JP2023537989A - シェルアンドチューブ式熱交換器、熱交換方法、及び、熱交換器の使用 - Google Patents

シェルアンドチューブ式熱交換器、熱交換方法、及び、熱交換器の使用 Download PDF

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Abstract

【解決手段】本発明の態様は、シェルアンドチューブ式熱交換器(101) 、このような熱交換器を使用する方法、及び、このような熱交換器を備えた炭化水素分解炉システムに関する。シェルアンドチューブ式熱交換器は、シェル体(103) を通して螺旋状の流路を与えるように配置されている渦巻状バッフル(7) と、渦巻状バッフルを支持して、シェル体内で実質的に同軸に延びている出口コレクタパイプ(4) とを少なくとも備えており、出口コレクタパイプは、一方の終端部でシェル体(103) を画定している第２のチューブシート(106) に取り付けられて第２のチューブシートを通過しており、出口コレクタパイプ(4) は、シェル側流体(F2)がシェル体(103) から出ることを可能にする間隙によって、対向する終端部で第１のチューブシート(105) から分離されている。

Description

本開示は、シェルアンドチューブ式熱交換器、第１の流体及び第２の流体間の熱交換方法、並びに、炭化水素分解炉システムにおける移送ライン交換器として熱交換器を使用する方法に関する。
シェルアンドチューブ式熱交換器は、例えば広範囲の圧力及び温度内での幅広い適用性のため、汎用の熱交換器を構成している。シェルアンドチューブ式熱交換器は、電力産業及び石油化学産業の用途に一般的に使用されている。通常、シェルアンドチューブ式熱交換器は、２つの流体に熱を交換させる円筒形のシェル内に取り付けられた一又は複数の熱交換チューブを備えており、第１の流体は熱交換チューブ自体を通って流れる一方、第２の流体は熱交換チューブの外側を流れる。
例えばシェルの空間に長手方向の及び／又は横断するバッフルが含まれているタイプの既知のシェルアンドチューブ式熱交換器の一般的な問題は、熱交換器が特に熱交換器のシェル側に不均一な流れ分布を示すということである。一側の内部における不均一な流れ分布領域により、他方側で流体への不均一で遅く又は不十分な熱伝達になる場合がある。不均一な流れ分布及び付随する不均一な熱交換は、通常シェル内の流路の乱れの結果である。乱れは通常、流体がバッフルの後縁部の上を通過するか又はバッフルの後縁部の下を通るときに生じる渦の形態で表される。或いは又は加えて、流体が例えば入口又は出口でシェルに出入りする際に、シェル内の流れプロファイルが特に乱される場合がある。上記の不利点の一又は複数の結果として、チューブ側及び／又はシェル側の生成物及び／又は供給原料又はプロセス媒体の特性が劣化する場合がある。或いは又は加えて、例えばプロセス流の不均一な分布又はプロセス媒体の劣化による汚れにより、例えば最適でない熱伝達による過熱により、熱交換器の性能が低下する場合がある。
流れ分布を向上させるために、渦巻状又は螺旋状のバッフルを備えた交換器の提供が提案されている。米国特許出願公開第2009／301699号明細書には、流体入口及び流体出口を有するシェルと、シェルを通して流体を螺旋状の流れパターンに導くためにシェルに取り付けられている複数のバッフルとを備えた熱交換器が開示されている。米国特許出願公開第2008／80190593号明細書には、非連続の螺旋状のバッフル、例えば接合されたバッフル部分と共に流体入口及び流体出口を有するシェルを備えた１つのシェルパス及び複数のシェルパスのシェルアンドチューブ式熱交換器が開示されている。不利な点として、米国特許出願公開第2009／301699号明細書及び米国特許出願公開第2008／80190593号明細書に開示されているようなタイプに係る熱交換器のシェル内の均一な流れ分布の確認は、特に中心線の周りで、例えば接合されたバッフルの対向する端部の直近のシェルの中央部分に沿って困難なままである。流れ分布を向上させるために、バッフルを中央支持体に取り付けることが提案されている。中国特許出願公告第100386586C号明細書には、流体入口及び流体出口を有するシェルと、螺旋状の流路を中央コアの周りに設けるためにバッフルが取り付けられている中央コアとを備えている熱交換器が開示されている。しかしながら、このような中央コアを有する熱交換器は、シェルの入口／出口の近くで乱れにさらされたままであり、更に、中央コアは隣り合うチューブシートによって支えられており、自由に膨張することができないため、シェル側の壁とチューブ側の壁との温度差の結果として熱膨張による、管理が困難な機械的応力を受けたままである。
本発明は、上記の問題の一又は複数を軽減するシェルアンドチューブ式熱交換器を提供することを目的とする。或いは又は加えて、本発明は、既知のシェルアンドチューブ式熱交換器に対して、改善された流れ分布及び／又は例えば汚れに関して改善された性能を有するシェルアンドチューブ式熱交換器を提供することを目的とする。
本発明の態様は、シェルアンドチューブ式熱交換器に関する。動作中、シェルアンドチューブ式熱交換器は、チューブ側流体及びシェル側流体間の熱交換を容易にする。シェルアンドチューブ式熱交換器は、第１のチューブシート、第２のチューブシート及びシェル体を備えている。シェル側入口ノズルがシェル体に取り付けられている。シェル体の対向する終端部は、第１のチューブシート及び第２のチューブシートによって画定されている。シェルアンドチューブ式熱交換器は、一又は複数の熱交換チューブを更に備えている。一又は複数の熱交換チューブは、第１のチューブシートから第２のチューブシートにシェル体を通って延びており、これにより、例えばチューブ側流体のためにシェル体を横切って熱交換チューブを通る流体連結部分が設けられる。
シェルアンドチューブ式熱交換器は渦巻状バッフルを更に備えている。渦巻状バッフルは、シェル体の内側のチューブシート間に設けられており、その回転中心がシェル体の中心線と実質的に整列する螺旋状の軌跡をたどる。通常、一又は複数の熱交換チューブは渦巻状バッフルを通過している。渦巻状バッフルは、シェル側入口ノズルの下流側でシェル体を通って第１のチューブシートに向かって螺旋状の流路を設けるために配置されている。
更に、シェルアンドチューブ式熱交換器は出口コレクタパイプを備えている。出口コレクタパイプは、シェル体内で実質的に同軸に延びており、つまり、出口コレクタパイプの中心線がシェル体の中心線と実質的に整列して延びている。螺旋状の流路が出口コレクタパイプの外面に沿って導かれるように、出口コレクタパイプは渦巻状バッフルを少なくとも実質的に渦巻状バッフルの長さ全体に沿って支持している。
出口コレクタパイプは、第２のチューブシートに取り付けられて第２のチューブシートを通過している。出口コレクタパイプは、螺旋状の流路の下流側の間隙により第１のチューブシートから分離されている。出口コレクタパイプは第１のチューブシートから分離されていることが好ましい。間隙により、シェル側流体は、動作中、間隙を挟んで第１のチューブシートと対向するコレクタパイプ入口に入ることができる。シェル側流体は、出口コレクタパイプを通過して、例えばコレクタパイプ入口の反対側の出口コレクタパイプの終端部に設けられているシェル側出口ノズルを介してシェル体から出ることができる。
本発明に係る渦巻状バッフル及び出口コレクタパイプを備えているシェルアンドチューブ式熱交換器は、速度分布を改善し、渦の大きさ及び／若しくは数を減らし、並びに／又は、動作中のシェルアンドチューブ式熱交換器内、特にシェル側空間内の滞留領域の大きさ及び／若しくは数を減らすことが有利である。
シェル側での速度分布の改善並びに／又は滞留領域及び渦の減少により、プロセス媒体の劣化、例えば炭化水素分解炉の高温の供給原料などの温度に敏感な媒体の劣化を低減する。供給原料の変換率が高温のチューブ表面にコークス堆積物を生成するように十分高くなるまで、熱をチューブ側流体と交換することにより、このような高温の供給原料は、低速領域及び渦によって生じる相対的な滞留領域で過熱され得るため、熱交換器の汚れにつながり、結果として効率が低下し、最終的には熱交換器の清浄化が必要になる。更に、流量分布の改善により、シェル側流体及びチューブ側流体間の熱伝達が改善され、ひいては、シェルアンドチューブ式熱交換器の効率が向上し、装置が小型化される。或いは又は加えて、本発明に係る出口コレクタパイプは、例えばチューブと出口コレクタパイプとの間の熱勾配により、動作中の自由な熱膨張又は収縮を可能にする。このため、出口コレクタパイプの膨張ベローズが省略され得るので、製造が簡素化される。出口コレクタパイプにおけるベローズは汚れて、通常流れプロファイルを乱す傾向があるので、シェルアンドチューブ式熱交換器の性能に更に悪影響を及ぼし得る。
本発明の更なる態様は、第１の流体及び第２の流体間の熱交換方法に関し、この熱交換方法では、本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の熱交換チューブの一又は複数を通してチューブ側流体を導き、本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交換器のシェル体を通してシェル側流体を導く。
熱交換器及び熱交換方法は、例えば炭化水素分解ユニットから出る分解された炭化水素プロセス流を迅速且つ効果的に冷却するために、化学工業用途、好ましくは炭化水素分解用途に特に有利に使用され得る。例えば、有利な実施形態では、シェルアンドチューブ式熱交換器は、分解炉の放射コイルからの分解された炭化水素プロセス蒸気を冷却するために移送ライン交換器として使用される。従って、本発明は更に、本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交換器を備えている炭化水素分解炉システム、及び、例えばエチレン又は他のモノマーの製造のための炭化水素分解炉システムで、本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交換器を移送ライン交換器として使用する方法に関する。
本発明の装置、システム、使用及び方法のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、以下の記載、添付の特許請求の範囲及び添付図面から更に理解される。
シェルアンドチューブ式熱交換器の実施形態を示す側面図である。 シェルアンドチューブ式熱交換器の実施形態を示す側断面図である。 シェルアンドチューブ式熱交換器の実施形態を示す詳細図である。 シェルアンドチューブ式熱交換器の実施形態を示す詳細図である。 シェルアンドチューブ式熱交換器の実施形態を示す平面断面図である。 シェルアンドチューブ式熱交換器を備えた、エチレン及び他のモノマーを製造するための分解炉システムを示す図である。
特定の実施形態を記載するために使用される用語は、本発明を制限することが意図されていない。本明細書で使用されるように「a 」、「an」及び「the 」の単数形は、文脈上特に明瞭に示されていない限り、同様に複数形を含むことが意図されている。「及び／又は」という用語は、関連して挙げられている事柄の一又は複数のあらゆる全ての組み合わせを含んでいる。「備える」及び／又は「備えている」という用語は、記載された特徴の存在を特定するが、一又は複数の他の特徴の存在又は追加を除外するものではないと理解される。方法の特定の工程が別の工程に続くと記載される場合、特に指定されていない限り、この工程は前記別の工程に直接続くことが可能であるか、又は、一若しくは複数の中間の工程を、特定の工程を行う前に行ってもよいと更に理解される。同様に、構造又は要素間の連結が記載されている場合、この連結は、特に指定されていない限り、直接又は中間の構造体若しくは要素を介して行われてもよいと理解される。
本発明は、本発明の実施形態が示されている添付図面を参照して以下により完全に記載される。図面には、システム、要素、層及び領域の絶対サイズ及び相対サイズが明瞭化のために誇張される場合がある。実施形態は、場合によっては理想化された本発明の実施形態及び中間構造の概略図及び／又は断面図を参照して記載される場合がある。明細書及び図面では、同様の参照符号は全体を通して同様の要素を指す。関連する用語及びその派生語は、記載されているような向き又は議論されている図面に示されているような向きを指すと解釈されるべきである。これらの関連する用語は説明の便宜上のものであり、特に記載されていない限り、特定の向きでシステムを構築するか又は作動させることを必要とするものではない。
図１Ａは、シェルアンドチューブ式熱交換器101 の実施形態を示す側面図であり、図面を見る人に対向するシェル体103 の一部は、内部が見えるように省略されている。図１Ｂは、図１Ａに示されている実施形態の面Ａ－Ａに沿った側断面図である。図示されている実施形態では、第１のチューブシート105 、第２のチューブシート106 、及び、シェル側入口ノズル6 を有するシェル体103 が備えられている。シェル体103 の対向する終端部は、第１のチューブシート105 及び第２のチューブシート106 によって画定されている。シェルアンドチューブ式熱交換器は、シェル体103 を通って第１のチューブシート105 から第２のチューブシート106 に延びている一又は複数の熱交換チューブ5 を更に備えている。シェルアンドチューブ式熱交換器は、渦巻状バッフル7 と、コレクタパイプ入口8 を有する出口コレクタパイプ4 と、シェル側出口ノズル3 とを更に備えている。渦巻状バッフル7 は、その回転中心がシェル体の中心線と実質的に整列する螺旋状の軌跡をたどる。図示されているように、渦巻状バッフル7 は、例えばシェル側流体F2がシェル側入口ノズル6 の下流側でシェル体103 を通って第１のチューブシート105 に向かって流れるための螺旋状の流路を設けるために配置されている。
通常、渦巻状バッフル7 は、少なくとも１回の完全な360 °回転、いわゆるピッチで延びている。少なくとも１回の完全な回転により、流路が、一又は複数の熱交換チューブ5 の各々に沿って螺旋状の軌跡に沿って通ることが保証される。例えば図示されているように、渦巻状バッフル7 は、複数の回転、例えば５回転以上、例えば２～25の範囲内の回転又は５～20の範囲内の回転を有することが好ましい。回転が多いほど、通常、チューブ側流体及びシェル側流体間の全体的な熱交換を高めるが、製造の複雑さが増す。更に、シェルアンドチューブ式熱交換器101 は、シェル体内で実質的に同軸に延びて渦巻状バッフル7 を支持する出口コレクタパイプ4 を備えている。螺旋状の流路が出口コレクタパイプ4 の外面に沿って導かれるように、渦巻状バッフル7 が、出口コレクタパイプ4 、例えば出口コレクタパイプ4 の外面によって渦巻状バッフルの長さに沿って支持されていることが好ましい。バッフルとシェル体103 の内壁との間で、例えばシェル側流体F2の漏れ流が減少するため、バッフルはシェル体103 まで延びていることが好ましい。図示されているように、バッフルはシェルに直接連結されていない、つまり、シェル体103 から分離されているか又はシェルに直接取り付けられていない。一又は複数の熱交換チューブが渦巻状バッフルを通って延びていることが好ましい。これらの熱交換チューブは、シェル体の内壁と出口コレクタパイプの外壁との間の利用可能空間を可能な限り占有するように、出口コレクタパイプ4 を囲んでシェル体103 の内壁に向かって延びる複数の層で配置されていることが好ましい。
例えば図示されているように、出口コレクタパイプ4 は、出口コレクタパイプ4 の対向する端部に設けられているコレクタパイプ入口8 及びシェル側出口ノズル3 を有しており、コレクタパイプ入口8 及びシェル側出口ノズル3 は、コレクタパイプ入口8 及びシェル側出口ノズル3 間に出口コレクタパイプの中空内部に沿って流体連結部分を設けている。出口コレクタパイプ4 が第２のチューブシート106 に取り付けられて第２のチューブシート106 を通過することにより、出口コレクタパイプ4 、例えばコレクタパイプ入口8 を有する終端部は、螺旋状の流路の下流側の間隙により第１のチューブシート105 から分離されている。この間隙により、シェル側流体F2が、間隙を挟んで第１のチューブシート105 に対向するコレクタパイプ入口8 に入り、コレクタパイプ入口8 の反対側の出口コレクタパイプ4 の終端部に設けられているシェル側出口ノズル3 を介してシェル体103 を出ることが可能である。例えば図示されているように、出口コレクタパイプ4 が第２のチューブシート106 を通過することにより、チューブ側流体F1が、熱交換器のシェル側の過熱、及びその後の汚れを引き起こし得るデッドゾーン、渦又は滞留領域無しでシェル側から出ることが可能であることが認識される。
図１Ａ及び図１Ｂに示されているように、シェルアンドチューブ式熱交換器は垂直に取り付けられていることが好ましい。第２のチューブシート106 が第１のチューブシート105 の上側に設けられていることがより好ましい。
出口コレクタパイプ4 は、一方のチューブシート、好ましくは垂直方向の場合には最上部のチューブシートに連結されており、他方のチューブシートから分離されているため、例えば動作中に出口コレクタパイプ4 と熱交換チューブ5 の外壁との間の熱勾配のため、自由に膨張又は収縮できることが有利である。このため、有利には出口コレクタパイプ4 に対する膨張ベローズを省略することができる。バッフルをシェル体103 から分離したままにしながら、１つのチューブシートに連結されている出口コレクタパイプ4 によってバッフルを支持することにより、対向するチューブシート105, 106間の方向への自由な熱膨張が可能になる。
対照的に、このようなベローズは、出口コレクタパイプ4 が両端部でシェルアンドチューブ式熱交換器101 、例えば両方のチューブシートに連結されている実施形態では熱膨張を可能にするために必要である。出口コレクタパイプ4 におけるベローズは、螺旋状の流路に沿って及び出口コレクタパイプ4 内で汚れる、及び／又は例えばシェル側流体F2の流れプロファイルを乱す傾向があるので、熱交換器の性能に更に悪影響を及ぼし得る。
シェル側入口ノズル6 は、シェル側流体F2の流れを第２のチューブシート106 の近く又は第２のチューブシート106 に沿って注入するように配置されていることが好ましい。このため、シェル側入口ノズル6 は、例えば図示されているように、シェル側流体F2を渦巻状バッフル7 の第１のピッチ内に注入するように第２のチューブシート106 に隣り合って又は第２のチューブシート106 の直近に取り付けられていることが好ましい。或いは、シェル側流体F2を渦巻状バッフル7 の上流側の空間に注入してもよい。シェル側流体F2を渦巻状バッフル7 の第１のピッチに注入することにより、第２のチューブシート106 とバッフルとの間にデッドボリューム又はデッドスペースが形成されることが抑制される。
これらの特徴を、他の特徴又は更なる特徴と共に図１Ａ～３を参照して以下に更に詳細に説明する。
シェル体103 を通ってシェル側空間108 を横切って第１のチューブシート105 から第２のチューブシート106 に延びている一又は複数の熱交換チューブは、通常、渦巻状バッフル7 を通過する、例えば渦巻状バッフル7 に設けられている一又は複数の対応する孔を通過することが理解される。同様に、シェルアンドチューブ式熱交換器101 が好ましくは複数の熱交換チューブ5 を備えていることが理解される。シェルアンドチューブ式熱交換器101 の内部構造を理解し易くするために、熱交換チューブ5 の一部のみが図示されている。代わりに、図示されている一又は複数の熱交換チューブ5 に対応する大きさ及び形状を有する複数の孔21から、複数のチューブの存在が推定されてもよい。例えば図２Ａ参照。チューブは軸方向に整列していることが好ましい。このために、渦巻状バッフルは、一又は複数のチューブが第１のチューブシートと第２のチューブシートとの間の本質的にまっすぐな軌跡をたどり得るような大きさ及び配置の一致する数の孔を有して各ピッチ内に設けられていることが好ましい。或いは、熱交換チューブ5 は渦巻状バッフル7 の周りに形成されてもよい。例えばＵターン、湾曲部及び／又はチューブ接合部がない本質的にまっすぐな熱交換チューブが設けられているため、各熱交換チューブの圧力降下を減らし、及び／又は熱交換チューブ内、つまり熱交換チューブ側での流体の速度プロファイルを向上させ、熱交換チューブの外面、つまりシェル側で接する流体の速度プロファイルを向上させることが有利である。本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交換器は、炭化水素分解炉システムの装置として特に有用であり、その場合、例えば図４に示されているように、分解された炭化水素生成物から、炭化水素分解炉の放射コイルに供給される炭化水素供給原料に熱を伝達するように好ましくは構成されている。分解された炭化水素生成ガス（チューブ側流体）は一般に、浸食を引き起こす可能性があるコークス粒子を含んでいる。浸食を防ぐために、例えばＵターン、湾曲部及び／又はチューブ接合部がないまっすぐなチューブが好ましい。図１Ａ及び図１Ｂに示されているように、コークス粒子が熱交換器に一方の終端部から入り、曲がることなく他方の終端部から出るように、チューブパスが１つしかないことが更により好ましい。
同様に、熱交換チューブは、好ましくは出口コレクタパイプ4 の周りに本質的には出口コレクタパイプ4 と平行に均一に分散していると理解される。この点について、図２Ｂに示されている面Ｂ－Ｂに沿った断面図を示す図３を参照することができる。特に、熱交換チューブは、好ましくは出口コレクタパイプ4 の内側、つまり出口コレクタパイプ4 の内部空間内に延びないことが分かる。言い換えれば、熱交換チューブ5 は、シェル体の内側であって出口コレクタパイプの外側にのみ分散していることが好ましい。
全体に示されているように、本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交換器は、熱をチューブ側流体と１つの向流方向で交換する１つのシェルパス構成を形成するとみなされ得る。本構成により、いわゆる温度クロスを可能にすることにより、シェル側出口温度がチューブ側出口温度を超えることが有利である。例えば、シェル側入口温度が350 ℃である場合、必要なシェル側出口温度は600 ℃であり、チューブ側入口温度は800 ℃であり、チューブ側出口温度は550 ℃であり、必要なLMTD（対数平均温度差）は200 ℃である。LMTDは更に低くなり得ることが分かっている。これは、シェル側に２つのパスを有することにより熱をチューブ側流体と交換する、中国特許出願公開第106839828A号明細書及び中国特許出願公告第100386586C号明細書に開示されているような二重シェルパス構成とは対照的である。温度クロスは、並流熱交換部を備える、中国特許出願公開第106839828A号明細書及び中国特許出願公告第100386586C号明細書によって開示されているような二重シェルパス構成のように向流配置で動作しない構成では一般に不可能である。
例えば図示されているように、各熱交換チューブは連続したチューブであり、例えば、対向するチューブシート間の長さを延びている１つのチューブ部分であることが好ましい。或いは、熱交換チューブ又は熱交換チューブの一部は、接合されたチューブ部分、例えば長手チューブの半分及び／又はチューブ部分によって形成されてもよい。複数の部分から熱交換チューブの一又は複数を形成することにより、例えば渦巻状バッフルの連続した夫々のターン間のチューブ部分を溶接することで製造プロセスを簡略化することができる。連続した熱交換チューブにより、熱交換チューブの内面の粗さを低減することができ、例えば、接合された部分間の溶接部分などの移行部分を回避することができる。このような連続した及び／又は本質的にまっすぐな熱交換チューブ5 は、粗い及び／又は湾曲したチューブと比較して汚染率を下げると考えられている。
チューブ側入口ノズル1 及び／又はチューブ側出口ノズル2 の位置又は向きは、図１Ａ及び図１Ｂに示されている位置及び／又は向きに限定されると解釈されるべきではないことが理解される。例えば、ある実施形態では、チューブ側入口ノズル1 及びチューブ側出口ノズル2 は、チューブ側入口ノズル1 及びチューブ側出口ノズル2 間に本質的にまっすぐな流路を形成するように互いに対向して配置されている。所与の流れでは、まっすぐな流路は、湾曲した流路と比較して圧力降下を減らすことが有利である。
好ましい実施形態では、例えば図示されているように、シェルアンドチューブ式熱交換器は、チューブ側入口ノズル1 を有するチューブ側流体入口ヘッド102 と、チューブ側出口ノズル2 を有するチューブ側流体出口ヘッド104 とを更に備えており、入口ヘッド及び出口ヘッドは、シェル体103 の対向する終端部に沿って設けられている。チューブ側入口チューブシートとも称される第１のチューブシート105 は、チューブ側流体入口ヘッド102 によって画定されているヘッド空間を、シェル体103 内に画定されているシェル側空間108 から分離する。チューブ側出口チューブシートとも称される第２のチューブシート106 は、チューブ側流体出口ヘッド104 によって画定されているヘッド空間をシェル側空間108 から分離する。一又は複数の熱交換チューブ5 は、チューブ側流体入口ヘッド102 の空間及びチューブ側流体出口ヘッド104 の空間が少なくとも１つの熱交換チューブを介して流体連結されるように両方のチューブシートに取り付けられている。図示されているように、一又は複数の熱交換チューブ5 は、シェル体103 を通ってシェル側空間108 を横切って第１のチューブシート105 から第２のチューブシート106 に内部を延びており、シェルアンドチューブ式熱交換器101 のチューブ側空間107 を画定している。チューブ側流体出口ヘッド104 を備えた実施形態では、例えば図示されているように、出口コレクタパイプ4 がチューブ側流体出口ヘッド104 を更に通過するように構成されていることが好ましい。チューブ側流体出口ヘッド104 は、出口コレクタパイプ4 の壁又はシェル側出口ノズル3 に連結、例えば溶接されてもよい。或いは、チューブ側流体出口ヘッド104 は、出口コレクタパイプ又はシェル側出口ノズルの周りに配置されてもよい。
別の又は更なる好ましい実施形態では、コレクタパイプ入口は一次流出装置15を有している。図２Ｂは、このような一次流出装置15を示す、図１Ｂに示されているシェルアンドチューブ式熱交換器101 の断面を示す詳細図である。他の又は更なる好ましい実施形態では、シェルアンドチューブ式熱交換器101 は、コレクタパイプ入口8 に対向させて第１のチューブシート105 に設けられている二次流出装置9 を備えている。一次流出装置及び二次流出装置の両方が、出口コレクタパイプへの入口で大きな渦及び滞留領域の形成を抑制する。両方の流出装置15, 9 は、シェル側流体F2が渦巻状バッフル7 の端部分の上を通過した後、シェル側流体F2を出口コレクタパイプ4 にスムーズに導くように配置されている。両方の流出装置15, 9 は、特に第１のチューブシート105 の近くのシェル側の領域で渦及び相対的な滞留領域の形成を更に抑制する、例えば回避する。そのため、各流出装置は、特に出口コレクタパイプへの入口の近くの場所で一又は複数の熱交換チューブ5 に沿ってシェル側流体F2の流れ分布を向上させることにより、熱交換器の性能の向上に貢献する。一次流出装置及び二次流出装置は個々に設けられてもよいが、本出願人は、熱交換器の性能を更に向上させるために両方の流出装置15, 9 を備えたシェルアンドチューブ式熱交換器101 を特に想定している。
一実施形態では、一次流出装置15は、シェル側流体F2を出口コレクタパイプ4 に導くように配置されている。
一次流出装置15は、コレクタパイプ入口8 を有する出口コレクタパイプ4 に端部で取り付けられているか又は形成されている入口片で形成されていることが好ましい。入口片は、第１のチューブシート105 とシェル体103 との間の連結部分に向かって外側に延びている側壁を有して円錐体又はトランペットのような形状を有することが好ましい。円錐状又はトランペット状の形状は、デッドボリューム又はデッドスペースの減少に更に貢献する。入口片の表面は、例えば図示されているような翼状の断面を有することにより、シェル側流体F2をスムーズに導くように配置されていることが好ましい。渦巻状バッフル7 と同様に、一次流出装置15は、一又は複数の熱交換チューブ5 が一次流出装置を貫いて延びるための孔又は通路を有してもよい。
好ましい実施形態では、一次流出装置は、シェル側流体F2の流れを出口コレクタパイプ4 にスムーズに導くように円錐体又はトランペットのような形状を有する入口片である。二次流出装置9 は通常、シェル側流体F2の流れを出口コレクタパイプ4 の入口に向けるように配置されている側壁を有して、第１のチューブシート105 に設けられているか又は第１のチューブシート105 から形成されている突起部である。
一実施形態では、例えば図１Ａ、図１Ｂ及び図２Ｂに示されているように、二次流出装置9 は一般に円錐形状の突起部として記載されることができ、突起部の側壁は、シェル側流体F2の流れ、例えば横方向の流れを第１のチューブシート105 に沿ってコレクタパイプ入口に向けるように配置されている。
従って、一実施形態では、シェルアンドチューブ式熱交換器は、コレクタパイプ入口8 に対向させて第１のチューブシート105 に設けられている二次流出装置9 を備えている。
好ましい実施形態では、二次流出装置9 は、コレクタパイプ入口8 に対向する位置で第１のチューブシート105 に設けられている突起部であり、突起部は、シェル側流体F2の流れを第１のチューブシート105 に沿った方向で出口コレクタパイプ4 にスムーズに導くような形状の側壁を有している。
別の又は更なる好ましい実施形態では、二次流出装置9 は円錐形状の突起部である。
或いは又は加えて、三次流出装置16が、シェル体103 とチューブ側流体入口ヘッド102 との間の角部に内部連結部に沿って設けられてもよく、三次流出装置の側壁は、シェル側流体F2を角部から離れてコレクタパイプ入口に向けるように配置されている内側に傾斜した表面を有するように形成されている。
他の又は更なる実施形態では、例えば図示されているように、渦巻状バッフル7 は連続した渦巻状バッフルである。連続した渦巻状バッフルは、本質的に途切れない連続した螺旋状の流路を第２のチューブシート106 から第１のチューブシート105 に対応する終端部に向かって本質的にバッフルの長さ全体に沿って、好ましくは本質的に出口コレクタパイプの長さ全体に沿って設ける渦巻状バッフルに関すると理解されてもよい。連続した渦巻状バッフルは、分割又は接合されたバッフル及びあらゆる他のタイプのバッフル、例えば従来のインピンジメントバッフルの後縁部の下流側で通常生じる後流を回避するため、速度分布を向上させるか又は本質的に渦巻状バッフル7 の長さ全体に沿って渦及び／又は滞留領域を減少させる。連続した渦巻状バッフルを備えた実施形態では、シェル側流体は本質的にバッフルを通過し、つまりバッフルの表面に沿ってスムーズに通過する（図１Ａの白抜きのアローヘッドの矢印参照）。従来のインピンジメントバッフル又は接合された渦巻状バッフルなどの非連続のバッフルでは、流体の流れは板若しくは接合された部分の上を通過するか又は板若しくは接合された部分の下を通って後流を生成する。
ある好ましい実施形態では、例えば図２Ａに示されているように、シェルアンドチューブ式熱交換器は、複数の渦巻状バッフル、例えば一次渦巻状バッフル7 及び二次渦巻状バッフル10を備えている。更なる渦巻状バッフルは、その回転中心がシェル体103 の中心線及び出口コレクタパイプ4 と整列する螺旋状の通路を夫々たどる。各渦巻状バッフルは、渦巻状バッフルの長さに沿って出口コレクタパイプ4 によって支持されている。各渦巻状バッフルは、他の渦巻に対してシフトしている。シェルアンドチューブ式熱交換器に複数の渦巻状バッフルを備えることにより、渦巻状バッフルによって分離された複数の螺旋状の流路の形成が可能になる。相互にシフトした複数の渦巻を設けることは、以下に説明されるように、通路全体の長さが同等になるように配置されたより少ない数のバッフル又は１つの渦巻状バッフルを備えたシステムに対して有利であり得る。記載されているように、第１の、つまり一次渦巻状バッフル7 は一般に第２のチューブシート106 で又は第２のチューブシート106 の近くで始まる。２つのバッフルを備えたシェルアンドチューブ式熱交換器では、第２のバッフルは通常、第２のチューブシートから約半ピッチ離れて第１の渦巻に対して180 °の回転差で始まる。バッフルが３つある場合、連続するバッフルの開始点は、他のバッフルに対して第２のチューブシートから夫々1/3 ピッチずつ離れてシフトしており、各バッフルは、他のバッフルに対して中心線を中心に約120 °の角度で回転している。複数の渦巻状バッフルを設けることにより、速度分布を最適化し、より大きな渦の形成を抑制し、及び／又は、シェル側の内部で、特に出口コレクタパイプへの入口の近くの渦巻の端部の近くの場所で滞留領域を減少させる。各バッフルは、コレクタパイプの入口速度プロファイルの最小速度及び最大速度をもたらす。適用されるバッフルの数が多いほど、最大速度及び最小速度の差は小さくなる。特に低速度領域は過熱及び関連するプロセス媒体の劣化を受け、熱交換器の汚れを引き起こす。バッフルの数を増やすことにより、これを回避することができる。或いは又は加えて、複数の渦巻状バッフルを設けることにより、高調波の問題を軽減し、例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器101 内の破壊振動を回避する。これは、振動がシステムの固有周波数である場合に生じる。これは、バッフルのピッチを変更するか又はバッフルの数を増やすことによって回避される。許容圧力降下を超える場合があるため、バッフルのピッチを小さくすることは必ずしも実現可能であるとは限らない。この場合、バッフルの数を増やすことは任意である。
図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ及び図２Ｂは２つの渦巻状バッフルを備えた熱交換器を示しているが、本発明者らは、異なる数の渦巻状バッフル、例えば１つのバッフル、３つのバッフル又は４つのバッフルを備えた実施形態を更に明確に想定している。
ある好ましい実施形態では、例えば図２Ａに詳細に示されているように、第１のチューブシート105 に対向する一又は複数の渦巻状バッフル、好ましくは渦巻状バッフルの全ての端部分109 が、更なる孔又は穿孔20を有している。更なる孔又は穿孔20を有する端部分によって、シェル側流体の少なくとも一部がその端部分を迂回することが可能になる。穿孔されたバッフル領域109 とも称される端部分に沿って孔又は穿孔を設けることにより、シェル側流体F2が、コレクタパイプ入口8 に入る前に、穿孔されていない渦巻状バッフルの最終縁部の上を通過する状況と比較して、特にコレクタパイプ入口8 の近くで、例えばシェル側流体F2の流れ速度分布を向上させることが分かっている。穿孔の全体数、大きさ、及び／又は穿孔が設けられている長さは、バッフルの数によって異なり得る。バッフルの数が多いほど、全体的な穿孔が少なくなり得る。通常、所与の長さの穿孔されたバッフル領域に沿った穿孔20の総数及び大きさは、（このような穿孔が無い同一の長さの領域に対して）全体の穿孔の５～50％になる。例えば全体の穿孔の５～50％で渦巻状バッフル7 の端部に孔又は穿孔が設けられていることにより、シェル側流体F2の一部、例えば少なくとも25 vol％、少なくとも50 vol％又は少なくとも75 vol％が、最終縁部を迂回してコレクタパイプ入口8 に向かってより均一に分散した方法で流れることが可能になる。総迂回割合は、一般に100 vol ％未満、特に90 vol％以下、更に特には80 vol％以下、例えば約75 vol％以下である。
ある実施形態では、渦巻状バッフル又はバッフルの端部分は、バッフルのピッチの少なくとも５～50％の長さに亘って穿孔されている。バッフルのピッチは、完全な360 °回転を完了するために必要な範囲である。この効果は、穿孔されたバッフル領域109 の長さが増すにつれて高まると考えられている。１つの渦巻状バッフル7 を備えた実施形態では、最適な長さは約半ピッチであることが分かっている。２つのシフトした渦巻状バッフルを備えた実施形態では、最適な長さは約1/4 ピッチであることが分かっている。１つのバッフルを備えた実施形態における長さは通常、最大で約１ピッチである。２つのバッフルを備えた実施形態における長さは通常、最大で約半ピッチである。異なる数の更なるバッフル（例えば、合計で４つのバッフル）を備えた実施形態では、長さは相応に調節されてもよい。
ある実施形態では、例えば図２Ｂに示されているように、出口コレクタパイプ4 は断熱バリアを有している。シェル側流体F2が出口コレクタパイプ4 を通して導かれるので、断熱バリアは、有利にはシェル側流体F2に対する熱伝達を低減する。断熱バリアは、出口コレクタパイプ4 の長さに沿って、つまり、コレクタパイプ入口8 の直近の位置から第２のチューブシート106 を横切ってシェル側出口ノズル3 に向かって設けられていることが好ましい。断熱バリアは出口コレクタパイプの実質的に長さ全体に沿って設けられていることが最も好ましい。そのため、絶縁スリーブに対向するシェル側流体F2及び／又は、例えばチューブ側流体出口ヘッド104 を横切って延びている出口コレクタパイプ4 の一部におけるチューブ側流体F1への熱伝達を低減する。ある実施形態では、例えば図示されているように、出口コレクタパイプの内面に沿って管状の内部絶縁スリーブ11が設けられている。絶縁スリーブ11は断熱層12を囲んでいることが好ましい。この絶縁スリーブ11は、徐々に傾斜する側壁を有して流れを入口から絶縁スリーブに導く移行片13を介して、コレクタパイプ入口8 の近くで出口コレクタパイプ4 に取り付けられている。反対側の端部では、シェル側出口ノズル3 が、例えば同様の移行片によって内部絶縁スリーブ11に連結されているか又はシェル側出口ノズル3 （不図示）に連結されている。
別の又は更なる好ましい実施形態では、シェル側入口ノズル6 は、シェル体103 に対して接線方向に配置されており、流入する流れが渦巻状バッフルと同一の回転方向でシェル体103 に入るように方向付けられている。シェル側入口ノズル6 がシェル体103 に接線方向に設けられていることにより、流れプロファイルを更に向上させて、流れを乱さないように入口から渦巻へのスムーズな流路を保証し、渦の形成を抑制し、及び／又は滞留領域の形成を減らすことが分かっている。
ある好ましい実施形態では、例えば特には図１Ａ及び図１Ｂに示されているようなチューブシートが固定されているシェルアンドチューブ式熱交換器の場合、シェル側の壁とチューブ側の壁との熱膨張の差に対処するために、シェル体103 は一又は複数の膨張ベローズ14を有している。チューブシートが固定されている構成と同様に、両方のチューブシートをシェル体に固定することにより、製造が簡素化されて、及び／又は堅牢性が向上する。熱交換チューブは一般にチューブシートに固定されている。一般に、ベローズの位置は、不注意による破裂を回避するように選択されている。ベローズの可撓性は、機械的性質が局所的な動作条件、例えば局所的な温度に左右される構築材料の適切な選択を必要とする重要な態様である。ある実施形態では、一又は複数の膨張ベローズ14は、例えば図示されているように、シェル側入口ノズル6 のすぐ下流に配置されていることが好ましい。シェル側入口ノズル6 のすぐ下流での一又は複数の膨張ベローズ14の配置は、動作中、ベローズが渦巻状バッフル及び／又は接線方向に配置されたシェル側入口ノズル6 によって生じた接線方向の流れパターンによって洗い流されるので、ベローズの汚れを軽減し、ひいては汚れの蓄積を低減することが分かっている。シェル側流体がチューブ側の流体によって加熱される場合、この領域は、熱交換器の比較的低温の領域でもあるため、熱交換器の比較的高温の領域に沿って設けられているベローズと比較して、異なる、例えば安価なベローズ材料を選択することが可能になる。更により低温の領域では、プロセス媒体（シェル側流体F2）の望ましくない変換、例えば劣化が、熱交換器の高温の端部より問題にならない。ある実施形態では、例えば大きな温度差が予測されない場合、膨張ベローズは省略される。
本発明の更なる態様は、本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交換器101 を使用して、第１の流体、例えばチューブ側流体F1と第２の流体、例えばシェル側流体F2との間で熱を交換する方法に関する。この方法では、本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の熱交換チューブの一又は複数を通してチューブ側流体F1を導き、本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交換器のシェル体103 を通してシェル側流体F2を導く。
本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交換器は、分解された炭化水素ガスなどの高温のプロセス流を、明確に定められて制御された方法で迅速に冷却するため特に有利である。このような実施形態では、チューブ側流体F1は、シェルアンドチューブ式熱交換器101 に入るとき、シェル側流体F2より高い温度を有する。しかしながら、本発明はシェル側流体を冷却するために更に適用され得る。このような実施形態では、チューブ側流体F1は、シェルアンドチューブ式熱交換器101 に入るとき、シェル側流体F2より低い温度を有する。
流体は、単相（気体、液体若しくは超臨界）又は多相（例えば気体－液体混合物）とすることが可能である。いずれかの側の流体が同一の相を有することが好ましく、両側の流体が気相であることがより好ましい。図１Ａ及び図１Ｂは、クロスフロー／向流の配置で流れる流体を示しているが、シェルアンドチューブ式熱交換器101 は並流の配置で動作してもよいことが理解される。
本発明の更なる態様は、分解炉システム、及び、炭化水素分解炉システムの移送ライン交換器として本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交換器を使用する方法に関する。例えば欧州特許出願第17176502.7号明細書又は米国特許第4479869 号明細書に開示されているような分解炉システムは一般に対流部を備えており、対流部内で炭化水素供給原料を予熱する及び／又は部分的に蒸発させ、希釈蒸気と混合して供給原料－希釈蒸気混合物を与える。このシステムは、少なくとも１つの放射コイルを火室に有する放射部を備えており、放射部内で、対流部からの供給原料－希釈蒸気混合物を熱分解によって高温で生成物成分及び副生成物成分に変換する。このシステムは、熱分解副反応を止めて生成物に有利な反応の平衡を維持するために、放射部から出る生成物又は分解ガスを迅速に急冷するように構成されている少なくとも１つの急冷交換器、例えば移送ライン交換器を有する冷却部を更に備えている。
本発明の目的は、前述したシステム／プロセスを改善することである。特に、本発明は、熱交換器のシェル側でのコークス形成の問題に対処した。本発明に係る熱交換器によって、熱交換器のシェル側の供給原料の劣化によるコークス形成を防ぐように、あらゆる著しい過熱を伴わずに供給原料－希釈蒸気混合物を加熱することが可能である。更に、チューブ側を流れる排出物（分解された炭化水素ガス）は通常コークス粒子を含んでいるため、腐食を防いでチューブ側を清浄化し得るために、チューブシートが固定された構成が不可欠である。チューブシートが固定された構成と同様に、シェル側を機械的に清浄化することは不可能であり、シェル側の汚れは、いかなる場合でも回避されるべきである。
このような課題は、本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交換器101 、本発明に係る第１の流体及び第２の流体間の熱交換方法、第１の流体及び第２の流体間の熱交換のために前記熱交換器を使用する方法、及び／又は、本明細書に開示されているような炭化水素分解炉システム1000によって解消されることが有利である。特に、このような課題は、本質的に熱交換器のシェル側の過熱及びその後の汚れを引き起こし得るあらゆる渦又は滞留領域無しで、本発明に係る熱交換器に設けられている優れた流れ分布のため、本発明により解消される。
本発明に係る熱交換器は、好ましい構成が欧州特許出願第17176502.7号明細書に基づき得る低排出炭化水素分解炉システムの一部を形成していることが有利である。従って、熱交換器は、エネルギー供給の必要性を低減し、結果としてCO2 排出量を削減する効率的な炭化水素分解炉システムに有利に採用されてもよい。
ある好ましい実施形態では、図４を参照して以下に詳述されるように、排出物（分解ガス208 ）からの熱を直接使用して、炭化水素供給原料201 を、放射コイル211 に入る前に予熱する。
図４は、本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交換器101 を備えた炭化水素分解炉システム1000の例示的な実施形態を概略的に示す。本明細書に開示されているような、炭化水素供給原料を分解ガスに変換するための炭化水素分解炉システム1000は少なくとも、炭化水素供給原料201 を受けて予熱するように構成された複数の対流バンク221 を有している炉対流部220 と、供給原料を分解して分解された炭化水素ガス208 を形成する放射コイル211 を有する放射部、例えば放射部／炉火室210 とを更に備えている。シェルアンドチューブ式熱交換器101 は、炭化水素供給原料を、放射コイル211 に入る前に予熱して、放射コイル211 から出る生成物／分解ガス208 を迅速に急冷するための一次移送ライン交換器235 として機能する。図示されているように、システムに備えられている他の構成要素／流れは、希釈蒸気202 、ボイラ給水203 、高圧蒸気204 、燃料ガス205 、燃焼空気206 、煙道ガス207 、放射コイル211 、底部燃焼器212 、燃焼ゾーン（火炎）214 、供給予熱器222 、高温コイル223 、希釈蒸気過熱器224 、高圧蒸気過熱器225 、ボイラコイル226 、蒸気ドラム233 、過熱器234 、及び一次移送ライン交換器235 を含んでいる。システム、その構成要素、その動作、及び代替の配置の詳細は、欧州特許出願第17176502.7号明細書に見い出され得る。欧州特許出願第17176502.7号明細書、特に欧州特許出願第17176502.7号明細書の図１～７に示されている実施形態に関連して示されて記載されている実施形態及び方法は、参照によって本明細書に含まれる。
例えば図４に示されているような実施形態では、システムは、炭化水素供給原料201 を希釈蒸気202 と混合して、放射コイル211 に入る前に予熱するように構成されている。このような配置では、排出物、いわゆる分解ガス208 を、通常シェルアンドチューブ式熱交換器101 のチューブ側空間107 を通って導く。一又は複数の熱交換チューブ5 を通過している間、希釈蒸気202 と混合した炭化水素供給原料201 を含むシェル側に熱を伝達し、ひいては放射コイル211 への供給原料を直接予熱する。図示されているように、放射コイル211 への供給原料は通常、炭化水素供給原料201 及び希釈蒸気202 を含んでいる。上述したように、システムの利点は、シェルアンドチューブ式熱交換器101 内で、例えば熱伝達の改善により熱分解副反応を回避することにより、つまり滞留領域を減少させて、渦を減少させる及び／又は流れの速度分布を向上させることにより、供給原料の劣化を低減させることである。更に、シェルアンドチューブ式熱交換器101 からの熱を使用して放射コイルへの供給原料を予熱することにより、システムは、例えば蒸気を発生させるために熱を間接的に使用するシステムに比べてエネルギー効率を向上させ、ひいてはエネルギー供給の必要性を低減して、結果としてシステムのCO2 排出量を削減することが有利である。
上記から、好ましい実施形態では、シェルアンドチューブ式熱交換器101 が、分解された炭化水素プロセス流208 を冷却するために使用されることが理解される。特に好ましい実施形態では、シェルアンドチューブ式熱交換器101 は、放射コイル211 への供給原料を予熱するために更に使用される。従って、ある実施形態では、第１の流体及び第２の流体間の熱交換方法で、チューブ側流体及びシェル側流体を熱交換器のチューブ側空間107 及びシェル側空間108 を夫々通して導き、例えば、本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の熱交換チューブの一又は複数を通してチューブ側流体F1を導き、前記熱交換器のシェル体103 を通してシェル側流体F2を導く。好ましい実施形態では、チューブ側流体F1及びシェル側流体F2の一方は、炭化水素分解炉システム1000の放射コイル211 から出る分解ガス208 である。例えば図４に示されている実施形態のように、分解された炭化水素ガス流208 からの熱を、放射コイル211 に流れる炭化水素供給原料／希釈蒸気混合物に直接伝達することがより好ましい。従って、この方法では好ましくは、分解ガス208 を熱交換器のチューブ側空間107 を通して導き、炭化水素供給原料／希釈蒸気混合物を、熱交換器のシェル側空間108 を通して放射コイル211 に導く。
本明細書に詳述されているように、本発明に係る熱交換器101 は、例えば欧州特許出願第17176502.7号明細書の図１～５に示されている炭化水素分解炉システム、国際公開第2018／229267号パンフレットに係る分解炉システム、又は国際出願第PCT/EP2020/067173 号に係る分解炉システムの実施形態における移送ライン交換器の一又は複数を取り替えて、炭化水素分解炉システムの移送ライン交換器として特に有利に使用されてもよく、これらの出願の内容、特に特許請求の範囲、図面及び図面の説明は、参照によって組み込まれる。炭化水素分解炉システムは、炭化水素供給原料を分解するための放射コイル211 と、前記炉火室に配置されている放射コイルに流体連結されている、本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交換器101 とを少なくとも備えている。好ましい実施形態では、チューブ側空間107 及びシェル側空間108 は、同時的に放射コイルから出る炭化水素ガス流を冷却して放射コイルへの供給原料を予熱するように放射コイルの対向する端部に夫々流体連結されている。
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含み得ることが認識される。例えば、実施形態は、穿孔されたバッフル領域109 を夫々有する２つの連続した渦巻状バッフルを備えたシェルアンドチューブ式熱交換器に関して示されているが、同様の機能及び結果を達成するために、本開示の利益を有する当業者によって、代替的な方法が更に想到されてもよい。記載されて図示されている実施形態の様々な要素は、既知のシェルアンドチューブ式熱交換器に対して、改善された流れ分布及び／又は、例えば汚れの点に関してその他の方法で改善された性能を有するシェルアンドチューブ式熱交換器を提供するなどのある利点を提供する。言うまでもなく、上記の実施形態又はプロセスのいずれか１つが、構成及び利点を見い出して適合させる際に更なる改善を提供すべく一又は複数の他の実施形態又はプロセスと組み合わされてもよいことが認識される。本開示は、分解された炭化水素ガス流208 を冷却するための特別な利点を提供し、一般的には、改善された、好ましくは略完璧なシェル側の流れ分布、及び流体間の改善された熱交換の恩恵を受けるあらゆる用途に適用され得ることが認識される。
添付の特許請求の範囲の解釈に際し、「備えている」という文言は、所与の請求項に記載されている要素又は動作以外の他の要素又は動作の存在を除外するものではなく、要素の前にある「a 」又は「an」という文言は、そのような要素の複数の存在を除外するものではなく、請求項におけるあらゆる参照符号は、特許請求の範囲を制限するものではなく、複数の「手段」は、同一若しくは異なる（一若しくは複数の）要素、又は実装された構造若しくは機能によって表されてもよく、開示されたデバイス又はその一部はいずれも、特に明確に記載されない限り、更なる部分と共に組み合わせられてもよく、又は更なる部分に分離されてもよいと理解されるべきである。１つの請求項が別の請求項を引用する場合、これは、夫々の特徴の組み合わせによって達成された相乗的な利点を示してもよい。しかしながら、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更に使用され得ないことを示さない。従って、本実施形態は、文脈によって明確に除外されない限り、各請求項が原則として先行するあらゆる請求項を引用し得る請求項の全ての実用的な組み合わせを含み得る。
本願に繋がるプロジェクトは、助成金協定第723706号に基づき欧州連合ホライズンH2020 プログラム（H2020-SPIRE-2016）からの資金を受けている。
シェルアンドチューブ式熱交換器 (101)
炭化水素分解炉システム (1000)
チューブ側流体 (F1)
シェル側流体 (F2)
チューブ側入口ノズル (1)
チューブ側出口ノズル (2)
シェル側出口ノズル (3)
出口コレクタパイプ (4)
熱交換チューブ (5)
シェル側入口ノズル (6)
渦巻状バッフル (7)
コレクタパイプ入口 (8)
二次流出装置 (9)
更なる渦巻状バッフル (10)
絶縁スリーブ (11)
絶縁層 (12)
移行片 (13)
膨張ベローズ (14)
一次流出装置 (15)
三次流出装置 (16)
更なる孔又は穿孔 (20)
チューブ側流体入口ヘッド (102)
シェル体 (103)
チューブ側流体出口ヘッド (104)
第１のチューブシート (105)
第２のチューブシート (106)
チューブ側空間 (107)
シェル側空間 (108)
穿孔されたバッフル領域 (109)
炭化水素供給原料 (201)
希釈蒸気 (202)
ボイラ給水 (203)
高圧蒸気 (204)
燃料ガス (205)
（燃焼）空気 (206)
煙道ガス (207)
分解ガス (208)
ボイラ水 (209a)
部分的に蒸発したボイラ水 (209b)
放射部／炉火室 (210)
放射コイル (211)
底部燃焼器 (212)
燃焼ゾーン（火炎） (214)
炉対流部 (220)
対流バンク (221)
供給予熱器 (222)
高温コイル (223)
希釈蒸気過熱器 (224)
高圧蒸気過熱器 (225)
ボイラコイル (226)
蒸気ドラム (233)
過熱低減器 (234)
一次移送ライン交換器／シェルアンドチューブ式熱交換器 (235)

Claims (16)

  1. チューブ側流体(F1)及びシェル側流体(F2)間の熱交換のためのシェルアンドチューブ式熱交換器(101) であって、
    第１のチューブシート(105) と、
    第２のチューブシート(106) と、
    シェル側入口ノズル(6) が取り付けられているシェル体(103) であって、前記第１のチューブシート(105) 及び前記第２のチューブシート(106) で画定されている対向する終端部を有する前記シェル体(103) と、
    前記シェル体(103) を通って前記第１のチューブシート(105) から前記第２のチューブシート(106) に延びている一又は複数の熱交換チューブ(5) と、
    その回転中心が前記シェル体の中心線と実質的に整列する螺旋状の軌跡をたどる渦巻状バッフル(7) であって、前記シェル側入口ノズル(6) の下流側で前記シェル体(103) を通って前記第１のチューブシート(105) に向かって螺旋状の流路を設けるために配置されている前記渦巻状バッフル(7) と、
    前記シェル体内で実質的に同軸に延びている出口コレクタパイプ(4) であって、前記螺旋状の流路が前記出口コレクタパイプ(4) の外面に沿って導かれるように前記渦巻状バッフル(7) を前記渦巻状バッフルの長さに沿って支持している前記出口コレクタパイプ(4) と
    を備えており、
    前記出口コレクタパイプ(4) は、前記第２のチューブシート(106) に取り付けられて前記第２のチューブシート(106) を通過しており、
    前記出口コレクタパイプ(4) は、前記螺旋状の流路の下流側の間隙により前記第１のチューブシート(105) から分離されており、前記シェル側流体(F2)が、前記間隙を挟んで前記第１のチューブシート(105) に対向するコレクタパイプ入口(8) に入り、前記コレクタパイプ入口(8) の反対側の前記出口コレクタパイプ(4) の終端部に設けられているシェル側出口ノズル(3) を介して前記シェル体(103) を出ることを可能にする、シェルアンドチューブ式熱交換器(101) 。
  2. 前記コレクタパイプ入口(8) は、前記シェル側流体(F2)を前記出口コレクタパイプ(4) にスムーズに導くように、円錐体又はトランペットのような形状を有する一次流出装置(15)を有している、請求項１に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器(101) 。
  3. 前記渦巻状バッフル(7) は、前記第２のチューブシート(106) から前記第１のチューブシート(105) に向かって前記出口コレクタパイプ(4) の本質的に長さ全体に沿って連続した螺旋状の流路を与える連続した渦巻状バッフルである、請求項１又は２に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器(101) 。
  4. 前記第１のチューブシート(105) に対向している前記渦巻状バッフル(7) の端部分は、前記シェル側流体(F2)が前記端部分を少なくとも部分的に迂回することを可能にする孔又は穿孔(20)を有している、請求項１～３のいずれか１つに記載のシェルアンドチューブ式熱交換器(101) 。
  5. 前記コレクタパイプ入口(8) に対向する前記第１のチューブシート(105) に設けられている突起部を有する二次流出装置(9) を備えており、
    前記突起部は、前記シェル側流体(F2)の流れを前記第１のチューブシート(105) に沿った方向で前記出口コレクタパイプ(4) にスムーズに導くような形状を有する、請求項１～４のいずれか１つに記載のシェルアンドチューブ式熱交換器(101) 。
  6. 前記出口コレクタパイプ(4) は断熱バリアを有している、請求項１～５のいずれか１つに記載のシェルアンドチューブ式熱交換器(101) 。
  7. 一又は複数の更なる渦巻状バッフル(10)を備えている、請求項１～６のいずれか１つに記載のシェルアンドチューブ式熱交換器(101) 。
  8. 前記シェル側入口ノズル(6) は、前記シェル体(103) に対して接線方向に配置されている、請求項１～７のいずれか１つに記載のシェルアンドチューブ式熱交換器(101) 。
  9. 前記シェル体(103) は、一又は複数の膨張ベローズ(14)を有している、請求項１～８のいずれか１つに記載のシェルアンドチューブ式熱交換器(101) 。
  10. 前記一又は複数の熱交換チューブ(5) の対向する端部は、チューブ側流体入口ヘッド(102) 及びチューブ側流体出口ヘッド(104) に夫々開口している、請求項１～９のいずれか１つに記載のシェルアンドチューブ式熱交換器(101) 。
  11. 第１の流体及び第２の流体間の熱交換方法であって、
    請求項１～１０のいずれか１つに記載のシェルアンドチューブ式熱交換器(101) の熱交換チューブ(5) の一又は複数を通してチューブ側流体(F1)を導き、
    請求項１～１０のいずれか１つに記載のシェルアンドチューブ式熱交換器(101) のシェル体(103) を通してシェル側流体(F2)を導く、熱交換方法。
  12. 前記シェルアンドチューブ式熱交換器(101) を、炭化水素分解炉システムの移送ライン交換器として使用する、請求項１１に記載の熱交換方法。
  13. 前記チューブ側流体(F1)は、分解炉システム(1000)の放射コイル(211) から出る分解された炭化水素プロセス流であり、
    前記シェル側流体(F2)は、前記放射コイル(211) に供給する炭化水素原料を含み、好ましくは炭化水素供給原料－希釈剤混合物、より好ましくは炭化水素供給原料－希釈蒸気混合物である、請求項１２に記載の熱交換方法。
  14. 炭化水素供給原料を分解するために放射コイル(211) が設けられている炉火室(210) と、
    前記炉火室内に配置されている前記放射コイル(211) に流体連結されている、請求項１～１０のいずれか１つに記載のシェルアンドチューブ式熱交換器(101) と
    を備えている、炭化水素分解炉システム(1000)。
  15. 前記シェルアンドチューブ式熱交換器(101) は、前記放射コイル(211) の対向する端部に夫々流体連結されているチューブ側空間(107) 及びシェル側空間(108) を有しており、前記チューブ側空間(107) 及び前記シェル側空間(108) は、同時的に前記放射コイル(211) から出る炭化水素ガス流を冷却して、前記放射コイル(211) への供給原料を予熱するように構成されている、請求項１４に記載の炭化水素分解炉システム(1000)。
  16. 前記シェルアンドチューブ式熱交換器(101) は本質的に垂直に取り付けられている、及び／又は、
    前記第２のチューブシート(106) は前記第１のチューブシート(105) の上側に配置されている、請求項１４又は１５に記載の炭化水素分解炉システム(1000)。
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