KR102315470B1 - 산업적 생산 공장을 위한 열 교환기 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 연도 가스를 생산하기 위한 적어도 하나의 반응기(102)를 포함하고 그리고 연도 가스와 유체 간의 열 교환을 위한 제1 열 교환기 부분(3)과 상기 연도 가스와 상기 반응기(102)를 위한 반응 공기 간의 열 교환을 위한 제2 열 교환기 부분(4)을 구비한 열 교환기 시스템(1)을 포함하는, 산업적 생산 공장(100)에 관한 것이고, 상기 반응 공기는 제2 열 교환기 부분(4)에 의해 예열될 수 있다. 제1 열 교환기 부분(3)은 각각의 제1 재킷 관(9) 내에 일방향으로 각각 배열된 제1 관(7)을 구비한 이중-관 열 교환기(5)로서 구성되고, 그리고 제2 열 교환기 부분(4)은 제2 재킷 관(29) 내에 배열되고 그리고 재킷 관(29) 내에 일방향으로 각각 배열된 제2 관(27)의 관 묶음을 구비한 관 묶음 열 교환기(25)로서 구성된다. 연도 가스는 제1 및 제2 관(7, 27)을 통해 흐를 수 있다. 이중 관 열 교환기(5) 및 관 묶음 열 교환기(25)는 수직으로 배열된다. 제1 및 제2 관(7, 27)의 각각의 상부 단부는 수송관(23)을 통해 함께 연결된다. 연도 가스는 이중 관 열 교환기(5)를 통해 상향으로 흐르고 그리고 관 묶음 열 교환기(25)를 통해 하향으로 흐른다.

Description

산업적 생산 공장을 위한 열 교환기 장치

본 발명은 연도 가스의 생산을 위한 적어도 하나의 반응기를 포함하고 그리고 또한, 열 교환 시스템을 포함하는 카본 블랙 생산 공장(carbon black production plant)에 관한 것이다.

또한, 퍼니스 블랙(furnace black)으로서 지칭되는, 카본 블랙은 세계적으로 50개의 가장 많이 생산되는 화학물질 중에 속하는 것으로 여겨진다. 보통, 카본 블랙은 분리된 생산 공장에서 생산된다. 카본 블랙 생산 공장은, 천연 가스 또는 오일이 불완전하게 연소되면서 이어서 결과로서 발생한 연도 가스가 카본 블랙의 분리를 위해 여과되는 반응기를 포함한다. 연소를 위해 사용되는 반응 공기는 대부분 경우에 반응기로 공급되기 전에 예열될 것이다. 주로, 이 목적을 위해, 연도 가스는 여과 전에, 반응 공기가 예열되는 열 교환기를 통해 운반될 것이다. 반응 공기를 예열함으로써, 카본 블랙 생산 공장의 열 효율이 향상될 수 있다.

카본 블랙의 생산 시, 연도 가스는 대부분 경우에 분사수에 의해, 즉, 소위 ??칭(quenching)에 의해 갑자기 냉각될 것이다. 그렇게 함으로써, 반응 공정이 중지될 것이고 따라서 연도 가스에 함유된 카본 블랙이 원하는 품질을 가질 것임이 보호될 것이다.

최근에, 카본 블랙 생산의 말에 연도 가스의 냉각이 또한 다른 방식으로, 예를 들어. 열 교환에 의해, 최종 생성물의 품질 손실을 유발하지 않고, 수행될 수 있다는 것이 발견되었다. 이러한 인지에서 시작해서, 본 발명의 목적은 높은 열 효율을 가지며 또한 단순한 구성인 카본 블랙 생산 공장을 제공하는 것이다.

본 발명의 카본 블랙 생산 공장은 청구항 1의 특징에 의해 규정된다.

본 발명의 카본 블랙 생산 공장은, 연도 가스를 생산하기 위한 반응기 및 연도 가스와 유체 간의 열 교환을 위한 제1 열 교환부와 연도 가스와 반응기를 위한 반응 공기 간의 열 교환을 위한 제2 열 교환부를 구비한 열 교환 시스템을 포함한다. 반응 공기는 제2 열 교환부에 의해 예열될 수 있다. 제1 열 교환부는 각각의 제1 케이싱 관 내에 단일-경로 구성으로 각각 배열된 제1 관을 포함하는 이중-관 열 교환기로서 디자인되고, 그리고 제2 열 교환부는, 제2 케이싱 관 내에 배열되고 케이싱 관 내에 단일-경로 구성으로 각각 배열된 제2 관을 포함하는 관 묶음을 포함한 관-묶음 열 교환기로서 디자인된다. 상기 제1 및 제2 관은 상기 관을 통해 연도 가스를 흘리도록 구성된다. 상기 이중-관 열 교환기 및 상기 관-묶음 열 교환기는 수직으로 배열되고, 제1 및 제2 관의 각각의 상부 단부는 관 도관을 통해 서로 연결된다. 연도 가스는 이중-관 열 교환기를 통해 상승 방향으로 그리고 관-묶음 열 교환기를 통해 하강 방향으로 흐를 것이다.

카본 블랙 생산 공장 내에 이러한 열 교환 시스템을 제공하는 것은 특히 유리한 것으로 입증되었다. 제1 열 교환부를 통해, 유체는, 연도 가스의 열 에너지가 유리한 방식으로 활용될 수 있도록 가열될 수 있다. 예를 들어, 제1 열 교환부는 물의 형태인 유체가 기화되는 기화기로서 디자인될 수 있다. 제1 열 교환부는 또한 카본 블랙의 생산 시 반응 공정의 결과를 향상시킬 연도 가스를 위한 냉각 기능을 가질 수 있다. 그렇게 함으로써, 예를 들어. 소위 ??칭을 위한 분사 노즐과 같은, 반응기의 냉각 디바이스의 일부가 생략될 수 있다. 폐열을 사용함으로써, 또한 카본 블랙 생산 공장의 열 효율이 증가된다. 반응 공기를 예열하기 위한 관-묶음 열 교환기의 수직 배열에 의해, 케이싱 관 내의 관 묶음의 팽창이 유리한 방식으로 발생할 수 있음이 달성된다. 연도 가스로부터 공기로의 열 전달은, 관-묶음 열 교환기 내에서, 열 전달이 비교적 따뜻한, 기체 매체에 발생하여 상기 제2 관이 고온을 가져서, 불가피하게 제2 관의 비교적 부드러운 물질을 발생시키는 효과를 갖는다. 관-묶음 열 교환기의 수평 배열은 제2 관의 새깅(sagging)에 기인하여 불가피하게 문제를 초래할 것이다. 수직 배열에 의해, 이것이 방지되고, 동시에, 문제없이 제2 케이싱 관 및 제2 관의 수직 방향으로의 열 팽창을 허용한다. 또한 수직으로 배열된 이중-관 열 교환기는 필적할만한 이점을 제공한다. 제1 및 제2 관의 각각의 상부 단부와 상호연결되는 관 도관의 제공에 의해, 제1 및 제2 열 교환부 간의 연결이 비교적 짧게 유지될 수 있음이 또한 달성된다. 제1 열 교환부를 통해 흐른 후, 연도 가스는 여전히 비교적 고온을 가져서, 고급 관 도관이 제1 및 제2 열 교환부 간의 연결을 위해 사용되어야 할 것이다. 따라서, 본 발명에 의해 가능하게 제공되는 바와 같이, 제1 및 제2 열 교환부 간의 짧은 관 도관 연결은 비용 이유로 유리하다. 또한, 본 발명에 의해 제공되는 바와 같이, 이중-관 열 교환기 및 관-묶음 열 교환기의 배열은 이들이 서로 비교적 밀접하게 배치되게 할 것이고, 카본 블랙 생산 공장 내에서 열 교환기 시스템을 위한 비교적 소규모의 소요 공간을 발생시킨다.

바람직하게는, 이중-관 열 교환기가 자연 순환 증기 생성기로서 디자인되는 것으로 규정된다. 따라서, 사용되는 유체는 물일 것이다. 연도 가스는 이중-관 열 교환기 내에서 물을 가열할 것이고, 물이 기화되게 한다. 케이싱 관 내에 각각 배열되는 제1 관의 독창적인 배열에 의해, 고 에너지 입력에 의해, 물이 유리한 방식으로 기화될 수 있도록, 물이 비교적 박층으로 제1 관 주위에 흐를 것임이 달성된다. 물이 병렬 흐름으로 운반되고, 따라서 유리하게는 이중-관 열 교환기 내의 자연 순환을 허용한다. 이것은 예를 들어. 더 높은 에너지 소모를 필요로 할 순환 펌프와 같은, 물을 펌핑하기 위한 복잡한 기기의 필요를 제거한다.

이중-관 열 교환기는 종래의 방식에서 물과 증기의 저장소, 분배기 및 분리기로서 기능하는 증기 드럼을 포함할 수 있다. 즉, 증기 드럼에는 균일한 방식으로 급수가 공급될 것이고, 그리고 증기 드럼은 또한 이중-관 열 교환기 내에서 생성된 증기를 수용할 것이다. 바람직하게는, 드럼으로부터 제1 케이싱 관 내로 공급된 물이 증발이 발생할 부분까지 케이싱 관을 상승시키기 위해 충분한 압력의 영향을 받아서, 자연 순환이 유리한 방식으로 향상되도록, 증기 드럼이 이중-관 열 교환기 위에 배열된다.

이중-관 열 교환기는, 제1 관에 연결되고 그리고 제1 관을 수용하는 제1 하부 관판(first lower tube plate)에 의해 범위가 정해지는, 연도 가스를 위한 수직으로 선 제1 엔트리 챔버(vertically standing first entry chamber)를 포함한다고 규정될 수 있다. 상기 수직으로 선 제1 엔트리 챔버에 의해, 연도 가스는 유리한 방식으로 개별적인 제1 관 내로 분배될 수 있다.

제1 하부 관판에 인접하게, 유체를 위한 적어도 하나의 유입 챔버는 유입 챔버에 연결된 제1 케이싱 관을 가지며 배열될 수 있다. 상기 적어도 하나의 유입 챔버는 제1 케이싱 관으로의 유체의 유리한 분배를 허용한다.

케이싱 관의 상부 단부에서, 이중-관 열 교환기는 제1 케이싱 관이 진입하는 적어도 하나의 유출 챔버를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 유출 챔버는 가열되고 그리고 각각 기화된 유체를 케이싱 관 내에 수집할 것이고 그리고 상기 유체를 예를 들어. 증기 드럼으로 운반할 것이다. 또한, 적어도 하나의 유출 챔버에 인접하게, 제1 상부 관판은 제1 관을 수용하기 위해 제공될 수 있다. 연도 가스를 위한 수집기 관은 상기 제1 상부 관판과 인접하게 배열될 수 있고, 상기 수집기 관은 관 도관과 합쳐진다. 수집기 관은 예를 들어. 펀넬 관(funnel tube)과 같이 형성될 수 있다.

또한 제1 케이싱 관은, 그 하부 단부에서, 유체를 위한 각각의 유입 챔버로 넓어지는 것으로 규정될 수 있다. 이 경우에, 바람직하게는 이 유입 챔버가 서로 연결되고 그리고 제1 하부 관판을 형성하는 것으로 규정된다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제1 케이싱 관은 그 상부 단부에서 유체를 위한 각각의 유출 챔버로 넓어지고, 이 유출 챔버는 바람직하게는 서로 연결되고 그리고 제1 상부 관판을 형성하는 것으로 규정될 수 있다.

바람직하게는, 관-묶음 열 교환기가 역류 열 교환기로서 디자인되는 것으로 규정된다. 즉, 이것은, 제2 관이 제2 관을 통해 하향 방향으로 흐르는 연도 가스를 갖고, 반면에 제2 케이싱 관은 제2 케이싱 관을 통해 상향 방향으로 흐르는 반응 공기를 갖는 것을 의미한다. 이러한 역류 배열은 반응 공기의 예열을 위해 특히 유리한 것으로 입증되었다.

바람직하게는, 관-묶음 열 교환기가 매달린 방식으로 배열되는 것으로 규정된다. 바람직하게는, 이 경우에, 관-묶음 열 교환기는 제2 케이싱 관을 통해 매달린다. 이러한 배열은, 관-묶음 열 교환기의 상부 단부가 동일한 위치에 실질적으로 남아있도록 관-묶음 열 교환기의 열 팽창 그리고 특히 제2 케이싱 관의 열 팽창이 하향 방향으로 발생할 것이기 때문에, 특히 유리하다. 따라서, 제1 열 교환부 및 제2 열 교환부의 상이한 팽창에 의해 발생할 수 있는 문제가 방지된다.

관-묶음 열 교환기의 매달린 배열에 대해, 장착 구조체가 제2 케이싱 관에 맞물려 제공될 수 있다. 상기 장착 구조체가 스프링-타입의 장착 구조체로서 디자인될 수 있고, 관-묶음 열 교환기의 중량은 스프링-타입의 장착 구조체의 스프링 디바이스에 의해 적어도 부분적으로 수용된다.

스프링-타입 장착 구조체로서 장착 구조체의 디자인에 의해, 제1 열 교환부에서 발생하는 열 팽창은 보완될 수 있고, 이는 팽창 동안, 전체 제2 열 교환부가 이동될 것이기 때문에 그러한 경우이다. 이것은 스프링-타입의 장착 구조체에서, 수직 이동이 미리 결정된 정도로 허용되기 때문에 가능하다.

부가적으로 또는 대안적으로, 제1 및 제2 열 교환부와 연결되는 관 도관은, 예를 들어. 대응하는 보정기의 도움으로, 제1 열 교환부 내에서 생성된 열 팽창만을 보완하도록 디자인될 수 있다.

바람직하게는, 관-묶음 열 교환기는 연도 가스를 위한 수직으로 배열된 제2 엔트리 챔버를 포함하되, 챔버는, 관-묶음 열 교환기의 상부 단부 부분에 배열되고, 챔버에 연결된 제2 관을 갖고 그리고 제2 관을 수용하는 제2 상부 관판에 의해 범위가 정해지는 것으로 규정된다. 제2 엔트리 챔버에 의해, 연도 가스는 관-묶음 열 교환기의 제2 관으로 유리한 방식으로 분배될 수 있다.

바람직하게는, 제2 관은 제2 상부 관판 상에 매달림으로써 고정(fasten)되는 것으로 규정된다. 그렇게 함으로써, 또한 제2 관의 열 팽창이 하향 방향으로 발생하는 것이 달성된다. 예를 들어, 각각의 제2 관은 현가 디바이스(suspension device)와 함께 제공될 수 있고 현가 디바이스에 의해 각각의 제2 관은 제2 상부 관판에 고정된다.

이 경우에, 제2 하부 관판이 제2 관의 하부 단부를 수용하고, 제2 관 각각은 제2 하부 관판과의 연결을 위해 개별적인 관 보정기를 포함하는 것으로 특히 규정된다. 이것은 유리한 방식으로 제2 관의 원하지 않은 변형 없이 열 팽창을 보완하는 것을 가능하게 만든다.

제2 상부 관판이 냉각될 수 있다. 예를 들어, 제2 상부 관판은 이중 하단부로서 디자인될 수 있고, 냉각 챔버와 접하는 제2 상부 관판 내부에 형성된 냉각 챔버를 갖는다. 케이싱 관 내의 가열된 반응 공기가 예를 들어. 800℃의 매우 고온에 도달할 수 있기 때문에, 연도 가스 및 예열된 반응 공기 둘 다에 영향을 받는 제2 상부 관판을 냉각시키는 것이 유리하다. 상기 냉각 챔버를 구비한 제2 상부 관판을 제공함으로써, 이 냉각 효과는 유리한 방식으로 달성될 수 있다. 냉각 챔버는 적어도 하나 그리고 바람직하게는 복수의 냉각 유체 유입부 및 적어도 하나의 냉각 유체 유출부를 포함할 수 있다. 냉각 유체로서, 공기가 사용될 수 있고 공기는 예를 들어. 냉각 유체 유출부를 통해 반응 공기로 공급될 것이다.

이중 하단부로서 디자인된 제2 상부 관판에 대한 제2 관의 매달린 부착의 경우에, 현가 디바이스는 각각 이중 하단부에 고정된 관 슬리브(tube sleeve)로서 디자인될 수 있다. 이 관 슬리브 내에, 제2 관이 단순한 방식으로 매달릴 수 있다. 제2 관은 냉각 챔버를 통과한다. 많이 가열된 제2 관이 냉각 유체에 직접적으로 노출되는 것 또는 큰 온도 기울기가 생성되는 것을 방지하기 위해서, 상기 관 슬리브는 냉각 챔버의 영역 내에서 제2 관을 둘러쌀 수 있고 그리고 단열 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 관 슬리브로서 형성된 현가 디바이스 및 이중 하단부로서 제2 상부 관판의 디자인은, 관-묶음 열 교환기의 고온 단부 상에 제2 관을 매달리게 하는 것을 유리한 방식으로 가능하게 만든다.

또한, 제2 하부 관판은 연도 가스를 위한 유출 챔버의 범위를 정할 수 있다. 상기 유출 챔버에서, 제2 관으로부터 흐르는 연도 가스가 수집될 것이고 그리고 추가의 처리를 위해 배출될 것이다. 예를 들어, 분리 디바이스, 예를 들어. 분리기 디바이스는 카본 블랙을 연도 가스로부터 분리시키기 위해 제2 열 교환부 뒤에 제공될 수 있다.

본 발명은 반응 공기를 위한 유입부가 제2 하부 관판에 인접하게 배열되고, 그리고/또는 반응 공기를 위한 유출부가 제2 상부 관판에 인접하게 배열되는 것을 또한 유리하게 제공할 수 있다.

이중-관 열 교환기 및 관-묶음 열 교환기와 연결되는 관 도관은 예를 들어. 관 벤딩부로서 디자인될 수 있다.

또한, 연도 가스가 관-묶음 열 교환기를 통해 하향 방향으로 흐르게, 관-묶음 열 교환기를 수직 배향으로 배열하는 것은, 관-묶음 열 교환기를 통과한 후, 연도 가스가 관-묶음 열 교환기의 하부 단부에서 측방향으로 배출될 수 있는 이점을 갖는다. 연도 가스가 열 교환기를 통해 상승 방향으로 흐르는, 공기를 예열하기 위한 종래의 관-묶음 열 교환기에서, 열 교환기의 상부 단부 상에서 하향으로 안내되어야 하는 복잡한 관 도관이 요구된다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 더 상세히 아래에 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 카본 블랙 생산 공장의 주요 구성을 예시하는 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 카본 블랙 생산 공장의 열 교환 시스템의 개략적인 측면도,
도 2a는 도 1에 따른 열 교환 시스템의 제1 열 교환부의 제1 케이싱 관(casing tube)과 함께 제1 관의 개략적인 상세도,
도 3a는 도 1에 따른 열 교환 시스템의 제2 열 교환부의 제2 관 및 제2 상부 관판의 개략적인 상세도, 및
도 3b는 도 2에 따른 열 교환 시스템의 제2 열 교환부의 제2 관 및 제2 하부 관판의 개략적인 상세도.

도 1은 본 발명에 따른 카본 블랙 생산 공장(100)의 주요 구성을 예시한다. 카본 블랙 생산 공장은 실질적으로 반응기(102), 열 교환 시스템(1) 및 분리 디바이스(104)로 이루어진다.

상기 반응기(102) 내에서, 불완전한 연소가 발생하여, 연도 가스의 생성이 발생한다. 연도 가스는 관 도관 시스템(106)을 통해 열 교환 시스템(1)으로 공급된다. 제2 관 도관 시스템(106)을 통해, 열 교환 시스템(1) 내에서 냉각되는 연도 가스는, 카본 블랙과 가스가 분리될 분리 디바이스(104)로 공급된다.

열 교환 시스템(1)에는 또한 반응 공기가 공급된다. 반응 공기가 열 교환 시스템(1)을 통해 예열되고 이어서 예열된 반응 공기로서 반응기로 공급될 것이다. 도 1에서, 반응 공기의 흐름 방향이 해당하는 화살표로 표현되며, 화살표(A)는 반응 공기의 유입을 나타내고 그리고 화살표(B)는 반응 공기의 유출을 나타낸다. 또한, 제2 유체가 열 교환 시스템(1)으로 공급된다. 또한, 이 유체는 열 교환 시스템(1) 내에서 예열될 것이고 그리고 가열된 유체로서 배출될 것이다. 유체는 예를 들어. 물일 수 있고, 가열된 물은 기상 상태로 열 교환 시스템(1)으로부터 배출될 것이다. 열 교환 시스템(1)에 의해, 연도 가스가 냉각되고, 그렇게 함으로써 반응의 완료를 향상시킨다. 유체의 유입은 화살표(C)로 표현된다. 유체의 유출은 화살표(D)로 표현된다.

따라서, 본 발명에 따른 카본 블랙 생산 공장(100)은, 한편으로는, 예열된 반응 공기의 공급에 의해, 반응기(102) 내의 반응의 열 효율이 개선될 수 있는 이점을 갖는다. 다른 한편으로는, 생성된 연도 가스 내에 함유된 열 에너지가 유체를 가열하기 위해, 예를 들어. 물의 기화를 위해 부가적으로 사용될 수 있다. 생성된 증기는 예를 들어. 분리된 과열기로 공급될 수 있고 따라서 전력을 생성하도록 종래의 물-증기 사이클에서 사용될 수 있다. 생성된 증기는 또한 다른 목적을 위해 사용될 수 있다.

도 2에서, 도 1의 카본 블랙 생산 공장(100)의 열 교환 시스템(1)이 더 상세히 개략적으로 도시된다.

열 교환 시스템(1)은 제1 열 교환부(3) 및 제2 열 교환부(4)로 이루어진다. 상기 제1 열 교환부(3) 내에서, 유체가 가열될 것이다. 상기 제2 열 교환부(4) 내에서, 반응 공기가 예열될 것이다.

이 목적을 위해, 제1 열 교환부(3)는 이중-관 열 교환기(5)로서 디자인된다. 이중-관 열 교환기(5)는, 도 2a에 도시된 상세도에서 가장 명확히 도시된 바와 같이, 복수의 제1 관(7)을 포함한다. 상기 제1 관(7) 각각은 제1 케이싱 관(9) 내에 단일-경로 구성으로 배열된다.

이중-관 열 교환기가 수직 배향으로 배열되고, 그리고 연도 가스가 이중-관 열 교환기로 그 하부 단부에서 공급될 것이다. 이 목적을 위해, 이중-관 열 교환기(5)는 제1 엔트리 챔버(11)를 포함한다. 제1 관(7)이 제1 엔트리 챔버(11)에 연결된다. 제1 하부 관판(13)이 상기 엔트리 챔버(11)의 범위를 정하고, 이 제1 하부 관판(13)이 제1 관(7)을 수용한다.

제1 관(7)의 상부 단부 상에, 제1 상부 관판(15)이 배열된다. 제1 상부 관판(15)은 제1 관(7)의 상부 단부를 수용한다. 제1 상부 관판(15)에 인접하게, 연도 가스를 위한 수집기 관(17)이 배열된다.

제1 엔트리 챔버(11)에 진입하는 연도 가스는 관(7)에 분배될 것이고 그리고 관(7)을 통해 흐를 것이다. 유체가 케이싱 관(9)으로 운반될 것이고 그리고 제1 관(7)과 케이싱 관(9) 사이에 형성된 갭(9a) 내로 흐를 것이다.

제1 열 교환부(3)는 물과 증기의 저장소, 분배기 및 분리기로서 기능하는 증기 드럼(19)을 더 포함할 수 있다. 증기 드럼(19)에는 화살표(C)로 나타낸 바와 같이, 급수가 공급될 것이다. 물은 제1 하부 관판(13)에 인접하게 배열되는, 미도시된, 적어도 하나의 유입 챔버 내로 운반될 것이다. 상기 유입 챔버는 물을 케이싱 관(9) 내로 분배할 것이다. 케이싱 관(9)의 상부 단부 각각에서, 기화된 유체를 위한 유출 챔버(21)가 형성되며, 유출 챔버는 기화된 유체를 수집할 것이고 그리고 기화된 유체를 증기 드럼(19) 내로 복귀시킬 것이다. 기화된 유체는 화살표(D)로 나타낸 바와 같이 증기 드럼(19)으로부터 배출된다. 이중-관 열 교환기(5)가 병렬 흐름으로 작동된다. 그렇게 함으로써, 유체를 기화시키는 공정에서, 예를 들어. 순환 펌프와 같은, 부가적인 설치가 흐름 생성을 위해 요구되지 않도록 자연 순환이 이루어질 수 있다.

유출 챔버(21)의 벽이 서로 연결되고 그리고 제1 상부 관판을 형성해서, 따라서 분리된 관판을 생략하는 것을 가능하게 만든다는 것이 또한 제공될 수 있다.

일반적으로, 유출 챔버(21) 및 유입 챔버의 디자인은, 유입 챔버가 또한 제1 하부 관판(13)을 형성할 수 있도록 거울-반전될 수 있다.

수집기 관(17) 내에 수집된 연도 가스는 벤딩부(bend)로서 형성된 관 도관(23)을 통해 제2 열 교환부(4)로 공급된다. 제2 열 교환부(4)는 관-묶음 열 교환기(25)로서 디자인된다. 관-묶음 열 교환기(25)는 재차 수직으로 배열되고 그리고 역류 열 교환기로서 디자인된다. 따라서 관 도관(23)을 통해 공급된 연도 가스는 관-묶음 열 교환기(25)를 통해 하향 방향으로 흐를 것이다. 가열될 반응 공기는 화살표(A 및 B)로 나타낸 바와 같이, 관-묶음 열 교환기(25)의 하부 부분 내로 공급될 것이고 그리고 상부 부분으로 배출될 것이다.

도 3a에서, 관-묶음 열 교환기(25)의 상부 부분이 상세도로 도시된다. 관-묶음 열 교환기(25)는 단일-경로 구성으로 제2 케이싱 관(29) 내에서 연장되는 복수의 제2 관(27)을 포함한다. 따라서, 제2 케이싱 관(29)은 제2 관(27)이 가로지르는 챔버(31)를 형성한다.

관-묶음 열 교환기(25)는 매달린 방식으로 배열된다. 이 목적을 위해, 관-묶음 열 교환기(25)에는 케이싱 관(29)과 맞물리는 홀딩 구조체(holding structure)(33)가 제공된다. 관-묶음 열 교환기의 매달린 배열은 관-묶음 열 교환기(25) 그리고 특히 케이싱 관(29)의 열 팽창이 하향 방향으로 발생하는 이점을 갖는다. 그렇게 함으로써, 이중-관 열 교환기 및 관-묶음 열 교환기의 상이한 열 팽창에 의해 유발되는 가능한 문제가 감소될 것이고, 따라서 관 도관(23) 상의 복잡한 보정기의 필요를 대체로 제거한다. 관 도관(23)이 연도 가스를 고온으로 운반하기 때문에, 관 도관은 고급 재료로 이루어져야 한다. 따라서, 추가의 설치의 생략에 의해, 구성의 복잡성 및 비용이 현저히 감소될 수 있다.

복수의 평행한 제2 관(27)은 매달린 방식으로 제2 상부 관판(35)에 의해 홀딩된다. 이 목적을 위해, 각각의 관에는 현가 디바이스(37)가 제공된다. 상기 제2 상부 관판(35)은 관-묶음 열 교환기(25)의 상부 단부에 배열된 연도 가스를 위한 제2 엔트리 챔버(39)의 범위를 정한다. 상기 제2 엔트리 챔버(39)로부터, 연도 가스가 제2 관(27)에 분배될 것이다.

제2 엔트리 챔버(39) 내의 연도 가스의 비교적 고온에 기인하여, 제2 상부 관판(35)이 냉각될 것으로 규정된다. 이 목적을 위해, 제2 상부 관판(35)은 내부 냉각 챔버(41)를 포함한 이중 하단부로서 형성된다. 냉각 챔버(41)에는, 복수의 냉각 유체 유입부(45)를 통해, 예를 들어. 냉각 공기와 같은 냉각 유체가 공급된다. 냉각 유체 유출부(43)를 통해, 냉각 유체는 냉각 챔버(41)로부터 나가게 된다. 냉각 유체는, 예를 들어. 상기 냉각 유체 유출부(43)를 통해 반응 공기와 혼합될 공기일 수 있다.

제2 상부 관판(35) 상의 제2 관(27)의 매달린 배열에 의해, 제2 관(27)의 팽창이 하향 방향으로 발생할 수 있는 것이 또한 달성된다.

제2 관(27)의 열 팽창을 보완하기 위해서, 각각의 제2 관(27)에는 개별적인 관 보정기(46)가 제공된다. 관 보정기는 관-묶음 열 교환기(25)의 하부 부분의 상세도인 도 3b에서 보일 수 있다. 제2 관(27)의 하부 단부는 제2 하부 관판(47) 내에 수용되고, 개별적인 관 보정기(46)는 제2 관(27)과 제2 하부 관판(47) 사이에 연결부를 형성한다.

반응 공기는 유입부(49)를 통해 케이싱 관(29)으로 둘러싸인 공간(31) 내로 공급된다. 관-묶음 열 교환기(25)를 통과한 후, 반응 공기는 유출부(51)를 통해 배출될 것이다. 제2 하부 관판(47)은 연도 가스를 위한 추가의 수집기 챔버(53)의 범위를 정한다. 상기 추가의 수집기 챔버(53)의 범위를 정하는 벽(55)에는, 하나 또는 복수의 제2 관(27)의 강한 팽창 또는 개별적인 관 보정기(46)의 고장의 경우에, 길이 보정이 관(27)과 케이싱 관(29) 사이에서 발생할 수 있는 것을 보장하는 주 보정기(57)가 제공된다. 이러한 상황에서, 하나 또는 복수의 제2 관(27)은 제2 하부 관판(47)을 하향으로 누를 수 있고, 이 이동은 주 보정기(57)에 의해 조정된다.

제1 및 제2 열 교환부(3,4)의 수직 배열과 각각의 상부 단부에서 관 묶음에 대한 이중-관 열 교환기(5)의 부가적인 연결에 의해, 제1 및 제2 열 교환부(3,4)는, 카본 블랙 생산 공장(100) 내의 열 교환 시스템(1)의 소요 공간이 비교적 작도록 서로 매우 밀접하게 배치될 수 있다.

Claims (10)

1. 카본 블랙 생산 공장(carbon black production plant)(100)으로서,
   연도 가스를 생산하기 위한 적어도 하나의 반응기(102) 및 상기 연도 가스와 유체 간의 열 교환을 위한 제1 열 교환부(3)와 상기 연도 가스와 상기 반응기(102)를 위한 반응 공기 간의 열 교환을 위한 제2 열 교환부(4)를 구비한 열 교환 시스템(1)을 포함하되, 상기 반응 공기는 상기 제2 열 교환부(4)에 의해 예열될 수 있고,
   상기 제1 열 교환부(3)는 각각의 제1 케이싱 관(casing tube)(9) 내에 단일-경로 구성으로 각각 배열된 제1 관(7)을 포함하는 이중-관 열 교환기(5)로서 디자인되고, 그리고 상기 제2 열 교환부(4)는, 제2 케이싱 관(29) 내에 배열되고 상기 케이싱 관(29) 내에 단일-경로 구성으로 각각 배열된 제2 관(27)을 포함하는 관 묶음을 포함한 관-묶음 열 교환기(25)로서 디자인되고, 상기 제1 및 제2 관(7,27)은 상기 제1 및 제2 관(7,27)을 통해 연도 가스를 흘리도록 구성되며,
   상기 이중-관 열 교환기(5) 및 상기 관-묶음 열 교환기(25)는 수직으로 배열되고, 상기 제1 및 제2 관(7,27)의 각각의 상부 단부는 관 도관(23)을 통해 서로 연결되고, 상기 연도 가스는 상기 이중-관 열 교환기(5)를 통해 상승 방향으로 그리고 상기 관-묶음 열 교환기(25)를 통해 하강 방향으로 흐르는, 카본 블랙 생산 공장.
2. 제1항에 있어서, 상기 이중-관 열 교환기(5)는 자연 순환 증기 생성기로서 디자인되는 것을 특징으로 하는, 카본 블랙 생산 공장.
3. 제2항에 있어서, 상기 이중-관 열 교환기(5)는, 상기 제1 관(7)에 연결되고 그리고 상기 제1 관(7)을 수용하는 제1 하부 관판(first lower tube plate)(13)에 의해 범위가 정해지는, 연도 가스를 위한 수직으로 선 제1 엔트리 챔버(vertically standing first entry chamber)(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 카본 블랙 생산 공장.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 하부 관판(13)에 인접하게, 유체를 위한 적어도 하나의 유입 챔버는 상기 유입 챔버에 연결된 제1 케이싱 관(9)을 가지며 배열되는 것을 특징으로 하는, 카본 블랙 생산 공장.
5. 제1항에 있어서, 상기 관-묶음 열 교환기(25)는 역류 열 교환기로서 디자인되는 것을 특징으로 하는, 카본 블랙 생산 공장.
6. 제1항에 있어서, 상기 관-묶음 열 교환기(25)는 매달린 방식으로 배열되는 것을 특징으로 하는, 카본 블랙 생산 공장.
7. 제1항에 있어서, 상기 관-묶음 열 교환기(25)는 상기 연도 가스를 위한 수직으로 배열된 제2 엔트리 챔버(39)를 포함하되, 상기 챔버는, 상기 관-묶음 열 교환기(25)의 상부 단부 부분에 배열되고, 상기 챔버에 연결된 상기 제2 관(27)을 갖고 그리고 상기 제2 관(27)을 수용하는 제2 상부 관판(35)에 의해 범위가 정해지는 것을 특징으로 하는, 카본 블랙 생산 공장.
8. 제7항에 있어서, 상기 제2 관(27)은 상기 제2 상부 관판(35) 상에 매달림으로써 고정되는 것을 특징으로 하는, 카본 블랙 생산 공장.
9. 제8항에 있어서, 제2 하부 관판(47)은 상기 제2 관(27)의 하부 단부를 수용하고, 상기 제2 관(27) 각각은 상기 제2 하부 관판(47)과의 연결을 위해 개별적인 관 보정기(46)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 카본 블랙 생산 공장.
10. 제9항에 있어서, 상기 반응 공기를 위한 유입부(49)는 상기 제2 하부 관판(47)에 인접하게 배열되고, 그리고/또는 상기 반응 공기를 위한 유출부(51)는 상기 제2 상부 관판(35)에 인접하게 배열되는 것을 특징으로 하는, 카본 블랙 생산 공장.
    

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