KR20200107946A

KR20200107946A - 내부식성 튜브 열교환기

Info

Publication number: KR20200107946A
Application number: KR1020207018602A
Authority: KR
Inventors: 야즈디 세이드 아마드 파니; 악셀 슐츠
Original assignee: 휴고 피터슨 게엠베하
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2019-01-11
Publication date: 2020-09-16
Also published as: AU2019207867B2; EP3737904B1; ES2910428T3; CL2020001809A1; WO2019138065A1; MX2020007347A; AU2019207867A1; PE20210061A1; EP3737904A1; DE202018100156U1; BR112020012404A2; MA51562A; KR102561192B1

Abstract

특히 황산 제조 시에 튜브들의 부식을 줄이기 위해, 본 발명은 셸 및 튜브 열교환기(1)로, 튜브 번들(2) 내 튜브들(20)의 배열이 튜브 번들(2)의 둘레와 셸 벽(41) 사이에 튜브들이 없는 외부 채널(23)을 포함하는 튜브 어레이를 획정하고; 튜브 번들(2)과 셸 벽(41) 사이에 보호판(5)이 배치되어 적어도 유입 개구(13) 반대편 영역에서 종축(43)과 평행한 튜브 번들(2)을 커버하고; 튜브 어레이는 종축(43)과 실질적으로 수직인 방향으로 튜브 번들(2)을 분할하는 적어도 하나의 빈 공간(6)을 포함하며, 빈 공간(6)은 특히 보호판(5)과 종축(43) 사이에 배치되어 있는, 셸 및 튜브 열교환기를 제공한다.

Description

내부식성 튜브 열교환기

본 발명은 청구항 제1항에 따른 부식으로부터 보호되는 셸 및 튜브 열교환기에 관한 것이다.

셸 및 튜브 열교환기는 셸-및-튜브 열교환기로도 알려져 있으며, 산업계에서 가장 널리 사용되는 유형의 열교환기이다. 셸 및 튜브 열교환기에서, 열전달 표면은 고온 유체 공간과 저온 유체 공간을 분리하고 있다. 하나의 유체가 튜브를 관통해(튜브 사이드) 유동하는 반면, 다른 유체는 튜브 주위(셀 측)를 유동한다. 튜브 번들이 셸 내에 배치되어 있고, 튜브 시트 내에 지지되어 있는데, 튜브 시트는 온도가 다른 두 유체가 혼합되지 않게 하기 위해 장벽을 형성하고 있다. 셸 내에서의 유속을 증가시키거나 셸 내에서 매체와 열전달 표면이 접촉하는 빈도를 증가시키기 위해 배플로도 알려져 있는 편향 세그먼트가 채용될 수 있다. 이 경우, 셸 내의 유체는 유입구와 배출구 사이에서 더 먼 거리를 지나게 된다.

방사상 유동이 있는 셸 및 튜브 열교환기는 중앙 채널로부터 반경 방향 바깥쪽으로 또는 열교환기의 셸과 튜브 번들 사이 공간으로부터 중앙 채널을 향해 균일한 유동을 제공하기 위한 것이다. 이는 크로스-유동 열교환기 같은 통상적인 셸 및 튜브 열교환기에 비해 셸 및 튜브 열교환기 내에 더 작은 기계적 스트레인과 더 낮은 압력 손실을 제공한다. 이는 셸-측 유입구 및 배출구의 방향 선택에 자유를 제공할 뿐만 아니라 튜브 번들을 더 컴팩트하게 할 수 있도록 한다.

이러한 셸 및 튜브 열교환기는 광범위한 영역에서 적용되며, 특히 황산 합성 분야에 채용된다. 황산을 제조할 때, 먼저 SO₃가 생산되고 그런 다음 묽은 황산에 흡수된다. 이어서, 흡수 공정에서 형성된 황산을 물을 사용하여 소망하는 농도로 희석시킨다.

이중 접촉 프로세스에 따라 황산 합성을 위한 시스템을 사용할 때, SO3 함유 가스가 중간 흡수 타워를 통과한다. 이 유닛 내에서, SO3 가스가 황산에 흡수된다. 이 흡수 타워 하류에서의 공정 가스 배출 온도는 50℃ 내지 120℃, 바람직하게는 80℃일 수 있다. 가스 온도는 후속 접촉 공정에서 촉매의 점화 온도까지 재-상승되어야 한다. 이 온도는 촉매가 달라짐에 따라 달라질 수 있다. 셸 및 튜브 열교환기를 사용하여 회수되는, 공급 가스로부터 중간 흡수 타워로 전달되는 열은 중간 흡수 타워로부터 공정 가스로 공급된다. 이 경우, 혼입된 황산 입자들이 채용된 히팅 매체가 지나가는 튜브와 접촉하게 된다.

여기서 문제는 튜브들이 고온에서 매우 공격적인 매체에 노출된다는 것이다. 이에 따라 재-가열은 통상적으로 두 단계로 완수된다. 1 단계에서, 소위 희생 튜브 번들을 포함하는 소형 열교환기를 사용하여 공정 가스를 과열시키고, 2 단계에서, 대형 열교환기를 사용하여 최종 온도로 조절한다. Douglas Louie(Douglas K. Louie의 Handbook of sulfuric acid manufacturing, Second Edition, ISBN: 978-0-9738992-0-7; p. 3-55)에 따른 이러한 시스템이 도 1에 도시되어 있다.

이러한 셸 및 튜브 열교환기의 단점은 공격적이거나 부식성 매체가 도입되는 경우, 이들 매체가 셀-측 유입구를 통해 유입된 후 튜브와 직접 접촉하여 튜브를 열화시켜서, 튜브 번들이 정기적으로 새로운 튜브 번들로 교체되어야 한다는 것이다. 이는 재료와 생산 비용이 높아지며 또한 각 교체 시기 때마다 생산 공정이 정지되어야 한다는 것을 암시한다.

도 2 및 도 3은 가스 유입구 근방에서 셸 및 튜브 열교환기가 천공판에 의해 커버되어 있는 다른 종래 기술의 장치를 도시하고 있다. 이는 실제로 튜브와 유입되는 부식성 매체와의 접촉을 어느 정도 줄여주기는 하지만, 장시간 조업하는 동안 튜브를 부식으로부터 보호를 보장하지는 못한다. 또한, 셸의 하부 영역에서 농축 부식성 액체가 축적됨으로 인해 다른 문제가 야기된다.

본 발명의 목적은 개선된 셸 및 튜브 열교환기를 제공하는 것이다. 좀 더 상세하게는, 본 발명의 목적은 예를 들어 응축된 액체 또는 유체 입자로 된 부식성 에어로졸을 포함하는 공정 가스가 셸 내로 유입되는 분야 특히 황산 제조 공정에 열교환기가 사용될 때, 튜브의 부식을 줄이는 것이다.

이들 목적은 놀랍게도 청구항 제1항에 따른 셸 및 튜브 열교환기를 사용하여 단순한 방식으로 달성된다. 유리한 실시형태들이 종속 청구항들에 기재되어 있다.

본 발명은, 셸 내에 배치되어 있는 복수의 튜브들로 이루어진 튜브 번들을 포함하는 셸 및 튜브 열교환기로, 상기 셸은 바깥이 셸 벽으로 둘러싸여 있고, 셸을 중앙으로 통과하여 연장하는 종축을 획정하며, 상기 종축과 실질적으로 평행하게 제공되며, 조업하는 중에 종축과 실질적으로 수직으로 유체가 유입되는 유입 개구를 구비하며, 튜브 번들 내 튜브들의 배열은 셸 벽과 튜브 번들의 둘레 사이에 튜브가 없는 외부 채널을 포함하는 튜브 어레이를 획정하고, 튜브 번들과 셸 벽 사이에 보호판이 배치되어서 적어도 유입 개구 반대편 영역에서 종축과 평행한 튜브 번들을 커버하고, 튜브 어레이는 튜브 번들을 종축과 실질적으로 수직하는 방향으로 분할하는 적어도 하나의 빈 공간을 포함하며, 빈 공간은 특히 보호판과 종축 사이에 위치하는 셸 및 튜브 열교환기를 제공한다.

이에 따라, 본 발명은 유입 개구를 통해 유입되는 액체 입자들이 튜브 번들로부터 멀리 유지될 수 있게 한다. 특히, 본 발명의 범위 내에서, 유입되는 액체 입자는 튜브 번들 유위를 향하는 것이 바람직하다. 이에 따라 본 발명은 예를 들어 황산 합성에서 튜브 번들이 정기적으로 마멸되어 새로운 것으로 교체되는 정도로 부식 분위기에 노출되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 재료와 비용을 절감할 수 있게 된다.

열교환기의 셸 및 보호판이 냉각 매체 내에 이에 따라 저온 영역에 수용되어 있다. 그 결과, 열교환기의 셸 및 보호판이 실질적으로 부식되지 않는다.

보호판의 형상은 특히 튜브 번들의 외부 형상에 부합되게 되어 있다. 튜브 번들의 단면이 원형인 경우, 보호판은 종축의 반경 방향으로 보았을 때, 반지름이 종축으로부터 튜브 어레이의 최외각 튜브의 가장 긴 거리 이상인 원형 호를 따라 연장하는 것이 바람직하다. 이에 따라 보호판은 튜브 번들과 직접 접촉하게 배치될 수 있다.

본 발명의 맥락에서, 보호판은 튜브들로부터 떨어지게 장착되는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 보호판이 저온에 놓여서 부식되지 않는 것을 더욱 용이하게 보장할 수 있게 된다. 다른 대응 실시형태에서, 보호판은 적어도 하나 바람직하게는 2개의 스페이서를 구비한다. 스페이서들은 보호판을 튜브 번들에 대해 셸 및 튜브 열교환기 내에 배치하기 위해 그리고 종축에 대해 소정의 방식으로 배치하기 위해 구성된다. 예를 들면, 스페이서들은 종축에 대해 반경 방향으로 연장하는 스트립 형태일 수 있으며, 특히 종축과 평행하게 연장하는 외각 에지 근방에서 보호판에 부착되어 있거나 예를 들면 대략적으로 충분히 큰 크기의 판을 구부려서 보호판과 일체로 형성될 수 있다. 스페이서들은 예를 들어 적어도 하나의 튜브 시트에 연결될 수 있다.

본 발명에 따르면, 튜브 어레이는 종축과 실질적으로 수직인 방향으로 튜브 번들을 분할하는 적어도 하나의 빈 공간을 포함하며, 특히 빈 공간이 보호판과 종축 사이에 위치하는 구성이 상정된다. 빈 공간은 원래는 빈 공간 외부 영역에서 튜브 어레이 내에 튜브들이 분포되는 바에 따라 튜브들이 존재해야 하는 공간임에도 튜브들이 존재하지 않는 것으로 구별된다. 보호판을 사용함으로써, 튜브들 주위로 흐르는 셸-측 유체가 초기에는 유입 개구를 통해 셸 및 튜브 열교환기 내로 유입된 후 외부 채널 내로 그리고 튜브 번들 주위를 향하게 되며, 튜브들이 셸 측 위를 흐르는 유체와 실질적으로 접촉하지 않기 때문에 이 영역에 배치되어 있는 튜브들은 열전달에 거의 기여하지 않게 된다. 따라서 이들 튜브를 생략할 수 있는 것으로 입증되었다. 이렇게 함으로써 본 발명을 사용하여 추가로 재료와 비용을 절감할 수 있게 된다.

셸 및 튜브 열교환기에서 셸-측 유동 유체를 용이하게 배출하기 위해, 추가의 실시형태에 따르면 셸 및 튜브 열교환기가 종축 주위에 튜브들이 결여되어 있는 내부 채널을 구비하는 것을 고려할 수 있다. 튜브들 주위를 유동한 후에, 셸 측 위를 유동하는 유체는 내부 채널로부터 총체적으로 배출될 수 있다.

빈 공간이 외부 채널과 내부 채널 사이에 연장하면, 재료를 상당히 절감할 수 있게 된다.

본 발명의 유리한 실시형태에 따르면, 셸 및 튜브 열교환기는 단일 챔버를 구비한다. 예를 들면, 셸 측 위를 유동하는 유체용 배출구가 바람직하는 구성이 동일한 하류의 셸 및 튜브 열교환기의 유입구에 연결되기에 적합하게 구성됨으로써, 셸 및 튜브 열교환기는 멀티-파트 셸 및 튜브 열교환기용 모듈로 설계될 수 있다. 이렇게 함으로써 복수의 셸 및 튜브 열교환기를 시리즈로 연결하여서, 전달되는 열에 대한 변화하는 요건에 유연하게 맞출 수 있게 된다.

열전달 구배가 가능하면 최대인 긴 유동 경로를 달성할 수 있도록 하기 위해, 본 발명의 추가의 실시형태의 셸 및 튜브 열교환기는 단일 튜브 번들 주위에 둘 이상 바람직하게는 최대 12개의 챔버를 구비하며, 이웃하는 챔버들 사이에 배치되어 있는 셸 유체용 적어도 하나의 편향 세그먼트가 있다, 이러한 셸 및 튜브 열교환기이 작동하는 중에, 셸 유체가 보호판을 포함하는 제1 챔버 내로 유입되고, 이 챔버와 이웃하는 챔버 사이에 편향 세그먼트가 위치하고 있다. 편향 세그먼트는 튜브 어레이와 반대로 대응되는 종축과 수직인 면을 구비하는 시트로 구성되어 있다. 시트는 이 면의 내부 영역 절개부 또는 외부 영역 절개부를 구비한다. 더욱 상세하게는, 내부 영역의 단면 형상은 내부 채널의 단면 형상에 사실상 대응하고, 외부 영역의 단면 형상은 외부 채널의 단면 형상에 사실상 대응한다.

본 발명의 맥락에서, 튜브 번들이 종축에 대해 동심으로 배치될 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태에서, 튜브 번들이 종축에 대해 편심으로 배치되어, 셸 내에서 유동에 영향을 주는 추가적인 옵션이 튜브 번들의 배열에 의해 생성된다.

또한 본 발명은 전술한 셸 및 튜브 열교환기용 튜브 번들 및 보호판을 제공한다. 보호판이 별도로 제작되어 판매되는 것처럼 그러한 튜브 번들도 별도로 제작되어 판매될 수 있다. 전체 열교환기의 최종 조립은 적용 사이트에서만 완수될 수 있는데 예를 들어 셸 내로 설치하고 유입구와 배출구를 연결 존을 위한 연결부위에 장착함으로써 완수된다.

튜브 어레이 내에서, 튜브 번들 내 튜브들은 적어도 그 섹션에서 서로에 대해 정렬될 수 있고 및/또는 적어도 그 섹션에서 서로로부터 오프셋될 수 있고 및/또는 적어도 그 섹션에서 종축에 대해 반경 방향으로 배향될 수 있다. 튜브들 서로에 대해 튜브를 배열하기 위한 본 발명의 범주 내에 속하는 다른 가능성은, 오프셋 배열의 특별한 구현 즉 종축에서 보았을 때 튜브들이 곡선형 경로 상에 배치되는 방식으로 서로 앞뒤로 시리즈로 배열되는 것이다. 이 구조는, 튜브들의 복합 벽이 형성되어 튜브들의 중심점들이 종축 주위에 편심 원 상에 위치할 때 달성된다.

이 유형의 바람직한 실시형태에서, 본 발명의 튜브 번들은 튜브들의 중심점들이 적어도 세 원 위에 위치하게 튜브들이 배치되되, 한 원의 튜브의 중심점과 이웃하는 직경이 더 큰 원 내의 튜브의 중심점 그리고 이웃하는 직경이 더 큰 원의 중심점을 연결하는 선이 곡선형 경로를 이루는 방식으로 배치되어 있는 적어도 하나의 영역을 포함한다. 이 방식으로, 본 발명은 이웃하는 원들 위에 특별히 근접 패킹되게 튜브들을 배치할 수 있게 되는데, 이는 적당한 치수의 튜브 간격으로, 튜브들의 중심점들이 배치되어 있는 원들 사이의 거리가 튜브들 반경보다 작게 선택될 수 있기 때문이다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 종축의 반경 방향으로 보았을 때, 튜브 번들이 단위 면적 당 튜브 수 및/또는 튜브 외경 및/또는 튜브 서로의 간격 및/또는 튜브들 서로에 대한 배열이 다른 적어도 2개의 튜브 번들 부분을 포함하는 구성이 고려된다. 이 방식으로, 셸 및 튜브 열교환기의 셸 치수를 일정하게 유지하면서, 열 교환 표면적이 다른 사양들에 유연하게 맞춰질 수 있다.

본 발명에 따른 셸 및 튜브 열교환기는 원리적으로 기상 매체뿐만 아니라 에어로졸 또는 습한 증기 같이 액체 성분을 포함하는 유체에 사용될 수 있다. 본 발명에 의해 열 교환 표면적이 상대적으로 크게 될 수 있기 때문에, 셸 및 튜브 열교환기가 가스-가스 열교환기로 적용될 때에 특히 유리할 수 있다. 즉 두 실질적으로 기상 유체들 사이에 열 교환하는 데에 적용될 때에 특히 유리할 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 셸 및 튜브 열교환기는 고온의 배기가스 스트림으로부터 열을 회수하는 데에 사용될 수 있다. 특별한 적용 분야는 황산(H₂SO₄)을 합성하는 공정에 사용되는 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 셸 및 튜브 열교환기를 포함하는 장치의 개략적인 종단면도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 셸 및 튜브 열교환기를 포함하는 장치의 개략적인 종단면도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 셸 및 튜브 열교환기를 포함하는 장치의 개략적인 종단면도이다.
도 4는 하나의 챔버를 포함하는, 본 발명에 따른 셸 및 튜브 열교환기의 개략적인 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 셸 및 튜브 열교환기를 구비하는 장치의 개략적인 종단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 셸 및 튜브 열교환기를 구비하는 장치의 개략적인 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 셸 및 튜브 열교환기의 개략적인 종단면도이다.

이하에서 첨부된 도면들을 참고로 하여 예시적인 실시형태로 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 도면부호로 지시되어 있으며, 다른 예시적 실시형태의 피처들은 서로가 조합될 수 있다.

설명을 목적으로, 도면에서의 화살표들은 본 발명의 셸 및 튜브 열교환기가 작동하는 동인에 순서에 따라 발생되는 셸 유체의 유동 방향과 튜브 유체의 유동 방향을 부분적으로 가리킨다. 셸 및 튜브 열교환기(1)는 셸(4)을 관통하여 중앙으로 연장하는 종축(43)을 정의하고, 종축과 실질적으로 평행하게 배치되어 있는 유입 개구(13)를 구비하며, 셸 및 튜브 열교환기가 작동하는 중에 종축(43)에 거의 수직으로 유입 개구(13)를 통해 셸(4) 내로 유체가 유입된다. 이것이 도 4 및 도 5에 각각 도시되어 있다.

튜브 번들(2) 내 튜브(20)의 배치는 튜브 번들(2)의 둘레와 셀 벽(41) 사이에 튜브(20)가 없는 외부 채널(23)을 포함하는 튜브 어레이를 획정한다.

도 1, 도 2 및 도 3에 도시되어 있는 종래 기술의 셸 및 튜브 열교환기와는 달리, 본 발명에 따른 열교환기(1)는 튜브 번들(2)을 부분적으로 둘러싸게 배치되어 있는 보호판(5)을 포함한다. 도 4에 도시되어 있는 실시형태에서, 보호판(5)은 유입 개구(13) 반대편 영역에서 튜브 번들(2)이 개구(13)를 통해 유입되는 유체와 직접 접촉하지 않게 차폐한다. 도시되어 있는 실시형태에서, 보호판(5)은 보호판의 양 단부 근방에 2개의 스페이서(51)를 포함한다. 이들 스페이서(51)는 튜브 번들의 종축(24)의 반경 방향으로 측정되는 길이를 구비하는데, 이 길이는 튜브 번들(2)의 최외각 튜브(20)의 가장 큰 거리 D_최대보다 보호판(5)이 튜브 번들(2) 주위에 고정될 수 있게 하기에 충분한 양만큼 크다.

본 발명에 따르면, 튜브 어레이는 튜브 번들(2)을 실질적으로 종축(43)과 수직인 방향으로 분할하는 빈 공간(6)을 또한 포함한다. 이 빈 공간(6)은 보호판(5)과 종축(43) 사이에 위치하고 있다.

본 발명에 따르면, 튜브 어레이는 가장 단순한 케이스로 방사형(radial shape)일 수 있다. 즉 튜브 어레이는 도시되어 있는 실시 예에서 원형일 수 있다. 특히 튜브들(20)은 원 둘레 전체에 배치되어 있지 않고, 자유 갭(6)이 남겨져 있다. 이 갭(6)은 튜브들(20)이 없는 것으로 구별되는 빈 공간을 나타낸다. 그렇지 않다면, 이 빈 공간(6) 외부의 영역(25)에서와 같이 튜브 어레이로 튜브들(20)이 분산되어 있는 것에 따라 튜브들(20)이 존재하게 된다.

도시되어 있는 실시형태에서, 튜브 번들(2)의 종축(24)은 셸(4)의 종축(43)에 대해 오프셋 되어서, 번들이 셸 및 튜브 열교환기의 종축(43)에 대해 편심되게 배치되어 있다. 튜브 번들(2)이 셸(4) 내에 동심으로 배치되어 있다면, 그 종축(24)은 셸의 종축(43)과 일치할 것이다. 통상의 기술자라면, 더 상세하게 설명하지 않더라도 그 또는 그녀의 전문 지식에 기초하여 적당하고 의미 있는 방식으로 종축에 대한 특징을 잘 이해할 것이다.

액체가 로딩되어 있는 기상 유체가 유입 개구(13)를 통해 셸 및 튜브 열교환기(1)로 유입되면, 이 액체는 조업 중에 냉각됨에 따라 응축될 수 있다. 발생되는 액적들은 셸 벽(41)의 내면으로 이동되어 거기에서 흘러내릴 것이다. 도 5에 도시되어 있는 본 발명에 따른 셸 및 튜브 열교환기(1)의 개략적인 단면도에서와 같이, 액체는 조업 중에 하부에 축적되고, 적당한 배출구(15)를 통해 배출될 수 있다.

셸 내로 유입되는 유체와 함께 도입되는 액적 예를 들어 산성 액적은 종축 방향으로 보았을 때 바깥쪽을 향하게 되며, 이에 따라 셸 벽(41)의 내면을 향하게 된다. 셸과 보호판(5)이 원형이기 때문에, 유입 개구(13)를 통해 본 발명의 셸 및 튜브 열교환기(1) 내로 유입되는 유체는 대략적으로 원형 경로를 따라 지향되어, 사이클론 효과가 발생된다. 그 결과, 그러한 액적들이 가스 스트림으로부터 분리되어 이 내면을 따라 필름으로 흘러나온다. 액체는 바닥에 수집되어 각 배출구 또는 바닥 배수구(15)를 통해 배출될 수 있다.

이 방식으로, 부식성 액체가 가스 스트림으로부터 분리된다. 셸 재료를 적당한 소재로 선택함으로써 셸 내 부식이 방지될 수 있다. 셸 벽은 열교환기의 냉 측(cold side)에 위치하고 있고, 이에 따라 내식성이 있는 많은 소재들이 이 온도 영역에 있게 된다. 이 방식으로 고온의 튜브 벽은 건조한 상태를 유지하여 부식되지 않게 된다. 따라서, 마모성 있는 열교환기를 장기간 내구성 있는 열교환기로 변환할 수 있으며, 이에 따라 신규한 장비 조달 비용과 마모성 있는 열교환기 교체를 위한 생산 중단 시간이 제거될 수 있다. 이들 열교환기의 셸에서 배출되는 가스는 과열되어서, 장비 하류를 부식시킬 위험이 없어서 궁극적으로 장비 하류에 소재를 더 비용 효율적인 재료로 선택할 수 있게 된다.

본 발명의 바람직한 적용에서, 셸 및 튜브 열교환기(1)의 종축(43)이 중력 방향에 기본적으로 수직이 되게 셸 및 튜브 열교환기(1)가 위치된다. 즉, 셸 및 튜브 열교환기(1)는 튜브 번들이 수평 방향으로 연장하는 상태로 작동한다.

이러한 적용이 도 6에 도시되어 있다. 여기서, 열교환기는 본 발명의 셸 및 튜브 열교환기(1)와 수직으로 배치되어 있는 제2 셸 및 튜브 열교환기와 조합되어 작동된다. 열교환기들이 서로에 대해 반드시 수직으로 배치되어야 하는 것은 아니며, 예를 들어 열교환기들이 아래위로 배치될 수 있다. 다른 실시형태에서, 열교환기들은 분리되어 있는 2개의 열교환기로 서로 인접하여 배치될 수 있다. 다른 실시형태에서, 전술한 바와 같이 수평방향으로 연장하는 열교환기가 수직으로 배치될 수 있으며, 응축되거나 분리된 액체는 하부 튜브 시트에 부착되어 있는 환형 채널 또는 트러프를 통해 배출될 수 있다.

본 발명의 셸 및 튜브 열교환기(1)를 수평 방향으로 사용함으로써, 예상치 못한 상황에서 쉽게 접근하여 유지보수할 수 있으며, 또한 간단하게 교체할 수 있어서, 신속하면서도 저렴하게 이러한 작업을 수행할 수 있게 된다.

도 6에 도시되어 있는 실시형태의 본 발명의 셸 및 튜브 열교환기(1)의 열전달 표면적은 다소 작아서, 10K 내지 50K 사이 바람직하게는 15K 내지 25K 사이 범위의 온도 차이를 달성하게 된다. 따라서, 튜브 숫자가 적어서 비용을 절감할 수 있게 된다. 이들 몇몇의 튜브들의 직경은 상대적으로 크게 선택된다. 각각의 특정 파라미터에 대한 기준 파라미터는 도 4에 도시되어 있는 구조에 따라 수직 배향 열교환기의 대응 치수이다. 황산 합성에 있어서, 이 시스템은 황산의 이슬점이 가스 배출구에서 절대 달성되지 않도록 설계된다.

본 발명에 따른 셸 및 튜브 열교환기용으로 선택된 재료는 조업 중에 각 요건을 만족시키게 설계된 내식성 스테인리스강이다.

본 발명은 열교환기의 튜브 번들에 대해 접선 및 반경 방향으로 최적화된 유체 유동 특히 최적화된 가스 유동을 제공한다. 황산 합성과 관련하여 사용될 때, 응축된 산이 수직 방향으로 정렬되기 때문에, 튜브의 연결점에서 축적되는 것이 방지될 수 있다.

도 7에 도시되어 있는 실시형태에서, 튜브 번들은 빈 공간(6)이 있는 셸 내에 배치되되, 빈 공간(6)이 가스 배출구 근방에 위치되는 방식으로 배치되어 있다. 보호판(5)은 유동 방향으로 보았을 때 튜브 번들(2)의 튜브들(20)의 가스 유입 상류 근방에 배치되어 있다. 그 안에 개구들이 배치되어 있을 수 있다. 개구들을 통해 유입 가스가 튜브 번들의 튜브들(20) 사이를 향하게 된다. 빈 공간(6)의 영역에서 즉 튜브들이 없는 셸 및 튜브 열교환기 부분에서 가스가 배출된다. 이를 위해, 도 7에 도시되어 있는 실시형태에서는 2개의 배출구(15)가 제공되어 있다.

통상의 기술자라면 본 발명이 위에 기재되어 있는 예시들로 한정되지 않고 다양한 방식으로 변형될 수 있다는 것을 잘 알고 있을 것이다. 각 예시들에 개별적으로 도시되어 있는 피처들은 특히 서로 조합되거나 교환될 수 있다.

1　　　　　　셸 및 튜브 열교환기(shell and tube heat exchanger)
13　　　　　유입 개구, 셸 유체용 공급, 공급 수단
14　　　　　배출 기구, 셸 유체용 배출구, 배출 수단
15　　　　　배출구, 하부 배수구
2　　　　　　튜브 번들
20　　　　　튜브
21　　　　　내부 채널
23　　　　　외부 채널
25　　　　　빈 공간이 아닌 튜브 어레이 영역
3　　　　　　튜브 시트
4　　　　　　셸
41　　　　　셸 벽
43　　　　　셸의 종축
5　　　　　　보호판
51　　　　　스페이서
6　　　　　　빈 공간, 갭
D_최대　　　종축으로부터 튜브 어레이의 최외각 튜브의 최장 거리

Claims

셸(4) 내에 배치되어 있는 복수의 튜브들(20)로 이루어진 튜브 번들(2)을 포함하는 셸 및 튜브 열교환기(1)로,
상기 셸(4)은 바깥이 셸 벽(41)으로 둘러싸여 있고,
셸(4)을 중앙으로 통과하여 연장하는 종축(43)을 획정하며,
상기 종축(43)과 실질적으로 평행하게 제공되며, 조업하는 중에 종축과 실질적으로 수직으로 유체가 유입되는 유입 개구(13)를 구비하며,
튜브 번들(2) 내 튜브들(20)의 배열은 셸 벽(41)과 튜브 번들(2)의 둘레 사이에 튜브가 없는 외부 채널(23)을 포함하는 튜브 어레이를 획정하고,
튜브 번들(2)과 셸 벽(41) 사이에 보호판(5)이 배치되어서 적어도 유입 개구(13) 반대편 영역에서 종축(43)과 평행한 튜브 번들(2)을 커버하고,
튜브 어레이는 튜브 번들(2)을 종축(43)과 실질적으로 수직하는 방향으로 분할하는 적어도 하나의 빈 공간(6)을 포함하며, 빈 공간(6)은 특히 보호판(5)과 종축(43) 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 셸 및 튜브 열교환기.
제1항에 있어서,
셸 및 튜브 열교환기(1)가 종축 주위에 튜브들(20)이 없는 내부 채널(21)을 포함하는 것을 특징으로 하는 셸 및 튜브 열교환기.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
빈 공간(6)이 외부 채널(23)과 내부 채널(21) 사이에서 연장하는 것을 특징으로 하는 셸 및 튜브 열교환기.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
셸 및 튜브 열교환기가 단일 챔버를 구비하는 것을 특징으로 하는 셸 및 튜브 열교환기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
셸 및 튜브 열교환기는 단일 튜브 번들(2) 주위에 둘 이상 바람직하게는 최대 12개의 챔버를 구비하고, 이웃하는 챔버들 사이에는 셸 유체용 편향 세그먼트가 배치되어 있고,
보호판(5)이 적어도 하나의 챔버 내에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 셸 및 튜브 열교환기.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
튜브 번들(2)이 종축(43)에 대해 동심으로 또는 편신으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 셸 및 튜브 열교환기.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
튜브 번들(2) 내 튜브들(20)이 적어도 튜브 번들의 섹션에서 서로에 대해 정렬되어 있고 및/또는 튜브 번들의 섹션에서 서로에 대해 오프셋되어 있고, 및/또는 튜브 번들의 섹션에서 종축에 대해 반경 방향으로 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 셸 및 튜브 열교환기.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
튜브 번들(2)은 종축(43)의 반경 방향으로 보았을 때 적어도 2개의 튜브 번들 부분을 포함하고, 이들 튜브 번들 부분은 단위 면적 당 튜브들(20) 수 및/또는 튜브들(20) 외경 및/또는 튜브들(20)의 서로에 대한 간격 및/또는 서로에 대한 튜브들(20)의 배열구조가 다른 것을 특징으로 하는 셸 및 튜브 열교환기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 셸 및 튜브 열교환기(1)용 튜브 번들(2).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 셸 및 튜브 열교환기용 또는 제9항에 따른 튜브 번들(2)용 보호판(5).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 셸 및 튜브 열교환기(1)를 가스-가스 열교환기로 특히 열 회수를 위해 사용되는 셸 및 튜브 열교환기(1)의 용도.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 셸 및 튜브 열교환기(1)를 가스-가스 열교환기로 특히 열 회수를 위해 사용하는 셸 및 튜브 열교환기(1)의 용도로, 가스-가스 열교환기가 황산 합성 공정에 사용되는 것을 특징으로 하는 셸 및 튜브 열교환기(1)의 용도.