JP4781504B2 - 高性能熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、高温の反応性流出気体を生成する化学反応システムにおいて使用される間接的熱交換器の有効寿命および信頼性を改善するための手段に関する。特に、本発明は、シアン化水素の製造に使用される間接的熱交換器の有効寿命を改善するための手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くの化学プロセスにおいては、反応流出物は、高温で反応性のおよび／または摩耗性の（ａｂｒａｓｉｖｅ）流体および／または気体を含む。これらの反応の多くにとっては、反応器流出物を速やかにクエンチして、生成物成分の分解を防ぐのが望ましい。直接接触、例えば噴霧水の施用によって、または、より普通には、間接法、例えば間接的熱交換器の使用によって、クエンチを達成することができる。間接的熱交換器は、排熱を回収するように配置することができるという利点が追加されるので、より好ましい方法であり、長年の間使用されてきた。そのような化学プロセスで使用される典型的な間接的熱交換器は、シェル（ｓｈｅｌｌ）アンドチューブのデザインからなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
多くのシステムにおいて、流出物の熱的特性、動力学的特性および反応特性は、個々にまたはまとまって、熱交換帯域を形成するのに使用されている材料を腐食し、亀裂を生じさせ、またはさもなければ劣化させるように働くことがある。特に、交換管および、反応帯域に最も近い、管からチューブシート（ｔｕｂｅｓｈｅｅｔ）への接合部（ｗｅｌｄ）は、最も過酷な状態であり、最も劣化を受けやすい。例えば、高温の流出物は、熱交換管自体の金属と化学的に反応することがあり、それによって、浸食（ｅｒｏｓｉｏｎ）および／または腐食（ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）、すなわち金属ダスティング（ｄｕｓｔｉｎｇ）、浸炭（ｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ）等を引き起こし、そのすべてが、熱交換器の破壊に至る。熱交換管の接合部領域はまた、応力腐食亀裂を受けやすく、それは熱交換器の破壊に至る。これらの問題は、例えばシアン化水素またはアクリロニトリルの製造において、硝酸排熱回収交換器において、炭化水素クラッキングユニットにおいて、ならびに管側燃焼ボイラー（ｔｕｂｅｓｉｄｅ ｆｉｒｅｄ ｂｏｉｌｅｒ）および交換器において遭遇し得る。
【０００４】
シェルアンドチューブ熱交換器ならびに冷却器における管のための保護カバーとしてフェルール（ｆｅｒｒｕｌｅ）を使用することは良く知られている。そのようなフェルールは第１に、管および接合部を断熱するが、また、化学的反応から生じる劣化に対して熱交換管を保護する。典型的には、熱交換器は、化学反応器における反応帯域の下流、例えば触媒の下流に置かれる。このように、熱交換管の頂部または上部は、高温の流出気体にさらされる。ある種のフェルール、例えばアルミナが、そのような気体からの熱に対する断熱性を与えるのに使用される。
【０００５】
通常の用途においては、交換管は第１に、ベースの材料から構成され、第２に、その特性、例えば浸食および／または化学反応に対する抵抗性のために選ばれる、可能な別の材料が、熱交換管の入口／上流端の内部でスライドする管に成形される。プロセス条件の過酷さに依存して、フェルールは、長期間メンテナンス不要の働きを提供することができるか、あるいは、頻繁な交換を必要として、犠牲的であり得る。いずれの場合にも、フェルールの使用は、浸食および／または腐食を防ぐことによって、ベース材料の交換器の有効寿命を延ばすための経済的方法を提供する。
【０００６】
例えば、Ｍ．ジェームス（Ｊａｍｅｓ）の「排熱ボイラー管の予期せぬ金属ダスティング破壊（Ｕｎｅｘｐｅｃｔｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｄｕｓｔｉｎｇ Ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ Ｗａｓｔｅ Ｈｅａｔ Ｂｏｉｌｅｒ Ｔｕｂｅｓ）」，熱交換器の信頼性を改善するための革新的アプローチについての第１回国際シンポジウム（Ｆｉｒｓｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｆｏｒ Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ）、プロシーディングス、マテリアルズ テクノロジー インスティテュート オブ ザ ケミカル プロセス インダストリーズ インコーポレーテッド（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ， Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ, Ｉｎｃ．）、１−１３（１９９８）は、還元、浸炭および／または窒化（ｎｉｔｒｉｄｉｚｉｎｇ）の条件を有する化学的プロセスにおいて使用するためのシェルアンドチューブ反応器における特定のセラミックフェルールデザインを開示する。この論文においては、ニッケル‐クロム合金（ＩＮＣＯＮＥＬ）が、熱交換器の管に使用された。各場合において、ＩＮＣＯＮＥＬ材料は、知られている速度よりずっと速い速度でのひどい消耗、すなわち、金属ダスティングを生じさせた。
【０００７】
また、米国特許第５，７７５，２６９号は、内側のセラミックスリーブ、セラミックブロックおよび外側のセラミックスリーブを有するボイラー保護管アセンブリ（ｂｏｉｌｅｒ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｔｕｂｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）を開示する。米国特許第５，７７５，２６９号に開示されたセラミックは、酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムである。これらの材料はそのような極端な温度下では比較的短時間だけしか耐えられないので、そのようなセラミックは、非常に高温の流出物の急速なクエンチを必要とする熱交換器に使用するのには実用的でない。
【０００８】
セラミック、例えばアルミナ、シリカおよびジルコニアは、蒸気‐メタン改質炉（ｒｅｆｏｒｍｅｒ）のような反応器における断熱材として有効である。しかしながら、それらは、熱衝撃抵抗性に乏しく、シリカの場合には、多くの還元性の環境に存在する水素と反応することがある。例えば、Ｍ．Ｓ．クローリー（Ｃｒｏｗｌｅｙ）、耐火材における水素‐シリカの反応（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ−Ｓｉｌｉｃａ Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓ）， Ｃｅｒａｍｉｃ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ， Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．７， ６７９−６８２（１９６７）参照。このように、これらのセラミック材料は、高温の流出気体の急速なクエンチを必要とする化学的プロセスおよび／または還元性の環境（シアン化水素の製造においてはその両方が見出される）において使用するのに適当でない。
【０００９】
典型的なシェルアンドチューブ反応器においては、熱交換管が各管の端でチューブシートに付けられる。典型的には、管は、管の端がチューブシートの上表面とほぼ同じ高さになるまでチューブシート中の穴を通される。管は次に、典型的にはチューブシートの上表面に接合される。一般に、管の外径は、チューブシート中の対応する穴の内径より小さい。よって、一旦、管がチューブシートに接合されると、接合部の下の管とチューブシートとの間に環状の空間が残る。図１ａは、シェルアンドチューブ反応器、特に、還元性の環境を有する化学的プロセスのために、例えばシアン化水素の製造において使用される反応器に用いられる典型的な接合部３を示す。管はまた、他の手段、例えばローリング（ｒｏｌｌｉｎｇ）によってチューブシートに付けることができる。図１ｂは、ローリングによる管のチューブシートへの典型的な付着を示す。
【００１０】
シアン化水素の製造においては、シアン化水素の分解を防ぐために、高温の流出気体は約１０００〜１４００℃から約６００℃以下の温度へと急速に冷却されなければならない。そのような流出気体が冷却されると、チューブシート、接合部および交換管の上部は非常に高温となる。その結果、環状空間５に存在するいかなる水も蒸発し、水に含まれていたいかなる不純物も環状空間５に堆積する。そのような不純物は典型的には、水中のイオンおよび無機質等である。そのような不純物はまた典型的には、チューブシート、交換管および特に接合部に対して腐食性である。時間が経つと、そのような腐食性の物質が環状空間５に蓄積する。流出気体からの熱と腐食性の物質との組み合せは、系における応力と共に、管、接合部および／またはチューブシートに応力腐食亀裂（ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｃｒａｃｋｉｎｇ）をもたらす。そのような応力腐食亀裂は熱交換器の破壊、そして結局は熱交換器の交換に至る。
【００１１】
チューブシート、交換管および接合部がさらされる熱を最小にするという問題と取り組むために、多くのシェルアンドチューブのシアン化水素反応器のデザインが開発されてきた。図３ａ−ｅは、そのような反応器を示す。各反応器は、冷却水の高い流速、冷却水の乱流、およびチューブシートを断熱するための耐火材を備えて設計されている。しかしながら、これらのデザインは、そのような応力腐食亀裂を完全に防ぐわけではない。
【００１２】
ダウンホール接合部（ｄｏｗｎ−ｈｏｌｅ ｗｅｌｄ）またはフルペネトレーション接合部（ｆｕｌｌ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｗｅｌｄｓ）が、還元性の環境を有さない、またはそのような急なクエンチの必要がない化学的プロセスにおいて使用されてきた。例えば、アーメッド（Ａｈｍｅｄ）ら、排熱ボイラーの故障、修理および交換（Ｆａｉｌｕｒｅ， Ｒｅｐａｉｒ ａｎｄ Ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｗａｓｔｅ Ｈｅａｔ Ｂｏｉｌｅｒ），Ａｍｍｏｎｉａ Ｐｌａｎｔ Ｓａｆｅｔｙ ＆ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ， Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ， Ｖｏｌ．３７， １００−１１０は、二次的アンモニア改質器に使用するための水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）熱交換器における、そのような接合部の使用を開示する。この論文は、任意の他のプロセスのためにこの接合部を使用することを開示しない。
【００１３】
よって、還元性の環境を有する化学的プロセスに使用されるシェルアンドチューブ反応器において長い有効寿命を持つ、効率的な熱交換器を提供することについての問題が残されている。
【００１４】
驚くべきことに、フェルール、特に窒化ケイ素を含むフェルールを用いることによって、および／または熱交換管をチューブシートに付けるためにダウンホール接合部を使用することによって、シェルアンドチューブのシアン化水素反応器における熱交換器の有効寿命を延ばすことができることが見出された。
【００１５】
１つの態様においては、本発明は、
（ａ）入口チューブシート（ｅｎｔｒｙ ｔｕｂｅｓｈｅｅｔ）部分および出口チューブシート（ｅｘｉｔ ｔｕｂｅｓｈｅｅｔ）部分を有するシェルであって、各チューブシートは複数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のための少なくとも１つの入口（ｉｎｌｅｔ）および少なくとも１つの出口（ｏｕｔｌｅｔ）を有する、シェル；（ｂ）シェル内に配置された複数の管であって、管の軸と入口および出口のチューブシートの穴の軸とが一致するように、各管の入口端（ｅｎｔｒｙ ｅｎｄ）が入口チューブシートに付けられ、かつ各管の出口端（ｅｘｉｔ ｅｎｄ）が出口チューブシートに付けられている、複数の管；ならびに（ｃ）複数のフェルールであって、各フェルールは、入口端および出口端を有し、フェルールは入口チューブシートの穴を通って管内に達し、出口端は入口チューブシートの下方に位置し、フェルールは窒化ケイ素を含む、複数のフェルールを含む、還元、浸炭および／または窒化の環境で使用するための熱交換装置に関する。
【００１６】
第２の態様においては、本発明は、
（ａ）入口チューブシート部分および出口チューブシート部分を有するシェルであって、各チューブシートは複数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のための少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を有する、シェル；（ｂ）シェル内に配置された複数の管であって、管の軸と入口および出口のチューブシートの穴の軸とが一致するように、各管の入口端が入口チューブシートに付けられ、かつ各管の出口端が出口チューブシートに付けられていて、各管は、ニッケル‐クロム合金を含む金属で形成されている、複数の管；ならびに（ｃ）複数のフェルールであって、各フェルールは、入口端および出口端を有し、フェルールは入口チューブシートの穴を通って管内に達し、出口端は入口チューブシートの下方に位置し、該フェルールがニッケル‐クロム合金を含む、複数のフェルール
を含む、熱交換装置に関する。
【００１７】
第３の態様においては、本発明は、熱交換管において使用するためのフェルールであって、フェルールが入口端および出口端を有し；入口端はパイプ部分へと円錐形に先細になった開口を有し、入口端の外径は熱交換管の内径より大きく；パイプ部分は熱交換管の内径の９９％までの外径を有し；パイプ部分は、熱交換管の内径と実質的に同じ外径を有する広がった領域を有する、フェルールに関する。
【００１８】
第４の態様においては、本発明は、熱交換管において使用するためのフェルールであって、フェルールが入口端および出口端を有し；入口端はパイプ部分へと円錐形またはトランペット形に先細になった開口を有し、入口端の外径は熱交換管の内径より大きく；パイプ部分は、熱交換管の内径と実質的に同じ外径を有し；かつ、フェルールは、長手方向の断面がベンチュリ管形（ｖｅｎｔｕｒｉ−ｓｈａｐｅｄ）のデザインを有する、フェルールに関する。
【００１９】
第５の態様においては、本発明は、
（ａ）入口チューブシート部分および出口チューブシート部分を有するシェルであって、各チューブシートは複数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のための少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を有する、シェル；ならびに（ｂ）シェル内に配置された複数の管であって、管の軸と入口および出口のチューブシートの穴の軸とが一致するように、各管の入口端が入口チューブシートに付けられ、かつ各管の出口端が出口チューブシートに付けられていて、各管の入口端は、ダウンホール接合部によって入口チューブシートに付けられている、複数の管
を含む、シアン化水素反応器において使用するための熱交換装置に関する。
【００２０】
第６の態様においては、本発明は、炭化水素、アンモニアおよび任意的に酸素含有気体を、白金含有触媒の存在下で、１０００〜１４００℃の範囲の温度にて反応させることによってシアン化水素を製造するための装置であって、反応帯域、任意の耐火帯域ならびに、
（ａ）入口チューブシート部分および出口チューブシート部分を有するシェルであって、各チューブシートは複数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のための少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を有する、シェル；（ｂ）シェル内に配置された複数の管であって、管の軸と入口および出口のチューブシートの穴の軸とが一致するように、各管の入口端が入口チューブシートに付けられ、かつ各管の出口端が出口チューブシートに付けられている、複数の管；ならびに（ｃ）複数のフェルールであって、各フェルールは、入口端および出口端を有し、フェルールは入口チューブシートの穴を通って管内に達し、出口端は入口チューブシートの下方に位置し、フェルールが窒化ケイ素を含む、複数のフェルール
を含む熱交換帯域を有する装置に関する。
【００２１】
第７の態様においては、本発明は、
炭化水素、アンモニアおよび任意に酸素含有気体を含む反応気体を反応器に供給すること；反応気体を、触媒の存在下で反応させて生成物気体を与えること；生成物気体を、
（ａ）入口チューブシート部分および出口チューブシート部分を有するシェルであって、各チューブシートは複数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のための少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を有する、シェル；（ｂ）シェル内に配置された複数の管であって、管の軸と入口および出口のチューブシートの穴の軸とが一致するように、各管の入口端が入口チューブシートに付けられ、かつ各管の出口端が出口チューブシートに付けられている、複数の管；および（ｃ）複数のフェルールであって、各フェルールは、入口端および出口端を有し、フェルールは入口チューブシートの穴を通って管内に達し、出口端は入口チューブシートの下方に位置し、該フェルールは窒化ケイ素を含む、複数のフェルール
を有する熱交換装置で冷却すること；ならびに
冷却した生成物気体からシアン化水素を回収すること
を含む、シアン化水素を製造するための方法に関する。
【００２２】
本明細書全体を通して使用したように、以下の用語は、他に明らかに示されていなければ、以下の意味を持つ。「熱交換ユニット」および「熱交換容器」という語は相互に交換可能に使用される。「第１」と「第２」および「上方」と「下方」および「入口と出口」という語はそれぞれ、相互に交換可能に使用されるが、反応器は、垂直、水平または他の配置であることができ、そこでは「上方」と「下方」という語は互いの要素の関係を記載するのに適切ではないであろう。「入口（ｅｎｔｒｙ）」という語は、反応帯域に最も近い熱交換装置の部分、すなわち、高温のプロセス気体が熱交換装置に入るところをいう。「出口（ｅｘｉｔ）」という語は、反応帯域から最も遠い熱交換装置の部分、すなわち、高温のプロセス気体が熱交換装置から出るところをいう。明細書全体を通して、以下の略語を使用する：Ｃ＝摂氏度およびｃｍ＝センチメートル。比および量はすべて、他に記載がなければ重量である。数値範囲はすべて、他に記載がなければ、両端値を含めた範囲である。
【００２３】
本発明は、特定のフェルールおよび／または接合部を用いることによる、シェルアンドチューブ熱交換器の短い有効寿命についての問題の解決を提供する。好ましくは、本発明のフェルールのデザインはさらに、反応器流出ストリームの潜在的損傷の影響を最小にするように働く。さらに、熱交換器のデザインおよび、交換管を装置のチューブシートに付けるのにダウンホール接合部を使用することは、ユニットの構成、メンテナンスおよび修理を簡単にし、休止時間を最小にし、かつ運転効率を増加させる。ダウンホール接合部はまた、腐食作用物を濃縮する隙間として働き得る、交換管とチューブシートとの間の環状の空間を除去する。よって、本発明は、どのようなシェルアンドチューブ熱交換器の有効寿命を延ばすのにも有用である。本発明のフェルールおよび接合部は特に、高温で反応性の流出気体にさらされるシェルアンドチューブ熱交換器、好ましくは熱交換器が還元、浸炭または窒化環境にさらされるところ、例えばシアン化水素の製造において有用である。
【００２４】
反応性の高温の高摩耗性の流出ストリームを生じる反応器と共に使用するのに適当な多くの熱交換器のデザインがある。特にシアン化水素の製造に関して、高温のプロセス気体をクエンチする必要性が長く認められてきた。高温のプロセス気体または流出気体をクエンチするとは、その中に含まれる生成物が分解しないくらい十分に気体を冷却することを意味する。例えば、シアン化水素の製造において、高温のプロセス気体を十分に冷却しないと、存在するシアン化水素が分解することが良く知られている。
【００２５】
シアン化水素の製造において有用な、典型的な熱交換ユニットまたは容器を図３ａ〜３ｅに示す。これらのユニットは、各図において同じ数字で同一にされている、以下の要素を有する：高温のプロセス気体入口１、冷却されたプロセス気体出口６、交換器冷却水入口７、交換器冷却水出口８、交換器チューブシートベント（ｖｅｎｔ）９、チューブシート４、熱交換管２、熱交換容器１０、反応容器１１、および耐火材１２。耐火材１２は、チューブシートを、高温のプロセス気体に直接さらすことから保護する。矢印は、気体または冷却水の流れの方向を示す。
【００２６】
図３ａのユニットは、反応容器の下部が熱交換容器の中へ伸び、熱交換容器に囲まれるように配置される。このことにより、冷却水出口を交換管とチューブシートの接合点の高さより上に位置させることが可能となる。チューブシートは、熱交換容器の凸状内部上表面を形成する。プロセス気体は下方に流れ、冷却水に囲まれた交換管を通過する。交換管はチューブシートを通過し、交換管の上方のへり（ｌｉｐ）とチューブシートの上表面との間の境界面で、慣用の接合部を用いてチューブシートに接合される。高温の水および、高温のプロセス気体のクエンチ中にその中に形成された泡が一般に、交換管から冷却水出口へと導かれる。
【００２７】
図３ｂのユニットは、一般に比較的大きい厚みを持つ平らなチューブシートを有する。プロセス気体はチューブシートを通過して、交換管へと下に進む。冷却水は底から熱交換容器に入り、主として容器上部の冷却水出口を通って出ていく。チューブシートは、冷却水がそれを水平に通って流れるようにさせるインテグラル流路（ｉｎｔｅｇｒａｌ ｃｈａｎｎｅｌ）を含む。また、容器の上部、主出口の上に位置する交換器チューブシートベントがあり、これは、チューブシート流路（ｃｈａｎｎｅｌ）から水を受け取る。これらのベントは、最も高温の水およびその中に混入された泡を除去するように設計されている。
【００２８】
図３ｃのユニットは、熱交換媒体の出口流れに対して、逆配向を使用する。チューブシートは、それから下に伸びている交換管を有する環の形状である。冷却水出口は、環の中心にあり、高温の水を上へ、反応容器の中心を通って交換容器から外へ運ぶ。冷却水入口は、熱交換容器の底にある。冷却水の上方への流れ、および、好ましくは冷却水出口の方へ上方へと角度をつけられたチューブシートの斜面は、高温の水および混入された泡の、チューブシートおよび交換管から外への除去を促進する。
【００２９】
図３ｄのユニットは、平面の上表面を備え、熱交換容器の凹状上表面を形成するチューブシートを提供する。冷却水は熱交換容器に入り、容器の上部へと向かい、容器の基部に近い冷却水出口を通って出て行く。入口および出口、ならびに容器の凹状の屋根の配置は、最も冷たい水をチューブシートの下表面およびチューブシートから出てくる交換管へと導く傾向にある。容器の頂部近くに配置された出口を備えた交換器チューブシートベントは、高温の水および泡を、チューブシートおよび交換管から外へ除去するように働く。
【００３０】
図３ａ〜３ｄに示されたユニットのそれぞれにおいては、プロセス気体は、ユニットを通って下方へ流れる。図３ｅのユニットにおいては、プロセス気体は上方へ流れる。この配向において、反応容器は熱交換容器の下にある。気体は、耐火材料を過ぎチューブシートを通って上方へ、そして交換管へと流れる。冷却水は、チューブシートのちょうど上の熱交換容器の底で容器に入り、容器の頂部に近い出口から除去される。その結果、高温の水および気泡、例えば蒸発した水が容器の頂部へ、すなわち、チューブシートから離れる。しかしながら、冷却水中の固体、特に無機質は、チューブシートのさらされた上表面に沈殿し、蓄積することがある。そのような無機質の堆積物は、チューブシート、交換管およびそれに隣接するチューブシート接合部の劣化を促進する、局在化したホットスポット（ｈｏｔｓｐｏｔ）を作る。このデザインの利点は、チューブシートに隣接する気体層、すなわち熱交換に対するバリヤーの形成が最小にされることである。
【００３１】
シェルアンドチューブ熱交換器、例えば図３ａ〜３ｅにおける熱交換器の冷却効率は、シェル内にバフル（ｂａｆｆｌｅ）を使用することによって改善することができる。そのようなバフルは、シェル内の熱交換媒体の流れを導く。シェル内のバフルの大きさ、形状および配置は、使用される特定の熱交換器のデザインに特有である。そのようなバフルのデザインおよび配置は、当業者の裁量の範囲内であり、所望なら、そのようなバフルは水の入口および出口を逆にすることを可能にする。１つより多い熱交換器を直列に接続することができ、それはまた、反応器流出物の冷却を高めることができることが認識される。
【００３２】
シェルアンドチューブ熱交換器においては、チューブシートは典型的には、約８分の１インチ（０．３ｃｍ）〜約２０インチ（５０ｃｍ）の厚さである。そのようなチューブシートは典型的には、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金、ニッケル‐クロム合金、ニッケル‐モリブデン合金等から作られる。そのようなシェルアンドチューブ熱交換器においては、熱交換管は典型的には、公称径（ｎｏｍｉｎａｌ ｄｉａｍｅｔｅｒ）０．５インチ（１．２ｃｍ）〜２インチ（５ｃｍ）である。熱交換管は、流出気体または液体の冷却を可能にする任意の長さであることができる。熱交換管の長さは、熱交換器デザイン、管径、冷媒流等に依存して変わる。よって、特定の反応器デザインについての管の長さは、当業者の裁量の範囲内でよい。典型的な管の長さは、４フィート（１．２ｍ）〜３０フィート（９ｍ）の範囲にある。シェルアンドチューブ熱交換器において有用な管は典型的には、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金、ニッケル‐クロム合金、ニッケル‐モリブデン合金等から作られる。
【００３３】
熱交換管が、炭素鋼またはニッケル‐クロム合金から作られるのが好ましい。熱交換管に使用されるのに適当なニッケル‐クロム合金は、４０〜８０％のニッケルおよび１２〜２８％のクロムを含む。ニッケル‐クロム合金は任意的に、１種以上の他の成分、例えば炭素、ケイ素、マンガン、銅、硫黄、コバルト、アルミニウム、鉄、チタン、ホウ素、リン、モリブデンまたはニオブを含むことができる。適当な市販の入手可能なニッケル‐クロム合金としては、スペシャル メタルズ コーポレーション（Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（ニューハートフォード、ニューヨーク）から入手可能なＩＮＣＯＮＥＬの商標で販売されているものが挙げられる。適当なＩＮＣＯＮＥＬ合金としては、ＩＮＣＯＮＥＬ ６００、ＩＮＣＯＮＥＬ ６０１、ＩＮＣＯＮＥＬ ６１７、ＩＮＣＯＮＥＬ ６２５、ＩＮＣＯＮＥＬ ７１８、ＩＮＣＯＮＥＬ Ｘ−７５０、ＩＮＣＯＮＥＬ ７５１およびＩＮＣＯＮＥＬ ＭＡ ７５４が挙げられるが、これらに限定されない。熱交換管で使用されるニッケル‐クロム合金が、７１〜７５％のニッケル、１５〜１７％のクロム、７〜１１％の鉄、０．２〜０．３５％のマンガン、０．２〜０．３５％のケイ素、０．１〜０．３％の銅、０．００３〜０．０４％の炭素および０．００１〜０．０１％の硫黄を含むのが好ましい。適当な好ましいニッケル‐クロム合金としては、ＩＮＣＯＮＥＬ ６００が挙げられる。チューブシートおよび熱交換管が同じ材料から作られるのがさらに好ましい。
【００３４】
シェルアンドチューブ熱交換器を通過する、高温のプロセス気体および／または流体は、任意の熱交換媒体によって冷却されることができる。そのような媒体は、少なくとも１つの入口を通ってシェルに入り、熱交換管に沿って進み、少なくとも１つの出口を通ってシェルから出て行く。適当な熱交換媒体は、プロセス気体および／または流体から熱を除去する任意のものである。適当な熱交換媒体としては、水、水と蒸気との混合物、溶融塩、グリコール、水とグリコールとの混合物、オイル例えば天然もしくは合成のオイル、気体例えば空気およびプロセス気体ストリーム等が挙げられるが、これらに限定されない。
【００３５】
図１ａは、シェルアンドチューブ熱交換器、例えば図３ａ〜３ｅに示されたものにおいて、熱交換管をチューブシートに付けるのに使用される典型的な接合部を示す。図１ａは、以下の要素を有する：高温のプロセス気体の入口１、熱交換管２、接合部３、チューブシート４、環状空間５および冷却されたプロセス気体の出口６。環状空間５は、チューブシートを通って上に伸び、交換管２をチューブシート４に付けている接合部３の下表面で終わる。冷却水が環状空間５に入ると、冷却水は蒸発し、水に含まれる任意の不純物が環状空間５に堆積する。そのような不純物は典型的には、水中のイオンおよび無機質等である。そのような不純物はまた典型的には、チューブシート、交換管および特に接合部に対して腐食性である。時間が経つと、そのような腐食性の物質が環状空間５に蓄積する。流出気体からの熱と腐食性の物質との組み合せは、系における応力と共に、管、接合部および／またはチューブシートに応力腐食亀裂をもたらす。接合部領域を熱処理することは、接合部、特にニッケル‐クロム合金の接合部における応力腐食亀裂についての可能性を最小にする。しかしながら、そのような熱処理は、管および／またはチューブシートにおける応力腐食亀裂を排除しない。そのような応力腐食亀裂は熱交換器の破壊、そして結局は熱交換器の交換に至る。
【００３６】
交換管をチューブシートに付ける他の方法、例えばローリング（ｒｏｌｌｉｎｇ）が知られている。ローリングにおいては、熱交換管の端が、チューブシートの穴の内側の噛み合う溝に転がる。図１ｂは、交換管のチューブシートへの典型的なローリングによる接合を示す。そのようなローリング法は当業者に良く知られている。管をローリングによってチューブシートに付けるとき、小さい環状空間５が、交換管２とチューブシート４との間に残り、これはまた、応力腐食亀裂を生じ得る。そのようなローリングは、さらなる機械的強度のために、図１ａに示したような接合部と組み合せることができる。しかしながら、そのような組み合せは、応力腐食亀裂を除去しない。
【００３７】
反応性で高温のプロセス気体を有する反応器、例えばシアン化水素反応器において使用される熱交換容器は、そのような応力腐食亀裂を最小にするように設計されてきた。例えば、図３ａ〜３ｄに示された熱交換容器のそれぞれは、流出気体の冷却を促進するデザインを有する。各デザインは、高い冷却水流速、冷却水の乱流、および任意的に、高温の流出気体から上部チューブシートを断熱するための耐火材を備える。流出気体の効率的な冷却によって、これらのデザインは、腐食の速度を減少させる。しかしながら、これらのデザインは、腐食を除去しない。
【００３８】
図３ｅのユニットの上方への流れ配向は、上記した特別の問題、すなわち環状空間における腐食作用物の濃縮を減らす。というのは、高温の水および蒸気は、チューブシートおよび交換管接合部から離れて上がっていくからである。しかしながら、この配置はなお、冷却水からの無機質および他の沈殿物の堆積の影響を受ける。これらの物質はまた、チューブシートの開口と交換管との間の隙間へと入って行くことができ、これらの要素ならびに接合部への損傷を引き起こす。
【００３９】
したがって、反応性で高温のプロセス気体を有する反応器において使用される公知の熱交換容器デザインは、腐食性物質の濃縮の問題を解決せず、よって、応力腐食亀裂の問題を解決しない。
【００４０】
本発明のダウンホール接合部は、反応性で高温のプロセス気体を有する熱交換器、例えばシアン化水素反応器、硝酸廃棄物回収交換器（ｎｉｔｒｉｃ ａｃｉｄ ｗａｓｔｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）およびアクリロニトリル反応器における応力腐食亀裂を大きく減らす。図２ａは、本発明において有用なダウンホール接合部を示す。図２ａは次の要素を有する：高温のプロセス気体の入口１、熱交換管２、接合部４８、チューブシート４および冷却されたプロセス気体の出口６。ダウンホール接合部においては、熱交換管の頂部が、フルペネトレーション接合部を用いてチューブシートの下面に付けられる。このようにして、環状空間を除去し、腐食性物質の濃縮を大きく減らす。ダウンホール接合部の使用は、応力腐食亀裂を減らすことによって、シェルアンドチューブ熱交換器、特にシアン化水素の製造において使用される熱交換器の有効寿命を大きく増大させる。ダウンホール接合部は、好ましくは図３ａ〜３ｅに示されたような、より好ましくは図３ａ〜３ｄに示されたような熱交換ユニットを有するシアン化水素反応器において使用される。
【００４１】
本発明において有用なダウンホール接合部は、任意の慣用の手段、例えば米国特許第４，２２１，２６３号に記載されたような手段によって形成することができる。交換管が、種々のやり方で、接合のためにチューブシートに適合できることが認識される。例えば、管は、チューブシートの下表面のカウンターボア（ｃｏｕｎｔｅｒｂｏｒｅ）またはソケットに適合でき、かつ、管の内側からチューブシートへ、または管の外側でチューブシートの下表面へ接合することができる。例えば、米国特許第４，２２１，２６３号参照。使用されるダウンホール接合部は、図２ａによって示されたものであるのが好ましい。
【００４２】
本発明の好ましいダウンホール接合部を製造するには、径ｍを有する穴を、軸ｙに沿ってほぼ完全にチューブシートを通過する穴をあける（図２ｂ参照）。次に、径ｎを有する、より小さい穴を、軸ｙに沿ってチューブシートの残部を通過する穴をあける。径ｎは、交換管２が穴を通して挿入されることができるくらい十分に大きい。交換管を次に、交換管軸ｘおよびチューブシートの穴の軸ｙとが一致するように、チューブシートに挿入する。交換管２はチューブシートの穴に、チューブシートの下面から距離ｐだけ挿入される。距離ｐは、径ｎを有するチューブシートの穴の長さに等しい。距離ｐは、管をチューブシートに接合するために十分な面積を与える任意の長さであることができる。典型的には、距離ｐは、チューブシートの厚さの２分の１より小さく、好ましくは、チューブシートの厚さの３分の１より小さい。管をチューブシートに挿入したら、任意の慣用の手段によって、管とチューブシートとの間にフルペネトレーション接合部が形成される。径ｍおよびｎを有するチューブシートの穴が、１つ以上の穴あけ工程で作ることができることを、当業者は認識するであろう。
【００４３】
本発明のダウンホール接合部は典型的には、熱処理される。そのような熱処理においては、接合部および取り囲む金属領域が加熱される。使用される熱処理の方法は、接合される特定の金属に適したものである。そのような熱処理法は、当業者によく知られている。
【００４４】
反応器要素はまた、使用される種々の化学的プロセスから生じる、破壊的な熱的、化学的および物理的作用物に出合う。熱交換管は特にそのような作用物にさらされる。例えば、シアン化水素の製造において、製造されて生じるシアン化水素気体は、分解を最小にするために急冷されなければならない。そのような反応器において、熱交換器ユニットは、できるだけ触媒および反応帯域に近く置かれる。かくして熱交換管の上部、すなわち触媒および反応帯域に最も近い部分は連続的に、還元、浸炭および／または窒化環境を有する反応性で高温の流出気体にさらされる。任意の耐火材、例えばセラミックが、チューブシートの上表面、すなわち触媒および反応帯域に最も近いところに置かれる。そのような任意の耐火材は、反応の熱からチューブシートを断熱する。しかしながら、そのような任意の耐火材は典型的には、反応器によって生成される熱および化学種にさらされる熱交換管を覆わない。
【００４５】
そのような苛酷な環境にさらされる熱交換器の有効寿命を増加する１つのアプローチは、典型的には、チューブシートを通して熱交換管の上端へとセラミックフェルールを置くことによって熱交換管を断熱することである。そのようなフェルールは典型的には、管を熱から保護するだけで、必然的に化学的かつ物理的作用物からは保護しない。例えば、シリカ、アルミナおよびジルコニアのセラミックフェルールは、熱的保護を与えることが知られている。しかし、そのようなフェルールは、シアン化水素反応器、硝酸廃棄物回収交換器およびアクリロニトリル反応器、管側燃焼ボイラー（ｔｕｂｅ−ｓｉｄｅ ｆｉｒｅｄ ｂｏｉｌｅｒ）、管側燃焼交換器または触媒分解炉（ｃｒａｃｋｅｒ）の苛酷な環境下での化学的および物理的作用物に対する適切な保護を与えることはない。これらの環境下では、典型的に使用されるフェルール（公知のセラミックフェルールを含む）は犠牲的であり、それらが劣化し、かつ定期的に監視し、交換されなければならないことを意味する。
【００４６】
そのような苛酷な環境にさらされる熱交換管の有効寿命を増加させる別のアプローチは、反応器の環境に抵抗性の合金、例えばニッケル‐クロム合金から熱交換管を作ることである。しかし、そのようなニッケル‐クロム合金から作られた熱交換管はなお、金属ダスティングのような問題を受けやすい。
【００４７】
驚くべきことに、ニッケル‐クロム合金または窒化ケイ素を含むフェルールを使用することによって、シェルアンドチューブ熱交換器、特にシアン化水素の製造で使用される熱交換器の有効寿命を非常に延ばすことがわかった。本発明において有用なフェルールが窒化ケイ素を含むのが好ましい。
【００４８】
本発明のフェルールに使用するための適当なニッケル‐クロム合金としては、米国特許第５，３５４，５４３号に開示されたものまたは任意の他の市販の入手可能な合金が挙げられる。本発明において有用なニッケル‐クロム合金が、４０〜８０％のニッケルおよび１２〜２８％のクロムを含むのが好ましい。ニッケル‐クロム合金は任意的に、１種以上の他の成分、例えば炭素、ケイ素、マンガン、銅、硫黄、コバルト、アルミニウム、鉄、チタン、ホウ素、リン、モリブデンまたはニオブを含むことができる。本発明において有用な適当な市販の入手可能なニッケル‐クロム合金としては、スペシャル メタルズ コーポレーション（Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（ニューハートフォード、ニューヨーク）から入手可能なＩＮＣＯＮＥＬの商標で販売されているものが挙げられる。本発明において有用な、適当なＩＮＣＯＮＥＬ合金としては、ＩＮＣＯＮＥＬ ６００、ＩＮＣＯＮＥＬ ６０１、ＩＮＣＯＮＥＬ ６１７、ＩＮＣＯＮＥＬ ６２５、ＩＮＣＯＮＥＬ ７１８、ＩＮＣＯＮＥＬ Ｘ−７５０、ＩＮＣＯＮＥＬ ７５１およびＩＮＣＯＮＥＬ ＭＡ ７５４が挙げられるが、これらに限定されない。ニッケル‐クロム合金が、７１〜７５％のニッケル、１５〜１７％のクロム、７〜１１％の鉄、０．２〜０．３５％のマンガン、０．２〜０．３５％のケイ素、０．１〜０．３％の銅、０．００３〜０．０４％の炭素および０．００１〜０．０１％の硫黄を含むのが好ましい。適当な好ましいニッケル‐クロム合金としては、ＩＮＣＯＮＥＬ ６００が挙げられる。
【００４９】
本発明において有用な窒化ケイ素フェルールは、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）または窒化ケイ素合金を含む任意のものである。本発明のフェルールにおいて有用な、適当な窒化ケイ素材料としては、窒化ケイ素、窒化ケイ素ホイスカーを含むセラミックまたは窒化ケイ素合金が挙げられるが、これらに限定されない。窒化ケイ素ホイスカーを含む適当なセラミックとしては、アルミナ、ジルコニア等が挙げられるが、これらに限定されない。任意の窒化ケイ素合金が、本発明において使用するのに適当である。そのような窒化ケイ素合金としては、５％までの炭素を含むもの、例えば米国特許第４，０３６，６５３号に開示されたものが挙げられる（そのような窒化ケイ素合金の製造を教示する記載の範囲は本明細書において参照される）。窒化ケイ素フェルールが、少なくとも９５％の窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含むのが好ましく、より好ましくは少なくとも９７％の窒化ケイ素、最も好ましくは少なくとも９９％の窒化ケイ素を含むものである。窒化ケイ素が、製造中にホットプレス（ｈｏｔ ｐｒｅｓｓ）されるのがさらに好ましい。
【００５０】
本発明のフェルールは、シェルアンドチューブ熱交換器の熱交換管に適合する任意の形であることができる。よって当業者は、フェルールの外径が熱交換管の内径より小さいことを認識するであろう。フェルールの外径は、ぴったり合うように交換管の内径と実質的に同じ大きさから、非常に緩く合うように交換管の内径より有意に小さい大きさまで、どんな大きさであってもよい。当業者は、与えられた熱交換管デザインのために必要なフェルールの外径を容易に決定できる。実質的に同じとは、フェルールまたはその一部と交換管またはチューブシート穴との間に有効な封止を与えつつ、フェルールまたはその任意の一部の外径が、交換管またはチューブシート穴の中に適合するのに十分小さいことを意味する。本発明のフェルールは典型的には、０．５〜２インチ（１．２〜５ｃｍ）、好ましくは０．７５〜１．７５インチ（１．９〜４．４ｃｍ）の範囲の公称径を有する。
【００５１】
本発明のフェルールは、フェルールの入口端の上表面、すなわち反応器の反応帯域に最も近い端が、入口チューブシートの上表面と少なくとも同じ高さであるように、熱交換管中に挿入される。本発明のフェルールの入口端が、チューブシートの上表面の上に伸びるのが好ましい。フェルールの入口端が、任意の耐火材層の上に伸びるのがさらに好ましい。使用するときは、そのような耐火材層は典型的には、１〜２４インチ（２．５〜６０ｃｍ）の厚さである。フェルールを任意の耐火材層の上に伸ばすことによって、高温の流出物による任意の耐火材層の浸食が減らされる。このように、フェルールの長さは、熱交換器デザインならびに、使用するなら、耐火材の量およびタイプに依存する。
【００５２】
フェルールが、管を下にずっとすべる、すなわちフェルールが提供する保護が必要なところからすべっていってしまうのを防ぐような方法で、フェルールを交換管中に据え付ける、または挿入すべきことを、当業者は認識するであろう。本発明のフェルールの入口端、すなわち反応器の反応帯域に最も近い端は、フェルールを適所に保持するための手段を有する。適当な保持手段としては、リップ（ｌｉｐ）、リム（ｒｉｍ）、隆起（ｒｉｄｇｅ）、フランジ（ｆｌａｎｇｅ）、じょうご形にする（ｆｌａｒｉｎｇ）、クランプ（ｃｌａｍｐ）等が挙げられるが、これらに限定されない。本発明のフェルールがリップまたはじょうご形にされたもしくは円錐状の入口端を有するのが好ましく、より好ましくはじょうご形にされたもしくは円錐状の入口端を有する。
【００５３】
本発明のフェルールは、熱交換器で使用される入口チューブシートの厚さと少なくとも等しい長さを持たなければならない。その他の点では、フェルールの長さは重要ではない。フェルールが犠牲的なフェルール（それが、使用中にすりへらされることが期待されていることを意味する）なら、フェルールは、フェルールを取り換えなければならなくなる前に、反応器の運転時間をのばすように、必要なよりも長いのが好ましい。実際のフェルールの長さは、反応器中の個々の流出気体ならびに熱交換器のデザインに依存し、そのようなことは、当業者の裁量の範囲内である。本発明のフェルールが、チューブシートの下に伸びるのに十分な長さを有するのが好ましい。冷却媒体が効率的であればあるほど、チューブシートの下に伸びるフェルールの長さを短くできることが認識される。フェルールが、チューブシートの下に０．５〜４インチ（１．２〜１０ｃｍ）伸びるのが好ましい。典型的には、本発明において有用なフェルールは、１〜３０インチ（２．５〜７６ｃｍ）、好ましくは２〜２０インチ（５〜５０ｃｍ）の範囲の全長を有する。
【００５４】
本発明のフェルールは、そのままで使用されるか、またはさらなる断熱層でラップ（ｗｒａｐ）されることができる。低い熱伝導度を有する任意の繊維タイプの材料が、ラッピング（ｒａｐｐｉｎｇ）断熱材として使用するのに適当である。適当な断熱材としては、アルミナ、ジルコニア、シリカ等が挙げられるが、これらに限定されない。そのような断熱材は、ブランケット（ｂｌａｎｋｅｔ）、ゲージ（ｇａｕｚｅ）、テープ（ｔａｐｅ）等の形状であることができる。例えば、適当な断熱材としては、シリカ紙、Ｆｉｂｅｒｆｒａｘ（登録商標）−Ｄｕｒａｂｌａｎｋｅｔ（ニューヨークのユニフラックス コーポレーション オブナイヤガラ フォール（Ｕｎｉｆｒａｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｉａｇａｒａ Ｆａｌｌｓ）により製造）およびＡｌｔｒａ（登録商標） Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ Ｂｌａｎｋｅｔ（ウィルミントン、デラウェアのラス パーフォーマンス ファイバーズ、 インコーポレーテッド（Ｒａｔｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｆｉｂｅｒｓ， Ｉｎｃ．）から）等が挙げられる。
【００５５】
適当なフェルールデザインを図４〜７に示す。これらのフェルールは、各図において同じ番号によって同一にされている次の要素を有する：入口端１３、出口端１４、高温のプロセス気体の入口１５および、冷却されたプロセス気体の出口１６。矢印は気体流の方向を示す。
【００５６】
本発明において使用するのに適したフェルールは、断熱デザインを有するものを含む。そのような断熱フェルールは、入口端および出口端を有し；入口端は、パイプ部分へと円錐形に先細になった開口を有し、入口端の外径は熱交換管の内径より大きく；パイプ部分は、熱交換管の内径の９９％以下の外径を有し；パイプ部分は、熱交換管の内径と実質的に同じ外径を有する広がった領域を有する。
【００５７】
断熱フェルールの他の実施態様の例を図４ａおよび４ｂに示す。図４ａおよび４ｂのフェルールは、外径ｑ（一般に、熱交換管または対応するチューブシート穴の内径より大きく、よってフェルールを適所に保持する）を有する円錐形の入口端１３を有する。図４ａおよび４ｂのフェルールは、長さｔおよび外径ｒ（熱交換管の内径の９９％までである）を有するパイプ部分を有する。図４ａにおいて、広がった領域は出口端１４であり、外径ｓを有し、この外径は、熱交換管に置かれたときにフェルールのまわりに有効な封止を形成するように、熱交換管の内径と実質的に同じである。図４ｂにおいて、フェルールは、パイプ部分と出口端１４との間に配置された、広がった領域３８を有する。広がった領域３８は外径ｓを有し、この外径は、熱交換管に置かれたときにフェルールのまわりに有効な封止を形成するように、熱交換管の内径と実質的に同じである。図４ｂにおいて、出口端１４は、広がった領域から距離ｄである。そのような距離ｄは重要ではない。
【００５８】
本発明の断熱フェルールの広がった領域が、フェルールの長さに沿ってどこにでも配置できることを当業者は認識するであろう。広がった領域が入口端に近ければ近いほど、断熱層は短くなる。１つより多い広がった領域を、フェルールの長さに沿って配置することができる。本発明の断熱フェルールの広がった領域は、球根状の突起（ｂｕｌｂｏｕｓ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）、隆起、リップ、フランジ、じょうご形にする等であることができる。広がった領域が出口端にないときは、端は、図４ｂに示したように少し中へ曲がっているのが好ましい。そのような中へ曲がっている端が、２フェルール系において、外側のフェルールとして特に有用である。そのような広がった領域は、フェルールと一体であることができるか、または、熱交換管に置かれる前に、例えばセメントによる接着によって、その後フェルールに付けられる別々の要素であることができる。
【００５９】
本発明の断熱フェルールは、フェルール外側のパイプ部分および内側の管壁によって規定される環状空間に気体をトラップする利点を有する。そのようなトラップされた気体は、熱交換管および、あるいはチューブシート穴および接合部をプロセス気体の熱から保護するための断熱層を提供する。環状空間の幅は、フェルールのパイプ部分の外径ｒと熱交換管の内径との間の差に等しい。本発明の断熱フェルールのパイプ部分が、熱交換管の内径の８５〜９９％の範囲の外径を有するのが好ましく、より好ましくは９０〜９８％の範囲である。本発明の断熱フェルールは、バイメタル（ｂｉｍｅｔａｌｌｉｃ）を含む任意の金属、セラミックまたはセラミッククラッドメタル（ｃｅｒａｍｉｃ ｃｌａｄ ｍｅｔａｌ）であることができる。適当な金属またはセラミックとしては、ニッケル‐モリブデン合金、ニッケル‐クロム合金、窒化ケイ素、ジルコニア、アルミナ、炭素鋼、３００シリーズ ステンレス鋼、４００シリーズ ステンレス鋼、モネル（ｍｏｎｅｌ）等が挙げられるが、これらに限定されない。好ましい金属またはセラミックとしては、窒化ケイ素、炭素鋼またはニッケル‐クロム合金が挙げられる。本発明のフェルールの外表面が、収束／発散形（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ／ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ ｓｈａｐｅ）を有するなら、これらはまた、図４ａおよび４ｂに示されているのと同等の、トラップされた気体のための断熱環状空間を提供することができる。
【００６０】
別の実施態様においては、図４ａおよび４ｂのフェルールは、パイプ部分ｔに沿って断熱物でラップされることができる。上記したようなフェルールのための断熱物として適当な任意の繊維タイプの材料が使用できる。そのようなラッピングは、フェルールの断熱能力を増加させることができる。
【００６１】
図５のフェルールは、外径ｑ（一般に、熱交換管または対応するチューブシート穴の内径より大きく、よってフェルールを適所に保持する）を有する円錐形の入口端１３を有する。フェルールのパイプ部分は、外径ｓ（熱交換管の内径と実質的に同じである）を有する出口端１４と同じ径を有する。パイプ部分の内径ｕは、パイプ部分の長さに沿って均一である。本発明において有用な、図５に示された一般的形状を有する窒化ケイ素フェルールは一般に、サンドブラスティング（ｓａｎｄ ｂｌａｓｔｉｎｇ）のためのノズルとして、例えばセラダイン インコーポレーテッド（Ｃｅｒａｄｙｎｅ Ｉｎｃ．）（コスタ メサ、カリフォルニア）から市販されていて入手可能である。
【００６２】
図６は、外径ｑ（一般に、熱交換管または対応するチューブシート穴の内径より大きく、よってフェルールを適所に保持する）を有する円錐形入口端１３を有するベンチュリ管形のフェルールの１つの実施態様を示す。フェルールのパイプ部分は、外径ｓ（熱交換管の内径と実質的に同じである）を有する出口端１４と同じ外径を有する。パイプ部分の内径は、円錐形の入口端の基部から出口端１４へ徐々に増加する。本発明のベンチュリ管形のフェルールの内側の構造は、収束／発散ノズルのものである。これらのベンチュリ管形のフェルールにおいては、入口端は、円錐形またはトランペット形であることができ、円錐形が好ましい。円錐形の端を有するベンチュリ管形のフェルールにおいては、錐面の角度は典型的には、１９〜２３度である。本発明のベンチュリ管形のフェルールにおける発散角は典型的には、３０度未満である。発散角は好ましくは５〜７度である。そのようなベンチュリ管形のフェルールは、熱交換管に入る流出気体および／または液体の乱流を減じることによって、ならびにフェルール全体で圧力低下が小さいことによって、管壁の浸食を最小にするという利点を有する。本発明のベンチュリ管形のフェルールは、バイメタルを含む任意の金属、セラミックまたはセラミッククラッドメタルから作られることができる。適当な金属またはセラミックとしては、ニッケル‐モリブデン合金、ニッケル‐クロム合金、窒化ケイ素、ジルコニア、アルミナ、炭素鋼、３００シリーズ ステンレス鋼、４００シリーズステンレス鋼、モネル等が挙げられるが、これらに限定されない。好ましい金属またはセラミックとしては、窒化ケイ素、炭素鋼またはニッケル‐クロム合金が挙げられる。
【００６３】
図７は、真直ぐな内腔および外側のリップ（ｌｉｐ）３５を有するフェルールを示す。入口端１３および出口端１４の内径は、実質的に同じである。フェルールの内径は、その長さに沿って実質的に均一である。外側のリップ３５は、フェルールを、チューブシートの上部または耐火材層の上部の適所に保持するための手段を提供する。よって、そのような外側のリップ３５は、使用される熱交換管の内径より大きい外径を有する。外側のリップ３５が、フェルールの長さに沿った任意の場所に置かれることができることが認識される。しかし、そのようなフェルールデザインは、熱的衝撃、例えばシアン化水素反応器において遭遇するような熱的衝撃に供されるとき、破砕を受ける。
【００６４】
本発明のニッケル‐クロム合金および窒化ケイ素のフェルールは、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金、ニッケル‐クロム合金、ニッケル‐モリブデン合金等から作られたチューブシートおよび管と共に有効に使用することができる。本発明のニッケル‐クロム合金のフェルールが、ニッケル‐クロム合金のチューブシートおよび熱交換管を有する熱交換器に使用されるのが好ましい。本発明のニッケル‐クロム合金のフェルールは、管に、化学的、物理的かつ熱的保護を与えるのに有効である。窒化ケイ素のフェルールは、すべての環境において、実質的に少しの劣化もなしに、チューブシート、接合部および交換管に熱的保護ならびに化学的および物理的保護を与えるのに非常に有効である。本発明の窒化ケイ素のフェルールは、還元、浸炭および／または窒化の環境において、例えばシアン化水素反応器において、化学的および物理的劣化からチューブシート、管および接合部を保護するのに特に有効である。
【００６５】
別の実施態様においては、タービュレーター（ｔｕｒｂｕｌａｔｏｒ）（また、ねじられたテープ（ｔｗｉｓｔｅｄ ｔａｐｅ）と呼ばれる）を本発明のフェルール（長手方向の断面がベンチュリ管の形でない）に加えることができる。そのようなタービュレーターは典型的には、本発明のフェルール中にすべっていく、または、さもなければ挿入される別々の要素であり、フェルールの出口を通りすぎて管へと伸びることができる。そのようなタービュレーターは、らせん状の流れパターン（ｃｏｒｋｓｃｒｅｗ ｆｌｏｗ ｐａｔｔｅｒｎ）を、熱交換器へ入る流出気体に与える。そのような流れパターンは、管壁での気体の停滞した境界層の形成を減じ、よって、熱交換管の全体に亘る熱移動を改善する。このようにして、プロセス気体は、より急速にクエンチされる。適当なタービュレーターとしては、らせん形および二重らせん形インサート（ｉｎｓｅｒｔ）が挙げられる。そのようなインサートは、金属、例えば炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金、ニッケル‐モリブデン合金およびニッケル‐クロム合金から作られることができる。
【００６６】
なお別の実施態様においては、本発明のフェルールは、施条をつけられる（ｒｉｆｌｅｄ）ことができる。施条をつける（ｒｉｆｌｉｎｇ）とは、らせん形の溝、隆起（ｒｉｄｇｅ）または他の突出物をフェルールの内部に加えることを意味する。そのような隆起は、らせん状の流れパターンを、熱交換器へ入る流出気体に与えるという利点を有する。そのような施条は典型的には、らせんまたは二重らせんの形状である。そのような施条は、本発明のフェルールの内壁を摩滅させる、溝をつける等によって達成することができる。あるいは、フェルールの鋳込（ｃａｓｔｉｎｇ）中に隆起を形成することができる。
【００６７】
なお別の実施態様においては、フェルールを熱交換管中に挿入する前に、フェルールをスリーブ（ｓｌｅｅｖｅ）内に置く。本発明のフェルールと共に使用するためのスリーブは典型的には、短い中空の筒、例えば交換管の一部である。そのようなスリーブは、任意の鋳込可能な耐火材を取り付ける間、フェルールをチューブシートの上の特定の高さに保持するという利点を有する。このことは、フェルールが、チューブシートの上部に置かれた任意の耐火材の上部に、またはその上に伸びることを可能にする。フェルールスリーブが使用されるときは、フェルールの出口端がチューブシートの少なくとも底まで伸びるように、フェルールの長さは、チューブシートの上のフェルールの長さを考慮して、伸ばされなければならない。スリーブは、耐火材が適所に置かれるまでフェルールを支持することができる任意の物質でできていることができる。かくして、フェルールスリーブは、セラミック、例えばアルミナ、シリカ、ジルコニア、窒化ケイ素および、窒化ケイ素ホイスカーで強化されたセラミック；金属、例えば炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金、ニッケル‐クロム合金およびニッケル‐モリブデン合金；ろう；プラスチック、紙、厚紙等であることができる。スリーブが、セラミックまたは金属であるのが好ましく、より好ましくは窒化ケイ素またはニッケル‐クロム合金である。そのようなスリーブは、耐火材がチューブシートの上部に加えられるまでフェルールを支持する必要しかない。プレキャスト（ｐｒｅ−ｃａｓｔ）耐火材が使用されるときは、フェルールスリーブは必要とされない。
【００６８】
ある種の用途または反応器デザインにおいては、多フェルール系、例えば２フェルール系を使用するのが望ましいことがある。２フェルール系は、内部フェルール（典型的には、その断熱能力および／または耐薬品性のために選択される）、および外部フェルール（第１に、その耐久性のために選択される）を含む。適当な内部フェルールとしては、セラミック、例えばアルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、窒化ケイ素ホイスカーで強化されたアルミナ、窒化ケイ素ウィスカーで強化されたジルコニア等が挙げられる。内部フェルールが窒化ケイ素であるのが好ましい。外部フェルールは、任意の物質でできていることができる。適当な外部フェルール材料としては、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル‐クロム合金、ニッケル‐モリブデン合金、窒化ケイ素等が挙げられるが、これらに限定されない。外部フェルールが、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル‐クロム合金および窒化ケイ素であるのが好ましい。外部フェルールが、本発明の断熱フェルールであるのが好ましい。
【００６９】
図９は、広がった領域４６を有する断熱外部フェルール４２内に配置された内部フェルール４０を有する２フェルール系を示す。２フェルール系は、フェルールスリーブ３１によって支持され、耐火材層４４の開口中にある。２フェルール系は、入口チューブシート４の開口を通過し、交換管２の入口端へ入る。交換管２は、入口チューブシート４の上表面に、慣用の接合部３によって取り付けられている。
【００７０】
窒化ケイ素フェルールの利点は、それらが、多くの化学反応器において流出気体の雰囲気と化学的に相溶性であることである。さらに、本発明の窒化ケイ素フェルールは、流出気体が熱交換管中で触媒金属にされされることによって分解される系において、例えばある種のシアン化水素反応器において使用することができる。本発明の窒化ケイ素フェルールは、１種以上の次の流出気体を含むことがある反応器において特に有用である：水素、窒素、窒素酸化物、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニア、メタンおよび他の気体状炭化水素。
【００７１】
このように、本発明のフェルールおよび／またはダウンホール接合部は、シアン化水素反応器、例えばアンドルッソー（Ａｎｄｒｕｓｓｏｗ）またはデグッサ（Ｄｅｇｕｓｓａ） Ｂ−Ｍ−Ａプロセス、硝酸廃棄物熱回収交換器、アクリロニトリル反応器、二酸化チタン反応系、アンモニア反応および／またはボイラー系、リン酸反応系、硫酸反応系、エチレンクエンチ交換器、管側燃焼ボイラー、管側燃焼交換器、廃棄物焼却炉または触媒分解炉において使用されるシェルアンドチューブ熱交換器の有効寿命を延ばすのに好ましく使用される。本発明は、シアン化水素反応器、硝酸廃棄物熱回収交換器、およびアクリロニトリル反応器におけるシェルアンドチューブ熱交換器の有効寿命を延ばすのに使用されるのがより好ましく、最も好ましくはシアン化水素反応器である。このように、本発明は、炭化水素、アンモニアおよび任意的に酸素含有気体を、白金含有触媒の存在下で反応させることによりシアン化水素を製造する反応器によく適合される。
【００７２】
１つの実施態様においては、本発明は、
（ａ）入口チューブシート部分および出口チューブシート部分を有するシェルであって、各チューブシートは複数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のための少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を有する、シェル；（ｂ）シェル内に配置された複数の管であって、管の軸と入口および出口のチューブシートの穴の軸とが一致するように、各管の入口端が入口チューブシートに付けられ、かつ各管の出口端が出口チューブシートに付けられていて、各管の入口端はダウンホール接合部によって入口チューブシートに付けられている、複数の管；ならびに（ｃ）複数のフェルールであって、各フェルールは、入口端および出口端を有し、フェルールは入口チューブシートの穴を通って管内に達し、出口端は入口チューブシートの下方に位置し、フェルールは窒化ケイ素またはニッケル‐クロム合金を含む、複数のフェルール
を含む、延ばされた有効寿命を有する熱交換装置を提供する。熱交換管がニッケル‐クロム合金を含むのが好ましい。フェルールが窒化ケイ素を含むのがさらに好ましい。
【００７３】
別の実施態様においては、本発明は、
（ａ）入口チューブシート部分および出口チューブシート部分を有するシェルであって、各チューブシートは複数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のための少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を有する、シェル；（ｂ）シェル内に配置された複数の管であって、管の軸と入口および出口のチューブシートの穴の軸とが一致するように、各管の入口端が入口チューブシートに付けられ、かつ各管の出口端が出口チューブシートに付けられていて、各管の入口端はダウンホール接合部によって入口チューブシートに付けられている、複数の管；ならびに（ｃ）複数のフェルールであって、各フェルールは、入口端および出口端を有し、フェルールは入口チューブシートの穴を通って管内に達し、出口端は入口チューブシートの下方に位置し、フェルールは、長手方向の断面がベンチュリ管であるデザインを有し、かつ窒化ケイ素またはニッケル‐クロム合金を含む、複数のフェルール
を含む、延ばされた有効寿命を有する熱交換装置を提供する。熱交換管がニッケル‐クロム合金を含むのが好ましい。フェルールが窒化ケイ素を含むのがさらに好ましい。
【００７４】
なお別の実施態様においては、本発明は、
（ａ）入口チューブシート部分および出口チューブシート部分を有するシェルであって、各チューブシートは複数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のための少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を有する、シェル；（ｂ）シェル内に配置された複数の管であって、管の軸と入口および出口のチューブシートの穴の軸とが一致するように、各管の入口端が入口チューブシートに付けられ、かつ各管の出口端が出口チューブシートに付けられていて、各管の入口端はダウンホール接合部によって入口チューブシートに付けられている、複数の管；ならびに（ｃ）複数のフェルールであって、各フェルールは、入口端および出口端を有し、フェルールは入口チューブシートの穴を通って管内に達し、出口端は入口チューブシートの下方に位置し、フェルールが、入口端および出口端を有し；入口端は、パイプ部分へと円錐形にまたはトランペット形に先細になった開口を有し、入口端の外径は熱交換管の内径より大きく；パイプ部分は、熱交換管の内径の９９％までの外径を有し；フェルールの出口端は、熱交換管の内径と実質的に同じ外径を有し；かつフェルールは窒化ケイ素またはニッケル‐クロム合金を含む、複数のフェルール
を含む、延ばされた有効寿命を有する熱交換装置を提供する。フェルールが窒化ケイ素を含むのが好ましい。フェルールが、断熱材でラップされているのがまた好ましい。熱交換管がニッケル‐クロム合金を含むのがさらに好ましい。
【００７５】
シアン化水素を製造するための典型的な系においては、炭化水素、例えばメタン、エタン、メタノール等、アンモニアおよび任意的に酸素含有気体を含む反応気体が反応器に供給され、触媒、例えば白金含有触媒の存在下で、約１０００〜１４００℃の範囲の温度にて反応される。反応が、酸素含有気体を含むときには、触媒は、アンモキシデーション触媒であるのが好ましい。反応体は一般に、触媒の存在下で反応温度に加熱される。高温の流出気体、すなわち生成物気体は、シアン化水素生成物を含む。しかし、上記したように、シアン化水素の分解を減らすために、流出気体をクエンチして約６００℃より下の温度にしなければならない。これは、反応帯域から出た流出気体を、熱交換帯域の交換管と連絡している１つ以上のフェルールによって、熱交換帯域へと送ることによってなされる。熱交換帯域においては、流出物の熱は、交換管の材料、次いで交換管の外表面を取り巻く熱交換媒体に移され、それによって流出流体を適当な温度に下げ、系の熱エネルギーを、反応器において、または操作の別の場所でさらに使用するために回収する。
【００７６】
このプロセスを図８（反応体１７が反応帯域１８に入ることを示す）に示す。反応帯域１８において、反応体は、触媒１９、例えば、１つ以上の層の触媒担体（ここでは、層２０および３４）に担持された、加熱された白金金属ゲージ触媒と接触する。触媒担体は、例えば隆起を有するもしくは有さないハチの巣形または隆起を有するもしくは有さない気泡体であることができる。適当な触媒担体材料としては、金属担体スクリーン、プレキャスト（ｐｒｅ−ｃａｓｔ）セラミックもしくは耐火材、現場鋳込（ｃａｓｔ−ｉｎ−ｐｌａｃｅ）耐火材、セラミックフォーム、セラミックパッキン（ｐａｃｋｉｎｇ）、二酸化ケイ素（シリカ‐ＳｉＯ_２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、ホウ化ケイ素、ホウ窒化ケイ素、酸化アルミニウム（アルミナ‐Ａｌ_２Ｏ_３）、アルミノシリケート（ムライト（ｍｕｌｌｉｔｅ）‐３Ａｌ_２Ｏ_３‐２ＳｉＯ_２）、アルミノボロシリケート、炭素繊維、耐火繊維、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、コルダイト（Ｃｏｒｄｉｔｅ）（ＭｇＯ‐Ａｌ_２Ｏ_３‐ＳｉＯ_２）またはこれらの組み合せが挙げられるが、これらに限定されない。シアン化水素を含む高温で反応性の流出物は反応帯域１８を出て、フェルール２２を通って熱交換帯域２１に入る。高温の反応性流出物は、フェルール２２を通過して、熱交換媒体２４に取り囲まれている熱交換管２へと送られる。交換管２を通過しながら、流出気体は、約１０００〜約１４００℃の範囲の温度から約６００℃より下の温度へと急速に冷却される。冷却された流出気体２３は次に、熱交換帯域２１を出て、交換管２の出口端を通過し、シアン化水素生成物は、慣用の手段（示さず）によって流出ストリームから分離される。
【００７７】
図８にさらに示されるように、熱交換帯域２１は、そこを通って広がる開口を有する耐火材層２７からなることができ、その開口は、入口チューブシート４の開口と共に整列している。チューブシート４は、熱交換媒体２４を含む熱交換容器２６の壁を形成する。熱交換媒体２４は好ましくは、水または水と蒸気の混合物であるが、先に記載したような、加熱された交換管２から移動したエネルギーを吸収するのに適当な他の流体であることができる。フェルール２２は、耐火材層２７の開口にあり、入口チューブシート４の開口を通過し、交換管２の入口端に入る。好ましくは、耐火材層２７の開口は、フェルール２２の外形を補足するように形作られる。
【００７８】
フェルール２２は好ましくは、フェルール２２の長手方向の軸に沿って配置された、分離可能なまたは一体のフェルールスリーブ３１に取り囲まれている。「一体の」とは、スリーブが、フェルールを有する、またはフェルールに固定して付けられた普通の材料の単一部品として形成されることができることを意味する。材料中に望まない応力を生じることなく、例えば運転中の膨張のちがい（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）のために、フェルールスリーブ３１が、フェルール２２の任意の動きをフェルールスリーブ３１に適応させるような、別々の要素であるのが好ましい。フェルールスリーブ３１は、フェルール２２と取り巻く耐火材層２７の内部との間の物理的緩衝物として働く。フェルールスリーブ３１はまた、フェルール２２を、交換管２の入口端の上で所望の配向に配置するために働くことができる。取り付けにあたって、フェルール２２の外側およびフェルールスリーブ３１の内側は、後のフェルールの除去を助けるために、ろうの薄層でコーティングされることができる。
【００７９】
本発明の範囲内に含まれる慣用の配置において、交換管２の入口端は、入口チューブシート４を通って反応容器３３へと伸びる。図８に示したこの実施態様においては、交換管２は、交換管２の外側と入口チューブシート４の上表面との間に形成される接合部によって付けられている。
【００８０】
以下の実施例は、さらに種々の本発明の態様を示すために与えられているが、いかなる解釈においても、本発明の範囲を限定することを意図しない。
【００８１】
実施例１
シアン化水素反応器を、シェルアンドチューブ熱交換器を用いて構成した。熱交換器の入口チューブシートおよび交換管を、ニッケル‐クロム合金（ＩＮＣＯＮＥＬ６００）から製造した。交換管の入口端は、入口チューブシートの上表面または、入口チューブシートの上表面のわずかに越えて伸びた管の端と同じ高さであった。交換管を、入口チューブシートの上表面に接合した。窒化ケイ素フェルールおよびニッケル‐クロム合金（ＩＮＣＯＮＥＬ６００）フェルールを、ニッケル‐クロム合金（ＩＮＣＯＮＥＬ６００）フェルールスリーブ中に置き、次にフェルールを交換管の入口端に挿入した。１５回の運転サイクル（熱衝撃である）および数回の高温（＞１２００℃）運転期間での約４ヶ月（約２７００時間）の運転後、１つの窒化ケイ素フェルールおよび１つのニッケル‐クロム合金フェルールを取り出し、摩滅について検査した。各運転サイクルは、ライト‐オフ（ｌｉｇｈｔ−ｏｆｆ）中に約１５０〜５００℃から約１２００〜１４００℃までに、約１分間でフェルールを加熱することおよび、後の、約１０００〜１４００℃から約２５℃までのフェルールの窒素クエンチの期間からなっていた。
【００８２】
ニッケル‐クロムフェルールは、交換管から除去するのが困難であり、もとの長さから約２分の１インチ（１．２７ｃｍ）のかなりの長さ損失を示した。また、このフェルールの表面上に大量の炭素／窒素堆積物があった。このフェルールは、フェルールスリーブ内に物理的に捕捉された。このフェルールはまた、炭素／窒素を吸収して膨潤し、よってフェルールの内径を収縮させた。
【００８３】
窒化ケイ素フェルールは、交換管から容易に取り出され、長さの損失を示さなかった。いくらかの金属シアン化物堆積物が、フェルールの出口端の外側にみられた。目に見える内部の摩滅も、窒化ケイ素フェルールの内側の膨潤もなかった。よって、窒化ケイ素フェルールの内径は変化しなかった。
【００８４】
このように、ニッケル‐クロムフェルールまたは窒化ケイ素フェルールのいずれも、シェルアンドチューブ熱交換器の交換管を、高温の反応性の流出気体から、特にシアン化水素反応器における流出気体から保護することがわかる。
【００８５】
実施例２
実施例１のシアン化水素反応器を、さらに５ヶ月運転した。再び、１つの窒化ケイ素フェルールおよび１つの隣接するニッケル‐クロム合金フェルールを反応器から除去し、評価した。
【００８６】
ニッケル‐クロムフェルールは、交換管から除去するのが困難であり、もとの長さから約１インチ（２．５４ｃｍ）のかなりの長さ損失を示した。また、このフェルールの表面上に多量の炭素／窒素堆積物があった。このフェルールは、スリーブ内に物理的に捕捉された。このフェルールはまた、炭素／窒素を吸収することにより膨潤し、よってフェルールの内径を収縮させた。また、フェルールの内部に浸食パターン（壁が薄くなる）が見られた。
【００８７】
窒化ケイ素フェルールは、交換管から容易に取り出され、長さの損失を示さなかった。いくらかの腐食堆積物、例えば金属シアン化物の堆積物が、フェルールの外側にみられた。黒ずんだ炭素堆積物が、フェルールの出口部分の外側にみられた。フェルールの入口の隆起に少しの浸食が生じた。目に見える内部の摩滅または、窒化ケイ素フェルールの内側の膨潤はなかった。よって、窒化ケイ素フェルールの内径は変化しなかった。
このように、ニッケル‐クロムフェルールまたは窒化ケイ素フェルールのいずれも、シェルアンドチューブ熱交換器の交換管を、高温で反応性の流出気体から、特にシアン化水素反応器における流出気体から保護することがわかる。
【００８８】
実施例３
実施例１および２からのフェルールを、重量損失および体積変化について分析した。これらの結果を以下の表に示す。示したパーセントは、実施例１および２からのフェルールの重量および体積を、対応する新しいフェルールと比べることによって評価したものである。
【００８９】
【表１】

【００９０】
このように、本発明の窒化ケイ素フェルールは、フェルールの寸法にいかなる有意の変化もなしに、熱交換管を長期間保護することにおいて、非常に有効であることがわかる。
【００９１】
実施例４‐比較例
実施例１のシアン化水素反応器において、図５に示したデザインを有する４つの酸化アルミニウムのフェルールを、窒化ケイ素フェルールまたはニッケル‐クロム合金フェルールの代わりに使用した。フェルールのうちの２つは、純度９５％を有し、他の２つは純度９７％を有していた。運転４〜５ヶ月後、４つのアルミナフェルールの全てを取り出し、検査した。各場合において、フェルールは、ネック（ｎｅｃｋ）領域、すなわちじょうご形に開いた入口端がパイプ部分と出合うところでひび割れ、または破壊された。いくつかの場合には、パイプ部分は、フェルールのじょうご形に開いた部分から完全に分離した。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１ａは、誇張された環状の空間を有するシアン化水素反応器において使用される、典型的な交換管からチューブシート接合部への概略的断面を示す。
図１ｂは、誇張された環状の空間を有する、ローリングされた（ｒｏｌｌｅｄ）交換管からチューブシート接合部への概略的断面を示す。
【図２】 図２ａは、誇張された環状の空間を有するダウンホール接合部によって付けられたチューブシートおよび交換管の概略的断面を示す。
図２ｂは、誇張された環状の空間を有するダウンホール接合部のために位置を定められたチューブシートおよび交換管の概略的断面を示す。
【図３】 図３ａ〜３ｅは、シアン化水素反応器の熱交換器のデザインの概略的断面を示す。
【図４】 図４ａは、断熱気体空間を与えるフェルールの概略的断面を示す。
図４ｂは、円錐形の入口端およびパイプの１つの部分で広がった径を有するフェルールの概略的断面を示す。
【図５】 図５は、円錐形の入口端および真直ぐな出口端を有するフェルールの概略的断面を示す。
【図６】 図６は、収束／発散デザインを有するフェルールの概略的断面を示す。
【図７】 図７は、真直ぐな内腔を有するフェルールの概略的断面を示す。
【図８】 図８は、フェルールおよびフェルールスリーブを含む、シェルアンドチューブ熱交換器の概略的断面を示す。
【図９】 図９は、熱交換管にフェルールスリーブを有する、２フェルール系の概略的断面を示す。
【符号の説明】
１ プロセス気体入口
２ 熱交換管
３ 接合部
４ チューブシート
５ 環状空間
６ プロセス気体出口
７ 交換器冷却水入口
８ 交換器冷却水出口
９ ベント
１０ 熱交換容器
１１ 反応容器
１２ 耐火材
１３ 入口端
１４ 出口端
１５ プロセス気体の入口
１６ プロセス気体の出口
１７ 反応体
１８ 反応帯域
１９ 触媒
２０ 触媒担体層
２２ フェルール
２４ 熱交換媒体
２６ 熱交換容器
２７ 耐火材層
３１ フェルールスリーブ
３３ 反応容器
３４ 触媒担体層
３５ リップ
３８ 広がった領域
４０ 内部フェルール
４２ 外部フェルール
４４ 耐火材層
４６ 広がった領域
４８ 接合部

Claims (11)

1. 炭化水素、アンモニアおよび任意に酸素含有気体を含む反応気体を反応器に供給すること；反応気体を、触媒の存在下で反応させて生成物気体を与えること；生成物気体を、（ａ）入口チューブシートおよび出口チューブシートを有するシェルであって、各チューブシートは複数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のための少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を有する、シェル；（ｂ）シェル内に配置された複数の管であって、管の軸と入口および出口のチューブシートの穴の軸とが一致するように、各管の入口端が入口チューブシートに付けられ、かつ各管の出口端が出口チューブシートに付けられている、複数の管；および（ｃ）複数のフェルールであって、各フェルールは、入口端および出口端を有し、フェルールは入口チューブシートの穴を通って管内に達し、出口端は入口チューブシートの下方に位置し、該フェルールは窒化ケイ素を含む、複数のフェルールを有する熱交換装置で冷却すること；ならびに冷却した生成物気体からシアン化水素を回収することを含む、シアン化水素を製造するための方法。
2. 前記各フェルールの入口端が、前記管より大きい直径を有し、前記直径が各フェルールの第１部分において減少し、各フェルールの第２部分において、各フェルールの内部表面が前記出口端に向けて３０度未満の角度で発散し、前記出口端の外径が前記管の外径より小さい、請求項１に記載の方法。
3. 各管が炭素鋼またはニッケル‐クロム合金を含む金属から形成されている、請求項２に記載の方法。
4. 各管がニッケル‐クロム合金を含む金属から形成されている、請求項３に記載の方法。
5. 前記角度が５〜７度である、請求項２に記載の方法。
6. 生成物ガスの温度が少なくとも１０００℃である、請求項２に記載の方法。
7. 還元、浸炭または窒化ガスの冷却方法であって、
   前記方法は、（ａ）入口チューブシートおよび出口チューブシートを有するシェルであって、各チューブシートは複数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のための少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を有する、シェル；（ｂ）シェル内に配置された複数の管であって、管の軸と入口および出口のチューブシートの穴の軸とが一致するように、各管の入口端が入口チューブシートに付けられ、かつ各管の出口端が出口チューブシートに付けられている、複数の管；および（ｃ）複数のフェルールであって、各フェルールは、入口端および出口端を有し、フェルールは入口チューブシートの穴を通って管内に達し、出口端は入口チューブシートの下方に位置し、該フェルールは窒化ケイ素を含む、複数のフェルールを含む熱交換装置において、前記ガスを冷却することを含む、方法。
8. 前記還元、浸炭または窒化ガスが浸炭または窒化ガスである、請求項７に記載の方法。
9. 前記各フェルールの入口端が、前記管より大きい直径を有し、前記直径が各フェルールの第１部分において減少し、各フェルールの第２部分において、各フェルールの内部表面が前記出口端に向けて３０度未満の角度で発散し、前記出口端の外径が前記管の外径より小さい、請求項８に記載の方法。
10. 各管が炭素鋼またはニッケル‐クロム合金を含む金属から形成されている、請求項９に記載の方法。
11. 前記還元、浸炭または窒化ガスが、蒸気‐メタン改質炉の生成物である、請求項７に記載の方法。

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