記中間空間21に漏れて前記耐火性充填材料6, 7を破損する高温の反応ガスに対して管状連結部材10の中間空間21内の耐火性充填材料6, 7を保護するために、前記内側壁部分14と冷却可能な前記二重壁管1 の前記内側管状壁4 との間の前記軸方向の間隙27を密閉すべく構成されている。冷却プロセスの全ての温度範囲に亘る中間空間21の保護密閉性を高めることを目的として、前記密閉部材9 と係合する前記内側管状壁4 の縁部は、発明的な方法で前記密閉部材9 と係合する斜面18を含む、少なくとも部分的に傾斜した縁部を有している。
図２及び図３に示されている好ましい実施形態では、管状連結部材10の内側及び／又は冷却可能な二重壁管1 から密閉部材9 に到達することができるように、前記内側管状壁4 の前記縁部は径方向の内側に傾斜している。更に前記密閉部材9 と係合する前記内側壁部分14の縁部は、図２及び図３に示されているように、前記内側管状壁4 の前記縁部の側の前記少なくとも部分的に傾斜した縁部から径方向の間隙20分径方向に間隔を空けて、前記少なくとも部分的に傾斜した縁部と実質的に平行な斜面19を含む部分的に傾斜した縁部を有し得る。更に密閉部材9 は、前記管状連結部材10の前記内側壁部分14の前記部分的に傾斜した縁部の傾斜していない部分と係合する。従って、図２に示されている熱交換器の非加熱状態では、中間空間21は密閉部材9 のみによって密閉される。
急冷する高温の反応ガスの通過によって生じる加熱により、熱交換器の様々な部品は全て膨張するが、この熱膨張は高温の反応ガスへの近さ及び露出によって決まる。内側壁部分14は、例えば内側管状壁4 より軸方向及び径方向に膨張する。従って、密閉部材9 の位置は、図３に示されているように熱膨張中に僅かに変わることになり、密閉部材9 は、内側管状壁4 の斜面18に沿って僅かに移動し、管状連結部材10の前記内側壁部分14の部分的に傾斜した縁部の傾斜していない部分上で僅かに径方向の内側に更に移動する。前記管状連結部材10の内側壁部分14の径方向の熱膨張により、管状連結部材10の部分的に傾斜した縁部の斜面19は、内側管状壁4 の少なくとも部分的に傾斜した縁部の斜面18と係合し、従って、管状連結部材10の中間空間21内の耐火性充填材料6, 7の第２の保護密閉部分が形成される。
図４は、図１の熱交換器の密閉部材9 の好ましい実施形態を示す。密閉部材9 は薄肉端部9a, 9bを有しており、薄肉端部9a, 9bは、図４の枠で囲まれた領域の拡大図である図５により詳細に示されている摺動自在に重なる薄肉端部9a, 9bを用いてリング構造を形成するためのジョイントになり得る。あらゆる熱膨張が生じる前の冷却プロセスを開始する際の密閉機能を保証するために、薄肉端部9a, 9bの長さは、最小で最初の重複部分L3を与えるように設定されている。
薄肉端部9a, 9b、特に長さL2も、密閉部材9 自体の周方向の熱膨張を考慮して設定されている。冷却可能な二重壁管1 と管状連結部材10との間の密閉部材9 の閉込めにより、リングの熱膨張は、実質的に周方向の膨張に制限される。密閉部材9 は好ましくは、前記内側管状壁4 の前記少なくとも部分的に傾斜した縁部に対して前記密閉部材9 を押し付けるために配置されたばね状要素を更に有している。密閉部材9 は、例えば高ニッケル合金、例えばUNS N08330又はDIN 1.4886のような鉄、クロム及びニッケルを含む合金、又は当業者に周知のあらゆる他の材料から形成され得る。
図６は、管状連結部材10の中間空間21内の耐火性充填材料6, 7の図１の線X-X に沿った横断面図であり、耐火性充填材料6, 7の径方向の厚さは、例えば15〜25mmの範囲内である。図１に見られ得るように、前記耐火性充填材料6, 7は、異なる熱伝導率を有する耐火性充填材料の少なくとも２つの層6, 7を軸方向に有し得る。耐火性充填材料の前記少なくとも２つの層の熱伝導率は、好ましくは冷却可能な前記二重壁管1 に向かって減少する。
耐火性充填材料の第１の層6 は、例えば高い熱伝導率を有する高密度の耐火性充填材料の層であってもよく、例えば炭化ケイ素又は熱伝導率が例えば８〜12W/(m2K) のあらゆる他の適切な材料の層であってもよく、第２の層は、軟質の絶縁充填材7 、例えばSuperwool （登録商標）Plus（商標）、又は熱伝導率が例えば0.05〜0.2 W/(m2K) のあらゆる他の適切な材料の層を含んでもよい。
新たな方法では、図６の好ましい実施形態の耐火性充填材料6, 7は、軸方向及び径方向に延びている３つのスリット22によって分離した耐火性充填材料の３つの扇形部分26を有している。耐火性充填材料は２つ又は４つ以上の扇形部分26及びスリット22を有してもよい。スリット22は、例えば180 °、120 °、90°又はあらゆる他の角度で分離してもよい。スリット22の幅は、例えば１〜２mmとすることができる。扇形部分26は均等に分割されてもよいが、均等に分割される必要はない。
前記管状連結部材10のあまり膨張しない外側壁部分11に対して前記耐火性充填材料6, 7を押し付けるより膨張する内側壁部分14と耐火性充填材料6, 7との径方向及び周方向の熱膨張差を吸収するために、少なくとも２つのスリット22は、例えば空気、又はセラミックペーパーの層を含んでもよい。図１に示されているように、セラミックペーパーの層8 は、前記耐火性充填材料6 と前記管状連結部材10の前記外側壁部分11との間に更に設けられてもよい。厚さが例えば0.5 〜1.0 mmであり、熱伝導率が例えば0.05〜1.0 W/(m2K) の範囲内であるセラミックペーパーのこの薄い層8 は、耐火性充填材料の一部のみ、例えば図１のように耐火性充填材料の第１の軸方向の層6 のみを囲んでもよく、又は中間空間21の軸方向の長さ全体に亘って耐火性充填材料を囲んでもよい。
図７は、図１の枠で囲まれた領域の拡大図であって、冷却可能な前記二重壁管1 の内側管状壁4 及び外側管状壁3 によって画定される空間に冷媒、例えば水を流入させるべく配置された冷媒入口ノズル5 を示す。図８は、図１の熱交換器の冷媒入口ノズル5 を軸方向で示す正面略図である。この好ましい実施形態では、冷媒入口ノズル5 は、冷却可能な前記二重壁管1 の前記内側管状壁4 を囲んでいる冷媒ボックス2 に含まれている。図７では、冷媒ボックス2 は外側管状壁3 の厚さより厚い補強外部シェルを有するが、そうである必要はない。
熱交換器は、冷却可能な前記二重壁管1 の前記内側管状壁4 及び前記外側管状壁3 によって画定される前記空間への冷媒の流れを導くために配置された少なくとも１つのバッフル23, 24, 25を備えており、そのため、特に前記少なくとも１つのバッフル23, 24, 25と対向する冷却可能な二重壁管1 の底レベルの領域28（図１参照）での冷媒の流れの滞留及びアンダー析出腐食が防止される。この領域28は特にアンダー析出腐食を受けやすい。前記少なくとも１つのバッフル23, 24, 25は、例えば外側管状壁3 の内側、又はバッフル25の場合のように冷媒入口ノズルの内側に固定して連結されてもよい。少なくとも１つのバッフルは、例えばバッフル23, 24のように、冷却可能な前記二重壁管1 の前記内側管状壁4 の外側に固定して連結されていることが好ましい。
バッフル25は、冷媒を冷却可能な二重壁管1 の底レベルに向けて導く冷媒入口ノズル5 内に延びている。バッフル23, 24は、外側管状壁3 と内側管状壁4 との間の冷媒空間内に設けられ、好ましくは前記冷媒入口ノズル5 の方向に延びている。少なくとも１つのバッフル23, 24, 25は例えばバッフルプレートであってもよく、バッフルプレートは孔を有してもよく、又は閉プレートであってもよい。バッフルプレート23, 24, 25の高さは一定であってもよく、又は可変であってもよく、バッフルプレート23, 24, 25は、矩形、台形、部分的に斜面などの様々な形状を有してもよく、好ましくはＬ字形のバッフルプレート（図９参照）であってもよい。少なくとも１つのバッフルは、内側管状壁4 の周りに周方向に部分的に延びてもよく、又は冷媒入口ノズル5 に近いか、若しくは冷媒入口ノズル5 に対向する冷媒入口領域に制限されてもよい。
図７及び図８に示された有利な実施形態では、少なくとも２つの互いに交差して配置されたバッフル23, 24が設けられている。バッフル24は、冷媒を冷却可能な二重壁管1 の底レベルに導く冷媒入口ノズル5 の中心軸と平行に配置されている。バッフル23は、バッフル24に交差して配置されており、冷媒の流れを内側管状壁4 の周りで時計回りに回転する流れ及び反時計回りに回転する流れに分離する。図８に最もよく見られるように、前記少なくとも１つのバッフル23, 24, 25は、好ましくは前記冷媒入口ノズル5 の中心軸に対して偏心している。前記バッフル23, 24, 25の偏心位置は循環を向上させ、ひいては冷媒が最も必要とされる、二重壁管1 の底レベルの周りでの冷媒の効率を向上させる。少なくとも１つのバッフル23, 24, 25は、例えば炭素鋼、又は当業者に周知のあらゆる他の適切な材料から形成され得る。
明瞭化及び簡潔な説明のために、特徴は、同一の実施形態又は個別の実施形態の一部として本明細書に記載されているが、本発明の範囲は、記載された特徴の全て又は一部の組み合わせを有する実施形態を包含し得ることが認識される。示された実施形態は、異なっていると記載されている例とは別に、同一の要素又は同様の要素を有すると理解され得る。
特許請求の範囲では、括弧内のあらゆる参照符号は、請求項を限定すると解釈されないものとする。「備えている」という文言は、請求項に記載されている特徴又は工程以外の他の特徴又は工程の存在を除外しない。更に、「１つの‘a’ 」及び「１つの‘an’」という文言は、「１つのみ」に限定すると解釈されないものとするが、代わりに「少なくとも１つ」を意味すべく使用され、複数を除外しない。ある手段が互いに異なる請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが利点のために使用され得ないことを示さない。多くの変形例が当業者には明らかである。全ての変形例は、以下の特許請求の範囲に定義されている本発明の範囲内に含まれると理解される。

Claims (4)

  1. 反応ガスを急冷するための熱交換器において、
    − 内側管状壁及び外側管状壁を有する冷却可能な二重壁管であって、前記内側管状壁は、急冷する前記反応ガスを搬送すべく構成されており、前記内側管状壁及び前記外側管状壁によって画定される空間が冷媒を搬送すべく構成されている前記二重壁管と、
    − 耐火性充填材料が充填された中間空間を画定する外側壁部分及び内側壁部分を含み、二又に分かれている長手断面を有する管状連結部材であって、前記管状連結部材の合流端部が、冷却不可能な反応ガスを搬送するパイプと連結して配置されており、前記外側壁部分は、冷却可能な前記二重壁管の前記外側管状壁と連結されており、前記内側壁部分と冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁との間に軸方向の間隙が残されている前記管状連結部材と、
    − 前記内側壁部分と冷却可能な前記二重壁管の前記内側管状壁との間の前記軸方向の間隙を密閉すべく構成されている密閉部材と
    を備えており、
    前記耐火性充填材料は、軸方向及び径方向に延びている少なくとも２つのスリットによって分離した耐火性充填材料の少なくとも２つの扇形部分を有していることを特徴とする熱交換器。
  2. 前記少なくとも２つのスリットは、セラミックペーパーの層を有していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  3. セラミックペーパーの層が、前記耐火性充填材料と前記管状連結部材の前記外側壁部分との間に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
  4. 前記耐火性充填材料は、熱伝導率が異なる耐火性充填材料の少なくとも２つの層を軸方向に有しており、前記耐火性充填材料の少なくとも２つの層の熱伝導率は、冷却可能な前記二重壁管に向かって減少することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の熱交換器。
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