KR100724703B1 - 환원, 침탄 또는 질화 가스를 냉각하기 위한 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 반응기에서 사용되어지는, 특히 환원성, 질화성 및/또는 탄화성 환경에 노출되어지는 간접식 튜브시트형 열교환기들의 내구 수명을 향상시키기 위한 수단에 관한 것이다. 이와 같은 수단들은 열교환기내에서 및/또는 이러한 열교환기들의 제작에 사용되어지는 용접방식의 임의의 페룰들의 사용을 포함한다.

튜브 시트, 열교환 매체, 쉘, 실리콘 니트라이드, 페룰, 열교환 장치, 니켈-크롬 합금

Description

환원, 침탄 또는 질화 가스를 냉각하기 위한 공정 {A PROCESS FOR COOLING A REDUCING, CARBURIZING OR NITRIDIZING GAS}

도 1a는 확대된 환형 공간을 갖고, 시안화 수소 반응기내에 사용되어지는 전형적인 열교환 튜브와 튜브시트 용접부를 도시한 개략 단면도.

도 1b는 확대된 환형 공간을 갖고, 말려진(rolled) 열교환 튜브와 튜브 시트 연결부를 도시한 단면도.

도 2a는 확대된 환형 공간을 갖고, 다운-홀 용접부에 의해서 고정되어지는 튜브 시트와 열교환 튜브를 도시한 단면도.

도 2b는 확대된 환형 공간을 갖고, 다운-홀 용접부를 위하여 위치되어지는 튜브 시트와 열교환 튜브를 도시한 단면도.

도 3a 내지 3e는 시안화 수소 반응기의 열교환기 구조의 개략 단면도.

도 4a는 단열 가스공간을 제공하기 위한 페룰을 도시한 개략 단면도.

도 4b는 파이프의 일부에 원추형 유입단부와 확장 직경을 갖는 페룰을 도시한 개략 단면도.

도 5는 원추형 유입단부와 직선형 배출 단부들을 갖는 페룰의 개략 단면도.

도 6은 수렴 및 발산형 구조(converging/diverging design)를 갖는 페룰을 도시한 개략 단면도.

도 7은 직선형 구멍을 갖는 페룰의 개략 단면도.

도 8은 페룰들과 페룰 슬리브들을 갖는 쉘 및 튜브식 열교환기를 도시한 개략 단면도.

도 9는 열교환 튜브내의 페룰 슬리브를 갖는 2 페룰 시스템을 도시한 개략 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

2..... 열교환 튜브 3..... 용접부

4..... 튜브 시트 5..... 환형 공간

6,16..... 냉각된 공정가스 배출구 13.... 유입 단부

14.... 배출 단부 15.... 고온 공정가스 유입구

18.... 반응 영역 19.... 촉매

31.... 페룰 슬리브 33.... 반응기 베슬(vessel)

38.... 확장 영역 40.... 내측 페룰

42.... 단열 내측 페룰 44.... 내화물 층

본 발명은 고온의 반응성 폐가스(effluent gasses)를 생산하는 화학반응 시스템에서 사용되어지는 간접식 열교환기의 내구수명과 신뢰성을 개선하기 위한 수단에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 시안화 수소(hydrogen cyanide)의 제조에 사용되어지는 간접식 열교환기의 내구수명을 개선하기 위한 수단에 관한 것이다.

여러 가지 화학공정에서, 반응 폐출물은 고온, 반응성 및/혹은 마모성 유체 및/혹은 가스들을 포함한다. 이와 같은 많은 반응물에 대하여, 제조 부품(들)의 분해를 방지하기 위하여 반응기 배출물을 신속하게 켄치(quench)시키는 것이 필요하다. 급속켄칭(quenching)은 물분사를 가하는 것과 같은 직접 접촉식을 통하거나, 혹은 보통은 간접식 열교환기의 사용을 통한 간접방식을 통하여 이루어질 수 있다. 간접식 열교환기들은 폐열을 회복시키도록 구성되어질 수 있는 부가적인 이익을 제공하기 때문에, 이 방식이 보다 바람직한 방식이고, 수년동안 사용되어 왔다.

이와 같은 화학처리 공정에서 사용되어지는 전형적인 간접 접촉식 열교환기들은 쉘 및 튜브 구조로 이루어진다.

여러 시스템에서, 배출물의 열적, 운동학적 및, 반응 특성들은 개별적으로 혹은 집합적으로 열교환 영역을 형성하기 위하여 사용되는 재료들을 부식시키고, 균열시키며, 혹은 부패시키도록 작용할 수 있다. 특히, 반응 영역에 가장 근접하는 열교환 튜브들과 튜브-튜브 시트의 용접부들은 가장 혹독한 상태를 보여 주고 있으며, 가장 부패되기 쉬운 곳이다. 예를 들면, 고온 배출물은 그 자체가 열교환 튜브의 금속에 화학적으로 반응할 수 있으며, 그에 따라서 부식 및/또는 침식, 즉 금속의 녹, 침탄(carburization) 및 그와 유사한 것들을 발생시키고, 이 모든 것들이 열교환기의 파단을 초래한다. 상기 열교환 튜브들의 용접 영역도 침식, 균열등을 집중적으로 받기 쉬우며, 이들은 열교환기의 파단으로 이어지는 것이다. 이와 같은 문제점들은 예를 들면 시안화 수소 혹은 아크릴로니트릴(acrylonitrile)의 제조공정에서, 질산 폐열 회복 열교환기에서, 탄화수소 분류(cracking) 유니트에서, 그리 고 튜브측방 연소식 보일러 및 열교환기내에서 제기되어질 수 있다.

쉘 과 튜브 열교환기 및 콘덴서들 내부의 튜브들에 대한 보호용 커버로서 페룰(ferrules)을 사용하는 것은 이미 알려져 있다. 이와 같은 페룰들은 원래는 상기 튜브들과 용접부들을 단열시키고, 화학적 공격에 기인한 열화로부터 열교환 튜브들을 보호하고자 하는 것이다. 전형적으로, 열교환기들은 화학반응기내의 반응영역 하류측에, 즉 촉매의 하류측에 위치된다. 따라서, 상기 열교환 튜브들의 상부 혹은 하부들은 고온 배출가스들에 노출된다. 임의의 페룰, 예를 들면 알루미나등이 사용되어 이와 같은 가스로 부터의 열에 대한 단열작용을 제공한다.

통상적인 예에서, 열교환 튜브는 먼저 기본재료로서 제작되고; 두 번째로, 그 특성에 따라서 선택되어진, 즉 부식 및/또는 화학적 공격에 대하여 저항성을 구비하는 가능한 다른 재료들이 튜브에 형성되어 열교환 튜브의 유입/상류측 내부에 삽입된다. 처리공정 조건의 혹독함에 따라서, 페룰은 보수 유지가 불필요한 긴 기간의 내구수명을 제공하거나, 혹은 빈번한 교체를 필요로 하는 소비성 부품으로 이루어질 수 있다. 각각의 경우에 있어서, 페룰의 사용은 부식 및/또는 침식의 방지를 통하여 상기 기본 재료의 열교환기의 내구 수명을 연장시키는 경제적인 방법을 제공한다.

예를 들면, M.James 의 First International Symposium on Innovative Approaches for Improving Heat Exchanger Reliability, Proceedings, Materials Technology Institute of the Chemical Process Industries, Inc., 1-13(1998)에서 "Unexpected Metal Dusting Failure of Waste Heat Boiler Tubes"에는 환원, 침탄 및/또는 질화(nitridizing) 조건을 갖는 화학 공정에 사용되는 쉘 및 튜브 반응기내의 특정 세라믹 페룰구조를 개시하고 있다. 이 책자에서 다양한 니켈- 크롬 합금(Inconel)이 열교환기의 튜브내에 사용되었다. 각각의 경우에, 상기 Inconel 재료는 혹독한 폐출물, 즉 알려진 속도보다 훨씬 빠른 속도의 금속 부식을 경험하였다.

그리고, 미국 특허 제 5,775,269호는 내측 세라믹 슬리브, 세라믹 블럭및 외측 세라믹 슬리브들을 갖는 보일러 보호 튜브조립체를 개시하고 있다. 미국 5,775,269호에 개시된 세라믹들은 알루미늄 및 지르코늄 산화물들이다. 이와 같은 세라믹들은 매우 높은 온도의 폐출물의 급속켄칭을 필요로 하는 열교환기내에서 사용되기에는 비실용적이고, 그 이유는 이러한 재료들이 이와 같은 극단의 온도하에서는 단지 상대적으로 짧은 시간만 지속되기 때문이다.

알루미나, 실리카 및 지르코니아와 같은 세라믹들은 증기- 메탄 개질장치( steam-methane reformers )와 같은 반응기에서 단열재로서는 효과적이다. 그러나, 이것들은 낮은 열충격 저항을 가지며, 실리카의 경우는 많은 환원분위기하에서 존재하는 수소에 반응할 수 있는 것이다. 예를 들면, M.S. Crowley, Hydrogen-Silica Reactions in Refractories, Ceramic Bulletin, Vol. 46, No.7, 679-682(1967)을 참조하기 바람. 따라서, 이러한 세라믹 재료들은 고온의 폐출물 가스들의 급속 냉각을 필요로 하는 화학처리공정이나 및/또는 환원 분위기하에서 사용되기에는 부적절한 것이며, 이들 모두는 시안화 수소의 제조과정에서 존재하는 것이다.

전형적인 쉘 및 튜브 반응기에서, 열교환 튜브들은 각각의 튜브 단부에서 튜 브 시트에 부착된다. 전형적으로, 하나의 튜브가 튜브 시트내의 하나의 구멍으로 통과되고, 상기 튜브의 단부는 튜브 시트의 상표면에 대략적으로 가지런한 높이로 된다. 그리고, 상기 튜브는 튜브 시트의 상부 표면에 전형적으로 용접되어진다. 일반적으로, 상기 튜브의 외경은 이에 일치하는 튜브 시트의 구멍 내경보다 작다. 따라서, 일단 상기 튜브가 튜브 시트에 용접되어지면, 원형의 공간이 상기 튜브와, 용접부 하측의 튜브시트사이에 남게 된다. 도 1a는 쉘 및 튜브 반응기내에 사용되어진, 특히 시안화 수소의 제조와 같은 환원 분위기를 갖는 화학처리 공정에 사용되어지는 반응기에서 사용되는 전형적인 용접부 3를 도시하고 있다. 상기 튜브는 또한, 다른 수단, 즉 롤링(rolling)에 의해서 상기 튜브 시트에 고정되어질 수도 있다. 도 1b는 롤링(rolling)에 의한 튜브와 튜브 시트의 전형적인 연결을 도시하고 있다.

시안화 수소의 제조과정에서, 고온의 폐출물 가스들은 대략 1000 내지 1400℃ 로 부터 600℃ 혹은 그 이하로 급속하게 냉각되어짐으로써 시안화 수소의 분해(decomposition)를 방지하여야 한다. 이러한 폐출물 가스들이 냉각되는 경우, 튜브 시트, 용접부 및 상기 열교환 튜브의 상부측은 매우 고온으로 된다. 그 결과, 상기 환형 공간 5내에 존재하는 어떠한 물도 증발하고, 환형공간 5내의 물중에 함유된 모든 불순물들이 부착한다. 이러한 불순물들은 전형적으로 물내에 함유된 이온들 광물질등, 이러한 것들이다. 그리고 이러한 불순물들은 튜브 시트, 열교환 튜브등에 전형적으로 침식작용을 하며, 특히 용접부에 그러하다. 시간이 경과하면, 이러한 침식물질들은 환형 공간 5내에서 성장한다. 폐출물 가스들로 부터의 열 및 시스템내에서 응력(stresses)을 받는 침식물질들의 조합체는 튜브, 용접부 및/또는 튜브 시트에서의 응력 침식 균열(stress corrosion cracking)을 초래한다. 이러한 응력 침식 균열은 열교환기의 파단을 초래하고, 궁극적으로 교체하여야 하는 것이다.

쉘및 튜브식의 많은 시안화 수소 반응기의 구조들이 개발되어 튜브 시트, 열교환 튜브 및 용접부들이 노출되어지는 열을 최소화하는 문제를 해결하고자 하였다. 도 3a-e는 이러한 반응기들을 도시한다. 각각의 반응기는 높은 냉각수 유속, 난류 냉각수 흐름, 및 상기 튜브 시트를 단열처리하기 위한 내화물들을 구비하여 설계되고 있다. 그러나, 이러한 구조들은 상기 응력 침식 균열을 완벽하게 방지하지 못한다.

다운 홀(down-hole) 용접부, 혹은 완전 관통 용접부들이 환원분위기 혹은 급속 켄칭 요구조건을 갖지 않는 화학처리공정에 사용되었다. 예를 들면, Ahmed et al.,에 의한 Ammonia Plant Safety & Related Facilities, American Institute of Chemical Engineers, Vol. 37, 100-110의 Failure, Repair and Replacement of Waste Heat Boiler에서는 2차 암모니아 개질 장치(reformer)내에서 사용되는 수평식 열교환기내에서 이러한 용접부의 사용을 개시하고 있다. 이 책자는 다른 공정에 대해서는 이러한 용접부의 사용을 개시하고 있지는 않다.

따라서, 환원성 분위기를 갖는 화학처리공정에서 사용되어지는 쉘 및 튜브식 반응기에서 긴 내구수명을 갖는 효과적인 열교환기를 제공한다는 문제점은 아직 남아 있는 것이다.

본 발명은 환원성 분위기를 갖는 화학처리공정에서 사용되어지는 쉘 및 튜브식 반응기에서 긴 내구수명을 갖는 효과적인 열교환기를 제공하고자 하는 것이다.

쉘 및 튜브식 시안화 수소 반응기에서 열교환기들의 내구수명은 페룰을 사용함으로서, 특히 실리콘 니트라이드(silicon nitride)를 포함하는 페룰을 사용함으로서, 그리고/또는 열교환기의 튜브를 튜브시트에 고정하기 위하여 다운-홀 용접부를 사용함으로서 연장되어질 수 있음이 본 발명자들에 의해서 판명되었다.

제 1견지(aspect)에서, 본 발명은 환원성, 침탄 및/또는 질화성 환경내에서 사용되기 위한 열교환 장치를 제공하며, 이는 : (a) 유입 튜브시트부와 배출 튜브시트부를 갖고, 각각의 튜브 시트는 다수의 구멍들을 갖추며, 열교환 매체를 위한 적어도 하나의 유입구와 하나의 배출구들을 갖는 쉘; (b) 상기 쉘내에 배치되고, 각각의 튜브의 유입단부가 상기 유입 튜브시트에 고정되고, 각각의 튜브의 배출단부가 상기 배출 튜브시트에 고정되어 상기 튜브의 축과 유입 및 배출 튜브시트 구멍의 축들이 서로 일치(coincident)되는 다수의 튜브들; 및 (c) 유입 튜브시트 구멍을 통하여 튜브의 내부로 연장하는 유입단부와 배출단부들을 각각 갖추고, 상기 배출 단부는 유입 튜브시트 아래로 연장하며, 실리콘 니트라이드를 포함하는 다수의 페룰들;을 포함하는 것이다.

제 2견지(aspect)에서, 본 발명은,

(a) 유입 튜브시트부와 배출 튜브시트부를 갖고, 각각의 튜브 시트는 다수의 구멍 들을 갖추며, 열교환 매체를 위한 적어도 하나의 유입구와 하나의 배출구들을 갖는 쉘; (b) 상기 쉘내에 배치되고, 각각의 튜브의 유입단부가 상기 유입 튜브시트에 고정되고, 각각의 튜브의 배출단부가 상기 배출 튜브시트에 고정되어 상기 튜브의 축과 유입 및 배출 튜브시트 구멍의 축들이 서로 일치(coincident)되는 한편, 각각의 튜브가 니켈-크롬 합금(nickel- chromium alloy)으로 이루어지는 다수의 튜브들; 및 (c) 유입 튜브시트 구멍을 통하여 튜브의 내부로 연장하는 유입단부와 배출단부들을 각각 갖추고, 상기 배출 단부는 유입 튜브시트 아래로 연장하며, 니켈-크롬 합금을 포함하는 다수의 페룰들;을 포함하는 열교환 장치를 제공한다.

제 3견지(aspect)에서, 본 발명은,

열교환 튜브에 사용되고, 유입단부 및 배출 단부를 가지며; 상기 유입단부는 파이프부로 향하여 원추형으로 테이퍼를 형성하는 개구부를 갖고, 상기 유입단부의 외경은 열교환 튜브의 내경보다 크게 형성되며; 상기 파이프부는 열교환 튜브의 내경의 99% 까지의 외경을 갖추는 한편; 상기 파이프부는 상기 열교환 튜브의 내경에 거의 동일한 외경을 갖는 확장영역(expanded area)을 갖는 페룰을 제공하는 것이다.

제 4견지(aspect)에서, 본 발명은,

열교환 튜브에 사용되고, 유입단부 및 배출 단부를 가지며; 상기 유입단부는 파이프부로 향하여 원추형으로 혹은 트럼펫 형상으로(trumpet-shaped) 테이퍼를 형성하는 개구부를 갖고, 상기 유입단부의 외경은 열교환 튜브의 내경보다 크게 형성되며; 상기 파이프부는 상기 열교환 튜브의 내경에 거의 동일한 외경을 갖고; 그 길 이방향의 단면으로 벤튜리 형상(venturi-shaped)의 구조를 갖는 페룰을 제공하는 것이다.

제 5견지(aspect)에서, 본 발명은,

시안화 수소 반응기에 사용되고, (a) 유입 튜브시트부와 배출 튜브시트부를 갖고, 각각의 튜브 시트는 다수의 구멍들을 갖추며, 열교환 매체를 위하여 적어도 하나의 유입구와 하나의 배출구들을 갖는 쉘; (b) 상기 쉘내에 배치되고, 각각의 튜브의 유입단부가 상기 유입 튜브시트에 고정되고, 각각의 튜브의 배출단부가 상기 배출 튜브시트에 고정되어 상기 튜브의 축과 유입 및 배출 튜브시트 구멍의 축들이 서로 일치(coincident)되는 한편, 각각의 튜브유입단부가 다운-홀 용접부에 의해서 상기 유입 튜브시트에 고정되어지는 열교환 장치를 제공한다.

제 6견지(aspect)에서, 본 발명은

1000°내지 1400°범위의 온도에서 백금 함유 촉매의 존재하에 탄화수소, 암모니아 및 선택적인 산소함유가스를 반응시킴으로서 시안화 수소를 준비하고, 반응 영역, 선택적인 내화물 영역, 및 열교환 영역을 포함하며,

(a) 유입 튜브시트부와 배출 튜브시트부를 갖고, 각각의 튜브 시트는 다수의 구멍들을 갖추며, 열교환 매체를 위한 적어도 하나의 유입구와 하나의 배출구들을 갖는 쉘; (b) 상기 쉘내에 배치되고, 각각의 튜브의 유입단부가 상기 유입 튜브시트에 고정되고, 각각의 튜브의 배출단부가 상기 배출 튜브시트에 고정되어 상기 튜브의 축과 유입 및 배출 튜브시트 구멍의 축들이 서로 일치(coincident)되는 다수의 튜브들; 및 (c) 유입 튜브시트 구멍을 통하여 튜브의 내부로 연장하는 유입단부와 배 출단부들을 각각 갖추고, 상기 배출 단부는 유입 튜브시트 아래로 연장하며, 실리콘 니트라이드를 포함하는 다수의 페룰들;을 포함하는 장치를 제공하는 것이다.

제 7견지(aspect)에서, 본 발명은

반응기로 탄화수소, 암모니아 및 선택적인 산소 함유가스를 포함하는 반응가스를 공급하고; 촉매의 존재하에 반응가스를 반응시켜 제조가스를 생산하며;

(a) 유입 튜브시트부와 배출 튜브시트부를 갖고, 각각의 튜브 시트는 다수의 구멍들을 갖추며, 열교환 매체를 위한 적어도 하나의 유입구와 하나의 배출구들을 갖는 쉘; (b) 상기 쉘내에 배치되고, 각각의 튜브의 유입단부가 상기 유입 튜브시트에 고정되고, 각각의 튜브의 배출단부가 상기 배출 튜브시트에 고정되어 상기 튜브의 축과 유입 및 배출 튜브시트 구멍의 축들이 서로 일치(coincident)되는 다수의 튜브들; 및 (c) 유입 튜브시트 구멍을 통하여 튜브의 내부로 연장하는 유입단부와 배출단부들을 각각 갖추고, 상기 배출 단부는 유입 튜브시트 아래로 연장하며, 실리콘 니트라이드를 포함하는 다수의 페룰들;을 포함하는 열교환 장치내에서 상기 제조가스를 냉각시키며; 상기 냉각된 제조가스로부터 시안화 수소를 회복시키는 단계들을 포함하는 시안화 수소를 준비하기 위한 공정을 제공한다.

이하, 본 발명을 도면에 따라서 보다 상세하게 설명한다.

본 명세서를 통하여 사용되는 다음의 용어들은 별도로 명백하게 다르게 지적되어 있지 않는 한, 아래와 같은 의미를 가질 것이다. "열교환 유니트" 와 "열교환 베슬"의 용어들은 상호 교체 사용가능한 것이다. 용어 "제 1" 및 "제 2" 그리고 "상부" 및 "하부" 그리고 "유입 및 배출"들은 각각, 교체사용 가능한 것이고, 이는 반 응기들이 수직, 수평 혹은 그 밖의 다른 구조로 이루어지는 경우, 상기 "상부" 및 "하부"의 용어들은 구성부품들의 서로에 대한 상관관계를 기술하고자 하는 의도는 아닌 것이다. 상기 "유입"이란 용어는 반응 영역에 가장 근접한, 즉 고온의 공정가스들이 상기 열교환장치로 유입하는 열교환 장치의 해당 부분을 의미한다. 상기 "배출"이란 용어는 반응 영역으로부터 가장 멀리 위치된, 즉 고온의 공정가스들이 열교환 장치를 빠져나가는 열교환 장치의 해당 부분을 의미한다. 다음의 약어(abbreviations)들도 명세서를 통하여 사용되어지며 : C= 센티그레이드(centigrade) 및 cm = 센티미터를 나타낸다. 그리고, 모든 비율과 량들은 다르게 표시되지 않는 한, 중량(weight)으로 나타내어진다. 모든 숫자 범위들은 다르게 표시되지 않는 한 모두 포괄적(inclusive)으로 표시된다.

본 발명은 특정한 페룰 및/또는 용접부들의 사용을 통하여 쉘 및 튜브식 열교환기들의 짧은 내구수명의 문제점들에 대한 해결책을 제공한다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 페룰의 구조는 반응기의 폐출물 흐름의 잠재적인 손상영향을 더욱 최소화하도록 한다. 그리고, 상기 열교환기의 구조와 상기 열교환 튜브들을 상기 장치의 튜브 시트에 고정시키는 데 있어서 다운-홀 용접부의 사용은 유니트 구조, 보수 및 수리를 단순화시키고, 가동정지기간을 최소화하며, 작동효율을 증대시킨다. 그리고, 상기 다운-홀 용접부는 침식제(corrosive agents)들을 집중시키는 틈(crevice)으로서 작용할 수 있는 상기 열교환 튜브와 튜브 시트사이의 환형공간을 제거하기도 한다. 따라서, 본 발명은 어떠한 타입이라도 쉘 및 튜브식 열교환기의 내구수명을 연장시키는 데 매우 유용하다. 본 발명의 페룰과 용접부들은 고온의 반응성 폐 출물 가스들에 노출되어지는, 바람직하게는 열교환기가 시안화 수소의 제조와 같은 환원성, 침탄성 또는 질화성 환경에 노출되어지는 쉘 및 튜브식 열교환기들에 특별히 유용하다.

반응성, 고온, 고마모성 폐출물 흐름(effluent streams)을 생산하는 반응기와 함께 사용하기에 적합한 많은 열교환기 구조들이 있다. 특히, 시안화 수소의 제조에 관련하여, 고온의 공정가스들을 급속 냉각시켜야 할 필요성이 오랫동안 인식되어 왔다. 고온의 공정 또는 폐출물 가스들을 냉각시킴에 의한다는 것은 상기 가스들을 충분하게 냉각시켜 그 내부에 함유된 제조물들이 열화되지 않도록 한다는 것을 의미한다. 예를 들면, 만일 고온의 공정가스들이 충분하게 냉각되어지지 않는다면, 존재하는 시안화 수소가 열화할 것이라는 것은 시안화 수소 제조에서 잘 알려져 있다.

시안화 수소의 제조에 유용한 전형적인 열교환 유니트 혹은 베슬들이 도 3a 내지 3e에 도시되어 있다. 이러한 유니트들은 다음과 같은 요소들을 구비하며, 이들은 각각의 도면에서 동일 부호로 부여되어 있으며 : 고온 공정가스 유입구 1, 냉각된 공정가스 배출구 6, 열교환기 냉각수 유입구 7, 열교환기 냉각수 배출구 8, 열교환기 튜브시트 벤트(vent) 9, 튜브 시트 4, 열교환 튜브 2, 열교환 베슬 10, 반응 베슬 11, 및 내화 재료 12등이다. 상기 내화재료 12는 고온의 공정가스들에 튜브 시트가 직접 노출되는 것을 차단한다. 화살표들은 가스 혹은 냉각수의 흐름 방향을 나타낸다.

도 3a의 유니트는 반응기 베슬의 하부가 내측으로 연장되고, 열교환 베슬에 의해서 에워싸이도록 구성되어 있다. 이는 냉각수 배출구가 상기 열교환 튜브와 튜브 시트의 연결부 레벨의 상부측에 위치되어지도록 하여 준다. 이와 같은 튜브 시트는 열교환 베슬의 볼록한(convex) 내측 상부면을 형성한다. 상기 공정가스들은 하향으로 흐르고, 냉각수에 의해서 에워싸여진 열교환 튜브들을 통과한다. 상기 열교환 튜브들은 튜브 시트를 관통하고, 열교환 튜브의 상부 립과 튜브 시트의 상부표면사이의 접촉면(interface)에서 종래의 용접부를 사용하여 용접 결합된다. 고온 공정 가스들의 켄칭도중에 그 내부에 형성된 가열된 물과 거품들은 통상적으로 열교환 튜브들로부터 냉각수 배출구측으로 이동 배출된다.

도 3b의 유니트는 평편한 튜브 시트, 통상적인 상대적으로 넓은 두께를 갖는다. 상기 공정가스들은 튜브시트들을 통하여, 그리고 열교환 튜브내측으로 하향하게 된다. 냉각수는 저부로부터 열교환 베슬로 유입하며, 상기 베슬의 상부내측에 있는 냉각수 배출구를 통하여 주로 배출된다. 상기 튜브 시트는 통합적인 채널(integral channels)을 갖추어 냉각수가 수평으로 흐르도록 하여 준다. 그리고, 상기 튜브 시트 채널들로부터 냉각수를 받는 상기 베슬의 상부측에는 주 배출구의 상부측에서 교환기 튜브 시트 벤트들이 배치된다. 이와 같은 벤트들은 그 내부에 포집된 가장 고온의 물과 거품들을 제거하도록 설계되어 있다.

도 3c의 유니트는 열교환 매체의 배출 흐름에 대한 역전위치를 활용하고 있다. 튜브 시트는 환형 고리 형상이고, 그로부터 교환 튜브들이 하향 연장한다. 냉각수 배출구는 상기 고리의 중앙에 배치되고, 가온된 물을 상부측으로 이동시켜 반응기 베슬의 중앙을 통하여 열교환 베슬로부터 배출시킨다. 상기 냉각수 유입구들은 열교 환 베슬의 저부에 위치된다. 상기 냉각수의 상방향 흐름, 및 냉각수 배출구를 향하여 상방으로 경사 형성된 튜브 시트의 바람직한 경사는 가온된 물 및 그 내부에 포집된 거품들이 상기 튜브 시트와 교환기 튜브들로부터 제거되도록 하는 것을 증진시킨다.

도 3d의 유니트는 평편 상부면을 갖는 튜브 시트를 제공하며, 이는 열교환기 베슬의 오목(concave) 상부면을 형성한다. 상기 냉각수는 상기 베슬의 상부를 향하여 상기 열교환 베슬로 유입하고, 상기 베슬의 베이스 부근의 냉각수 배출구를 통하여 배출된다. 상기 유입구와 배출구의 위치 및 상기 베슬의 오목 루프는 가장 저온의 물이 튜브 시트 및, 튜브 시트로부터 돌출한 교환기 튜브들의 저면으로 향하도록 한다. 상기 베슬의 정점(apex)에 근접 위치된 배출구를 갖는 교환기 튜브 시트들의 벤트들은 가열된 물과 거품들을 튜브 시트와 교환 튜브들로부터 제거되어지도록 한다.

도 3a 내지 3d에 도시된 유니트들 각각에서, 공정 가스들은 상기 유니트들을 통하여 하향으로 흐른다. 도 3e의 유니트에서, 공정가스들은 상부측으로 흐른다. 이러한 배치에서, 반응 베슬은 열교환 베슬의 하부측에 위치된다. 상기 가스들은 튜브 시트들을 통하여 내화재료들을 통과하고 상기 교환 튜브들내로 상승한다. 냉각수는 튜브 시트 직상부의 상기 베슬의 저부에서 열교환 베슬로 유입하고, 상기 베슬의 상부에 인접한 배출구로부터 제거된다. 그 결과, 가열된 물과 거품들은, 즉 증기들은 베슬의 상부측으로 상승하고, 즉 튜브 시트로부터 멀어지게 된다. 그러나, 냉각수내의 고체, 특히 광물질(minerals)들은 튜브 시트의 노출된 상부면상에 침전(precipitate)되고 축적된다. 이와 같은 광물질 침착(deposit)은 국소적인 고온스폿(hotspot)을 생성하여 튜브 시트, 교환 튜브 및 이에 인접한 튜브시트 용접부들의 열화를 촉진한다. 이와 같은 구조의 유익한 점은 튜브 시트에 인접한 가스층의 형성이, 즉 열교환의 장해물이 최소화된다는 점이다.

도 3a내지 3e에 도시한 것과 같은, 쉘 및 튜브식 열교환기들의 냉각 효율은 쉘내에 배플을 사용함으로서 개선되어질 수 있다. 이와 같은 배플들은 쉘내에서 열교환 매체의 흐름을 방향지시한다. 상기 쉘내의 배플의 크기, 형상 및 배치들은 사용되어지는 특정 열교환기 구조에 따라서 특정하다. 이와 같은 배플 구조와 배치는 당업계의 숙련된 자들에 의해서 이루어질 수 있는 것이고, 이러한 배플들은 만일 필요한 경우, 물 유입구(들)과 물 배출구(들)가 역전 배치되도록 할 수도 있다. 하나이상의 열교환기들이 직렬(in series)로 연결되어 반응기 폐출물의 냉각작용을 증대시킬 수 있음을 알 수 있을 것이다.

쉘 및 튜브식 열교환기들내에서, 상기 튜브 시트는 대략 1/8인치(0.3cm) 내지 대략 20인치(50cm)의 전형적인 두께를 갖는다. 이와 같은 튜브 시트들은 전형적으로 탄소강(carbon steel), 스테인레스 스틸, 니켈 합금, 니켈-크롬 합금, 니켈- 몰리브덴 합금, 그와 유사한 것들로 이루어진다. 이와 같은 쉘 및 튜브식 열교환기에서, 열교환 튜브들은 공칭 직경(nominal diameter)이 0.5인치(1.2cm)내지 2인치(5cm)의 전형적인 것들이다. 상기 열교환 튜브들은 페출물 가스 혹은 액체의 냉각을 허용하는 어떠한 길이로도 이루어 질 수 있다. 상기 열교환 튜브의 길이는 열교환기 구조, 튜브의 직경, 냉매(coolant)흐름 및 그와 같은 것에 따라서 변화할 것이다. 따 라서, 특정 반응기 구조에 대한 튜브 길이는 당업계의 숙련된 자들에 의해서 쉽게 이루어질 수 있다. 전형적으로, 튜브 길이들은 4피트(1.2m) 내지 30피트(9m)의 범위내이다. 쉘 및 튜브식 열교환기들에 유용한 튜브들은 탄소강, 스테인레스 강, 니켈 합금, 니켈-크롬 합금, 니켈-몰리브덴 합금 및, 그와 유사한 것들이다.

열교환 튜브들은 탄소강 혹은 니켈-크롬 강등으로 제작되는 것이 바람직하다. 열교환 튜브에 사용되어지는 적절한 니켈-크롬 합금강들은 40 내지 80%의 니켈과 12 내지 28%의 크롬을 함유한다. 상기 니켈-크롬 합금은 선택적으로 하나 혹은 그 이상의 성분, 즉 탄소, 실리콘, 망간(manganese), 구리, 황(sulfur), 코발트, 알루미늄, 철(iron), 티타늄, 보론(boron), 포스포러스(phosphorus), 몰리브덴(molybdenum), 또는 니오비움(niobium)을 포함할 수 있다. 적절한 상업적으로 유용한 니켈-크롬 합금들은 Special Metals Corporation( New Hartford, New York)에서 생산되어지는 Inconel 이라는 상호로 판매되어지는 제품들을 포함한다. 적절한 Inconel 합금들은, Inconel 600, Inconel 601, Inconel 617, Inconel 625, Inconel 718, Inconel X-750, Inconel 751, 및 Inconel MA 754등을 포함하며, 이들에 한정되는 것은 아니다. 열교환 튜브에 사용되어지는 니켈-크롬 합금들은 71-75% 니켈, 15-17% 크롬, 7-11% 철, 0.2-0.35% 망간, 0.2-0.35% 실리콘, 0.1-0.3% 구리, 0.003-0.04% 탄소, 및 0.001-0.01% 황을 함유하는 것이 바람직하다. 바람직한 적절한 니켈-크롬 합금은 Inconel 600을 포함한다. 튜브 시트와 열교환 튜브들이 동일 물질로 이루어지는 것은 더욱 바람직하다.

쉘 및 튜브식 열교환기들을 통과하는 고온의 공정가스 및/또는 유체들은 여러 열교 환 매체에 의해서 냉각되어질 수 있다. 이와 같은 매체는 적어도 하나의 유입구를 통하여 쉘로 유입하고, 열교환 튜브를 통하여 통과하며, 적어도 하나의 배출구를 통하여 쉘을 빠져 나간다. 적절한 열교환 매체들은 공정 가스 및/또는 유체들로부터 열을 제거하는 어떤 것일 수 있다. 적절한 열교환 매체는 물, 물 및 증기의 혼합체, 용융 염(molten salt), 글리콜, 물 및 글리콜의 혼합체, 오일, 자연산 혹은 인조합성 오일(synthetic oil), 가스, 공기 및 공정가스 흐름등과 같은 것을 포함하고, 이들에 한정되지는 않는다.

도 1a는 쉘 및 튜브식 열교환기내에서, 즉 도 3a 내지 3e에 도시된 것과 같은 것에서, 열교환 튜브를 튜브 시트에 고정하도록 사용되어지는 전형적인 용접부를 도시한다. 도 1a는 다음의 요소들을 갖는다 : 고온 공정가스 유입구 1, 열교환 튜브 2, 용접부 3, 튜브 시트 4, 환형 공간 5 및 냉각된 공정가스 배출구 6들이다. 상기 환형 공간 5은 튜브시트를 통하여 상향 연장하고, 교환 튜브 2를 튜브 시트 4에 고정시키는 용접부 3의 하표면에서 종료한다. 냉각수가 환형공간 5으로 유입하는 경우, 이는 증발하고, 물에 함유된 모든 불순물들은 상기 환형 공간 5내에 침착한다. 이와 같은 불순물들은 전형적으로 물속에 함유된 이온 및 광물질등이다. 그리고, 이와 같은 불순물들은 전형적으로 튜브 시트, 교환 튜브 및 특히 용접부등에 침식성이다. 시간이 경과하면, 이 같은 침식성 물질들은 환형공간 5내에서 성장한다. 폐출물 가스의 열과 상기 침식성 물질들의 조합체는 시스템내의 응력(stresses)과 함께 튜브, 용접부 및/또는 튜브 시트내의 응력 침식 균열을 초래한다. 상기 용접 영역을 열처리하는 것은 용접부에서, 특히 니켈-크롬 합금 용접부에서 응력 침식 균 열의 잠재성을 최소화한다. 그러나, 이와 같은 열처리는 튜브 및/또는 튜브 시트내에서 응력 침식 균열을 제거시키지는 못한다. 이러한 응력침식 균열은 열교환기의 파단 및, 궁극적으로는 교체를 초래한다.

교환 튜브를 튜브 시트에 고정시키기 위한 다른 방식, 즉 롤링(rolling) 방식이 알려져 있다. 롤링 방식에서, 열교환 튜브의 일단은 튜브시트의 구멍내측의 일치하는 요홈으로 롤링된다. 도 1b는 교환 튜브와 튜브 시트의 전형적인 롤링 연결부를 도시한다. 이와 같은 롤링 방식은 당업자들에게는 잘 알려진 것이다. 튜브가 롤링방식에 의해서 튜브 시트에 고정되는 경우, 조그만 환형 공간 5이 상기 교환 튜브 2와 튜브 시트 4의 사이에 남고, 이는 응력 침식균열의 결과를 초래할 수 있다. 이와 같은 롤링은 부가적인 기계적 강도향상을 위하여 도 1a에 도시된 바와 같이 용접부와 조합되어질 수 있다. 그러나, 이러한 조합은 응력 침식 균열을 해소하지는 못한다.

시안화 수소 반응기와 같이, 반응성, 고온의 공정 가스들을 갖는 반응기에서 사용되어지는 열교환 베슬들은 이와 같은 응력 침식 균열을 최소화하기 위하여 설계되었다. 예를 들면, 도 3a 내지 3d에 도시된 각각의 열교환 베슬들은 폐출물 가스의 냉각을 용이하게 하기 위한 구조를 갖는다. 각각의 구조는 높은 냉각수 유속, 난류 냉각수 흐름 및 선택적인 내화물을 제공하여 고온의 폐출물 가스로부터 상부 튜브 시트를 단열시킨다. 폐출물 가스들을 효과적으로 냉각시킴으로서, 이와 같은 구조들은 침식율(the rate of corrosion)을 감소시킨다. 그러나, 이러한 구조들은 침식을 제거하지는 못한다.

도 3e의 유니트에서 상방향의 흐름배치는 상기에서 설명한 특정 문제점, 즉 환형공간내의 침식재의 집중들을 감소시키며, 이는 고온의 물과 증기가 튜브시트로부터, 그리고 교환튜브 용접부로부터 상승되어 제거되기 때문이다. 그러나, 아직 이러한 구조도 냉각수로부터의 광물질 및 다른 침전물들의 침착 영향을 받는 것이다. 이러한 광물질들은 튜브시트 개구부와 교환 튜브사이의 틈에서도 침착되어지며, 그들을 용접부와 마찬가지로 손상시키는 것이다.

따라서, 반응성, 고온 공정가스들을 갖는 반응기내에 사용되어지는 알려진 열교환 베슬의 구조들은 침식성 물질의 집중 문제점을 해결하지 못하며, 따라서 응력부식 균열의 문제점을 해결하지 못한다.

본 발명의 다운-홀 용접부는 시안화 수소 반응기와 같이 반응성 고온의 공정가스들을 갖는 열교환기들, 페질산 회복 열교환기 및 아크릴로니트릴(acrylonitrile) 반응기내에서의 응력침식 균열을 현저히 감소시킨다. 도 2a는 본 발명에서 사용되어지는 다운-홀 용접부를 도시한다. 도 2a는 다음의 요소들 : 고온 공정가스 유입구 1, 열교환 튜브 2, 용접부 48, 튜브시트 4 및 냉각된 공정가스 배출구 6를 갖는다. 다운-홀 용접부에서, 열교환 튜브의 상부는 튜브 시트의 하부측에 완전 관통 용접부로서 고정되어 있다. 따라서, 상기 환형 공간은 제거되며, 침식물질들의 집중은 현저하게 감소된다. 다운홀 용접부의 사용은 쉘 및 튜브식 열교환기들의 내구수명을 현저하게 증가시키고, 특히 시안화 수소 제조에 사용되는 것에 있어서는 응력침식균열을 감소시킴으로서 증가시키는 것이다. 상기 다운-홀 용접부는 도 3a내지 3e에 도시된 바와 같은, 보다 바람직하게는 도 3a 내지 3d에 도시된 바와 같은, 열교환 유니트를 갖는 시안화 수소 반응기에 바람직하게 사용된다.

본 발명에서 사용되어지는 다운-홀 용접부는 모든 종래의 수단을 이용해서, 즉 미국특허 제 4,221,263호에 기재된 바와 같은 것을 사용해서 형성되어질 수 있다. 상기 열교환 튜브는 용접을 위하여 다양한 방식으로 튜브시트에 장착될 수 있음을 알 수 있다. 예를 들면, 상기 튜브들은 튜브시트의 하부 표면상의 카운터 보어(counterbore) 혹은 소켓(socket)내로 장착되어질 수 있으며, 튜브의 각각의 내측으로부터 튜브 시트에, 또는 튜브의 외측상에서 튜브시트의 하표면에 용접되어질 수 있다. 예를 들면, 미국특허 제 4,221,263호를 참조하기 바람. 다운-홀 용접부는 도 2a에 의해서 도시된 것을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 다운-홀 용접부를 준비함에 있어서는, 직경 m을 갖는 구멍이 튜브시트를 거의 완전하게 관통하도록 축 y를 따라서 드릴가공되며, 도 2b를 참조바람. 직경 n을 갖는 보다 작은 구멍이 상기 축 y을 따라서 상기 튜브시트의 나머지 부분을 관통하여 드릴 가공된다. 상기 직경 n은 그 구멍을 통하여 열교환 튜브 2가 삽입되어질 수 있도록 충분히 크게 형성된다. 다음, 열교환 튜브는 튜브 시트로 삽입되어 교환 튜브축 x 와 튜브시트 구멍축 y가 서로 일치된다. 상기 교환 튜브 2는 튜브시트 구멍으로 상기 튜브시트의 하부면으로부터 거리 P만큼 삽입된다. 상기 거리 P는 n 직경을 갖는 튜브시트 구멍의 길이에 일치하는 것이다. 상기 거리 P는 상기 튜브를 튜브시트에 용접하기에 충분한 영역을 제공하는 여하한 거리를 가질 수 있다. 전형적으로, 상기 거리 P는 튜브시트 두께의 1/2보다 적으며, 바람직하게는 튜브시트 두께의 1/3보다 작다. 일단 튜브가 튜브 시트로 삽입되어지면, 완 전 관통 용접부는 종래의 수단에 의해서 상기 튜브와 튜브 시트사이에서 형성된다. 당업계의 숙련된 자들은 m과 n의 직경들을 갖는 튜브시트의 구멍들이 하나 혹은 그 이상의 드릴 가공 단계들로 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다.

본 발명의 다운-홀 용접부들은 전형적으로 열처리된다. 이러한 열처리에서, 상기 용접부 및 주위의 금속영역들이 가열된다. 상기에서 사용되어지는 열처리 방식은 용접되어진 특정 금속들에 적절한 것들이다. 이러한 열처리 방식들은 당업계에 잘 알려진 것들이다.

그리고, 반응기 부품들도 사용되어진 다양한 화학적 공정들로부터 초래된 파괴적인 열적, 화학적 및 물리적 물질(agents)들에 접촉된다. 특히 열교환 튜브들이 이러한 물질에 노출된다. 예를 들면, 시안화 수소의 제조에서, 제조된 결과적인 시안화 수소 가스는 급속하게 냉각되어 열화를 방지하여야 한다. 이러한 반응기에서, 상기 열교환 유니트는 촉매와 반응영역에 가능한 한 근접하여 위치된다. 따라서, 열교환 튜브의 상부영역, 즉 촉매와 반응 영역에 가장 근접된 부분이 환원성, 침탄성 및/또는 질화성 환경을 갖는 반응성, 고온의 폐출 가스들에 연속적으로 노출된다. 세라믹과 같은 선택적인 내화 물질들이 상기 튜브시트의 상부면에 놓여지고, 즉 상기 촉매와 반응 영역에 근접하여 놓여진다. 이와 같은 선택적인 내화재료들은 튜브시트를 반응 열로부터 단열시킨다. 그러나, 이러한 선택적인 내화 재료들은 전형적으로 상기 반응기에 의해서 생성된 열 및 화학적 종(species)들에 노출되는 열교환 튜브들을 덮지 않는다.

이와 같은 가혹한 환경에 노출되어지는 열교환기들의 내구수명을 증가시키는 한가 지 접근 방식은 전형적으로 열교환 튜브들을 단열시키는 것으로서, 이는 튜브시트를 통하여 열교환 튜브의 상단부로 세라믹 페룰들을 위치시키는 것이다. 이러한 페룰들은 전형적으로, 상기 튜브들을 열로부터 보호하기만 하며, 화학적 및 물리적인 물질로 부터는 아니다. 예를 들면, 실리카, 암모니아 및 지르코니아등의 세라믹 페룰들은 열적보호능을 제공하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이러한 페룰들은 시안화 수소 반응기, 폐질산 회복 교환기, 아크릴로 니트릴 반응기, 튜브측 연소 보일러(tube-side fired boiler), 튜브측 연소 교환기 혹은 접촉 분해기(catalyst crackers)들의 가혹한 환경하에서 화학적 및 물리적 물질에 대한 적절한 보호수단을 제공하지 못하는 것이다. 이와 같은 환경하에서, 전형적으로 사용되어지는 페룰들은 알려진 세라믹 페룰들을 포함하고, 소비성(sacrificial)이며, 이들이 열화되어 정기적으로 점검하고 교체되어야만 한다는 것을 의미한다.

이와 같은 가혹한 환경하에 노출되어지는 열교환 튜브들의 사용수명을 연장시키는 다른 접근 방식은 반응기 환경에 저항성을 갖는 합금, 예를 들면 니켈-크롬 합금들로부터 열교환 튜브들을 제작하는 것이다. 그러나, 이와 같은 니켈-크롬 합금들로 이루어진 열교환 튜브들은 금속 녹발생이라는 문제점을 일으키기 쉬운 것이다.

니켈-크롬 합금 혹은 실리콘 니트라이드를 포함하는 페룰을 사용하는 것이 쉘 및 튜브식 열교환기들의, 특히 시안화 수소 제조에 사용되어지는 것들의 사용수명을 현저히 연장시킨다는 것이 놀라웁게도 개발되었다. 본 발명에서 사용되어지는 페룰은 실리콘 니트라이드를 포함하는 것이다.

본 발명의 페룰에서 사용되어지는 적절한 니켈-크롬 합금들은 미국특허 제 5,354,543호에 개시된 것들이거나 혹은 다른 적절한 상업적으로 유용한 합금이다. 본 발명에서 사용되어지는 니켈-크롬 합금들은 40 내지 80%의 니켈과, 12 내지 28%의 크롬을 바람직하게 함유한다. 상기 니켈-크롬합금들은 선택적으로 하나 혹은 그이상의 다른 성분들, 예를 들면 탄소, 실리콘, 망간, 구리, 황, 코발트, 알루미늄, 철, 티타늄, 보론, 포스포러스(phosphorus), 몰리브덴, 혹은 니오비움등을 포함할 수 있다. 본 발명에서 사용되어지는 상업적으로 구입 가능한 적절한 니켈-크롬합금들은 Special Metals Corporation( New Hartford, New York)에서 생산되어지는 Inconel 이라는 상호로 판매되어지는 제품들을 포함한다. 본 발명에서 사용되어지는 적절한 Inconel 합금들은, Inconel 600, Inconel 601, Inconel 617, Inconel 625, Inconel 718, Inconel X-750, Inconel 751, 및 Inconel MA 754등을 포함하며, 이들에 한정되는 것은 아니다. 상기 니켈-크롬 합금은 71-75% 니켈, 15-17% 크롬, 7-11% 철, 0.2-0.35% 망간, 0.2-0.35% 실리콘, 0.1-0.3% 구리, 0.003-0.04% 탄소, 및 0.001-0.01% 황을 함유하는 것이 바람직하다. 바람직한 적절한 니켈-크롬 합금은 Inconel 600을 포함한다.

본 발명에서 사용되어지는 실리콘 니트라이드 페룰은 실리콘 니트라이드(Si₃N₄) 또는 실리콘 니트라이드 합금들을 포함하는 어느 것일 수 있다. 본 발명의 페룰에서 사용되어지는 적절한 실리콘 니트라이드 재료들은 실리콘 니트라이드, 실리콘 니트라이드 단결정(whiskers) 함유 세라믹 또는 실리콘 니트라이드 합금들을 포함하며, 그렇지만 이들에 한정되는 것은 아니다. 적절한 실리콘 니트라이드 단결정(whiskers) 함유 세라믹들은 일루미나, 지르코니아 및 그와 유사한 것들을 포함하며, 이들에 한정되는 것은 아니다. 어떠한 실리콘 니트라이드 합금들이라도 본 발명에서 사용하기에 적합하다. 이러한 실리콘 니트라이드 합금들은 5% 까지의 탄소를 함유하는 것들, 예를 들면 본 명세서에서 실리콘 니트라이드 합금들의 준비 관련 내용을 개시하기 위하여 참조로 수록되는 미국특허 제 4,036, 653호에 개시된 것과 같은 것을 포함한다. 상기 실리콘 니트라이드 페룰은 적어도 95%의 실리콘 니트라이드(Si₃N₄)를 함유하는, 바람직하게는 적어도 97%의 실리콘 니트라이드를 함유하는, 보다 바람직하게는 적어도 99%의 실리콘 니트라이드를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 실리콘 니트라이드가 그 제조과정에서 고온 가압되어지는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 페룰들은 쉘 및 튜브식 열교환기의 열교환 튜브내로 장착되어지는 어떠한 형상으로도 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 페룰의 외경이 열교환 튜브의 내경보다 작은 것임을 당 업계의 숙련된 자들은 알 수 있을 것이다. 상기 페룰의 외경은 꼭맞는 끼움( a snug fit )을 제공하기 위한 상기 교환 튜브의 내경과 거의 동일한 크기를 갖는 것으로부터 매우 헐거운 끼움을 제공하기 위하여 상기 교환 튜브의 내경보다 현저하게 작은 것까지 그 어느 것일 수 있다. 당업자들은 쉽게 임의의 열교환 튜브 설계에서 필요한 페룰의 외경을 결정할 수 있을 것이다. 상기 거의 동일이라는 의미는 페룰의 외경 또는 그 어느 부분이 교환 튜브 혹은 튜브 시트의 구멍내에 끼워지기에 충분할 정도로 작고, 동시에 상기 페룰 또는 그 해당부분과 상기 교환 튜브 혹은 튜브 시트 구멍사이에서 효과적인 밀봉(seal)을 제공하는 것을 의미한다. 전형적으로, 본 발명의 페룰은 0.5 내지 2인치(1.2 내지 5cm)의 범위내 의, 바람직하게는 0.75 내지 1.75인치(1.9 내지 4.4cm)의 공칭 직경을 갖는다.

본 발명의 페룰은 열교환 튜브내로 삽입되어 상기 페룰의 유입단부의 상부면이, 즉 반응기의 반응영역에 가장 근접된 단부들이 상기 유입 튜브시트의 상부면에 적어도 가지런하게 된다. 본 발명에 따른 페룰의 유입단부는 상기 튜브시트의 상부면 위로 연장하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 페룰의 유입단부들은 선택적인 내화재 층위로 연장하는 것이 더욱 바람직하다. 사용될 때에는, 상기 내화재 층은 전형적으로 1내지 24인치( 2.5 내지 60cm )의 두께를 갖는다. 상기 선택적인 내화재 층위로 페룰을 연장시킴으로써, 고온의 폐출물에 의한 선택적인 내화재 층의 부식이 감소된다. 따라서, 상기 페룰의 길이는 사용되어지는 열교환기의 구조 및 내화재료의 량과 방식들에 의존하는 것이다.

당업자들은 상기 페룰이 상기 튜브의 완전 아래쪽으로 빠져 내리는 것, 즉 그것이 제공하는 보호기능을 필요로 하는 부분으로부터 벗어나는 것이 방지되어지도록 열교환 튜브내에 장착되거나 혹은 삽입되어야 함을 알 것이다. 본 발명에 따른 페룰의 유입단부는, 즉 반응기의 반응영역에 가장 근접된 단부는 상기 페룰을 고정 유지하기 위한 수단을 갖는 것이 바람직하다. 적절한 고정수단은 립, 림부(rims), 융기부(ridges), 플랜지, 확장부(flarings), 클램프 혹은 그와 유사한 것들을 포함하며, 이들만에 한정되지는 않는다. 본 발명의 페룰들은 립 혹은 확장된 또는 원추형의 유입단부를 갖고, 보다 바람직하게는 확장된 혹은 원추형의 유입단부를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 페룰은 열교환기에 사용되어지는 유입 튜브 시트의 두께에 적어도 동일한 길이를 가져야 한다. 다르게는, 상기 페룰의 길이는 중대한 것은 아니다. 만일 상기 페룰이 소모적인 페룰이라면, 즉 사용도중에 마모되는 것이 예상된다면, 상기 페룰은 그 페룰을 교체하기 전에 반응기의 가동시간을 지속시키기 위하여 필요한 것보다 길게 형성되는 것이 바람직하다. 상기 실제 페룰의 길이는 반응기의 특정 폐출물 가스 및 상기 열교환기의 구조에 따라서 다르게 되며, 이는 당업계의 기술내에서 이루어진다. 본 발명의 페룰들은 튜브시트의 하부로 연장하기 위한 충분한 길이를 갖는 것이 바람직하다. 상기 냉각매체들이 더욱 효과적일수록, 상기 튜브시트의 하부로 연장하는 페룰의 길이가 더욱 짧아질 수 있다는 것을 알 수 있다. 상기 페룰은 튜브시트의 하부로 0.5 내지 4인치(1.2 내지 10cm) 연장하는 것이 바람직하다. 전형적으로, 본 발명에서 사용되어지는 페룰들은 1내지 30인치(2.5 내지 76cm)의 범위, 바람직하게는 2 내지 20인치( 5 내지 50cm)의 전체 길이를 갖는다.

본 발명의 페룰들은 그대로 혹은 부가적인 단열층들로서 감싸여져 사용될 수 있다. 낮은 열전도도를 갖는 임의의 섬유재료(fiber type material)들이 상기 감싸는 단열재료로써 사용되기에 적합하다. 적절한 단열재료는 알루미나, 지르코니아, 실리카 및 그와 유사한 것들을 포함하며, 이들로 제한되지는 않는다. 이러한 단열재료들은 담요(blanket), 거즈(gauze), 테이프(tape) 및 그와 유사한 것들의 형태로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 적절한 단열재료는 실리카 페이퍼, New York, Niagara Falls의 Unifrax Corporation에 의해서 제조된 Fiberfrax켄-Durablanket 및, Wilmington, Dalaware의 Rath Performance Fibers, Inc.에 의해서 제조된 Altra켄 Refractory Blanket등을 포함한다.

적절한 페룰 구조가 도 4내지 7에 도시되어 있다. 이러한 페룰들은 각각의 도면들에서 동일부호로 부여된 다음의 요소들을 갖는다 : 유입단부 13, 배출 단부 14, 고온 공정가스 유입구 15 및 냉각된 공정가스 배출구 16들이다. 화살표는 가스 흐름의 방향을 나타낸다.

본 발명에서 사용되기에 적절한 페룰들은 단열구조를 갖는 것들을 포함한다. 이러한 단열 페룰들은 유입단부 및 배출 단부를 가지며; 상기 유입단부는 파이프부측으로 원추형으로 테이퍼 형성되는 개구부를 갖추고, 상기 유입단부의 외경은 열교환 튜브의 내경보다 크며; 상기 파이프부는 열교환 튜브의 내경의 99% 이하의 외경을 갖추고; 상기 파이프부는 열교환 튜브의 내경에 거의 동일한 외경을 갖는 확장 영역을 갖는 것이다.

폐룰을 단열시키는 다른 실시예의 예들이 도 4a 및 4b에 도시되어 있다. 도 4a 및 4b의 페룰들은 원추형 유입단부 13를 가지며, 이는 열교환 튜브의 내경 혹은 이에 일치하는 튜브시트의 구멍보다 통상적으로 큰 외경 q을 갖추며, 따라서 상기 페룰을 고정 유지한다. 도 4a 및 4b에 도시된 페룰들은 길이 t와 상기 열교환 튜브의 내경의 99%까지에 해당하는 외경 r을 갖는 파이프부를 구비한다. 도 4a에서, 상기 확장 영역은 배출 단부 14이며, 상기 열교환 튜브의 내경에 거의 동일한 외경 s을 갖추어 그것이 열교환 튜브내에 위치되는 경우, 상기 페룰주위를 에워싸는 효과적인 밀봉재(seal)를 형성한다. 도 4b에서, 상기 페룰은 파이프부와 배출 단부 14사이에 배치된 확장 영역 38을 갖는다. 상기 확장 영역 38은 상기 열교환 튜브의 내 경에 거의 동일한 외경 s 을 갖추어 그것이 열교환 튜브내에 위치되는 경우, 상기 페룰주위를 에워싸는 효과적인 밀봉재(seal)를 형성한다. 도 4b에서, 상기 배출 단부 14는 확장영역으로부터 거리 d를 유지한다. 상기 거리 d는 중요한 것(critical)은 아니다.

당업계의 숙련된 자들은 본 발명의 단열 페룰들의 확장 영역이 상기 페룰의 길이를 따라서 어느 곳에라도 위치되어질 수 있음을 알 수 있을 것이다. 상기 확장영역이 유입단부측으로 더욱 근접될수록, 상기 단열층들은 더욱 짧아질 것이다. 하나이상의 확장영역들이 페룰의 길이를 따라서 형성되어질 수 있다. 본 발명에 따른 단열 페룰의 확정영역은 구형 돌출부, 융기부, 립부, 플랜지, 확장부 및 그와 유사한 것들일 수 있다. 상기 확장영역이 배출단부에 위치하지 않을 경우, 상기 단부는 도 4b에 도시되는 바와 같이, 다소 내측으로 만곡되어지는 것이 바람직하다. 이와 같은 내측으로의 만곡단부는 2개의 페룰시스템에서 외측 페룰로서 특별히 유용하다. 이 같은 확장 영역들은 상기 페룰과 일체형일 수 있고, 또는 후속적으로 고정되어지는, 즉 교환튜브내에 고정배치되기 전에 상기 페룰에 세멘트 결합(cementing)등으로 고정되어지는 분리형 부품들일 수 있다.

본 발명의 단열 페룰들은 페룰 외측 파이프부와 내측 튜브벽에 의해서 형성된 환형공간내에 가스를 포집하는(trapping) 잇점을 갖는다. 이와 같이 포집된 가스는 단열층을 제공하여 열교환 튜브, 가능하게는 튜브시트 구멍 및 용접부들을 공정가스들의 열로부터 보호한다. 상기 환형공간의 폭은 페룰 파이프부 r의 외경 및 열교환 튜브의 내경사이의 차이에 동일하다. 본 발명에 따른 단열 페룰의 파이프부는 열교환 튜브의 내경의 85 내지 99%의 범위내에서, 바람직하게는 90 내지 98%의 범위내에서 외경을 갖는다. 본 발명에 따른 단열 페룰들은 바이메탈(bimetallics), 세라믹(ceramic) 또는 세라믹 피복금속(ceramic clad metal)등을 포함하는 모든 금속일 수 있다. 적절한 금속 또는 세라믹들은 니켈-몰리브덴 함금, 니켈-크롬 합금, 실리콘 니트라이드, 지르코니아, 알루미나, 탄소강, 300시리즈 스테인레스 강, 400시리즈 스테인레스 강, 모넬(monel) 및 그와 유사한 금속들을 포함하며, 이들에 한정되어지는 것은 아니다. 바람직한 금속 또는 세라믹들은 실리콘 니트라이드, 탄소강 또는 니켈-크롬 합금들을 포함한다. 만일 본 발명의 페룰의 외표면은 수렴(converging) 및 발산(diverging) 형상을 가지며, 이들은 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이 동일하게, 포집된 가스에 대한 단열 환형공간을 제공할 수도 있는 것을 알 수 있을 것이다.

다른 실시예에서, 도 4 및 4b에 도시된 페룰들은 파이프부 t를 따라서 단열재로서 감싸여질 수 있을 것이다. 상기 설명한 바와 같이, 페룰용 단열재로서 적절한 여하한 섬유 타입의 재료들이 사용가능하다. 이와 같은 감싸여짐은 상기 페룰의 단열능력을 증대시킬 것이다.

도 5에 도시된 페룰은 열교환 튜브의 내경 또는, 이에 일치하는 튜브시트의 구멍보다 일반적으로 큰 외경 q을 갖는 원추형 유입단부 13를 갖추어 페룰을 위치고정한다. 상기 페룰의 파이프 단부는 열교환 튜브의 내경에 거일 동일한 외경 s을 갖는 배출단부 14에 동일한 직경을 갖는다. 상기 파이프 부의 내경 u는 파이프부의 길이를 따라서 균일하다. 본 발명에서 사용되는 그리고 도 5에 도시된 일반적인 형상을 갖는 실리콘 니트라이드 페룰들은 Ceradyne, Inc.(Costa Mesa, California)로부터 구입가능하고 통상적으로 샌드 브라스팅용 노즐로서 상업적으로 유용한 것들이다.

도 6은 열교환 튜브의 내경 또는 이와 일치하는 튜브시트 구멍보다 일반적으로 큰 외경 q을 갖는 원추형 유입단부 13를 구비한 벤튜리형 페룰의 한가지 실시예를 도시하며, 페룰을 고정시키고 있다. 상기 페룰의 파이프부는 열교환 튜브의 내경에 거의 동일한 외경을 갖는 배출 단부와 거의 동일한 외경을 갖는다. 상기 파이프부의 내경은 원추형 유입단부의 베이스로부터 배출단부 14로 향하여 점차 증가한다. 본 발명에 따른 벤튜리형 페룰의 내측 구조(geometry)는 수렴 및 발산형 노즐의 구조를 갖는다. 이러한 벤튜리형 페룰들에서, 상기 유입단부는 원추형 또는 트럼펫 형상일 수 있고, 바람직하게는 원추형일 수 있다. 원추형 단부를 갖는 벤튜리형 페룰에서, 원추각(cone angle)은 전형적으로 19 내지 23도이다. 본 발명에 따른 벤튜리형 페룰들의 확산 각도는 전형적으로 30도 이하이다. 상기 확산 각도는 바람직하게는 5 내지 7도이다. 이러한 벤튜리형 페룰들은 상기 페룰을 통한 낮은 압력강하와 함께 열교환 튜브를 유입하는 폐출물 가스 및/또는 액체내의 감소된 난류(turbulence)를 통해 튜브벽 침식을 최소화하는 잇점을 갖는다. 본 발명에 따른 벤튜리형 페룰들은 바이메탈(bimetallics), 세라믹(ceramic) 또는 세라믹 피복금속(ceramic clad metal)등을 포함하는 모든 금속일 수 있다. 적절한 금속 또는 세라믹들은 니켈-몰리브덴 함금, 니켈-크롬 합금, 실리콘 니트라이드, 지르코니아, 알루미나, 탄소강, 300시리즈 스테인레스 강, 400시리즈 스테인레스 강, 모넬(monel) 및 그와 유사한 금속들을 포함하며, 이들에 한정되어지는 것은 아니다. 바람직한 금속 또는 세라믹들은 실리콘 니트라이드, 탄소강 또는 니켈-크롬 합금들을 포함한다.

도 7은 직선형 구멍과 외측 립 35들을 갖는 페룰을 도시하고 있다. 상기 유입단부 13와 배출 단부 14의 내경은 거의 동일하다. 상기 페룰의 내경은 그 길이를 따라서 거의 균일하다. 외측 립 35은 페룰을 튜브시트의 상부면 혹은 내화물층의 상부에 각각 고정하는 수단을 제공한다. 따라서, 이와 같은 외측 립 35은 사용된 열교환 튜브의 내경보다 큰 외경을 갖는다. 상기 외측 립 35은 상기 페룰의 길이를 따라서 어느 곳에라도 위치되어질 것임을 알 수 있을 것이다. 그러나, 이러한 페룰의 구조들은 시안화 수소 반응기내에서 일어나는 것과 같은 열충격에 노출되는 경우, 파손되기 쉬운 것들이다.

본 발명에 따른 니켈-크롬 합금과 실리콘 니트라이드 페룰은 탄소강, 스테인레스 강, 니켈 합금, 니켈-크롬 합금, 니켈-몰리브덴 합금등으로 이루어진 튜브 시트 및 튜브들과 함께 효과적으로 사용되어질 수 있다. 본 발명에 따른 니켈-크롬 합금의 페룰들은 니켈-크롬 합금의 튜브시트 및 열교환 튜브들을 갖는 열교환기내에 사용되어지는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 니켈-크롬 페룰들은 화학적, 물리적 및 열적 보호기능을 상기 튜브에 제공하는데 효과적이다. 실리콘 니트라이드 페룰들은 모든 환경하에서 실질적으로 아무런 열화없이 튜브 시트, 용접부 및 교환튜브들에 화학적 및 물리적 보호기능과 마찬가지로 열적 보호기능을 제공하는 데 매우 효과적이다. 본 발명에 따른 실리콘 니트라이드 페룰들은 시안화 수소 반응기에서와 같은 환원성, 침탄성 및/또는 질화성 환경에서 화학적 및 물리적 열화로부터 튜브 시 트, 튜브 및 용접부들을 보호하는 데 특별히 효과적이다.

다른 실시예에서, 비틀린 테입(twisted tape)으로 불리우는 터불레이터(turbulators)가 길이방향 단면으로서 벤튜리 형상을 가지지 않는 본 발명에 따른 페룰에 더해질 수 있을 것이다. 이와 같은 터불레이터들은 전형적으로 본 발명의 페룰내로 활주 삽입되는 또는 삽입되어지는 분리 요소들이고, 상기 페룰의 배출구를 지나 튜브내로 연장될 수 있는 것이다. 이러한 터불레이터들은 열교환기로 유입하는 폐출물 가스들에 콜크나사(corkscrew) 흐름패턴을 부여한다. 이러한 흐름패턴은 튜브벽에서 가스의 정체 경계층의 형성을 감소시키고, 따라서 상기 교환튜브의 전체 열전달을 개선시킨다. 따라서, 상기 공정가스들은 보다 빠르게 켄치될 것이다. 적절한 터불레이터들은 헬리컬(helical) 및 이중 헬리컬 삽입물들을 포함한다. 이러한 삽입물들은 탄소강, 스테인레스 강, 니켈 합금, 니켈-몰리브덴 합금 및 니켈-크롬 합금등으로 이루어진 것일 수 있다.

그리고, 또 다른 실시예에서, 본 발명의 페룰들은 선조가 새겨진(rifled) 것일 수 있다. 선조 새김(rifling)이라는 것은, 헬리컬 요홈, 융기부 또는 다른 돌출부들이 상기 페룰의 내측에 부가되어진 다는 것을 의미한다. 이와 같은 융기부는 열교환기로 유입하는 폐출물 가스들에 콜크나사의 흐름패턴을 부여하는 잇점을 갖는다. 상기 선조새김은 헬릭스(helix) 또는 이중 헬릭스(double helix)의 형태로 유지된다. 이러한 선조새김은 본 발명에 따른 페룰들의 내측벽을 연마, 그루빙(grooving) 또는 이와 유사한 것들을 시행함에 의해서 달성되어질 수 있다. 다르게는, 상기 융기부는 상기 페룰의 주조(casting)도중에 형성가능하다.

그리고, 또 다른 실시예에서, 상기 페룰들은 페룰을 열교환 튜브들내로 삽입하기 전에 슬리브내에 위치되어진다. 본 발명의 페룰들과 사용되어지는 슬리브들은 교환 튜브의 일부분과 같은 전형적인 짧은 중공 실린더로 이루어진다. 이러한 슬리브들은 상기 튜브 시트위의 특정 높이에서 상기 페룰들을 고정하고, 동시에 선택적인 캐스타블 내화재들이 장착되어지는 잇점을 갖는다. 이는 상기 튜브시트의 상부측에 놓여지는 선택적인 내화재료의 상부측 또는 그 위로 페룰들이 연장하도록 하여 준다. 페룰 슬리브가 사용되면, 상기 페룰 길이는 상기 튜브시트상부의 페룰의 길이를 고려하여 커져서, 상기 페룰의 배출단부는 적어도 상기 튜브시트의 저부로 연장하도록 하여야 할 것이다. 상기 슬리브들은 내화재료가 장작될 때까지, 상기 페룰을 지지할 수 있는 모든 재료들로 이루어질 수 있을 것이다. 따라서, 상기 페룰 슬리브들은 알루미나, 실리카, 지르코니아, 실리콘 니트라이드 및 실리콘 니트라이드 휘스커로 강화된 세라믹등과 같은 세라믹으로 이루어질 수 있고; 탄소강, 스테인레스 강, 니켈 합금, 니켈-크롬 합금 및 니켈-몰리브덴 합금과 같은 금속; 왁스; 플라스틱, 종이, 카드보드 및 그와 유사한 것들로 이루어질 수 있다. 상기 슬리브는 세라믹 또는 금속이 바람직하고, 보다 바람직하게는 실리콘 니트라이드 또는 니켈-크롬 합금일 수 있다. 이러한 슬리브들은 상기 내화재료들이 상기 튜브시트의 상부에 부가될 때까지 단지 상기 페룰을 지지하는 것을 필요로 하는 것이다. 예비성형(pre-cast) 내화물이 사용되는 경우, 페룰 슬리브들은 필요하지 않다.

임의의 적용예 또는 반응기 구조에서, 2-페룰 시스템과 같은 다중-페룰 시스템(multiple-ferrule system)을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 2-페룰 시스 템은 그 단열 능력 및/또는 화학적 저항을 위하여 전형적으로 선택된 내측 페룰 및, 그 내구성을 위하여 주로 선택되어진 외측 페룰들을 포함한다. 적절한 내측 페룰들은 알루미나, 지르코니아, 실리콘 니트라이드, 실리콘 니트라이드 휘스커로서 강화된 알루미나, 실리콘 니트라이드 휘스커로서 보강된 지르코니아 및, 그와 유사한 것들의 세라믹들을 포함한다. 상기 내측 페룰은 실리콘 니트라이드인 것이 바람직하다. 상기 외측 페룰은 여러 재료들로서 이루어질 수 있다. 적절한 외측 페룰 재료는 탄소강, 스테인레스 강, 니켈, 니켈-크롬 합금, 니켈-몰리브덴 합금, 실리콘 니트라이드 및 그와 유사한 것들을 포함하며, 이들에 제한되는 것은 아니다. 상기 외측 페룰은 탄소강, 스테인레스 강, 니켈-크롬 합금 및 실리콘 니트라이드등인 것이 바람직하다. 상기 외측 페룰은 본 발명의 단열 페룰인 것이 바람직하다.

도 9는 확장 영역 46을 갖는 단열 외측 페룰 42내에 배치된 내측 페룰 40을 갖는 2-페룰 시스템을 도시한다. 상기 2-페룰 시스템은 페룰 슬리브 31에 의해서 지지되고, 내화재 층 44내의 개구부내에 안착된다. 상기 2-페룰 시스템은 유입 튜브시트 4내의 개구부를 통과하고, 교환 튜브 2의 유입단부로 유입한다. 교환 튜브 2는 종래의 용접부 3에 의해서 상기 유입 튜브시트 4의 상부면에 고정된다.

실리콘 니트라이드 페룰들의 유익한 점은 그들이 많은 화학적 반응기들 내에서의 폐출물 가스들의 분위기에 화학적으로 적합하다는 것이다. 더욱이 본 발명의 실리콘 니트라이드 페룰들은 상기 폐출물 가스들이 열교환 튜브내의, 예를 들면 임의의 시안화 수소 반응기내의 촉매금속에 노출됨에 의해서 분해되어지는 시스템들내에서 사용되어질 수 있는 것이다. 본 발명의 실리콘 니트라이드 페룰들은 특히, 다음과 같은 하나 혹은 그 이상의 페출물 가스들: 즉, 수소, 질소, 질소 산화물(oxides of nitrogen), 산소, 일산화 탄소, 이산화 탄소, 암모니아, 메탄 및 그 밖의 탄화 수소(hydrocarbons)들을 포함할 수 있는 반응기내에서 특히 유용한 것이다.

따라서, 본 발명의 페룰들 및/또는 다운-홀 용접부들은 Andrussow 또는 Degussa B-M-A 공정에 사용되는 바와 같은, 시안화 수소 반응기에 사용되는 쉘 및 튜브식 열교환기, 질산폐열 회복 열교환기, 아크릴로니트릴(acrylonitrile) 반응기, 티타늄 다이옥사이드(titanium dioxide) 반응 시스템, 암모니아 반응및/또는 보일러 시스템, 포스포릭 산(phosphoric acid) 반응 시스템, 황산 반응 시스템, 에틸렌 켄치 교환기, 튜브측 연소 보일러, 튜브측 연소 교환기, 쓰레기 소각로(waste incinerators) 또는 접촉분해기(catalyst crackers)등의 내구수명을 연장하도록 바람직하게 사용되어진다. 본 발명은 보다 바람직하게 시안화 수소 반응기, 폐질산 회복 교환기 및 아크릴로니트릴 반응기 내의, 그리고 가장 바람직하게는 시안화 수소 반응기내의 쉘 및 튜브식 열교환기들의 사용수명을 연장하도록 사용되어지는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명은 백금함유 촉매의 존재하에서 탄화수소, 암모니아 및 선택적인 산소함유 가스를 반응시킴에 의하여 시안화 수소를 제조하는 반응기에 매우 적합하다.

한가지 실시예에서, 본 발명은 (a) 유입 튜브시트부와 배출 튜브시트부를 갖고, 각각의 튜브시트들이 다수의 구멍들을 가지며, 열교환 매체를 위한 적어도 하나의 유입구와 하나의 배출구를 갖는 쉘;(b) 상기 쉘내에 배치되고, 각각의 튜브의 유입단부가 유입 튜브시트에 고정되며, 각각의 튜브의 배출단부는 상기 배출 튜브시트에 고정되어 상기 튜브의 축과 유입 및 배출 튜브시트 구멍들의 축들은 서로 일치되며, 각각의 튜브 유입단부는 다운-홀 용접부에 의해서 상기 유입 튜브시트에 고정되어지는 다수의 튜브들; 및, (c) 각각 유입튜브시트 구멍을 통하여 튜브내로 연장하는 유입단부 및 배출단부를 갖고, 상기 배출단부는 유입 튜브시트 하부로 연장하며, 실리콘 니트라이드 또는 니켈-크롬 합금들을 갖는 다수의 페룰들;을 포함하고, 연장된 내구 수명을 갖는 열교환 장치를 제공한다. 상기 교환튜브들은 니켈-크롬 합금을 포함하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 페룰은 실리콘 니트라이드를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

다른 실시예에서, 본 발명은, (a) 유입 튜브시트부와 배출 튜브시트부를 갖고, 각각의 튜브 시트는 다수의 구멍들을 갖추며, 열교환 매체를 위한 적어도 하나의 유입구와 하나의 배출구들을 갖는 쉘; (b) 상기 쉘내에 배치되고, 각각의 튜브의 유입단부가 상기 유입 튜브시트에 고정되고, 각각의 튜브의 배출단부가 상기 배출 튜브시트에 고정되어 상기 튜브의 축과 유입 및 배출 튜브시트 구멍의 축들이 서로 일치(coincident)되는 한편, 각각의 튜브 유입단부는 다운-홀 용접부에 의해서 상기 유입 튜브시트에 고정되어지는 다수의 튜브들; 및 (c) 유입 튜브시트 구멍을 통하여 튜브의 내부로 연장하는 유입단부와 배출단부들을 각각 갖추고, 상기 배출 단부는 유입 튜브시트 아래로 연장하며, 길이방향 단면으로 벤튜리 구조를 갖추는 한편, 실리콘 니트라이드 또는 니켈-크롬 합금을 포함하는 다수의 페룰들;을 포함하고, 연장된 내구수명을 갖는 열교환 장치를 제공한다.

그리고, 또 다른 실시예에서 본 발명은,

(a) 유입 튜브시트부와 배출 튜브시트부를 갖고, 각각의 튜브 시트는 다수의 구멍들을 갖추며, 열교환 매체를 위한 적어도 하나의 유입구와 하나의 배출구들을 갖는 쉘; (b) 상기 쉘내에 배치되고, 각각의 튜브의 유입단부가 상기 유입 튜브시트에 고정되고, 각각의 튜브의 배출단부가 상기 배출 튜브시트에 고정되어 상기 튜브의 축과 유입 및 배출 튜브시트 구멍의 축들이 서로 일치(coincident)되는 한편, 각각의 튜브 유입단부는 다운-홀 용접부에 의해서 상기 유입 튜브시트에 고정되어지는 다수의 튜브들; 및 (c) 유입 튜브시트 구멍을 통하여 튜브의 내부로 연장하는 유입단부와 배출단부들을 각각 갖추고, 상기 배출 단부는 유입 튜브시트 아래로 연장하며, 유입단부 및 배출 단부를 가지며; 상기 유입단부는 파이프부로 향하여 원추형으로 또는 트럼펫형상으로 테이퍼를 형성하는 개구부를 갖고, 상기 유입단부의 외경은 열교환 튜브의 내경보다 크게 형성되며; 상기 파이프부는 열교환 튜브의 내경의 99% 까지의 외경을 갖추는 한편; 상기 배출단부는 상기 열교환 튜브의 내경에 거의 동일한 외경을 갖고; 실리콘 니트라이드 또는 니켈-크롬 합금들을 포함하는 다수의 페룰들;을 포함하고, 신장된 내구수명을 갖는 열교환 장치를 제공한다.

상기 페룰은 실리콘 니트라이드를 포함하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 페룰은 단열체로서 감싸여진 것이 바람직하다. 또한, 상기 교환 튜브들은 니켈-크롬 합금을 추가 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

시안화 수소의 제조를 위한 전형적인 시스템에서, 메탄, 에탄, 메탄올 및 그와 유사한 것과 같은 탄화수소(들)를 포함하는 반응 가스, 암모니아 및 선택적인 산소함유 가스들이 반응기내로 공급되고, 그리고 촉매 예를들면 백금함유 촉매의 존재하 에서, 대략 1000℃ 내지 1400℃ 범위의 온도에서 반응되어진다.

반응작동이 산소함유 가스를 포함하는 경우, 촉매는 가암모니아산화(ammoxidation) 촉매임이 바람직하다. 반응물질들은 촉매의 존재하에서 통상적으로 반응온도로 가열된다. 고온의 폐출물 가스들, 즉 제조 가스들은 시안화 수소 제조물을 포함한다. 그러나, 상기에서 설명한 바와 같이, 상기 폐출물 가스들은 시안화 수소의 분해를 감소시키기 위하여 대략 600℃이하의 온도로 되도록 급속 켄치되어야만 한다. 이는 반응 영역으로부터 열교환 영역으로 열교환 영역의 교환 튜브들과 연통하는 하나 또는 그 이상의 페룰들을 통하여 폐출물 가스들을 통과시킴으로서 행하여진다. 상기 열교환 영역에서, 상기 폐출물의 열은 상기 교환 튜브의 재료들로 전달되고, 상기 교환 튜브들의 외표면을 감싸고 있는 열교환 매체로 전달되어 상기 폐출물 유체를 적정한 온도로 저하시키고, 상기 시스템의 열에너지를 반응기 내에서, 혹은 공정의 다른 개소에서 사용하기 위하여 재 포획(recapturing)하는 것이다.

이러한 공정들이 도 8에 도시되어 있으며, 이는 반응물질 17들이 반응영역 18으로 유입하는 것을 도시하고 있다. 상기 반응영역 18에서, 반응물질들은 촉매 19, 예를 들면 촉매지지대의 하나 혹은 그 이상의 층, 여기서는 층 20 및 34상에서 지지되는 가열된 백금 금속 거즈촉매(platinum metal gauze catalyst)에 접촉되어진다. 상기 촉매지지대는 예를 들면, 융기부(ridges)가 있거나 없는 벌집형상(honeycomb shape)또는 융기부가 있거나 없는 발포체(foam)일 수 있다. 적절한 촉매 지지대 재료들은 금속지지 스크린, 예비성형 세라믹 혹은 내화물, 현장 타설(cast in place)용 내화물, 세라믹 발포체, 세라믹 패킹(ceramic packing), 실리콘 다이옥사이드( 실리카-SiO₂), 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘 니트라이드(Si₃N₄), 실리콘 보라이드(boride), 실리콘 보로니트라이드(boronitride), 산화 알루미늄(알루미나-Al₂O₃), 알루미노실리케이트(뮬라이트 - 3Al₂O₃-2SiO₂ ), 일루미노보로실리케이트(aluminoborosilicate), 탄소섬유, 내화섬유, 산화 지르코늄(ZrO₂), 산화 이트륨 (yittrium oxide)(Y₂O₃), 산화 칼슘(CaO), 산화 망간(MgO), 코르다이트(MgO-Al₂O₃-SiO₂), 또는 그들 조합체들을 포함하며, 이들에 한정되지는 않는다. 시안화 수소를 함유하는 고온의 반응성 폐출물은 반응영역 18을 나가서, 페룰 22들을 통하여 열교환 영역 21으로 유입한다. 상기 고온의 반응성 폐출물은 페룰 22을 통과하여 열교환 매체 24에 의해서 에워싸여진 교환튜브 2내로 유입한다. 상기 교환튜브 2들을 통과하는 동안, 상기 폐출물 가스들은 대략 1000℃ 내지 1400℃ 범위의 온도로부터 대략 600℃ 이하의 온도로 급속하게 냉각되어진다. 다음, 상기 냉각된 폐출물 가스 23들은 교환 튜브 2의 배출단부를 통하여 열교환 영역 21으로부터 빠져 나오고, 시안화 수소 제조물은 종래의 수단(미도시)을 통하여 폐출물 흐름으로부터 분리되어진다.

도 8에 도시된 바와 같이, 열교환 영역 21은 그들을 관통하여 연장하는 개구부를 갖는 내화물 층 27으로 이루어질 수 있고, 이들 개구부는 유입 튜브시트 4내의 개구부에 일치되어진다. 상기 튜브시트 4는 열교환 매체 24를 포함하는 열교환 베슬 26의 벽을 형성한다. 상기 열교환 매체 24는 바람직하게는 물 또는 물과 스팀의 혼합체일수 있으며, 상기 설명한 바와 같이 가열된 교환튜브 2로부터 전달되어지는 에너지를 흡수하기에 적절한 다른 유체들일 수 있다. 상기 페룰 22들은 내화물 층 27내의 개구부에 안착되고, 유입 튜브 시트 4에 형성된 개구부를 통과하며, 교환 튜브 2들의 유입단부로 진입한다. 바람직하게는, 상기 내화물 층 27의 개구부들은 페룰 22의 외측 형상을 보충하도록 형성된다.

상기 페룰 22은 바람직하게 그 길이방향 축(longitudinal axis)을 따라서 배치된 분리형 또는 일체형 페룰 슬리브 31에 의해서 에워싸여진다. "일체형" 이란 의미는 상기 슬리브가 페룰과 공통물질의, 혹은 고정적으로 부착된 단일 부재로 형성되어질 수 있음을 나타내는 것이다. 상기 페룰 슬리브 31는 예를 들면, 작동도중에 재료내에서 바람직하지 않은 응력(stresses)들을 생성시킴이 없이 팽창차이(differential expansion)에 의해서 기인하는 페룰 슬리브 31에 대한 페룰 22의 어떠한 동작이라도 수용할 수 있는 분리형 부품의 것이 바람직하다. 상기 페룰 슬리브 31는 상기 페룰 22과 그 주위를 에워싸는 내화물 층 27의 내측과의 사이에서 물리적인 완충물(a physical buffer)로서 작용한다. 그리고, 상기 페룰 슬리브 31는 상기 교환 튜브 2의 유입 단부위의 바람직한 위치에서 상기 페룰 22들을 위치시키도록 작용한다. 장착과정에서, 페룰 22의 외측과 페룰 슬리브 31의 내측은 얇은 왁스층으로 피복되어 후에 페룰의 제거에 도움을 줄 수 있다.

본 발명의 범위내에 포함되듯이, 상기 교환 튜브 2들의 유입단부들은 유입 튜브시트 4를 통하여 반응기 베슬 33내로 연장한다. 이러한 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 교환 튜브 2들은 상기 교환 튜브 2의 외측과 상기 유입 튜브시트 4의 상부면사이에서 형성된 용접부에 의해서 고정되어진다.

아래의 예들은 본 발명의 여러 가지 태양들을 도시하기 위하여 제시된 것이며, 본 발명의 범위를 이러한 태양내에서 제한하기 위함은 아닌 것임을 밝혀 둔다.

예 1

시안화 수소 반응기가 쉘 및 튜브식 열교환기와 함께 제작되었다. 열교환기의 유입 튜브시트와 열교환 튜브들은 니켈-크롬 합금(INCONEL 600)으로 제작되었다. 상기 교환 튜브들의 유입단부는 상기 유입 튜브시트의 상부면 또는 상기 유입 튜브시트의 상부면 너머로 다소 연장하는 튜브 단부들과 정렬된다(flush with). 상기 교환 튜브들은 유입튜브 시트의 상부면에 용접된다. 실리콘 니트라이드 페룰들과 니켈-크롬합금 페룰들의 혼합체(INCONEL 600)들이 니켈-크롬 합금(INCONEL 600) 페룰 슬리브내에 배치되고, 상기 페룰들은 상기 교환 튜브들의 유입단부내에 삽입되어졌다. 그후 대략적으로 작동 4개월(대략 2700시간) 후, 15 작동 싸이클 즉 열충격 및, 몇 회의 고온 작동 주기(>1200℃)들을 거쳤고, 하나의 실리콘 니트라이드와 하나의 니켈-크롬 합금 페룰들이 제거되고 마모상태가 검사되었다. 각각의 작동 싸이클은 착화(light-off) 도중에 대략 1분내에 대략 150℃내지 500℃로부터 대략 1200℃ 내지 1400℃ 까지 페룰들을 가열시키고, 상기 페룰들의 후주기(later period) 질소 냉각이 대략 1000℃ 내지 1400℃로부터 대략 25℃로 이루어졌다.

상기 니켈-크롬 페룰은 상기 교환 튜브로부터 제거하기 어려운 것이었으며, 이는 현저한 길이 손실, 대략 그 최초의 길이로부터 1/2인치(1.27cm)의 손실이 발생하였다. 그리고, 이 페룰의 표면에는 많은 량의 탄소/질소 침착물(deposits)들이 있었다. 상기 페룰은 페룰 슬리브내에서 물리적으로 고정되었다. 그리고, 상기 페룰은 탄소/질소를 흡수하고, 상기 페룰의 내경을 수축시킴으로서 융기(swell)하였다.

이와 같은 실리콘 니트라이드 페룰은 상기 교환 튜브로부터 쉽게 제거되었고, 아무런 길이 손실도 발생하지 않았다. 약간의 금속성 시안화 침착물이 상기 페룰의 배출 단부 외측상에서 발견되었다. 그리고 상기 실리콘 니트라이드 페룰의 내측상에서 아무런 가시적인 내부 마모나 혹은 융기부들이 존재하지 않았다. 따라서, 상기 실리콘 니트라이드 페룰의 내경이 변화되지 않았다.

따라서, 니켈-크롬 페룰 혹은 실리콘 니트라이드 페룰은 쉘 및 튜브식 열교환기의 교환 튜브들을 고온의 반응성 폐출 가스, 특히 시안화 수소 반응기내의 폐출 가스로부터 보호하고 있는 것을 알 수 있다.

예 2

예 1의 시안화 수소 반응기가 추가적으로 5개월 동안 작동되었다. 다시, 하나의 실리콘 니트라이드와 하나의 인접한 니켈-크롬 합금 페룰들이 상기 반응기로부터 제거되고 평가되었다.

상기 니켈-크롬 페룰은 상기 교환 튜브로부터 제거하기 어려운 것이었으며, 이는 현저한 길이 손실, 대략 그 최초의 길이로부터 1인치(2.54cm)의 손실이 발생하였다. 그리고, 이 페룰의 표면에는 많은 량의 탄소/질소 침착물(deposits)들이 있었다. 상기 페룰은 슬리브내에서 물리적으로 고정되었다. 그리고, 상기 페룰은 탄소/질소를 흡수하고, 상기 페룰의 내경을 수축시킴으로서 융기(swell)하였다. 침식 패턴(벽 얇아짐)도 페룰의 내측에서 관찰되었다.

이와 같은 실리콘 니트라이드 페룰은 상기 교환 튜브로부터 쉽게 제거되었고, 아무 런 길이 손실도 발생하지 않았다. 금속성 시안화 침착물과 같은 약간의 침식성 침착물이 상기 페룰의 외측상에서 발견되었다. 검정색 탄소 침착물이 상기 페룰의 외측 배출부상에서 발견되었다. 다소의 부식(erosion)이 페룰의 유입 융기부상에서 발견되었다. 그리고 상기 실리콘 니트라이드 페룰의 내측상에서 아무런 가시적인 내부 마모나 혹은 융기부들이 존재하지 않았다. 따라서, 상기 실리콘 니트라이드 페룰의 내경이 변화되지 않았다.

니켈-크롬 페룰 혹은 실리콘 니트라이드 페룰은 쉘 및 튜브식 열교환기의 교환 튜브들을 고온의 반응성 폐출 가스, 특히 시안화 수소 반응기내의 폐출 가스로부터 보호하고 있는 것을 알 수 있다.

예 3

예 1 및 2로 부터의 페룰들이 중량 손실 및 체적변화를 위하여 분석되었다. 이러한 결과들이 아래의 테이블내에 기재되어 있다. 보고된 퍼센테이지(%)들은 예 1과 2로 부터의 페룰들의 무게와 체적들을 이에 일치하는 새로운 페룰들에 비교함으로서 평가되었다.

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페룰 작동 개월수 중량 변화(%) 체적 변화(%)

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실리콘 니트라이드 4 2 0

9 4-5 0

니켈-크롬 합금 9 9-10 9-10

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따라서, 본 발명의 실리콘 니트라이드 페룰들은 오랜 기간동안 페룰의 크기에 현저한 변화없이 열교환 튜브들을 보호하는 데에 매우 효과적인 것임을 알 수 있다.

예 4-비교예

예 1의 시안화 수소 반응기에서, 도 5에 도시된 바와 같은 구조를 갖는 4개의 산화 알루미늄 페룰들이 실리콘 니트라이드 혹은 니켈-크롬 합금페룰들 대신에 채택되었다. 2개의 페룰들은 95%의 순도를 갖고, 나머지 2개는 97%의 순도를 가진 것이었다. 4-5개월의 작동 후, 모든 4개의 알루미나 페룰들이 제거되고 검사되었다. 각각의 경우에서, 네크 영역 즉 확장 유입단부가 파이프부에 접촉하는 영역에서 상기 페룰이 균열되거나 혹은 조각났다. 어떤 경우에는, 상기 파이프부가 상기 페룰의 확장부로부터 완전히 분리되었다.

상기에서와 같이, 본 발명은 환원성 분위기를 갖는 화학처리공정에서 사용되어지는 쉘 및 튜브식 반응기에서 긴 내구수명을 갖는 효과적인 열교환기를 제공하는 것이다.

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30. 탄화수소, 암모니아 및 선택적인 산소 함유가스를 포함하는 반응 가스를 반응기에 공급하는 단계;

    제조 가스를 생산하도록 촉매의 존재 하에 상기 반응 가스를 반응시키는 단계;

    (a) 유입 튜브시트 및 배출 튜브시트를 갖고, 각각의 튜브시트는 다수의 구멍들(holes)을 갖추며, 열교환 매체를 위한 적어도 하나의 유입구와 하나의 배출구들을 갖는 쉘; (b) 상기 쉘 내에 배치되고, 각각의 튜브의 유입 단부가 상기 유입 튜브시트에 고정되고, 각각의 튜브의 배출 단부가 상기 배출 튜브시트에 고정되어 상기 튜브의 축과 유입 및 배출 튜브시트 구멍의 축들이 서로 일치(coincident)되는 다수의 튜브들; 및 (c) 유입 튜브시트 구멍을 통하여 튜브로 연장하는 유입 단부와 배출 단부들을 갖추고, 상기 배출 단부는 유입 튜브시트 아래로 연장하며, 실리콘 니트라이드를 포함하는 다수의 페룰들;을 포함하는 열교환 장치 내에서 상기 제조 가스를 냉각시키는 단계; 및

    상기 냉각된 제조 가스로부터 시안화 수소를 회복시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 시안화 수소를 준비하기 위한 공정.
31. 제 30항에 있어서, 상기 각각의 페룰의 유입 단부는 상기 튜브보다 큰 직경을 가지며; 상기 직경은 각각의 페룰의 제 1 부분(portion) 내에서 감소하며; 각각의 페룰의 제 2 부분 내에서, 각각의 페룰의 내부면은 30도 보다 작은 각도로 상기 배출 단부를 향하여 점차 증가하며(diverge); 상기 배출 단부의 외경은 상기 튜브의 외경보다 작은 것을 특징으로 하는, 시안화 수소를 준비하기 위한 공정.
32. 제 31항에 있어서, 상기 각각의 튜브는 탄소강(carbon-steel) 또는 니켈-크롬 합금을 포함하는 금속으로 구성되되, 상기 유입 튜브시트 내 상기 다수의 구멍들 각각은,

    제 1 직경을 가지며, 상기 유입 튜브시트를 통해 부분적으로 연장하는 제 1 보어(bore); 및

    제 2 직경을 가지며, 상기 유입 튜브시트를 통한 상기 제 1 보어로부터 상기 유입 튜브시트의 튜브측(tube-side) 표면으로 연장하는 제 2 보어를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 보어들은 동축을 가지며, 상기 제 1 직경은 상기 제 2 직경보다 더 크며, 상기 제 2 직경은 그 내부에 수용된 대응(corresponding) 튜브의 외경보다 더 크며, 각각의 튜브는 상기 제 2 보어의 축길이(axial length)에 상당하는 거리로 대응 제 2 보어로 삽입되며, 각각의 튜브는, 상기 제 2 보어의 축길이 위쪽에서 각각의 튜브와 상기 튜브시트 사이에 형성된 완전-관통 용접에 의해 상기 제 2 보어에 고정되는 것을 특징으로 하는, 시안화 수소를 준비하기 위한 공정.
33. 제 32 항에 있어서, 각각의 튜브는 니켈-크롬 합금을 포함하는 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 시안화 수소를 준비하기 위한 공정.
34. 제 31 항에 있어서, 상기 각도는 5 내지 7도인 것을 특징으로 하는, 시안화 수소를 준비하기 위한 공정.
35. 제 31 항에 있어서, 상기 제조 가스의 온도는 1000℃ 내지 1400℃의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는, 시안화 수소를 준비하기 위한 공정.
36. (a) 유입 튜브시트 및 배출 튜브시트를 갖고, 각각의 튜브시트는 다수의 구멍들을 갖추며, 열교환 매체를 위한 적어도 하나의 유입구와 하나의 배출구들을 갖는 쉘; (b) 상기 쉘 내에 배치되고, 각각의 튜브의 유입 단부가 상기 유입 튜브시트에 고정되고, 각각의 튜브의 배출 단부가 상기 배출 튜브시트에 고정되어 상기 튜브의 축과 유입 및 배출 튜브시트 구멍의 축들이 서로 일치되는 다수의 튜브들; 및 (c) 유입 튜브시트 구멍을 통하여 튜브로 연장하는 유입 단부와 배출 단부들을 갖추고, 상기 배출 단부는 유입 튜브시트 아래로 연장하며, 실리콘 니트라이드를 포함하고, 길이방향의 단면으로 수렴 및 발산형 구조를 갖는 다수의 페룰들;을 포함하는 열교환 장치 내에서 가스를 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 환원, 침탄 또는 질화 가스를 냉각하기 위한 공정.
37. 제 36 항에 있어서, 상기 환원, 침탄 또는 질화 가스는 침탄 또는 질화 가스인 것을 특징으로 하는 공정.
38. 제 37 항에 있어서, 상기 각각의 페룰의 유입 단부는 상기 튜브보다 더 큰 직경을 가지며; 상기 직경은 각각의 페룰의 제 1 부분 내에서 감소하며; 각각의 페룰의 제 2 부분 내에서, 각각의 페룰의 내부면은 30도 보다 작은 각도로 상기 배출 단부를 향하여 점차 증가하며; 상기 배출 단부의 외경은 상기 튜브의 외경보다 작은 것을 특징으로 하는 공정.
39. 제 38 항에 있어서, 상기 각각의 튜브는 탄소강 또는 니켈-크롬 합금을 포함하는 금속으로 구성되되, 상기 유입 튜브시트 내 상기 다수의 구멍들 각각은,

    제 1 직경을 가지며, 상기 유입 튜브시트를 통해 부분적으로 연장하는 제 1 보어; 및

    제 2 직경을 가지며, 상기 유입 튜브시트를 통한 상기 제 1 보어로부터 상기 유입 튜브시트의 튜브측 표면으로 연장하는 제 2 보어를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 보어들은 동축을 가지며, 상기 제 1 직경은 상기 제 2 직경보다 더 크며, 상기 제 2 직경은 그 내부에 수용된 대응 튜브의 외경보다 더 크며, 각각의 튜브는 상기 제 2 보어의 축길이에 상당하는 거리로 대응 제 2 보어로 삽입되며, 각각의 튜브는, 상기 제 2 보어의 축길이 위쪽에서 각각의 튜브와 상기 튜브시트 사이에 형성된 완전-관통 용접에 의해 상기 제 2 보어에 고정되는 것을 특징으로 하는 공정.
40. 제 36 항에 있어서, 상기 환원, 침탄 또는 질화 가스는 증기-메탄 개질 장치(reformer)의 산출물인 것을 특징으로 하는 공정.

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