KR20100135668A - 냉각 튜브와 비냉각 튜브 사이에 관형 접속부를 포함하는 반응 가스의 냉각을 위한 열 교환기 - Google Patents

냉각 튜브와 비냉각 튜브 사이에 관형 접속부를 포함하는 반응 가스의 냉각을 위한 열 교환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉각 튜브와 비냉각 튜브 사이에 관형 접속부를 포함하는 반응 가스 냉각용 열 교환기에 관한 것으로, 냉각된 내부 튜브(3)가 관형 자켓(4)에 의해 둘러싸이되, 비냉각 튜브와 연결되고 포크형 단면을 갖는 입구 헤드(11)를 통해 비냉각 고온 튜브와 연결된다. 입구 헤드(11)에는 내부 관형 섹션(12)과 외부 관형 섹션(13)이 마련되고, 그 사이에 단열재로 충전되는 중간 공간이 배치된다. 외부 관형 섹션(13)은 관형 자켓(4)과 연결된다. 내부 관형 섹션(12)은 내부 튜브(3)로부터 축방향으로 소정 정도 이격되며, 밀봉부가 내부 튜브(3)와 내부 관형 섹션(12)의 단부면 사이에 배치된다. 밀봉부는 U-형 링(19)으로 구현되어 입구 헤드(11)의 내부 관형 섹션(12)의 단부면 내의 리세스(18)에 배치됨으로써, 리세스(18)는 내부 튜브(3)로부터 축방향으로 소정 정도 이격된 내부 관형 섹션(12)의 돌출 엣지 영역(17)의 반경 방향 외측에 형성된다. 입구 헤드(11)의 내부 관형 섹션(12)의 엣지 영역(17)과 내부 튜브(3) 사이의 소정 정도의 축방향 간격은 입구 헤드(11)의 최대 열팽창과 동일하거나 그보다 작다.

Description

냉각 튜브와 비냉각 튜브 사이에 관형 접속부를 포함하는 반응 가스의 냉각을 위한 열 교환기{HEAT EXCHANGER FOR COOLING REACTION GAS, INCLUDING A TUBULAR CONNECTION BETWEEN A COOLED TUBE AND AN UNCOOLED TUBE}
본 발명은 청구항 1의 전제부의 특징을 갖는 냉각 튜브와 비냉각 튜브 사이에 관형 접속부를 포함하는 반응 가스 냉각용 열 교환기에 관한 것이다.
관형 접속부를 포함하고 반응 가스를 냉각시키기 위한 이런 종류의 열 교환기가 독일 특허 DE 195 31 330 C2로부터 공지되어 있다. 반응 가스는 반응로에서 탄화수소의 열 반응에 의해 생성된다. 이런 반응로는 외부 가열되는 많은 반응 튜브를 포함하는데, 사용되는 탄화수소는 이들 반응 튜브를 통해 수증기 첨가를 수반하여 송급된다. 생성된 반응 가스는 최고 900℃의 온도에서 반응 튜브를 벗어나며, 분자의 합성 상태를 안정화시키기 위해 급속 냉각되어야 한다. 반응 가스의 급속 냉각은 반응 가스 냉각기에서 반응 가스로부터 고압 상태의 증발수로의 열 전달에 의해 이루어진다.
DE 195 31 330 C2로부터 공지된 관형 튜브에서, 비냉각 튜브의 단부는 포크형으로 확장되고 내부 및 외부 관형 섹션이 마련된 입구 헤드를 포함한다. 두 개의 관형 섹션 사이의 중간 공간은 단열재로 충전된다. 외부 관형 섹션은 냉각되는 이중 튜브의 관형 케이싱이나 자켓에 용접된다. 내부 관형 섹션은 냉각되는 이중 튜브의 내부 튜브로부터 축방향으로 이격됨으로써, 링(C, O, U 또는 V형)으로서 구현되는 밀봉부가 내부 관형 섹션과 내부 튜브의 단부면 사이에 배치되며, 이런 밀봉 링은 반응 가스가 상기 단열재 내로 침투되는 것을 방지하고자 한 것이다.
단열재로 충전되고 비냉각 튜브와 냉각 튜브의 접속을 위한 포크형 입구 헤드가 EP 810 414 B1으로부터 공지된 반응 가스 냉각용 열 교환기에도 사용된다. 공지된 열 교환기에서, 냉각 튜브는 방사상 이격된 방식으로 관형 케이싱에 의해 둘러싸인 내부 튜브로 구성된다. 냉매 공급을 위한 물 챔버는 냉각 튜브의 유입단을 둘러싼다. 물 챔버는 원형 단면을 갖는 리세스부가 도입되는 중실형의 정사각형 또는 직사각형 부분으로 이루어진다. 리세스부는 단일의 냉각 튜브를 수용함으로써, 냉각 튜브의 내부 튜브가 리세스부의 기부 내로 용접되고 관형 케이싱이 물 챔버에 용접된다. 입구 헤드의 외부 관형 섹션은 관형 케이싱으로부터 먼쪽을 향하는 물 챔버의 측면에 용접되는 한편, 입구 헤드의 내부 관형 섹션은 냉각 튜브의 내부 튜브로부터 축방향 이격된다.
내부 튜브와 내부 관형 섹션 간의 축방향 유격으로 인해 상기 공지된 입구 헤드는 열에 의한 비제한적인 길이 팽창을 허용한다. 도입된 단열로 인해 냉각 튜브에 고정 접속된 입구 헤드의 외부 관형 섹션은 벽 온도가 비냉각 튜브를 유동하는 가스의 온도보다 낮게 된다. 이 방식으로 접속 위치에서 튜브가 도달하는 벽 온도는 서로 적응되어 접속 위치에서의 열 응력을 취소화한다. 내부 관형 섹션과 내부 튜브 사이의 밀봉 링(C, O, U 또는 V형)은 입구 헤드의 단열재 내로 반응 가스가 침투되는 것을 방지한다. 550℃보다 높은 온도에서 탄소가 반응 가스에서 석출되어 밀봉 링에 증착될 수 있다. 결국, 밀봉 링에 누출이 발생함으로써 반응 가스가 단열재 내로 침투될 수 있다. 결국, 반응 가스의 누설 흐름으로부터 석출되는 탄소는 단열재 상에 증착되어 내부 관형 섹션에 좌굴 응력과 입구 헤드의 외부 튜브 섹션에 주변 응력을 야기할 수 있다.
본 발명의 목적은 탄소 석출시 반응 가스에 대한 밀봉이 개선되도록 비냉각 튜브와 냉각 튜브 사이에 관형 접속부를 포함하는 전술한 종류의 열 교환기를 구성하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 1의 특징부에 의해 비냉각 튜브와 냉각 튜브 사이에 관형 접속부를 포함하는 전술한 종류의 열 교환기에 대해 실현된다. 본 발명의 유리한 실시예는 종속항의 주제이다.
비냉각 튜브와 냉각 튜브 사이에 관형 접속부를 포함하는 본 발명의 열 교환기에서, U-형 링으로서 구현된 밀봉 링은 500~600℃의 온도에 도달할 때까지 제1 밀봉 수단의 임무를 수행한다. 550℃보다 높은 온도에서 반응 가스로부터 탄소 석출이 시작되면, 열에 기인하는 내부 관형 섹션의 길이 신장 또는 팽창이, 밀봉 링에서 반경 방향 내측으로 배치된 내부 관형 섹션의 돌출 엣지 영역과 내부 튜브 사이의 간극이 연결되는 정도로 진전됨으로써 금속간 접촉이 이루어진다. 이런 접촉은 입구 헤드의 내부 및 외부 관형 섹션 사이의 중간 공간과 밀봉 링을 향하는 방향으로 반응 가스가 침투되는 것을 방지하고, 제2 밀봉 수단으로서 작용한다. 본 발명의 추가 실시예에서, 단열재로 충전된 중간 공간을 폐쇄하는 가요성 막이 여전히 침투될 수 있는 반응 가스를 단열재로부터 완벽하게 분리되게 유지시킨다. 이 방식으로 가요성 막은 제3 밀봉 수단으로서 기능한다.
계속하여 본 발명의 소정의 예시적인 실시예들을 보다 상세히 설명할 것이며, 이들 실시예들은 하기의 도면에 예시된다.
본 발명에 따르면, 비냉각 튜브와 냉각 튜브 사이에 관형 접속부를 갖는 열 교환기는 탄소 석출시 반응 가스에 대한 밀봉을 개선하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 관형 접속부를 갖는 열 교환기의 하부를 통한 종방향 단면도.
도 2는 도 1 또는 도 3의 세부 영역(Z)을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 다른 관형 접속부를 갖는 열 교환기의 하부를 도시하는 종방향 단면도.
반응 가스는 탄화수소와 수증기 또는 스팀의 반응에 의해 반응로에서 생성된다. 반응로는 외부에서 가열되고 사용되는 물질이 유동하는 반응 튜브(1)를 구비한다. 최고 900℃의 온도에서 반응 튜브(1)를 벗어나는 반응 가스는 반응로 바로 상부에 배치된 반응 가스 냉각기 안으로 직접 통과된다. 반응 가스 냉각기에서, 반응 가스의 분자 구조 상태는 급냉과 고압 증발수와의 열 교환에 의해 안정화된다.
반응 가스 냉각기는 각각의 냉각 튜브(2)가 비냉각 반응 튜브(1) 중 하나와 결합되어 축방향 연장부 내에 배치되도록 서로 이웃하여 열을 이루어 배치되는 복수의 냉각 튜브(2)를 내장한다. 각각의 냉각 튜브(2)는 냉매가 유동하는 환형 공간의 형성을 수반하는 관형 케이싱 또는 자켓(4)에 의해 둘러싸인 냉각된 내부 튜브(3)로 구성된다. 도시된 바와 같이, 반응 튜브(1)와 내부 튜브(3)의 내경은 통상 유사한 크기를 갖는다.
냉매의 공급과 회수는 각각 냉각 튜브(2)의 도시된 하단과 도시 안된 상단을 둘러싸는 물 챔버(5)를 통해 이루어진다. 물 챔버(5)는 원형 단면의 리세스부(6)가 형성된 중실형의 정삭각형 또는 직사각형의 부분으로부터 제작되며, 냉각 튜브(2)는 각각의 리세스부(6)와 결합된다. 관형 자켓(4)은 반응 튜브(1)로부터 멀리 향하는 물 챔버(5)의 측면에 용접된다. 이 경우, 용접 위치에서 관형 자켓(4)의 내경은 리세스부(6)의 직경과 일치한다.
리세스부(6)는 작은 두께의 환형 베이스(7)가 남게 되는 그러한 두께로 물 챔버(5)를 형성하는 부분 내에 형성된다. 내부 튜브(3)는 환형 베이스(7) 내로 용접된다. 환형 베이스(7)의 표면은 내부 튜브(3)의 외경과 리세스부(6)의 내경에 의해 경계를 이룬다.
보어(8)가 각각의 리세스부(6) 내로 환형 베이스(7)의 수준으로 바람직하게는 접선 방향으로 개구된다. 보어(8)는 접속 피스(9)를 통해 냉매용 공급 라인(10)과 각각 연결된다. 냉매는 보어(8)를 통과하여 고속으로 리세스부(6)로 들어가서 내부 튜브(3)를 중심으로 회전류를 발생시킨다. 이 회전류는 리세스부(6)의 베이스(7)에 대한 양호한 냉각을 보장하는 한편, 손상과 국부화된 과열을 유도하는 베이스(7) 상의 입자의 증착을 방지한다.
반응 튜브(1)의 배출단은 포크형으로 확장되어 입구 헤드(11)를 형성한다. 이 입구 헤드(11)는 반응 튜브(1)의 연장부를 형성하는 내부 관형 섹션(12)과 외부 관형 섹션(13)으로 구성되며, 두 개의 관형 섹션은 일단에서 서로 연결된다. 외부 관형 섹션(13)은 물 챔버(5)의 저면에 용접된다. 입구 헤드(11)의 내부 관형 섹션(12)은 내부 튜브(3)에 대해 축방향으로 이격되어 있다.
입구 헤드(11)의 내부 관형 섹션(12)과 외부 관형 섹션(13) 사이의 환형 중간 공간 내로 단열부가 도입된다. 단열부는 축방향으로 중첩 배치되는 여러 층의 단열재로 이루어진다. 도시된 실시예에서는 세 개의 층, 구체적으로 제1 층(14), 제2 층(15) 및 제3 층(16)이 제공된다. 세 개의 층(14, 15, 16)은 열전도도가 서로 다르다. 이런 관계에서 층들(14, 15, 16)은 내부 튜브(3)를 마주하는 제1 층(14)이 가장 낮은 열전도도를 가지고 반응 튜브(1)를 마주하는 제3 층(16)이 가장 높은 열전도도를 갖는 방식으로 중간 공간 내에 도입된다. 제1 층과 제3 층 사이의 층(15)은 중간의 열전도도를 갖는다. 따라서 층들(14, 15, 16)의 단열 효과는 내부 튜브(3)의 방향, 즉 반응 튜브(1)로부터 멀어지는 방향으로 증가한다. 상이한 열전도도는 소재의 선택 또는 층(14, 15, 16)의 밀도나 두께에 의해 변화될 수 있다. 각각의 층(14, 15, 16)의 축방향을 따른 높이는 상이하며 원하는 단열 효과에 의해 결정된다.
열전도도의 차이는 반응 튜브(1)를 마주하는 측면 상의 10W/m*K와 내부 튜브(3)를 마주하는 측면 상의 0.2 내지 0.6 W/m*K 사이의 범위에 있다. 단열부는 무기물 또는 섬유질 소재로 이루어질 수 있으며, 압탕 또는 주조 후 경화될 수 있는 물질로서 또는 성형부로서 중간 공간 내에 도입된다.
내부 관형 섹션(12)의 내경은 내부 튜브(3)의 내경과 동일하다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 내부 관형 섹션(12)의 단부면은 내경에서 시작하여 외부로 돌출되는 엣지 영역(17)을 가진다. 내부 관형 섹션(12)의 단부면은 엣지 영역(17)의 반경 방향 외측으로 환형 리세스(18)를 포함한다. U-형 링(19)으로 구현되는 밀봉 링이 리세스(18) 내에 배치된다. U-형 링(19)의 다리부는 리세스(18)의 베이스와 내부 튜브(3)의 단부면에 접촉 배치된다. U-형 링(19)은 저온에서 입구 헤드(11) 내의 중간 공간과 그 안에 도입된 단열재의 방향으로 반응 가스가 빠져 나가는 것을 방지하는 제1 밀봉부로서 기능한다.
내부 튜브(3)의 단부면으로부터 내측으로 배치된 내부 관형 섹션(12)의 엣지 영역(17)의 축방향 간격은 입구 헤드(11)의 크기에 기인하여 작동 중 생기는 입구 헤드(11)의 열에 따른 최대 길이 연장 또는 팽창보다 작다. 소정 온도에 도달시, 길이 팽창이 진행됨에 따라 입구 헤드(11)와 내부 튜브(3) 사이의 간격이 메워지므로 내부 관형 섹션(12)의 돌출 엣지 영역(17)과 내부 튜브(3) 사이에 금속간 접촉이 이루어진다. 이 금속간 접촉은 제2 밀봉부로서 작용하며, 고온에서 반응 가스가 입구 헤드(11) 내의 중간 공간과 U-형 링(19) 측으로 침투되는 것을 방지하거나 적어도 그러한 침투를 상당히 제한한다.
단열재를 수용하는 입구 헤드(1) 내의 중간 공간은 가스 불투과성의 환형 탄성 막(20)에 의해 폐쇄된다. 막(20)은 내부 및 외부 관형 섹션(12, 13)에 밀봉식으로 고정된다. 막(20)은 주름진 것이 바람직하다. 막은 제3 밀봉부로서 기능하고 U-형 링(19)을 통해 침투될 수 있는 배출 가스가 단열재에 도달하는 것을 방지한다.
전술한 물 챔버(5) 대신에, 입구 헤드(11)는 냉매를 냉각 튜브에 공급하기 위한 다른 구성의 수집 수단에 용접될 수도 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 입구 헤드(11)는 입구 헤드(11)의 외부 관형 섹션(13)을 냉각 튜브의 외측에 용접하는 것에 의해, 내부 튜브(3)와 관형 자켓(4)으로 구성된 냉각 튜브에 직접 연결될 수도 있다. 입구 헤드(11)의 내부 관형 섹션(12)은 전술한 방식으로 구현되어 냉각 튜브의 폐쇄 단부 맞은 편에 배치됨으로써, U-형 링(19)은 돌출 엣지 영역(17)의 전방의 반경 방향 외측으로 내부 관형 섹션(12)의 단부면의 리세스(18) 내에 밀봉 링으로서 제공되며, 입구 헤드(11)의 내부 및 외부 관형 섹션(12, 13) 사이의 중간 공간은 가스 불투과성 막(20)에 의해 폐쇄된다.
1: 반응 튜브 2: 냉각 튜브
3: 내부 튜브 4: 관형 자켓
5: 물 챔버 6: 리세스부
7: 베이스 8: 보어
9: 접속 피스 10: 냉매용 공급 라인
11: 입구 헤드 12: 내부 관형 섹션
13: 외부 관형 섹션 14: 제1층
15: 제2층 16: 제3층
17: 돌출 엣지 영역 18: 리세스
19: U-형 링 20: 가스 불투과성 막

Claims (6)

  1. 냉각된 내부 튜브(3)가 관형 자켓(4)에 의해 둘러싸이고 입구 헤드(11)를 통해 비냉각 고온 튜브와 연결되되 상기 입구 헤드(11)는 상기 비냉각 튜브와 연결되고 포크형 단면을 가지며, 상기 입구 헤드에는 내부 관형 섹션(12)과 외부 관형 섹션(13)이 마련되고 상기 내부 및 외부 관형 섹션 사이에는 단열재로 충전되는 중간 공간이 배치되며, 상기 외부 관형 섹션(13)은 관형 자켓(4)과 연결되고 상기 내부 관형 섹션(12)은 내부 튜브(3)로부터 축방향으로 소정 정도 이격되며, 밀봉부가 상기 내부 튜브(3)와 상기 내부 관형 섹션(12)의 단부면 사이에 배치되는, 냉각 튜브와 비냉각 튜브 사이에 관형 접속부를 포함하는 반응 가스 냉각용 열 교환기에 있어서,
    상기 밀봉부는 U-형 링(19)으로 구현되어 상기 입구 헤드(11)의 내부 관형 섹션(12)의 단부면 내의 리세스(18)에 배치되며, 상기 리세스(18)는 상기 내부 튜브(3)로부터 축방향으로 소정 정도 이격된 내부 관형 섹션(12)의 돌출 엣지 영역(17)의 반경 방향 외측에 형성되며, 상기 입구 헤드(11)의 내부 관형 섹션(12)의 엣지 영역(17)과 상기 내부 튜브(3) 사이의 소정 정도의 축방향 간격은 상기 입구 헤드(11)의 최대 열팽창과 동일하거나 그보다 작은 것을 특징으로 하는 반응 가스 냉각용 열 교환기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단열재를 수용하는 입구 헤드(11)의 중간 공간 상부에는 상기 입구 헤드(11)의 내부 및 외부 관형 섹션(12, 13)과 밀봉되는 방식으로 융착되는 가스 불투과성 가요성 막(20)이 배치되는 것을 특징으로 하는 반응 가스 냉각용 열 교환기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 가스 불투과성의 막(20)은 주름진 형상인 것을 특징으로 하는 반응 가스 냉각용 열 교환기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 입구 헤드(11)의 상기 외부 관형 섹션(13)과 상기 관형 자켓(4)은 서로 맞은 편에 각각 배치된 단부에서 물 챔버(5)에 연결되고, 상기 물 챔버(5)는 중실형의 봉형 피스로 구성되고, 상기 봉형 피스 내로는 단일의 내부 튜브(3)를 각각 둘러싸는 원형 리세스부(6)가 도입되고, 상기 단일의 내부 튜브(3)는 상기 리세스부(6)의 얇은 베이스(7)에 용접되고, 상기 리세스부(6)의 직경은 상기 관형 자켓(4)의 내경에 대응하는 것을 특징으로 하는 반응 가스 냉각용 열 교환기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 입구 헤드(11)의 상기 외부 관형 섹션(13)은 상기 관형 자켓(4)에 직접 연결된 것을 특징으로 하는 반응 가스 냉각용 열 교환기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 단열재는 축방향으로 서로 중첩 배치된 복수의 층(14, 15, 16)으로 구성되며, 상기 층의 열전도도는 상기 내부 튜브(3)로부터의 거리가 증가할수록 커지는 것을 특징으로 하는 반응 가스 냉각용 열 교환기.
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