JP5717990B2 - 分解ガスの冷却のための熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルの特徴を有する冷却管と非冷却管の間に管継手を有する分解ガスの冷却のための熱交換器に関する。

管継手を有する分解ガスの冷却のためのこの種の熱交換器は、特許文献１から公知である。分解ガスは、炭化水素の熱分解によって分解炉内で生成される。このような分解炉は、複数の外部から加熱された分解管を具備しており、それらを通して挿入された炭化水素が水蒸気の添加下に導入される。生成された分解ガスは、９００℃までの温度で分解管を離れ、かつその分子組成の安定化のために急速に冷却されなければならない。分解ガスの急速な冷却は、分解ガス冷却器内で分解ガスから高圧下にある蒸発する水への熱伝達によって行われる。

特許文献１から公知の管継手において、非冷却管の端部は、フォーク状に拡大され、かつ内部および外部の管部分を有する流入ヘッドを具備している。前記両管部分の間の中間室は断熱材で充填される。外部の管部分は、冷却された二重管のジャケット管に溶接されている。内部の管部分は、冷却された二重管の内管に軸線方向間隔で対向しており、内部の管部分と内管の前面の間にリング（Ｃ、Ｏ、ＵまたはＶ字形）として形成された、断熱材の中への分解ガスの侵入を阻止するシールがある。

フォーク状の、断熱材で充填された冷却管と非冷却管を接続するための流入ヘッドは、特許文献２から公知の熱交換器においても分解ガスの冷却のために使用される。公知の熱交換器において、冷却管は半径方向間隔でジャケット管によって囲繞された内管からなる。冷却材を供給する水室は、冷却管の流入端を取り囲む。前記水室は、断面が円形の凹部が取り込まれた重厚な四角形の部材からなる。前記凹部は、１本のみの冷却管を収容し、冷却管の内管は前記凹部の底部に溶接され、かつジャケット管が水室と溶接されている。流入ヘッドの外部の管部分は、ジャケット管から離間する側で水室に溶接されており、一方、流入ヘッドの内部の管部分は冷却管の内管に軸線方向間隔で対向している。

公知の流入ヘッドは、内管と内部の管部分の間の軸線方向の遊びによって熱的に限定された熱膨張を無制限に許容する。取り込まれた断熱材は、冷却管に固定して接続された流入ヘッドの外部の管部分が非冷却管を通して流れるガスの温度より低い壁温度になることを生ぜしめる。管が接続箇所で達する壁温度は前記方法で互いに補償され、その結果、熱応力が前記接続箇所で最小値になる。内部の管部分と内管の間のシールリング（Ｃ、Ｏ、ＵまたはＶ字形）は、流入ヘッドの断熱材の中への分解ガスの侵入を阻止する。５５０℃を超えると、炭素が分解ガスから析出し、かつシールリングに沈積し得る。その結果として、シールリングが密閉されなくなり、その結果、分解ガスが断熱材の中へ侵入し得る。それに続く結果として、分解ガスの漏れガス流から析出する炭素が断熱材上に堆積し、これが流入ヘッドの内部の管部分内の座屈応力と、外部の管部分内の円周応力とを生じる。

ドイツ連邦共和国特許第１９５３１３３０Ｃ２号 欧州特許出願公開第８１０４１４Ｂ１号明細書

本発明に、沈殿する炭素で分解ガスに対する密閉が改善されるように、非冷却管と冷却管の間に管継手を有する分類に対応する熱交換器を形成する課題が基礎に置かれている。

この課題は、非冷却管と冷却管の間に管継手を有する分類に対応する熱交換器において本発明により請求項１の要部特徴によって解決される。本発明の有利な態様は、従属請求項の目的である。

非冷却管と冷却管の間に管継手を有する本発明に係る熱交換器において、Ｕリングとして形成されたシールリングは、５００〜６００℃の温度に達するまで第１のシールの役割を引き受ける。５５０℃を超えて分解ガスから炭素の分離が開始すると、熱的に限定された内部の管部分の熱膨張が、半径方向内側にシールリングの前にある内部の管部分の突出する周縁領域と内管の間の間隙が橋渡しされるまで継続され、その結果、金属対金属接触が発生する。このような接触は、シールリングおよび流入ヘッドの内部および外部の管部分の間の中間室の方向への分解ガスの侵入を阻止し、かつ第２のシールとして作用する。本発明の別の態様において、断熱材を充填した中間室を密閉する可撓性の膜が、必要に応じてさらに侵入する分解ガスが完全に断熱材によって阻隔されることを生ぜしめる。それによって、前記可撓性の膜は第３のシールとして用いられる。

本発明の複数の実施例は、図面に示されており、以下より詳しく説明する。

本発明による管継手を有する熱交換器の下側部分の縦断面図。 図１または３による詳細Ｚ。 本発明による別の管継手を有する熱交換器の下側部分の縦断面図。

分解炉内で水蒸気と炭化水素の反応によって分解ガスが生成される。前記分解炉は、外部から加熱され、かつ投入物質が貫流する分解管１が設けられている。分解管１から９００℃までの温度で離れる分解ガスは、直接分解炉の上方の直接近傍に配設された分解ガス冷却器の中に入る。分解ガス冷却器内で、分解ガスの分子組成は蒸発する高圧下にある水による熱交換時の急冷によって安定化される。

分解ガス冷却器は、各冷却管２が非冷却分解管１の１本に割り当てられ、かつその軸線方向の延伸部に配設されるように、互いに１列に配設された複数の冷却管２を含む。各冷却管２は、冷却材が貫流する環状空間の形成下にジャケット管４によって囲繞された冷却された内管３からなる。分解管１および内管３の内径は、図示したように、一般に類似の大きさである。

冷却材の供給および排出は、それぞれ図示した下部の、および図示しない上部の冷却管２の端部を囲繞する水室５を介して行われる。水室５は、重厚な四角形の部材から製造されており、その中に断面が円形の凹部６が嵌入されており、各凹部６に１本の冷却管２が割り当てられている。ジャケット管４は、分解管１から離間する側で水室５に溶接されている。その際に、溶接箇所でジャケット管１の内径は凹部６の直径と一致する。

凹部６は、小さい残壁厚で環状の底部７が残るような深さで水室５を形成する部材の中にはめ込まれている。前記底部７の中に内管３が溶接されている。環状の底部７の面積は、内管３の外径と、凹部６の直径によって制限されている。

各凹部６の中へ、底部７の高さで好ましくは接線方向に穴８が通じる。この穴８は、それぞれ接続短管９を介して冷媒用の供給管１０に接続されている。前記冷媒は、穴８を通して高速で凹部６の中へ入り、かつ内管３回りに回転する流れを発生する。この流れは、底部／凹部６の良好な冷却を生ぜしめ、かつ有害な局所的過熱を生じ得る底部７への粒子の堆積も阻止する。

分解管１の流出側の端部は、フォーク状に拡大されており、かつ流入ヘッド１１を形成する。流入ヘッド１１は、内部の分解管１の延伸部を形成する管部分１２と、外部の管部分１３とからなり、これら両者は互いに一端で接続されている。外部の管部分１３は、水室５の下側に溶接されている。流入ヘッド１１の内部の管部分１２は、軸線方向間隔で内管３に対向している。

流入ヘッド１１の内部の管部分１２と外部の管部分１３の間の環状の中間室の中に断熱体が取り込まれている。この断熱体は、軸線方向に相前後して置かれる断熱材の複数の層からなる。図示した場合において、３層が配設されており、しかも第１の層１４、第２の層１５および第３の層１６である。これらの層１４、１５、１６はその熱伝導率で区別される。その際に前記層１４、１５、１６は、内管３に対向する第１の層１４が最小の熱伝導率を有し、かつ分解管１に対向する第３の層１６が最大の熱伝導率を有するように、中間室の中に取り込まれている。その中間にある層１５は、平均的な熱伝導率を有する。従って、層１４、１５、１６の断熱効果は、内管３の方向へ増大し、もしくは分解管１の方向へ減少する。異なる熱伝導率は、層１４、１５、１６の材料または密度または厚さの選択によって変化させることができる。個々の層１４、１５、１６の軸線方向の高さは、異なっていてよく、かつ所望の断熱効果の変化によって決定される。

熱伝導率における差は、分解管１に対向する側で１０Ｗ／ｍ＊Ｋと内管３に対向する側で０．２〜０．６Ｗ／ｍ＊Ｋの間にある。断熱体は、鉱物性または繊維性の材料からなっていてよく、かつ中間室の中に注入されたおよび硬化性の塊状体としてまたは成形部材として取り込むことができる。

内部の管部分１２の内径は、内管３の内径と等しい。図２に識別されるように、内部の管部分１２端部は内径から出発して突出する周縁領域１７を有する。前記周縁領域１７の半径方向外側に、内部の管部分１２の端部表面が環状の凹所１８を具備している。前記凹所１８の中にＵリング１９として形成されたシールリングが挿入されている。前記Ｕリング１９の脚部は、凹所１８の基部および内管３の端部表面に当接する。Ｕリング１９はより低い温度で流入ヘッド１１と、そこに取り込まれた断熱材の内部の中間室の方向への分解ガスの逃げ込みを阻止する第１のシールとして用いられる。

内管３の端部表面から内部の管部分１２の内部にある周縁領域１７の軸線方向間隔は、運転中に流入ヘッド１１の寸法によって発生する熱的に限定された流入ヘッド１１の最大熱膨張よりも小さく選択されている。所定の温度に達したとき、進行する熱膨張により流入ヘッド１１と内管３の間の間隔が橋渡しされ、その結果、内部の管部分１２の突出する周縁領域１７と内管３の間に金属対金属接触が発生する。この金属対金属接触は、第２のシールとして作用し、かつより高い温度でＵリング１９および流入ヘッド１１の内部の中間室の方向への分解ガスの侵入を阻止し、またはこのような侵入を少なくとも広範囲に制限する。

断熱材を収容する流入ヘッド１１の内部の中間室は、環状の、弾性および気体非透過性の膜２０によって密閉されている。膜２０は、内部および外部の管部分１２、１３上に密閉固定されている。膜２０は、好ましくは波形である。この膜は第３のシールとして用いられ、かつ必要に応じてさらにＵリング１９を通して侵入した分解ガスが断熱材に到達することを阻止する。

上記水室５に代わり、流入ヘッド１１は冷却管へ冷却材を供給するための別態様に形成された収集器に溶接されてもよい。

流入ヘッド１１は、――図３に示したように――流入ヘッド１１の外部の管部分１３が外側で冷却管と溶接されていることによって、直接内管３とジャケット管４からなる冷却管に接続されていてもよい。流入ヘッド１１の内部の管部分１２は――上述のように――形成されており、かつ冷却管の密閉された端部に対向しており、Ｕリング１９はシールリングとして内部の管部分１２端部の突出する周縁領域１７の頂部半径方向外側の凹所１８の中に設けられており、かつ流入ヘッド１１の内部および外部の管部分１２、１３の間の中間室は気体非透過性の膜２０によって密閉されている。

３ 内管
４ ジャケット管
５ 水室
６ 凹部
７ 底部
１１ 流入ヘッド
１２ 内部の管部分
１３ 外部の管部分
１７ 内部の管部分の周縁領域
１８ 凹所
１９ Ｕリング
２０ 気体非透過性の膜

Claims (6)

1. 冷却管と非冷却管の間に管継手を有する分解ガスの冷却のための熱交換器であって、前記冷却管は冷却される内管（３）とジャケット管（４）により構成されていて、内管（３）がジャケット管（４）よって囲繞されていること、断面がフォーク状で前記非冷却管に接続されていて、外部の管部分（１３）と、内部の管部分（１２）とを有し、それらの間に断熱材を充填した中間室がある流入ヘッド（１１）を介して、前記冷却管が熱い前記非冷却管に接続されていること、外部の管部分（１３）がジャケット管（４）に接続されており、かつ内部の管部分（１２）が内管（３）に小さい軸線方向間隔で対向しており、かつ内管（３）の端部表面と内部の管部分（１２）の間にシールが配設されていること、を備えた熱交換器において、
   シールがＵリング（１９）として形成され、かつ流入ヘッド（１１）の内部の管部分（１２）の端部表面の凹所（１８）の中に配設されており、前記凹所（１８）は、内管（３）に小さい軸線方向間隔で対向する内部の管部分（１２）の突出する周縁領域（１７）の頂部半径方向外側に形成されており、かつ流入ヘッド（１１）の内部の管部分（１２）の周縁領域（１７）と内管（３）の間の小さい軸線方向間隔が流入ヘッド（１１）の最大熱膨張と等しくまたはそれより小さいことを特徴とする熱交換器。
2. 断熱材を収容する流入ヘッド（１１）の中間室の上方に、密に流入ヘッド（１１）の内部および外部の管部分（１２、１３）と溶接されている気体非透過性の膜（２０）が設けられていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 気体非透過性の膜（２０）が波形であることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
4. 流入ヘッド（１１）の外部の管部分（１３）およびジャケット管（４）がそれぞれ互いに対向する側で水室（５）と接続されており、前記水室（５）が重厚なストリップ状の部材からなり、その中に凹部（６）の薄い底部（７）の中に溶接されたそれぞれ１本のみの内管（３）を囲繞する円形の凹部（６）が取り込まれており、かつ凹部（６）の直径がジャケット管（４）の内径に相当することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
5. 流入ヘッド（１１）の外部の管部分（１３）が直接ジャケット管（４）に接続されていることを特徴とする請求項４記載の熱交換器。
6. 断熱材が複数の軸線方向に相前後して置かれる層（１４、１５、１６）から構成されており、それらの熱伝導率が内管（３）からの距離と共に上昇することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。

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