KR20140040281A - 가스/가스 열 교환기 - Google Patents

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KR20140040281A
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Abstract

특히 황산 플랜트의 접촉 그룹에서 이용을 위한 열 교환기는, 튜브 번들 (12) 이 원형 고리상으로 안에 배치되는 챔버 (2) 로서, 튜브 번들 (12) 과 튜브 번들 (12) 을 둘러싸는 챔버 케이싱 (13) 사이에 가스 공간 (15) 이 형성되는, 상기 챔버, 튜브 번들 (12) 에 대해서 실질적으로 방사방향으로 가스를 가스 공간 (15) 안으로 도입하기 위하여 챔버 케이싱 (13) 에 제공된 가스 공급 개구 (6), 및 실질적으로 축선방향 (A) 에서 튜브 번들 (12) 에 의해서 폐쇄된 내부 공간과 인접한 가스 출구 개구를 포함한다. 튜브 번들 (12) 의 중심 (ZR) 이 가스 공급 개구 (6) 에 반대 방향으로 챔버 케이싱 (13) 의 중심 (ZK) 에 대해서 편심되는 점에서 튜브 번들 (12) 의 균일한 접근 유동이 달성된다.

Description

가스/가스 열 교환기{GAS/GAS HEAT EXCHANGER}
이 발명은, 특히 황산 플랜트의 접촉 그룹 (contact group) 에서 이용을 위한 열 교환기로서, 튜브 번들이 원형 고리상으로 안에 배치되는 챔버로서, 튜브 번들과 이 튜브 번들을 둘러싸는 챔버 케이싱 사이에 가스 공간이 형성되는, 상기 챔버, 튜브 번들에 실질적으로 방사방향으로 가스를 가스 공간 안으로 도입하기 위해 챔버 케이싱에 제공되는 가스 공급 개구, 및 실질적으로 축 방향으로 튜브 번들에 의해서 둘러싸인 내부 공간에 인접한 가스 출구 개구를 구비하는 열 교환기에 관한 것이다.
황산 플랜트들의 접촉 그룹 내에는, 일반적으로 튜브 번들 열 교환기들이 채용되고, 이 열 교환기들은 수직 구성으로 장착되어, 가능하게는 얻어진 황산 응축물은 바닥 트레이를 향해서 유동 이탈될 수 있고, 이곳으로부터 빼내져 부식을 방지한다. 일반적으로, SO2 가스는 케이싱 측에서 안내되고, SO2/SO3 가스는 튜브 측에서 안내된다. 1,500 tpd (tons per day) MH 초과의 상업 플랜트들에 있어서, 디스크-및-도넛 열 교환기들이 이용된다 (Winnacker/Kuechler, Chemische Technik: Prozesse und Produkte, edited by Roland Dittmeyer et al., Vol. 3: Anorganische Grundstoffe, Zwischenprodukte, P. 96 f., Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2005 참조).
일반적으로 SO2 냉 가스는 냉각될 SO3 함유 가스에 역류로 안내된다. 황산 응축물은, 특히 열 교환기의 제 1 챔버에서 강한 부식을 발생시켜, 고합금 및 고가 스테인레스 강 재료들이 이용되어야 한다는점이 밝혀졌다. 비용을 절감하기 위해서, 열 교환기가 2 개 부분들로 나뉘어져서, 과도한 부식의 경우에 전체 열 교환기가 아니라, 단지 냉 가스에 노출되고, 특히 큰 부식이 발생되는 구역만이 교체되어야 한다. 출원인은, 처음에는 열 전달 구역의 균일한 분할을 고려하였지만, 최근에는 저온 열-교환부 (제 1 챔버) 에서 전체 열 전달 표면의 단지 적은 부분만이 제공되는 열 교환기를 채용하였다. 또한, 2 개의 수직으로 배향되는 열 교환기들이 서로 옆에 배치되고, 배출에 관해서 문제들을 생성하는 배열체 대신에, SO2 냉 가스가 공급되는 챔버가 수평으로 배치된 배열체가 이제 이용되었다. 이 제 1 챔버로부터, 황산 응축물이 바닥에서 간단히 빼내질 수 있다. 다음으로, SO2 함유 가스는 더 큰 열 전달 표면을 갖는 인접하는 수직부로 이송되었다. 그러나, 열 교환기의 수평부에서 튜브 번들의 방사방향 접근 유동의 경우에, 비균일한 가스 유동 및, 결과적으로 열 전달의 장애 상태가 일어날 수 있다는 점이 밝혀졌다.
따라서, 균일한 열 전달을 달성하는 것이 본 발명의 목적이다. 황산의 이슬점 온도 미만으로 떨어지는 것은 최대한 회피되어야 한다.
이 목적은, 튜브 번들의 중심이 가스 공급 개구의 반대 방향으로 챔버 케이싱의 중심에 대해서 편심 (offset) 되어 있는 청구항 1 의 특징들을 갖는 본 발명에 의해서 실질적으로 해결된다.
종래의 열 교환기에서, 원형 고리와 같이 배치된 튜브 번들은 열 교환기의 같은 방식으로 실질적으로 원통형으로 형성된 챔버에 대해서 동심으로 배치된다. 그러나, 본 발명은, 이 동심성에서 벗어나고, 튜브 번들은 챔버 케이싱에 대해서 편심되어, 튜브 번들과 챔버 케이싱 사이에 형성된 가스 공간이 가스 공급 개구를 바라보는 최대 폭으로부터 튜브 번들의 반대 측으로 증가하는 정도로 테이퍼진다. 열 교환기에 공급되는 가스의 접근 유동 동안에, 가스 공간의 압력은, 테이퍼 지기 때문에 가스 공급 개구로부터 멀어지게 바라보는 측에서 최대까지 점점 더 증가된다. 따라서, 가스 공급 개구의 구역에서 튜브 번들에 대한 가스의 충돌 동안 압력의 증가는 상쇄될 수 있어, 튜브 번들의 전체 원주에 걸쳐서 가스는 튜브 번들을 통해서 지나가고, 균일한 속도로 상기 튜브 번들에 의해서 폐쇄된 내부 공간 안으로 들어간다. 균일한 열 전달은 튜브 번들의 모든 영역들에서 보장될 수 있다.
본 발명에 따르면, 특히 균일한 유동 분포가 특히, 튜브 번들의 중심이 중심 가스 공간의 폭의 30 내지 70 % 만큼, 바람직하게는 약 50 % 만큼 챔버 케이싱의 중심에 대해서 편심될 때 얻어진다. 여기서 "중심 가스 공간" 은 챔버 케이싱에 대한 튜브 번들의 동심 배치에 의해서 달성되는 것과 같은 가스 공간으로 이해될 것이다. 챔버의 원통형 구성에 의해서, 이 경우에 튜브 번들은 튜브 번들의 전체 원주에 걸쳐서 챔버 벽에 대해서 균일한 거리를 가질 것이다. 또한, 가스 공간은 규일한 폭을 가질 것이다. 이 위치로부터, 이제 튜브 번들은 가스 공간의 폭의 약 30 내지 70 % 만큼 이동된다. 만약 원통형 챔버 대신에 다각형의 또는 다르게 형상 지어진 챔버가 채용된다면, 챔버 벽에 대한 최소 거리들이 튜브 번들의 이동을 위해 결정적일 것이다. 그러나, 다각형 형상의 챔버들은 유동 분배와 관련하여 단점들을 포함한다.
본 발명에 따른 바람직한 실시형태에 따르면 가스 공급 개구는 타원 단면을 갖고, 가스 공급 개구의 최대 직경은 축선방향으로 튜브 번들을 규정하는 튜브 플레이트들의 거리의 바람직하게는 70 내지 95 %, 더욱 바람직하게는 85 내지 90 % 에 이른다. 따라서, 가스 공급 개구는 튜브 번들의 실질적 길이를 따라서 연장된다.
본 발명에 따르면, 챔버의 메인 축선은 실질적으로 수평으로 배향되어, 하측 영역에 축적되는 황산의 용이한 배출이 가능하다. 이 목적을 위해서, 배출 출구는 본 발명에 따른 챔버의 하측 영역에 제공된다.
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 열 교환기의 제 1 챔버는 열 교환기의 전체 열-교환 면적의 단지 약 10 내지 30 %, 바람직하게는 15 내지 20 % 를 포함한다. 결과적으로, 이산화황 (SO2) 의 온도 증가는 약 5-30 K, 바람직하게는 15-20 K 에 한정될 수 있어, 황산의 이슬점 온도 미만으로 떨어지는 것이 크게 방지된다. 대응하여, 황산의 최소화된 응축이 얻어진다.
본 발명의 개량물에 따르면, 수직 열 교환부는 챔버에 인접하고, 이 수직 열 교환부에는 복수의 튜브들이 실질적으로 수직 방향으로 배치된다. 본 발명에 따르면, 수직 열 교환부는 열 교환기의 열-교환 면적의 약 70 내지 90 % 를 포함한다. 이 영역에서 더 높은 온도들로 인해 단지 적은 부식 위험들이 존재하기 때문에, 수직 열-교환부는 덜 비싼 재료들로 만들어질 수 있다.
본 발명의 다른 목적들, 특징들 및 가능한 응용들은 도면 및 예시적 실시형태의 이하 설명으로부터 이해될 수 있다. 설명되고 그리고/또는 도시된 모든 특징들은, 청구항에서 이들의 포함 또는 이들의 역참조와 독립하여, 그 자체로 또는 임의의 조합으로 본 발명의 주제물을 형성한다.
도 1 은 본 발명에 따른 열 교환기의 개략 단면도이고,
도 2 는 열 교환기의 제 1 챔버의 개략 단면도이다.
본 발명에 따른 가스/가스 열 교환기 (1) 는, 가스 출구 개구와 인접한 가스 배출 튜브 (3) 를 통해서 수직 열-교환부 (4) 와 연결된 실질적으로 수평인 챔버 (2) 를 포함한다. 수평인 챔버 (2) 및 수직 열-교환부 (4) 는 대응하는 베어링들 (5) 을 통해서 바닥에 부착된다.
열 교환기 (1) 가 황산 플랜트의 접촉 그룹에 채용되면, SO2 함유 냉 가스가 가스 공급 개구 (6) 를 통해서 수평 챔버 (2) 에 공급된다. 챔버 (2) 에, 디스크-및-도넛 열 교환기 (7) 가 제공된다. 챔버 (2) 는 커버들 (8, 9) 에 의해서 폐쇄되고, 수직 열-교환부 (4) 를 향하는 커버 (9) 는 가스 배출 튜브 (3) 에 의해서 관통된다.
또한, 수직 열-교환부 (4) 는, 도 1 에 개략적으로 도시된 바와 같이, 디스크-및-도넛 열 교환기로서 형성된다. 가스 배출 튜브 (3) 를 통해서 중심으로 공급된 가스는 외측으로 방사방향으로 편향되고, 여기서 단지 개략적으로 나타난 튜브 번들들 (10) 을 통해서 지나가며, 냉각될 SO3 함유 가스가 튜브 번들들에서 유동된다. 디스크 (11) 뒤에서 SO2 함유 가스는 내측으로 다시 편향되고, 이 가스는 다시 튜브 번들 (10) 을 통해서 지나간다. 이 수직 열 교환기 (4) 의 구성은 일반적 관습이므로, 이것은 여기서 상세히 논의되지 않을 것이다.
도 2 에서, 제 1 열-교환 챔버 (2) 의 구성이 상세히 도시된다. 실질적으로 원통형으로 형성된 챔버 (2) 에, 원형 고리와 같이 형성된 튜브 번들 (12) 이 제공되고, 이 튜브 번들은 챔버 (2) 의 챔버 케이싱 (13) 과 평행하게 연장되는 복수의 튜브들 (14) 에 의해서 형성된다. 챔버 케이싱 (13) 과 튜브 번들 (12) 사이에 가스 공간 (15) 이 제공된다. 고리 형상의 튜브 번들 (12) 의 내측부에는 내부 공간 (16) 이 제공되고, 이 내부 공간은 가스 배출 튜브 (3) 안으로 병합된다. 축선방향에서, 튜브 번들 (12) 은 도 1 에 도시된 튜브 플레이트들 (디스크들) (17) 에 의해서 규정된다. 튜브 플레이트들 (17) 은 수직하게 배치되기 때문에, 형성된 황산 응축물은 아래로 흘러서 떨어지고, 부식을 유발하는 튜브 플레이트들 상의 응축물의 축적은 방지된다. 챔버 (2) 의 하측 영역에, 적어도 하나의 배출 출구 (18) 가 축적된 황산 응축물을 빼내기 위해서 제공된다.
가스 공급 개구 (6) 는 타원형 형상의 것이고, 타원형 가스 공급 개구 (6) 의 가장 큰 직경은 튜브 플레이트들 (17) 의 거리 및 따라서 튜브 번들 (12) 의 길이의 약 70 내지 95 % 에 달한다. 결과적으로, 가스 공급 개구 (6) 를 통해서 공급되는 SO2 함유 가스는 튜브 번들 (10) 의 실질적으로 전체 길이를 따라서 가스 공간 (15) 에 도입된다.
도 2 에 명확히 도시된 바와 같이, 튜브 번들 (12) 은 챔버 케이싱 (13) 에 대해서 편심되어 있다. 본 발명에 따르면, 여기서 편심은, 튜브 번들의 중심 (ZR) 이 챔버 (2) 의 중심 (ZK) 에 대해서 중심 가스 공간 (챔버 (2) 에 가상으로 중심적으로 배치된 튜브 번들 (12) 로 결정됨) 의 폭 (B) 의 30 내지 70 % 만큼, 특히 약 50 % 만큼 편심되도록 선택된다.
이제 SO2 함유 가스가 가스 공급 개구 (6) 를 통해서 챔버 (2) 안으로 도입될 때, 이 가스는 가스 공간 (15) 에 확산되고, 그리고 후속하여 튜브 번들 (12) 의 튜브들 (14) 사이에서 내부 공간 (16) 안으로 방사방향으로 유동된다. 챔버 케이싱 (13) 에 대한 튜브 번들의 편심된 배치 때문에, 가스의 균일한 방사방향 유동이 튜브 번들 (12) 의 전체 원주에 걸쳐서 얻어진다. 결과적으로, 튜브 번들의 전체 원주에 걸친 균일한 열 전달 및 따라서 더욱 효과적인 열 교환이 얻어진다.
튜브 번들 (12) 안에서 유동되는 가스와 열 교환에 의해서 가열되고, 내부 공간 (16) 안으로 들어가는 SO2 함유 가스는 가스 배출 튜브 (3) 를 통해서 수직 열-교환부 (4) 안으로 도입되고, 그리고 주로 위로부터 수직 열-교환부 (4) 안으로 도입되는 SO3 함유 가스에 대한 역류로 더 가열된다.
1 열 교환기 2 챔버
3 가스 배출 튜브 4 수직 열-교환부
5 베어링 6 가스 공급 개구
7 디스크 및 도넛 열 교환기
8, 9 커버들 10 튜브 번들
11 디스크들 12 튜브 번들
13 챔버 케이싱 14 튜브들
15 가스 공간 16 내부 공간
17 튜브 플레이트들 18 배출 출구
A 챔버 (2) 의 메인 축선
B 가스 공간 (15) 의 폭
ZK 챔버 (2) 의 중심
ZR 튜브 번들 (12) 의 중심

Claims (9)

  1. 특히 황산 플랜트의 접촉 그룹 (contact group) 에서 이용을 위한 열 교환기 (1) 로서,
    튜브 번들 (12) 이 원형 고리상으로 안에 배치되는 챔버 (2) 로서, 상기 튜브 번들 (12) 과 상기 튜브 번들 (12) 을 둘러싸는 챔버 케이싱 (13) 사이에 가스 공간 (15) 이 형성되는, 상기 챔버,
    상기 튜브 번들 (12) 에 실질적으로 방사방향으로 가스를 상기 가스 공간 (15) 안으로 도입하기 위해 상기 챔버 케이싱 (13) 에 제공되는 가스 공급 개구 (6), 및
    실질적으로 축선방향으로 상기 튜브 번들 (12) 에 의해서 둘러싸인 내부 공간 (16) 에 인접한 가스 출구 개구를 구비하는, 상기 특히 황산 플랜트의 접촉 그룹 (contact group) 에서 이용을 위한 열 교환기 (1) 에 있어서,
    상기 튜브 번들 (12) 의 중심 (ZR) 은 상기 챔버 케이싱 (13) 의 중심 (ZK) 에 대해서 상기 가스 공급 개구 (6) 에 반대 방향으로 편심 (offset) 되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜브 번들 (12) 의 상기 중심은 중심에 있는 상기 가스 공간 (15) 의 폭 (B) 의 30 내지 70 % 만큼 상기 챔버 케이싱 (13) 의 중심 (ZK) 에 대해서 편심되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가스 공급 개구 (6) 는 타원형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 공급 개구 (6) 의 최대 직경은 축선방향으로 상기 튜브 번들 (12) 을 규정하는 튜브 플레이트들 (17) 의 거리의 70 내지 95 % 에 달하는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버 (2) 의 메인 축선 (A) 은 실질적으로 수평으로 배향되는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    배수 출구 (18) 가 상기 챔버 (2) 에 제공되는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 교환기 (1) 의 상기 챔버 (2) 는 상기 열 교환기 (1) 의 열 교환 표면의 약 10 내지 30 % 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버 (2) 의 상기 가스 출구 개구에 후속하여 수직 열 교환부 (4) 가 제공되며, 상기 수직 열 교환부에는 복수의 튜브들이 실질적으로 수직 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수직 열 교환부 (4) 는 상기 열 교환기 (1) 의 열 교환 표면의 약 70 내지 90 % 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
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