KR20040101313A - 열교환 반응기 내에서 열팽창의 악영향을 최소화하는 방법및 장치 - Google Patents

열교환 반응기 내에서 열팽창의 악영향을 최소화하는 방법및 장치 Download PDF

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KR20040101313A
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Abstract

하우징과, 상기 하우징에 장착되어 제1 유체를 운반하도록 구성된 복수 개의 관과, 상기 관을 수용하는 복수 개의 구멍이 있는 배플을 포함하는 열교환 반응기가 개시되어 있다. 상기 배플은 하우징 내에 제공되는 제2 유체를 안내하여 관에 거의 수직인 방향으로 유동시키도록 구성된다. 상기 반응기는 배플과 관의 열팽창의 악영향을 최소화하는 다양한 구성을 포함한다. 상기 반응기는, 예컨대 열팽창을 고려하여 배플에 구멍을 형성함으로써, 작동 상태와 비작동 상태 양자에서 배플과 관 사이의 기계적 간섭을 최소화하도록 구성된다. 반응기는 또한 이 반응기 내에서 온도 구배가 큰 영역에 관의 길이를 따라 단열체를 포함한다. 반응기는 또한 관 중 단 하나의 관과 접촉하는 열전달 핀을 포함한다.

Description

열교환 반응기 내에서 열팽창의 악영향을 최소화하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MINIMIZING ADVERSE EFFECTS OF THERMAL EXPANSION IN A HEAT EXCHANGE REACTOR}
열교환 반응기는 흔히 상당량의 열이 제1 반응 유체로부터 제2 열전달 유체로 추가되거나 제거되어야 하는 화학 반응(반응하거나 하지 않음)을 수행하는 데 사용된다. 이들 열교환 반응기는 흔히 열교환기를 단순하게 하는 유력한 유사성이 있지만, 추가 주요부, 예컨대 촉매의 고정 베드, 특별한 유로 설계, 색다른 재료 등이 마련된다. 열교환 반응기는 플레이트-핀(fin) 및 관형 어레이를 비롯하여 많은 형태로 구성된다.
열교환 반응기 내에서 수행되는 반응의 일례로는 수소 함유 가스 혼합기를 생성하는 탄화수소 원료의 증기 개질이 있다. 이 프로세스에서, 증기와 탄화수소의 혼합기는 하나의 유체 회로를 통과하지만, 고온 유체, 보통 연소물은 별개의 유체 회로를 통과하여 열을 제1 반응 유체에 전달함으로써, 고도의 흡열 증기 개질 반응을 촉진시킨다. 플레이트-핀 유형의 탄화수소 증기 개질 장치는 레지어(Lesieur)에게 허여된 미국 특허 제5,733,347호에 도시되어 있다. 관형 열교환 개질 장치의 여러 가지 예는, 예컨대 버스웰(Buswell) 등에게 허여된 미국 특허 제3,446,594호에 개시되어 있다. 다른 구조에 비해 상당한 이점을 제공하는 진보된 관형 개질 장치 구조는 로맥스(Lomax) 등에게 허여된 미국 특허 출원 제09/642,008호와 제09/928,437호에 개시되어 있으며, 이들 출원의 전체는 본 명세서에 참조로 합체된다.
본 발명자들은 제1 반응 유체와 제2 열전달 유체 사이의 온도차로 인해 많은 열교환 반응기가 심각한 기계적 설계 문제에 직면하고 있다는 것을 단정하였다. 이 온도차는 열교환 반응기의 구성 재료의 팽창차로 인해 열 변형, 즉 변위를 셋업한다. 제한없는 팽창이 열교환 반응기의 구조에서 허용되지 않으면, 실현되지 않는 변형으로 인해 열 응력이 생기게 된다. 상기 열 응력은 특히 온도 구배가 대체로 매우 높기 때문에 탄화수소 증기 개질 장치에서 문제가 되고 있다. 또한, 현재의 증기 개질용 열교환 반응기는 반응기의 물리적 크기를 감소시켜 비용을 절감하고 공간 및 중량에 민감한 용례, 예컨대 차량에서의 그 사용을 용이하게 하기 위해 노력하고 있다. 물리적 크기의 감소는 열교환 반응기에서의 온도 구배를 매우 증가시킴으로써 열 응력의 문제를 악화시키게 된다.
일반적인 관형 열교환 반응기, 그리고 특히 미국 특허 출원 제09/642,008호의 개선된 반응기에 있어서, 더욱 콤팩트한 반응기를 달성하는 한가지 루트는 관의 축선에 대해 실질적으로 법선 방향 또는 수직 방향으로 제2 유체의 흐름을 유도하도록 배플 주요부를 제공하는 것이다. 그러한, 흐름 배치를 크로스 흐름이라 칭한다. 열교환 반응기의 관의 길이를 따라 여러 배플 주요부를 배치함으로써, 제2 열교환 유체가 관 어레이를 가로질러 수 회 유동하도록 유도될 수 있다. 배플의 개수와 간격을 최적으로 선택함으로써, 관형 열교환 반응기의 기계적 구조가 물리적 크기, 제2 유체 압력 강하, 및 다른 중요한 주요부와 같은 인자에 최적화될 수 있다.
관형 어레이 열교환 반응기에 주요부를 제공하면, 관의 축선을 따른 열 구배로 인해 만만치 않은 문제가 나타난다. 이들 문제는 소정 온도에서의 열팽창이 온도, 구성 재료 및 물리적 치수를 포함하는 3개의 인자와 관련된다는 점에 기인한다. 열팽창은 관계식 △L = α△TLo로 표현되고, 여기서 α는 구성 재료에 의해 결정되는 명목상의 상수(즉, 열팽창 계수)이며, △T는 관심 온도와 기준 온도 사이의 변동이고, Lo는 기준 온도에서 주요부의 초기 길이이다. 배플은 일반적으로 관에 대해 수직인 큰 범위의 평탄한 부품이기 때문에, 온도 변화에 의한 배플의 팽창은 관 자체의 팽창에 비해 매우 크고, 이것은 관의 축선에 대해 수직인 평면에서 훨씬 작은 것이 일반적이다.
미국 특허 출원 제09/642,008호에 개시된 유형의 진보된 열교환 증기 개질 반응기에 있어서, 본 발명자들은 열팽창과 관련된 문제가 관의 어레이가 중심보다 양단부에서 더 저온이기 때문에 해결된다고 단정하였다. 관은 이 관의 양단부에서 강성의 압력 헤드의 헤더 플레이트에 결합되기 때문에, 관의 길이 방향 축선에 수직인 평면에서의 관의 상대 팽창은 압력 헤드의 온도에 의해 고정된다. 관의 단부들 사이의 중앙에 배치된 고온 영역에 있어서, 관에 수직인 평탄한 부품들(예컨대,배플과 평탄한 핀)은 저온 압력 헤드보다 큰 양으로 비례 팽창한다. 본 발명자들은 전체 반응기가 유사한 열팽창 계수(α)를 갖는 재료로 구성되면, 평탄한 주요부가 관의 축선에 대해 수직 방향으로 강한 힘을 가하기 쉽다고 단정하였다. 이들 힘은 특별히 강한 관을 사용하지 않으면 반응기의 구조적 파괴를 조기에 야기할 수 있고, 이는 반응기의 구성에 사용하는 재료의 불만족스런 증가 뿐만 아니라 반응기의 용적 및 중량의 부수적인 증가를 비롯한 여러 가지 이유로 바람직하지 못하다.
본 발명은 열교환 반응기 및 열교환 반응기의 구성 방법에 관한 것이다.
도 1은 관 헤더들 사이의 관 축선을 따라 배치된 영역과 관 헤드 사이에 온도 구배를 갖는 관련 기술의 관형 열교환 반응기의 개략적인 측면도.
도 2는 도 1에 도시된 반응기의 관형 반응기 어레이와 배플의 평면도.
도 3은 배플의 열팽창에 의해 야기된 도 1의 관과 배플 사이의 기계적 간섭 문제를 예시하는 도면.
도 4는 배플과 관 사이의 기계적 간섭을 완화하는 본 발명에 따른 다양한 배플 구멍 구조의 도면.
도 5는 본 발명에 따른 열전달 핀의 다양한 실시예를 갖는 2개의 관의 단면도.
도 6은 단열층을 포함하는 본 발명에 다른 열교환 반응기의 개략도.
이들 문제를 제거하기 위한 노력으로, 본 발명자들은 후술하는 바와 같이 열팽창의 악영향을 최소화하도록 구성된 열교환 반응기를 제조하였다.
이에 따라, 본 발명은 열교환 반응기 내의 열 응력을 감소시키고, 열교환 반응기의 내부식성을 향상시키며, 열교환 반응기의 관의 강도를 증가시키고, 다른 구성에 비해 전체 관의 사용 재료를 저감시키는 방법 및 구성을 제공한다.
본 발명은 하우징과, 상기 하우징 내에 장착되어 제1 유체를 운반하도록 구성된 복수 개의 관과, 상기 관을 수용하는 복수 개의 관이 있는 배플을 포함하는 열교환 반응기를 유리하게 제공한다. 상기 배플은 하우징 내에 제공되는 제2 유체를 안내하여 관에 거의 수직인 방향으로 유동시키도록 구성된다. 열교환 반응기는 또한 배플과 복수 개의 관 중 적어도 하나의 열팽창의 악영향을 최소화하는 다양한 수단을 유리하게 포함한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 열교환 반응기는 또한 관의 제1 단부를 하우징 내에 장착하는 제1 헤더 플레이트와, 관의 제2 단부를 하우징 내에 장착하는 제2헤더 플레이트를 포함한다. 이 실시예에서, 열팽창의 악영향을 최소화하는 수단은 상기 제1 헤더 플레이트, 제2 헤더 플레이트 및 배플 간의 열팽창 차이를 감소시키는 수단을 포함한다. 예컨대, 상기 열팽창 차이는 요소가 하우징 내에 장착되는 특정 온도 영역에 따라 유사한 열팽창을 제공하는 재료를 요소에 대해 선택함으로써 감소될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 열교환 반응기는 열팽창의 악영향을 최소화하는 수단이 열교환 반응기의 작동 상태와 비작동 상태 양자에서 배플과 복수 개의 관 사이의 기계적 간섭을 최소화하는 수단을 포함하도록 구성된다. 예컨대, 복수 개의 구멍 중 적어도 하나의 구멍은 이 적어도 하나의 구멍을 통해 연장하는 각 관 사이의 기계적 간섭을 최소화하도록 형성되어 다양한 요소들이 열적으로 팽창될 때 열교환 반응기의 작동 상태와 비작동 상태 양자에서 배플과 각 관 사이의 기계적 간섭을 최소화시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 열교환 반응기는 열팽창의 악영향을 최소화하는 수단이 열교환 반응기 내에서 온도 구배가 큰 영역에 관의 길이를 따라 단열 영역을 제공하는 수단을 포함하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 열교환 반응기는 또한 관 중 적어도 하나의 관과 접촉하는 열교환 핀을 포함하여, 상기 열교환 핀이 하우징 내에 제공되는 제2 유체와 접촉하도록 구성된다. 열교환 반응기는 열전달 핀의 열팽창의 악영향을 최소화하는 수단을 포함한다. 예컨대, 상기 열전달 핀은 복수 개의 관 중 하나의 관과 접촉할 수 있어, 열 절단 핀이 복수 개의 관 중 다른 관과 부착되지 않는다.
본 발명과 그 부수적인 많은 이점의 보다 완벽한 이해는, 특히 첨부 도면과 함께 고려하면 다음의 상세한 설명을 참조로 하여 쉽게 명백해질 것이다.
도 1은 관형 열교환 반응기(10)의 중심부를 도시한다. 반응기(10)는 다수의 관(50)을 에워싸는 하우징(20)을 구비하며, 상기 관은 일단부가 제1 매니폴드 조립체(30)의 헤더 플레이트(34)에 체결되고 타단부가 제2 매니폴드 조립체(40)의 헤더 플레이트(44)에 체결된다. 제1 매니폴드 조립체(30)에는 제1 유체 유입구(32)가 마련되고, 제2 매니폴드 조립체(30)에는 배출구(42)가 마련된다. 제1 유체가 유입구(32)를 통해 제1 매니폴드 조립체(30)로 유동하고, 제1 매니폴드 조립체(30)는 상기 제1 유체를 다수의 관(50)을 통해 제2 매티폴드 조립체(40)로 분배하며, 그 제1 유체는 배출구(42)를 통해 유동한다. 상기 관(50)을 통해 유동하는 제1 유체는 적어도 하나의 제2 유체와 열교환 접촉하며, 상기 제2 유체는 하우징(20) 내부에 제공되고 관(50)의 외부면(51)(도 5에 표시)과 접촉한다.
열교환 반응기(10)는 하우징(20)의 벽(22)에 형성된 슬롯 내부에 헐겁게 장착된 배플(60)을 구비하며, 상기 벽(22)은 하우징(20) 내부의 하나 이상의 추가 유체를 관의 종축에 대하여 실질적으로 수직인 방향으로 유동하도록 안내한다. 도 1에서, 제1 온도의 제2 유체는 유입구(24)로 유동하고, 제2 유체가 배플(60), 열교환 반응기 벽(22) 및 격벽(23)에 의하여 안내되어 뱀 모양으로 유동할 때, 관(50)의 벽을 통해 제1 유체로부터 열을 전달받고, 배출구(25)에서 제2의 보다 높은 온도로 중심부로부터 배출된다. 제2 유체가 가열되거나 보다 높은 온도의 제3 유체가 유입구(26)로 도입되면, 그 유체는 배플(60)에 의하여 안내될 때 다수의 연속한 크로스 유로에서 관(50)을 가로질러 유동한다. 유입구(26)를 통해 진입하는 유체는 관(50)의 벽을 통해 제1 유체로 열전달하고, 배출구(27)에서 제4의 보다 낮은 온도로 하우징(20)으로부터 배출된다. 제1 및 제2 (또는 제3) 유체 스트림간의 열교환은 확장된 열교환면(70)을 사용함으로써 향상될 수 있다. 도 1에서, 확장된 면은 플레이트-핀 타입으로서, 기계적인 확장, 땜질, 납땜 또는 기타 당업자에게 알려진 방법에 의하여 다수의 관(50)에 부착된다.
도 1의 열교환 반응기(10)의 중심부에서, 중심부의 평균 금속 온도는 높은온도의 유입구(26)에서 최고이며, 유동 매니폴드 조립체(30, 40)에서 낮다. 도 1은 미국 특허 출원 제09/642,008호에 기술된 것과 동일한 전체 유동 기하학적 형상을 도시하고 있지만, 본 발명에서 제시된 열적 구배를 야기하는 다른 유동 기하학적 형상도 고려될 수 있다. 예컨대, 반응기의 중심 영역은 양단부보다 온도가 낮을 수 있다. 도 1은 또한 미국 특허 출원 제09/928,437호에 기술된 것과 유사한 반응기 벽(22)을 도시하고 있지만, 쉘(shell)형 벽과 같은 다른 유형의 반응기 벽이 사용될 수 있으며, 본 발명은 이러한 구성에 유리하게 적용된다.
도 2는 조립되었을 때 비작동의 대기 상태에 있는 도 1의 관(50) 및 배플(60)의 평면도를 도시한다. 관(50)의 어레이(52)가 배플(60) 내부의 구멍(62)을 관통하면서 배치된다. 도 2에 도시된 배플(60)은 평탄하며, 도 1의 반응기 코어의 길이를 따라 배치되는 것이 일반적이다. 관(50)을 수용하는 구멍(62)이 관(50)의 외경보다 약간 크지만, 유체가 배플(60)을 바이패스하거나 구멍(62)을 통해 이동하는 것을 방지하기 위하여 구멍(62)과 관(50)간의 간극이 작은 것에 주목하여야 한다. 확장된 열교환면(70)은 배플(60)과 평면도에서 볼 때 유사하지만, 상기 열교환면(70)은 관(50)과 긴밀히 결합하여 효율적인 열전도를 제공하며, 따라서 도 2에 도시된 관벽과 배플 플레이트간의 환형 공간이 플레이트-핀 타입의 확장된 열전달 면의 경우에는 존재하지 않는다.
도 3은 가열된 작동 상태에서 도 1의 반응기 코어의 고온 영역에 있는 배플(60)의 평면도를 도시한다. 배플 플레이트(60)는 도 2에 도시된 비작동 상태와 비교하여 온도가 증가하기 때문에 팽창한다. 열적 팽창은 관(50)과 상기 관(50) 내부의 구멍(62)[관(50)의 어레이(52) 중심축(54)으로부터 멀리 배치] 사이에 기계적 간섭(63)을 야기할 수 있다. 구멍(62)이 어레이(52)의 중심(54)과 밀접할수록, 관(50)과 배플 플레이트 구멍(62) 간의 상대적인 이동 및 기계적 간섭(63)이 비례적으로 감소한다. 실제로, 도 3에 도시된 상대적인 이동에 의하여 배플 플레이트(60)와 관(50)간에 기계적 접촉을 일으켜서, 양 부품에 상당한 응력을 발생시킨다. 재료 선택에 따라, 관(50), 배플 플레이트(60) 또는 양자가 발생된 응력에 의하여 영구적으로 변형을 일으킬 수도 있다. 게다가, 국부적인 응력은 열교환 반응기(10)의 유용한 작동 수명을 상당히 단축시킬 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 초기에 매 관(50)과 접촉하는 플레이트-핀 유형의 확장된 열교환면(70)의 경우에, 차동 열팽창 효과는 플레이트-핀(70)을 관(50)에 직접 연결하기 때문에 더욱 두드러지므로, 차동 열팽창 효과는 비교적 작은 온도 구배로 응력을 생성한다.
본 발명은 배플(60)과 핀(70)의 온도가 매니폴드 조립체(30, 40)의 온도보다 높을 때 헤더 플레이트(34, 44)와 비교하여 배플(60) 및/또는 핀(70)의 상대적인 또는 차동 열팽창의 크기를 감소시키는 방법을 제공한다. 본 방법은 헤더 플레이트(34, 44)를 제조하는데 사용되는 재료의 열팽창 계수보다 낮은 열팽창 계수(α)를 갖는 배플(60) 및/또는 핀(70)을 제조하는데 사용되는 재료를 선택하는 것을 포함한다. 한편, 배플(60)과 핀(70)이 매니폴드 조립체(30, 40)보다 낮은 온도인 경우에, 배플(60) 및 핀(70)은 헤더 플레이트(34, 44)를 제조하는데 사용된 재료의 열팽창 계수보다 높은 열팽창 계수를 갖는 재료를 사용하여 제조된다. 상이한 열팽창 계수를 갖는 재료를 사용하여 고온 서비스용의 복잡한 조립체를 제조하는 것은 관련 기술 분야의 학설과 정면으로 배치되며, 미국 특허 출원 제09/642,008호에 기술된 유형의 관형 열교환 반응기의 구조에 특히 적합하다. 열교환 반응기(10)를 제조하는 제1 방법은 배플(60), 핀(70) 및 헤더 플레이트(34, 44) 간의 상대적인 또는 차동 이동의 크기를 감소시키지만, 그것을 제거하지는 못한다. 따라서, 본 방법은 차동 열팽창의 악영향을 더욱 감소시키기 위하여 후술한 다른 방법과 병합하는 것이 바람직하다.
배플을 매니폴딩하기 위하여 차동 열팽창 문제를 제거하는 다른 바람직한 방법이 도 4에 도시되어 있다. 도 4는 강성의 매니폴드(30, 40)의 헤더 플레이트(34, 44)와 배플(60)간의 차동 열팽창의 악영향을 최소화하기 위하여 3가지 상이한 구성의 수단을 포함하는 배플(60)의 평면도이다. 도 4는 미국 특허 출원 제09/642,008호의 유동 기하학적 형상을 채용하는 관형 열교환기 경우를 도시한 것으로, 비작동의 대기 상태(즉, 차동 팽창)로 도시되어 있으며, 배플(60)은 고온 영역에 배치되고 매니폴드 조립체(30, 40)는 저온 영역에 배치되어 있다.
도 4에 도시된 모든 구성은 본 발명의 다른 방법 없이 단독으로 사용될 때 배플(60)과 관(50) 사이의 기계적 간섭을 완전히 제거할 수 있다. 도 4에 도시된 구성을 열팽창 차이를 감소시키도록 적절한 열팽창 계수를 갖는 재료를 선택하는 방법과 조합하면, 기계적 간섭을 방지하는 데 필요한 구멍(62)의 전체 크기가 감소되기 때문에 배플 구멍(62)을 통한 바이패스 유량이 감소된다는 추가의 이점이 얻어진다.
기계적 간섭을 제거하는 데 사용된 제1 구성은 배플(60)을 통과하는 대경의구멍(64)을 마련하는 것으로, 이 구멍은 구멍(64)을 통과하는 관(50)과 동심을 이룬다. 대경 구멍(64)의 직경은 동작 상태와 비동작 상태 양자에서 그 구멍을 관통하는 관(50)과 구멍(64) 사이의 기계적 간섭을 방지하도록 선택된다. 이 직경은 매니폴드(30, 40)의 헤더 플레이트(34, 44)와 배플(60) 사이의 온도 구배와, 해당 관(50)과 관 어레이(52)의 중심(54) 사이의 거리, 그리고 매니폴드(30, 40)의 헤더 플레이트(34, 44)와 배플(60)을 구성하는 데 사용된 재료의 열팽창 계수를 기초로 하여 실험적으로 또는 이론적으로 선택된다. 따라서, 대경의 구멍은 관 어레이의 중심으로부터 가장 멀리 있는 관에 마련될 수 있고, 소경의 구멍은 관 어레이의 중심선 근처에 마련되게 선택될 수 있다. 도 4는 단지 하나의 대경 구멍(64)을 도시하고 있지만, 기계적 간섭을 방지하기 위하여 배플(60)의 나머지 구멍(62)을 전술한 방식으로 확대할 수 있다는 것에 주목한다. 임의의 주어진 관에 대한 온도 사이클링 시에 기계적 간섭을 완전히 방지하는 가장 소경의 구멍을 선택하는 것이 배플의 바이패스 유량을 최적으로 제어하는 데에 바람직한데, 이는 열교환 반응기의 열전달 성능을 감소시킨다.
전술한 실시예에 따르면, 배플 플레이트의 구멍의 크기는 관 어레이의 중심에 대한 구멍의 위치를 기초로 하여 결정된다. 그러나, 관 어레이의 중심과 일치하지 않는 기하학적 중심을 갖는 배플(60)과 같은 구성 요소의 경우에, 본 발명의 방법은 헤더 플레이트의 기하학적 중심에 대한 헤더의 팽창과 배플의 기하학적 중심에 대한 배플의 팽창에 있어서의 차이를 보상하도록 약간 변형된다. 헤더 플레이트의 중심과, 해당 배플 플레이트의 중심, 그리고 관 어레이의 중심 사이의 오프셋은 팽창 중의 구성 요소의 상대 이동을 계산할 때에 보상될 수 있어서, 동작 상태 및 비동작 상태 양자 동안에 관과 배플 플레이트 사이의 간섭을 방지하는 데 필요한 배플 플레이트의 구멍의 크기를 결정할 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 배플 플레이트의 구멍은 헤더 플레이트와 배플 플레이트 사이의 상대 팽창의 중심에 대하여 형성될 수 있다. 실제로, 차이가 일반적으로 작지만, 큰 관 어레이, 즉 대경의 관을 이용하여 형성된 어레이의 경우에는 보다 중요하게 된다.
온도 사이클링 시에 기계적 간섭을 제거하는 보다 유리한 수단은 중심이 관 어레이(52)의 중심(64)을 향해 오프셋되어 있는 원형 구멍(66)을 마련하는 것이다. 동일한 크기의 상대 열팽창에 있어서는, 보다 유리한 구멍(66)은 구멍(64)보다 작게 구성될 수 있으며, 이로써 구멍(64)에 비교하여 구멍(66)을 통한 배플(60)의 원치 않는 바이패스 유량을 줄일 수 있다. 관 어레이(52)의 중심선(54)에 보다 인접하게 위치된 관(50)에 보다 작은 구멍을 사용함으로써 바이패스 유량을 더욱 줄일 수 있다. 도 4는 단지 하나의 오프셋 구멍(66)을 도시하고 있지만, 기계적 간섭을 방지하기 위하여 배플(60)의 나머지 구멍(62)을 전술한 방식으로 또한 구성할 수 있다.
원치 않는 바이패스 유량은, 해당 관(50)의 중심과 관 어레이(52)의 중심(54) 사이에서 연장되는 팽창 축선 또는 반경 방향 라인(56)을 따라 긴 비원형 구멍(68)을 제공함으로써 더욱 감소될 수 있다. 팽창 축선은, 배플의 중심 및/또는 헤더 플레이트의 중심과 관 어레이의 중심 사이에 차이가 있는 경우에는 전술한 방식으로 상대 팽창의 중심으로 변위될 수 있다. 다시, 큰 어레이를 채용하지 않으면, 즉 오프셋이 감지할 수 있으면 상기 변위의 효과는 일반적으로 작다. 비원형 구멍(68)의 전체 면적은 유리하게는 비동심의 원형 구멍(66)보다 작을 수 있고, 이 구멍 자체는 동심의 원형 구멍(64)의 면적보다 작다. 배플 제조 방법에 따라서, 비원형 구멍을 마련하는 것은 원형 구멍을 채용하는 방법에 비하여 제조 비용이 원치 않게 증가할 수 있다. 따라서, 가장 바람직한 방법은 배플의 제조 비용과 열전달 성능의 상대적인 중요도에 따라 결정되는데, 제조 비용은 비동심의 원형 구멍을 채용하는 방법을 사용함으로써 최적화되고, 열전달 성능은 비원형 구멍을 채용하는 방법을 사용함으로써 최적화된다. 도 4는 단지 하나의 긴 구멍(68)을 도시하고 있지만, 기계적 간섭을 방지하기 위하여 배플(60)의 나머지 구멍(62)을 전술한 방식으로 또한 구성할 수 있다.
배플(60)의 구멍(62)과 관(50)의 형상, 크기 및 위치는 필요에 따라 변경될 수 있다는 것에 주목해야 한다.
열팽창에 기인한 기계적 간섭을 제거하기 위한 전술한 방법은 유량 매니폴드 배플(60)과, 어레이(52)의 개별 관(50)과 구성 요소 사이의 직접적인 기계적 접촉을 필요로 하지 않는 다른 구성 요소에 적용될 수 있다. 열교환 변환 장치에 있어서 연장된 열전달면으로서 작용하는 전술한 핀(70)은 열전도를 제공하기 위하여 각 관과의 긴밀한 기계적 접촉을 필요로 한다. 도 4에 도시된 구성은 열 응력을 감소시키기 위하여 연장된 열전달면(70)과 함께 사용하기에는 부적절하다.
본 발명은 관(50)의 축선을 따라 온도 구배를 갖는 관형 열교환 반응기(10)에서의 용례를 위한 개선 연장된 열전달면(80)을 제공한다. 본 발명의 열전달면(80)의 여러 실시예가 도 5에 도시되어 있으며, 이 도면은 본 발명에 따라 부착 연장된 열전달면(80)의 3가지 상이한 구조(84, 86, 88)를 갖는 2개의 관(50)의 횡단면을 보여주고 있다.
도 5를 참조하면, 관(50)에는 복수의 연장된 열전달 요소(80)가 마련되어 있으며, 이들 열전달 요소는 단일의 관에 연결되어 있으므로, 어레이의 다른 관에는 연결되어 있지 않다. 각 관은 다른 관의 열전달면과 독립적인 연장된 열전달면(80)을 갖기 때문에, 열팽창에 기인한 관의 상대 이동은 핀(80)에 응력을 가하지 않는다. 개별 연장된 열전달 요소 또는 핀(80)의 평면 형태는 원형, 타원형, 다각형 또는 임의의 다른 형상일 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같은 부착 구성에 있어서, 핀(80)은 관(50)의 외부면(51)과 대략 평행하고 그 외부면에 접촉하는 칼라 부분(81)과, 이 칼라 부분(81)에 연결되고 관(50)의 축선에 반대 방향으로 연장되는 핀 부분(82)을 구비한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 핀(80)은 인접 관의 핀과 중첩되지 않게 구성될 수도 있고, 핀(80)은 인접 관의 핀과 중첩되는 소정의 크기로 구성될 수도 있다.
연장된 열전달면(80)은 유압 성형, 레이저 커팅, 기계 가공 및 스탬핑과 같은 각종의 방법에 의해 형성될 수 있다. 스크랩 발생을 최소화하면서도 제조 속도가 가장 빠르기 때문에, 스탬핑이 바람직한 제조 방법이다. 열전달면(80)은 솔더링, 브레이징, 접착제 접합, 용접 또는 기계적 확장에 의해 관(50)의 외부면에 부착될 수 있다. 증기 변환 장치의 용례에 있어서는, 기계적 확장이 바람직한 부착 방법이다.
도 5에 도시된 핀의 제1 구조에서, 핀(84)은 하부관(50)의 외부면(51)의 일부분이 관들의 외부에 유동하는 열전달 유체에 노출되도록, 관의 축선을 따라 소정 간격을 두고 배치된다. 이러한 구조는 관의 길이당 사용하는 열전달 핀의 개수가 작다는 장점이 있고, 그 밖의 구조에 비해 낮은 압력 강하를 제공할 수 있다. 전술한 바와 같이, 각 관은 다른 관의 열전달면과 무관한 연장 열전달면(80)을 구비하기 때문에, 열 팽창으로 인한 관의 상대 운동은 핀(80)에 응력을 가하지 않고, 또한 관(50)에도 응력을 가하지 않는다. 이로써, 소정 두께의 관은 전체 응력이 낮은 상태로 작동될 수 있게 된다. 소정의 관벽 두께를 갖는 증기 개질기 등과 같은 고온 용례의 경우, 열교환 반응기(10)는 전체 응력이 낮은 상태로 작동될 때 유효 작동 수명이 길어질 것이다. 별법으로서, 배관 비용을 감소시키는 동시에 열교환 반응기의 열전달 성능을 향상시키기 위해, 관벽 두께는 감소될 수 있다.
고정 외경의 관(50)에 대해 소정 재료가 고려되는 경우, 관벽 두께는 3가지 인자에 따라 선택된다. 관벽 두께를 결정하는 데 사용되는 인자로는 평균 금속 온도와, 전체 응력 상태, 그리고 부식 허용도가 있다. 또한, 부식율은 관의 표면 온도와 직접 연관되어 있고, 일반적으로 온도가 증대되면 기하급수적으로 증대된다. 따라서, 미국 특허 출원 제09/642,008호의 유동 기하학적 구조를 이용하는 증기 개질용 열교환 반응기에서, 고온 영역[도 1에서 유체 입구(26)]은 전체 반응기에 관한 벽 두께 요건을 설정하는데, 이는 이 영역에서 최고 온도가 달성되기 때문이다. 열응력의 발생을 감소 또는 배제시키도록 본 발명의 개량된 방법을 실시함으로써 응력 상태가 확실히 최소화된다는 점이 유익하다. 또한, 부식의 영향을 이겨내기위한 수단과, 후술되는 바와 같이 최고온 영역의 관을 기계적으로 지지하기 위한 수단을 제공하는 것이 바람직하다.
전술한 문제의 견지에서, 본 발명의 연장 열전달면(80)의 가장 바람직한 실시예는 관(50)의 길이를 따라 서로 밀접하게 배치되는 핀(86)을 포함하여, 관벽의 외부면(51)을 핀(86)의 금속 칼라 부분(81)으로 완전히 덮는다. 가장 바람직한 실시예는 관의 축선에 평행한 핀(88)의 칼라 부분(81)이 중첩되도록 배치된 핀(88)을 포함한다. 이러한 중첩은, 도 5에 도시된 바와 같이 칼라 부분(81)과 핀 부분(82) 사이의 엘보우 연결의 반경을 증대시키거나, 그 후 관벽의 외부면(51)과 핀(88)의 정합부에 관의 기계적 팽창 작용에 의해 꼭 맞게 끼워 맞춰지도록 제조되는 테이퍼진 원뿔형 칼라를 제공함으로써, 용이해질 수 있다. 두 가지 핀 구조(86, 88) 모두 고온의 부식성 제2차 공정 유체와 관벽의 외부면(51) 사이에 연속적인 장벽을 제공한다. 중첩 칼라를 구비한 핀(88)의 가장 바람직한 실시예에서, 보호 장벽은 부식 작용에 의해 열화된다. 상기 실시예에서 서로 접촉하는 핀(86)을 제공하는 경우, 유체의 부식 작용은 결국 보호층을 부식시키고, 상당한 시간이 경과한 경우에는 외부면(51)을 접촉시킬 것이다. 두 가지 핀 구조(86, 88) 모두는 핀이 서로 접촉하지 않는 핀 구조(84)에 비해 상당히 향상된 내식성을 제공할 수 있다.
핀 재료를 적절하게 선택하면, 내식성이 훨씬 향상될 수 있거나 및/또는 관 자체의 강도보다 훨씬 큰 강도를 제공할 수 있다. 이로써, 관련 분야의 반응기에 비해 관벽 두께의 급격한 감소가 용이해질 수 있다. 관의 외경이 고정된 값인 경우, 관벽 두께를 감소하면 관의 단위 길이당 내부 용적이 증대된다는 추가 장점을갖는다. 열교환 반응기의 증기 개질기 구조의 경우, 단위 길이당 관의 내부 용적이 증대되면, 보다 쉽게 필요한 관의 길이를 더 현저히 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 관을 통해 유동하는 유체의 제1 유압 강하를 감소시킬 수 있다. 핀(80)은 매우 높은 강도와 내식성을 갖는 제1 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 따라서, 관(50)은 제1 유체와 접촉하는 관(50) 내부의 작동 환경에 최적화된 보다 낮은 강도 및/또는 내식성을 갖는 제2 재료로 구성될 수 있다. 또한, 제2 재료는 제1 재료에 비해 저렴하고, 관으로 제조하기에 용이하며, 기계적으로 팽창되기에 용이한 것이 바람직하다.
미국 특허 출원 제09/642,008호의 유동 기하구조를 갖는 관형 열교환 반응기에서 관의 축선을 따라서의 열구배는, 배플(60)과 연장 열전달면(70) 사이 그리고 매니폴드의 헤더 플레이트(34, 44) 사이의 상대 팽창으로 인한 열응력을 발생시킨다. 포트(25, 26)에 있어서의 제2 유체의 온도에 따라 매우 심한 종방향 열구배가 달성될 수도 있다는 것은 도 1을 통해 알 수 있다. 이러한 열구배는 관(50)의 벽에 큰 내부 응력을 야기시킬 수 있고, 그 결과 소정 관 두께를 갖는 관 수명이 감소될 수 있다.
본 발명은 이러한 열구배를 감소시키기 위한 수단(도 6에 예시)을 제공한다. 도 6은 도 1에 도시된 반응기와 유사한 관형 열교환 반응기(10)를 보여준다. 입구(26) 부근의 최고온 영역과 출구(25) 부근의 저온 영역 사이에 있는 큰 온도 구배 영역에 열장벽을 형성하는 단열 영역 또는 단열체(90)를 마련하는 것이 주된 차이점이다. 이들 두 영역 사이에 단열체(90)를 마련하는 것에 의해 이들 영역 사이의열전도가 감소되고, 그 결과 온도는 서서히 전이되어 관(50)에서 내부 열응력 발생이 감소된다.
단열 영역(90)은 작동 조건과 적합성이 있는 임의의 적합한 단열 재료로부터 단일의 단일체로서 형성될 수 있다. 단열 영역(90)에는 그 양측에 배플 플레이트(94, 96)가 마련될 수 있다. 단열체(90)에는 관(50)을 수용하기 위한 관통 구멍(92)이 마련되며, 이 구멍은 도 6의 단열체의 부분 단면도에 도시되어 있다. 그러나, 일체화된 단열 물체와 매니폴드 헤더 플레이트(34, 44) 사이의 상대 열팽창으로 인하여, 단열체(90)에 대하여 과도한 크기의 구멍(예컨대, 도 4 및 명세서의 대응 부분에 설명되어 있음)을 마련할 필요가 있다. 그러나, 이들 과도한 크기의 구멍은 영역(25)으로부터 영역(26)으로의 직접적인 유체 바이패스 경로를 원치 않게 제공한다. 보다 바람직하게는, 단열 영역(90)은 반응기(10) 내의 작동 조건과 적합성이 있는 탄성 단열 재료로 형성되며, 작동 상태 및 비작동 상태 양자 동안에 관(50)의 외부면(51)과 단열체(90)의 구멍 사이에 거의 또는 전혀 간극이 없도록 구멍이 마련된다. 이러한 탄성 단열 재료는 바람직하게는 단열체(90)의 영구 변형 없이 또는 관(50)에 큰 응력을 가하지 않고 헤더 플레이트(34, 44)의 팽창을 허용한다. 이러한 재료의 예로는 내화 섬유 펠트, 매트 및 블랭킷이 포함된다. 이들 재료는 매우 적은 제조 비용으로 시트(sheet)로부터 용이하게 절단될 수 있다는 추가의 장점을 제공한다. 변형예에서, 단열체(90)는 복수 층의 단열 재료로 형성될 수 있으며, 예컨대 단열 영역의 필요한 총 두께는 복수의 다이 컷팅된 유연한 층을 적층함으로써 얻을 수 있다. 바람직하게는, 이들 유연한 층은 관(50)에 꼭 맞게끼워져서, 영역 사이의 유체 바이패스를 상당수 줄인다.
본 발명은 단열 영역(90)을 통과할 때 달리 지지되지 않은 관(50)의 기계적 보강 문제를 해결한다. 관형 반응기(10)를 관의 바람직한 기계적 확장 기술을 이용하여 조립하는 경우에, 슬리브와 유사한 형상의 관의 짧은 섹션(98)은 어레이(52)의 각 관(50) 둘레에서 단열 영역(90)의 내측에 위치될 수 있다. 기계적 확장 시에, 관의 이들 짧은 섹션(98)은 관 외벽의 외면(51)과 긴밀하게 접촉된다. 관 섹션(98)의 재료 및 두께를 적절하게 선택함으로써, 관(50)의 기계적 강도 및 내식성은 본 발명의 핀(80)에 대하여 전술한 바와 같이 개선될 수 있다.
본 발명의 보충관 섹션(98)은 단열 구역(90)의 어느 한 면에 위치하는 배플 플레이트(94, 96)들 간에 하중을 전달하기에 충분한 벽 두께를 갖는 것이 바람직하며, 또 보충관 섹션(98)은 이 관 섹션(98)이 배플 플레이트(94, 96)의 구멍을 통과하는 것을 방지하는 외경의 외부 표면(99)을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구성은 두 가지의 놀라운 이점을 제공한다. 먼저, 보충관 섹션(98)이 배플 플레이트(94, 96)의 구멍을 통과할 수 없게 하는 것은, 보충관 섹션(98)이 있는 관(50)과 배플 플레이트(94, 96)의 내부 표면 사이의 열 사이클(thermal cycling) 중에 예기치 않게 발생하여, 본 발명의 개선된 배플 구멍의 이점을 상쇄시키는 기계적 간섭의 발생을 방지한다. 두 번째 이점으로는 제조 중에 관형 반응기 코어의 전체 조립체를 통해 기계적 하중을 전달할 수 있다는 점이다. 이는 전체 조립체에 기계적 하중을 인가함으로써 평탄도(flatness)의 변동이 제거될 수 있다는 점에서 배플 및 확장된 열전달 표면에 대한 평탄도의 허용 공차를 완화할 수 있다. 이는 종래 기술의 방법에 비해 제조의 용이성을 상당히 개선시킨다.
본 발명의 이점은 이하의 구체적인 3가지 예를 참조함으로써 보다 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
제1 예에 있어서, 관형 열교환 반응기에는 0.5인치 외경의 관이 100개가 마련되며, 이들 관은 그 중심이 2개의 외경과 동일한 거리만큼 간격을 두고 떨어져 배치되어 정사각형의 유닛 패턴 또는 어레이로 배향되어 있다. 관형 열교환 반응기는 450℃의 매니폴드 헤더 플레이트 온도와 950℃의 피크 배플 온도로 작동한다. 배플을 통과하는 각 구멍은 조립을 위해 적어도 0.010인치의 반경 방향 클리어런스가 요구된다. 4개의 모서리부 관의 중심선은 관 어레이의 중심으로부터 7.071 인치에 있다. 관 어레이의 중심에 중심이 맞춰진 대칭형 배플 플레이트가 이 예에서 고려된다. 또, 관 어레이는 헤더 플레이트에도 중심이 맞춰진 것으로 가정한다. 관 어레이의 중심에 가장 근접한 4개의 관의 중심은 그 어레이의 중심으로부터 0.707인치에 있다. 구성 재료가 0.000018 m/m℃의 열팽창계수를 가지며, 전체 반응기가 동일한 재료로 구성될 경우, 매니폴드 헤더 플레이트와 배플 간의 상대 팽창(differential expansion)은 ΔL=αΔTL0의 관계로부터 계산할 수 있다. 최외측 모서리부 관의 경우에, 상대 팽창은 0.063인치이다. 최내측 관의 경우, 상대 팽창은 0.006인치이다. 따라서, 이 예의 경우, 상온에서 구성할 때에 관들이 통상 배플 구멍에 중심이 맞춰진다면, 최내측 관은 배플 구멍과 어떠한 간섭도 나타내지 않는 한편, 모서리부 관들은 관 직경의 10%인 0.053인치의 기계적 간섭(상대 팽창에 반경 방향 클리어런스를 뺀 값)을 다루어야 한다.
제2 예에 있어서, 제1 예의 관형 반응기에 본 발명의 제1 방법에 따른 저열팽창 재료로 제조된 배플이 마련된다면, 반응기 내의 열적 차이로 인한 상대 팽창은 감소될 것이다. 매니폴드 헤더 플레이트를 구성하는 데에 사용되는 재료가 오스테나이트계 합금이라면, 0.0000135 m/m℃의 열팽창 계수를 갖는 배플을 제조하는 데에 대표적인 페라이트계 합금이 선택될 수 있다. 25℃에서부터 450℃로 가열할 때에, 매니폴드 헤더 플레이트에서 모서리부 관들의 중심의 위치는 헤더 플레이트의 열팽창으로 인해 0.054인치 이동할 것이다. 배플에서의 대응하는 관 구멍의 중심은 25℃에서 950℃로 가열될 때, 0.088인치 이동할 것이다. 따라서, 두 중심 간의 순차이(net difference)(상대 팽창)는 0.034인치로, 제1 예의 0.63 인치에 비해 상당히 개선되었다. 관 어레이에 가장 근접한 관의 경우, 전체 상대 팽창은 0.003인치로 감소한다.
제3 예에 있어서, 제1 및 제2 예에서 드러난 열팽창으로 인한 기계적 간섭은 본 발명에 따른 도 4에 도시한 구성(즉, 관 축선과 동심인 크기를 증가시킨 원형 배플 구멍의 마련, 관과 동심이 아닌 크기를 증가시킨 원형 배플 구멍의 마련, 및/또는 비원형 배플 구멍의 마련)을 적용함으로써 완전히 제거할 수 있다. 이들 각 구성에서는 상이한 구멍 면적이 얻어지고, 따라서 상이한 누설 경로 면적이 얻어진다. 구멍 치수 및 구멍 당 개방 면적의 분율은 제1 및 제2 예의 관형 반응기의 최외측 모서리부 관에 대해 산출되며, 그 결과가 표 1에 기재되어 있다. 표 1에는 본 발명에서 교시하는 바와 같은 배플 재료의 선정 방법과 배플 관통 구멍의 확대방법을 조합하는 추가적인 효과가 나타나 있다. 모든 경우에, 0.010인치의 반경 방향 클리어런스가 작동 및 상온에서 조립 중에 유지된다.
예 1 예 2
구멍 영역(in2) 개방 영역의 비율 구멍 영역(in2) 개방 영역의 비율
동심, 원형 0.328 40% 0.272 28%
비동심, 원형 0.267 26% 0.241 19%
비원형 0.256 23% 0.236 17%
이러한 구멍 면적 및 개방 면적은 최외측 관에 대해 최악의 값이다. 구멍의 크기는 본 발명의 교시에 따라 관 어레이의 중심에 보다 가깝게 위치하는 관에 대해 감소시킬 수 있다.
본 명세서에서 도시하고 기재하는 모범적인 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한 것이며, 이에 의해 어떤 식으로든 청구 범위의 보호 범위를 한정하고자하는 것이 아님을 유념해야 한다.
본 발명의 수많은 수정과 변형이 전술한 교시를 미루어보아 가능하다. 따라서, 첨부된 청구 범위의 보호 범위 내에서 본 발명은 본 명세서에 구체적으로 기재된 것 이외의 것으로 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (71)

  1. 하우징과,
    상기 하우징 내에 장착되어 제1 유체를 운반하도록 구성된 복수 개의 관과,
    상기 복수 개의 관을 수용하는 복수 개의 구멍이 있고, 상기 하우징 내에 제공되는 제2 유체를 안내하여 상기 복수 개의 관에 거의 수직인 방향으로 유동시키도록 구성된 배플과,
    상기 배플과 복수 개의 관 중 적어도 하나의 열팽창의 악영향을 최소화하는 수단
    을 구비하는 열교환 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수 개의 관의 제1 단부를 상기 하우징 내에 장착하는 제1 헤더 플레이트와 상기 복수 개의 관의 제2 단부를 상기 하우징 내에 장착하는 제2 헤더 플레이트를 더 구비하고, 상기 열팽창의 악영향을 최소화하는 수단은 상기 제1 헤더 플레이트, 제2 헤더 플레이트 및 상기 배플 사이의 열팽창 차이를 감소시키는 수단을 구비하는 것인 열교환 반응기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 열팽창의 악영향을 최소화하는 수단은 상기 열교환 반응기의 작동 상태와 비작동 상태 양자에서 상기 배플과 복수 개의 관 사이의 기계적 간섭을 최소화하는 수단을 더 구비하는 것인 열교환 반응기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열팽창의 악영향을 최소화하는 수단은 상기 열교환 반응기의 작동 상태와 비작동 상태 양자에서 상기 배플과 복수 개의 관 사이의 기계적 간섭을 최소화하는 수단을 구비하는 것인 열교환 반응기.
  5. 제3항에 있어서, 상기 열팽창의 악영향을 최소화하는 수단은 상기 열교환 반응기 내에서 온도 구배가 큰 영역에 복수 개의 관의 길이를 따라 단열 영역을 제공하는 수단을 더 구비하는 것인 열교환 반응기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열팽창의 악영향을 최소화하는 수단은 상기 열교환 반응기 내에서 온도 구배가 큰 영역에 복수 개의 관의 길이를 따라 단열 영역을 제공하는 수단을 더 구비하는 것인 열교환 반응기.
  7. 제5항에 있어서, 상기 복수 개의 관 중 적어도 하나와 접촉하는 열전달 핀으로서, 상기 하우징 내에 제공되는 제2 유체와 접촉하도록 구성되는 열전달 핀과, 상기 열전달 핀의 열팽창의 악영향을 최소화하는 수단을 더 구비하는 것인 열교환 반응기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 복수 개의 관 중 적어도 하나와 접촉하는 열전달 핀으로서, 상기 하우징 내에 제공되는 제2 유체와 접촉하도록 구성되는 열전달 핀과,상기 열전달 핀의 열팽창의 악영향을 최소화하는 수단을 더 구비하는 것인 열교환 반응기.
  9. 하우징과,
    상기 하우징 내에 장착되어 제1 유체를 운반하도록 구성된 복수 개의 관과,
    상기 복수 개의 관 중 적어도 하나와 접촉하는 열전달 핀으로서, 상기 하우징 내에 제공되는 제2 유체와 접촉하도록 구성되는 열전달 핀과,
    상기 열전달 핀과 복수 개의 관 중 적어도 하나의 열팽창의 악영향을 최소화하는 수단
    을 구비하는 열교환 반응기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 복수 개의 관의 제1 단부를 상기 하우징 내에 장착하는 제1 헤더 플레이트와 상기 복수 개의 관의 제2 단부를 상기 하우징 내에 장착하는 제2 헤더 플레이트를 더 구비하고, 상기 열팽창의 악영향을 최소화하는 수단은 상기 제1 헤더 플레이트, 제2 헤더 플레이트 및 상기 열전달 핀 사이의 열팽창 차이를 감소시키는 수단을 구비하는 것인 열교환 반응기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 열팽창의 악영향을 최소화하는 수단은 상기 열교환 반응기 내에서 온도 구배가 큰 영역에 복수 개의 관의 길이를 따라 단열 영역을 제공하는 수단을 더 구비하는 것인 열교환 반응기.
  12. 제9항에 있어서, 상기 열팽창의 악영향을 최소화하는 수단은 상기 열교환 반응기 내에서 온도 구배가 큰 영역에 복수 개의 관의 길이를 따라 단열 영역을 제공하는 수단을 더 구비하는 것인 열교환 반응기.
  13. 하우징과,
    상기 하우징 내에 장착되어 제1 유체를 운반하도록 구성된 복수 개의 관과,
    상기 복수 개의 관을 수용하는 복수 개의 구멍이 있고, 상기 하우징 내에 제공되는 제2 유체를 안내하여 상기 복수 개의 관에 거의 수직인 방향으로 유동시키도록 구성된 배플과,
    상기 복수 개의 관의 제1 단부를 상기 하우징 내에 장착하는 제1 헤더 플레이트 및 상기 복수 개의 관의 제2 단부를 상기 하우징 내에 장착하는 제2 헤더 플레이트
    를 구비하고, 상기 하우징에는 제1 온도 영역과 제2 온도 영역이 있고, 상기 제1 온도 영역과 제2 온도 영역은 온도가 상이하며, 상기 제1 헤더 플레이트는 제1 온도 영역 내에 마련되고, 상기 배플은 제2 온도 영역 내에 마련되며,
    상기 제1 헤더 플레이트는 제1 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조되고, 상기 배플은 제2 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조되며, 상기 제1 열팽창 계수는 제2 열팽창 계수와 상이한 것인 열교환 반응기.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제2 헤더 플레이트는 상기 제1 온도 영역 내에 마련되는 것인 열교환 반응기.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제2 헤더 플레이트는 제1 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조되는 것인 열교환 반응기.
  16. 제13항에 있어서, 상기 제1 온도 영역의 온도는 제2 온도 영역의 온도보다 높고, 상기 제2 열팽창 계수는 제1 열팽창 계수보다 큰 것인 열교환 반응기.
  17. 제13항에 있어서, 상기 제1 온도 영역의 온도는 제2 온도 영역의 온도보다 낮고, 상기 제2 열팽창 계수는 제1 열팽창 계수보다 작은 것인 열교환 반응기.
  18. 제13항에 있어서, 상기 복수 개의 관 중 적어도 하나와 접촉하는 열전달 핀을 더 구비하고, 상기 열전달 핀은 하우징 내에 제공되는 제2 유체와 접촉하도록 구성되며, 상기 열전달 핀은 제2 온도 영역 내에 마련되고 제2 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조되는 것인 열교환 반응기.
  19. 제13항에 있어서, 상기 복수 개의 구멍 중 적어도 하나의 구멍은 이 적어도 하나의 구멍을 통해 연장하는 복수 개의 관의 각 관 사이의 기계적 간섭을 최소화하도록 형성되어, 상기 열교환 반응기의 작동 상태와 비작동 상태 양자에서 상기배플과 각 관 사이의 기계적 간섭을 최소화하는 것인 열교환 반응기.
  20. 제13항에 있어서, 상기 복수 개의 관 중 하나의 관과 접촉하는 열전달 핀을 더 구비하고, 상기 열전달 핀은 복수 개의 관 중 다른 관에 부착되지 않으며, 상기 열전달 핀은 상기 하우징 내에 제공되는 제2 유체와 접촉하도록 구성되는 것인 열교환 반응기.
  21. 제13항에 있어서, 상기 열교환 반응기 내에서 온도 구배가 큰 영역에 복수 개의 관의 길이를 따라 단열 구역을 형성하는 단열체를 더 구비하고, 상기 단열체에는 복수 개의 관을 수용하는 복수 개의 구멍이 있는 것인 열교환 반응기.
  22. 하우징과,
    상기 하우징 내에 장착되어 제1 유체를 운반하도록 구성된 복수 개의 관과,
    상기 복수 개의 관 중 적어도 하나와 접촉하는 열전달 핀으로서, 상기 하우징 내에 제공되는 제2 유체와 접촉하도록 구성된 열전달 핀과,
    상기 복수 개의 관의 제1 단부를 상기 하우징 내에 장착하는 제1 헤더 플레이트 및 상기 복수 개의 관의 제2 단부를 상기 하우징 내에 장착하는 제2 헤더 플레이트
    를 구비하고, 상기 하우징에는 제1 온도 영역과 제2 온도 영역이 있고, 상기 제1 온도 영역과 제2 온도 영역은 온도가 상이하며, 상기 제1 헤더 플레이트는 제1온도 영역 내에 마련되고, 상기 열전달 핀은 제2 온도 영역 내에 마련되며,
    상기 제1 헤더 플레이트는 제1 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조되고, 상기 열전달 핀은 제2 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조되며, 상기 제1 열팽창 계수는 제2 열팽창 계수와 상이한 것인 열교환 반응기.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제2 헤더 플레이트는 상기 제2 온도 영역 내에 마련되는 것인 열교환 반응기.
  24. 제22항에 있어서, 상기 제2 헤더 플레이트는 제1 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조되는 것인 열교환 반응기.
  25. 제22항에 있어서, 상기 제1 온도 영역의 온도는 제2 온도 영역의 온도보다 높고, 상기 제2 열팽창 계수는 제1 열팽창 계수보다 큰 것인 열교환 반응기.
  26. 제22항에 있어서, 상기 제1 온도 영역의 온도는 제2 온도 영역의 온도보다 낮고, 상기 제2 열팽창 계수는 제1 열팽창 계수보다 작은 것인 열교환 반응기.
  27. 제22항에 있어서, 상기 복수 개의 관을 수용하는 복수 개의 구멍이 있는 배플을 더 구비하고, 상기 배플은 상기 하우징 내에 제공되는 제2 유체를 안내하여 복수 개의 관에 거의 수직인 방향으로 유동시키도록 구성되며, 상기 복수 개의 구멍 중 적어도 하나의 구멍은 이 적어도 하나의 구멍을 통해 연장하는 복수 개의 관의 각 관 사이의 기계적 간섭을 최소화하도록 형성되어, 상기 열교환 반응기의 작동 상태와 비작동 상태 양자에서 상기 배플과 각 관 사이의 기계적 간섭을 최소화하는 것인 열교환 반응기.
  28. 제22항에 있어서, 상기 열전달 핀은 복수 개의 관 중 다른 관에 부착되지 않는 것인 열교환 반응기.
  29. 제22항에 있어서, 상기 열교환 반응기 내에서 온도 구배가 큰 영역에 복수 개의 관의 길이를 따라 단열 구역을 형성하는 단열체를 더 구비하고, 상기 단열체에는 복수 개의 관을 수용하는 복수 개의 구멍이 있는 것인 열교환 반응기.
  30. 하우징과,
    상기 하우징 내에 장착되어 제1 유체를 운반하도록 구성된 복수 개의 관과,
    상기 복수 개의 관을 수용하는 복수 개의 구멍이 있는 배플
    을 구비하고, 상기 배플은 상기 하우징 내에 제공되는 제2 유체를 안내하여 복수 개의 관에 거의 수직인 방향으로 유동시키도록 구성되며,
    상기 복수 개의 구멍 중 적어도 하나의 구멍은 이 적어도 하나의 구멍을 통해 연장하는 복수 개의 관의 각 관 사이의 기계적 간섭을 최소화하도록 형성되어, 열교환 반응기의 작동 상태와 비작동 상태 양자에서 상기 배플과 각 관 사이의 기계적 간섭을 최소화하는 것인 열교환 반응기.
  31. 제30항에 있어서, 상기 복수 개의 관의 제1 단부를 하우징 내에 견고하게 장착하는 제1 헤더 플레이트와, 상기 복수 개의 관의 제2 단부를 하우징 내에 견고하게 장착하는 제2 헤더 플레이트를 더 구비하는 것인 열교환 반응기.
  32. 제30항에 있어서, 상기 복수 개의 구멍은 어레이로 구성되고, 상기 어레이에는 중심이 있는 것인 열교환 반응기.
  33. 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구멍은 이 적어도 하나의 구멍을 통해 연장하는 각 관의 부분의 외부면 크기보다 큰 예정된 크기를 갖고, 상기 예정된 크기는 상기 어레이 중심으로부터 적어도 하나의 구멍의 거리에 종속되는 것인 열교환 반응기.
  34. 제33항에 있어서, 상기 복수 개의 관의 제1 단부를 하우징 내에 견고하게 장착하는 제1 헤더 플레이트와, 상기 복수 개의 관의 제2 단부를 하우징 내에 견고하게 장착하는 제2 헤더 플레이트를 더 구비하고, 상기 예정된 크기는 상기 제1 헤더 플레이트, 제2 헤더 플레이트 및 배플 사이의 열팽창 차이에 또한 종속되는 것인 열교환 반응기.
  35. 제33항에 있어서, 상기 배플의 제1 구멍은 배플의 제2 구멍보다 어레이의 중심에 더 가깝게 마련되고, 상기 제1 구멍은 제2 구멍의 예정된 크기보다 작은 예정된 크기를 갖는 것인 열교환 반응기.
  36. 제32항에 있어서, 상기 복수 개의 관의 제1 단부를 하우징 내에 견고하게 장착하는 제1 헤더 플레이트와, 상기 복수 개의 관의 제2 단부를 하우징 내에 견고하게 장착하는 제2 헤더 플레이트를 더 구비하고, 상기 적어도 하나의 구멍은 이 적어도 하나의 구멍을 통해 연장하는 각 관의 부분의 외부면 크기보다 큰 예정된 크기를 가지며, 상기 예정된 크기는 상기 제1 헤더 플레이트, 제2 헤더 플레이트 및 배플 간의 상대 팽창의 중심으로부터 상기 적어도 하나의 구멍의 거리에 종속되는 것인 열교환 반응기.
  37. 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구멍은 상기 어레이의 중심으로부터 오프셋되고, 상기 적어도 하나의 구멍과 각 관은 상기 열교환 반응기가 비작동 상태의 대기 온도에 있을 때 중심이 같게 정렬되는 것인 열교환 반응기.
  38. 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구멍은 상기 어레이의 중심으로부터 오프셋되고, 상기 적어도 하나의 구멍과 각 관은 상기 열교환 반응기가 비작동 상태의 대기 온도에 있을 때 중심이 같지 않게 정렬되는 것인 열교환 반응기.
  39. 제38항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구멍의 중심은 상기 열교환 반응기가 비작동 상태의 대기 온도에 있을 때 상기 각 관의 중심보다 상기 어레이의 중심으로부터 더 멀리 있는 것인 열교환 반응기.
  40. 제39항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구멍의 중심은 상기 열교환 반응기가 작동 온도에 있을 때 상기 각 관의 중심보다 상기 어레이의 중심에 가까운 것인 열교환 반응기.
  41. 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구멍은 원형인 것인 열교환 반응기.
  42. 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구멍을 통해 연장하는 각 관의 부분은 원형 단면의 외부면을 갖는 것인 열교환 반응기.
  43. 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구멍은 비원형인 것인 열교환 반응기.
  44. 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구멍은 상기 어레이의 중심의 반경 방향 라인을 따라 연장하는 방향으로 세장형인 것인 열교환 반응기.
  45. 제32항에 있어서, 상기 복수 개의 관의 제1 단부를 상기 하우징 내에 견고하게 장착하는 제1 헤더 플레이트와, 상기 복수 개의 관의 제2 단부를 상기 하우징내에 견고하게 장착하는 제2 헤더 플레이트를 더 구비하고, 상기 적어도 하나의 구멍은 상기 제1 헤더 플레이트, 제2 헤더 플레이트 및 배플 간의 상대 팽창의 중심의 반경 방향 라인을 따라 연장하는 방향으로 세장형인 것인 열교환 반응기.
  46. 하우징과,
    상기 하우징 내에 장착되어 제1 유체를 운반하도록 구성된 복수 개의 관과,
    상기 복수 개의 관 중 하나의 관과 접촉하는 열전달 핀
    을 구비하고, 상기 열전달 핀은 복수 개의 관 중 다른 관에 부착되지 않으며 상기 하우징 내에 제공되는 제2 유체와 접촉하도록 구성된 것인 열교환 반응기.
  47. 제46항에 있어서, 상기 열전달 핀은,
    상기 복수 개의 관 중 하나의 관의 외부면과 접촉하는 칼라 부분과,
    상기 칼라 부분에 연결되어 상기 복수 개의 관의 하나의 관의 축선에 대해 반대 방향으로 연장하는 핀 부분
    을 구비하는 것인 열교환 반응기.
  48. 제47항에 있어서, 상기 칼라 부분은 상기 복수 개의 관의 하나의 관의 축선에 대해 평행한 방향으로 연장되는 것인 열교환 반응기.
  49. 제47항에 있어서, 상기 복수 개의 관 중 하나의 관에는 복수 개의 열전달 핀이 있는 것인 열교환 반응기.
  50. 제49항에 있어서, 상기 복수 개의 열전달 핀에는 복수 개의 관 중 상기 하나의 관의 길이를 따라 인접한 칼라 부분과 접촉하는 칼라 부분이 있는 것인 열교환 반응기.
  51. 제49항에 있어서, 상기 복수 개의 열전달 핀에는 복수 개의 관 중 상기 하나의 관의 길이를 따라 소정 간격을 두고 떨어져 있는 칼라 부분이 있는 것인 열교환 반응기.
  52. 제46항에 있어서, 상기 복수 개의 관 중 다른 하나의 관과 접촉하는 추가의 열전달 핀을 더 구비하고, 상기 추가의 열전달 핀은 오직 상기 복수 개의 관 중 다른 하나의 관과 접촉하며, 상기 추가의 열전달 핀은 상기 하우징 내에 제공되는 제2 유체와 접촉하도록 구성된 것인 열교환 반응기.
  53. 제46항에 있어서, 상기 열전달 핀은 상기 하우징 내에 제공되는 제2 유체를 안내하여 상기 복수 개의 관에 거의 수직인 방향으로 유동시키도록 구성된 것인 열교환 반응기.
  54. 하우징과,
    상기 하우징 내에 장착되어 제1 유체를 운반하도록 구성된 복수 개의 관과,
    상기 열교환 반응기 내에서 온도 구배가 큰 영역에 복수 개의 관의 길이를 따라 단열 구역을 형성하는 단열체
    를 구비하고, 상기 단열체에는 복수 개의 관을 수용하는 복수 개의 구멍이 있는 것인 열교환 반응기.
  55. 제54항에 있어서, 상기 단열체는 절연 재료로 된 단일의 단일체로 형성되는 것인 열교환 반응기.
  56. 제54항에 있어서, 상기 단열체는 탄성 재료로 형성되는 것인 열교환 반응기.
  57. 제54항에 있어서, 상기 단열체는 복수 개의 적층된 층으로 형성되는 것인 열교환 반응기.
  58. 제54항에 있어서, 상기 복수 개의 관 중 하나의 관의 외부면 둘레에 마련되는 보충관 부분을 더 구비하고, 상기 보충관 부분은 상기 단열 영역 내에 마련되는 것인 열교환 반응기.
  59. 제58항에 있어서, 상기 단열체에는 그 제1 단부 상에 마련된 제1 배플과 그 제2 단부 상에 마련된 제2 배플이 있고, 상기 제1 배플과 제2 배플에는 각각 복수개의 관을 수용하는 복수 개의 구멍이 있으며, 상기 보충관 부분은 상기 제1 배플과 제2 배플 사이에 마련되는 것인 열교환 반응기.
  60. 제59항에 있어서, 상기 보충관 부분은 상기 제1 배플과 제2 배플 상의 구멍보다 큰 직경을 갖는 것인 열교환 반응기.
  61. 열교환 반응기 내에서 열팽창의 악영향을 최소화하는 방법에 있어서, 상기 열교환 반응기는 하우징과, 상기 하우징 내에 장착되어 제1 유체를 운반하도록 구성된 복수 개의 관과, 상기 복수 개의 관을 수용하는 복수 개의 구멍이 있는 배플을 포함하고, 상기 배플은 하우징 내에 제공되는 제2 유체를 안내하여 복수 개의 관에 거의 수직인 방향으로 유동시키도록 구성되며, 상기 하우징에는 제1 온도 영역과 제2 온도 영역이 있고, 상기 제1 온도 영역과 제2 온도 영역의 온도는 상이한 방법으로서,
    상기 제1 온도 영역 또는 제2 온도 영역 내에서 재료의 배치를 기초로 하여 예정된 열팽창 계수를 갖는 배플 재료를 선택하는 단계로 이루어지는 것인 방법.
  62. 열교환 반응기 내에서 열팽창의 악영향을 최소화하는 방법에 있어서, 상기 열교환 반응기는 하우징과, 상기 하우징 내에 장착되어 제1 유체를 운반하도록 구성된 복수 개의 관과, 상기 복수 개의 관을 수용하는 복수 개의 구멍을 갖고 하우징 내에 제공되는 제2 유체를 안내하여 복수 개의 관에 거의 수직인 방향으로 유동시키도록 구성된 배플과, 상기 복수 개의 관의 제1 단부를 하우징 내에 장착하는 제1 헤더 플레이트 및 상기 복수 개의 관의 제2 단부를 하우징 내에 장착하는 제2 헤더 플레이트를 구비하며, 상기 하우징에는 제1 온도 영역과 제2 온도 영역이 있고, 상기 제1 온도 영역과 제2 온도 영역의 온도는 상이한 방법으로서,
    상기 제1 온도 영역 또는 제2 온도 영역 내에서 재료의 배치를 기초로 하여 예정된 열팽창 계수를 갖는 제1 헤더 플레이트, 제2 헤더 플레이트 및 배플의 재료를 선택함으로써, 상기 제1 헤더 플레이트, 제2 헤더 플레이트 및 배플 간의 열팽창 차이를 감소시키는 단계로 이루어지는 것인 방법.
  63. 제62항에 있어서, 상기 제1 헤더 플레이트와 제2 헤더 플레이트는 제1 온도 영역 내에 마련되고, 상기 배플은 제2 온도 영역 내에 마련되는 것인 방법.
  64. 제62항에 있어서, 상기 제1 헤더 플레이트는 제1 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조되고, 상기 배플은 제2 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조되며, 상기 제1 열팽창 계수와 제2 열팽창 계수는 상이한 것인 방법.
  65. 열교환 반응기 내에서 열팽창의 악영향을 최소화하는 방법에 있어서, 상기 열교환 반응기는 하우징과, 상기 하우징 내에 장착되어 제1 유체를 운반하도록 구성된 복수 개의 관과, 상기 복수 개의 관 중 적어도 하나의 관과 접촉하고 하우징 내에 제공되는 제2 유체와 접촉하도록 구성된 열전달 핀을 구비하고, 상기 하우징에는 제1 온도 영역과 제2 온도 영역이 있고, 상기 제1 온도 영역과 제2 온도 영역의 온도는 상이한 방법으로서,
    상기 제1 온도 영역 또는 제2 온도 영역 내에서 재료의 배치를 기초로 하여 예정된 열팽창 계수를 갖는 열전달 핀의 재료를 선택하는 단계로 이루어지는 것인 방법.
  66. 열교환 반응기 내에서 열팽창의 악영향을 최소화하는 방법에 있어서, 상기 열교환 반응기는 하우징과, 상기 하우징 내에 장착되어 제1 유체를 운반하도록 구성된 복수 개의 관과, 상기 복수 개의 관 중 적어도 하나의 관과 접촉하고 하우징 내에 제공되는 제2 유체와 접촉하도록 구성된 열전달 핀과, 상기 복수 개의 관의 제1 단부를 하우징 내에 장착하는 제1 헤더 플레이트 및 상기 복수 개의 관의 제2 단부를 하우징 내에 장착하는 제2 헤더 플레이트를 구비하며, 상기 하우징에는 제1 온도 영역과 제2 온도 영역이 있고, 상기 제1 온도 영역과 제2 온도 영역의 온도는 상이한 방법으로서,
    상기 제1 온도 영역 또는 제2 온도 영역 내에서 재료의 배치를 기초로 하여 예정된 열팽창 계수를 갖는 제1 헤더 플레이트, 제2 헤더 플레이트 및 열전달 핀의 재료를 선택함으로써, 상기 제1 헤더 플레이트, 제2 헤더 플레이트 및 열전달 핀 간의 열팽창 차이를 감소시키는 단계로 이루어지는 것인 방법.
  67. 제66항에 있어서, 상기 제1 헤더 플레이트와 제2 헤더 플레이트는 제1 온도영역 내에 마련되고, 상기 열전달 핀은 제2 온도 영역 내에 마련되는 것인 방법.
  68. 제66항에 있어서, 상기 제1 헤더 플레이트는 제1 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조되고, 상기 열전달 핀은 제2 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조되며, 상기 제1 열팽창 계수와 제2 열팽창 계수는 상이한 것인 방법.
  69. 열교환 반응기 내에서 열팽창의 악영향을 최소화하는 방법에 있어서, 상기 열교환 반응기는 하우징과, 상기 하우징 내에 장착되어 제1 유체를 운반하도록 구성된 복수 개의 관과, 상기 복수 개의 관을 수용하는 복수 개의 구멍이 있는 배플을 포함하고, 상기 배플은 하우징 내에 제공되는 제2 유체를 안내하여 복수 개의 관에 거의 수직인 방향으로 유동시키도록 구성되는 방법으로서,
    적어도 하나의 구멍을 통해 연장하는 복수 개의 관의 각 관 사이의 기계적 간섭을 최소화하도록 형성되어, 상기 열교환 반응기의 작동 상태와 비작동 상태 양자에서 상기 배플과 각 관 사이의 기계적 간섭을 최소화하는 복수 개의 구멍 중 적어도 하나 구멍을 마련하는 단계로 이루어지는 것인 방법.
  70. 열교환 반응기 내에서 열팽창의 악영향을 최소화하는 방법에 있어서, 상기 열교환 반응기는 하우징과, 상기 하우징 내에 장착되어 제1 유체를 운반하도록 구성된 복수 개의 관과, 상기 복수 개의 관 중 적어도 하나의 관과 접촉하고 하우징 내에 제공되는 제2 유체와 접촉하도록 구성된 열전달 핀을 구비하는 방법으로서,
    상기 열전달 핀을 복수 개의 관 중 하나의 관에 열적으로 연결하는 단계로 이루어지고, 상기 열전달 핀은 복수 개의 관 중 다른 관에 부착되지 않는 것인 방법.
  71. 열교환 반응기 내에서 열팽창의 악영향을 최소화하는 방법에 있어서, 상기 열교환 반응기는 하우징과, 상기 하우징 내에 장착되어 제1 유체를 운반하도록 구성된 복수 개의 관을 구비하고, 상기 하우징은 제2 유체를 운반하도록 구성되는 방법으로서,
    상기 열교환 반응기 내에서 온도 구배가 큰 영역에 복수 개의 관의 길이를 따라 단열 구역을 형성하는 단열체를 마련하는 단계로 이루어지며,
    상기 단열체에는 복수 개의 관을 수용하는 복수 개의 구멍이 있는 것인 방법.
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