KR20210024054A - 열교환기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열교환기 및 열 교환 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 열교환 장치 및 열교환 방법에 관한 것이다.
열 전달은 다양한 산업 분야의 많은 공정에서 중요한 부분이다. 일반적으로, 열 전달은 고온 상태에 있는 적어도 하나의 스트림 및 저온 상태에 있는 적어도 하나의 다른 스트림이 직접 방식 또는 간접 방식으로 서로 접촉하여 열 전달을 통해 가열 또는 냉각하는 것을 포함한다.
열교환기는 전형적으로 적어도 2개의 스트림 사이의 간접 열교환에 사용되는 장비이다. 특정 유형의 열교환기의 선택은 두 스트림 사이의 온도 차이, 이들 스트림의 화학적 특성 및 사용 가능한 설치 공간에 의존한다. 그럼에도 불구하고, 가장 광범위하게 사용되는 열교환기는 일반적으로 이중관형 열교환기(double pipe heat exchanger), 투관형 열교환기(shell and tube heat exchanger) 및/또는 플레이트형 열교환기(plate heat exchanger)로 기술된다. 이들 중에서, 투관형 열교환기는 거의 모든 산업에서 광범위하게 적용되는 것으로 확인된다. 투관형 열교환기는 주로 내부에 배치되는 복수의 튜브를 포함하는 쉘(shell)을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 스트림은 복수의 튜브가 튜브 번들의 형태로 함께 번들링되어 있는 튜브 주위로 흐르며, 적어도 하나의 다른 스트림은 튜브를 통해 흐른다. 이러한 스트림은 쉘 측뿐만 아니라 튜브 측에서 서로 평행류, 향류 또는 십자류 방향으로 흐를 수 있다.
JP 11013551 호는 엔진의 냉각제를 사용하여 배기 가스를 냉각하기 위한 EGR(exhaust gas recirculation)(배기 가스 재순환) 냉각기를 개시한다. 도 10은 EGR 냉각기를 개시한다. EGR 냉각기의 챔버(21)는 유입 유체의 비등을 억제하기 위해 냉각제의 연속 흐름을 위한 유입구(25)와 유출구(26)를 갖는다. 따라서, 연속 열교환 공정은 챔버(21) 내의 냉각제의 연속 흐름과 유입 유체 사이에 포함된다. JP 11013551 호는, 챔버(21)가 냉각 효율을 증가시키기 위해 더 높은 비등점을 갖는 윤활유 또는 경유 등과 같은 더 높은 비등 액체를 도입하는데 사용될 수 있음을 추가로 개시한다.
US 2013/112381 A1 호는 실린더형 쉘 내에 축방향으로 삽입되는 하나 이상의 튜브 번들을 형성하기 위해 서로 평행하게 배열되는 복수의 튜브를 포함하는 열교환 장치를 기술한다. 실린더형 쉘의 제 1 단부에 있는 하나 이상의 제 1 유입구 홀을 통해 공급되고 축방향으로 배향되는 제 1 유체는 튜브 내부로 흐르고, 제 2 유입구 홀을 통해 공급되는 제 2 유체는 원통형 쉘 내부로 흘러 튜브 벽을 통해 제 1 유체와 열전달을 수행한다. 튜브의 한쪽 단부는 제 1 유입구 홀(들)에서 튜브 플레이트에 연결되어 제 2 유체를 제 1 유체로부터 분리시킨다. 복수의 관통 홀(through hole)이 각각 구비된 적어도 2개의 충돌 플레이트(impingement plate)가 각각의 제 1 유입구 홀과 튜브 플레이트 사이에 연속하여 배치된다. 충돌 플레이트는 튜브 내부에 제 1 유체를 분배하기 위해 서로 평행하며 실린더형 쉘 중심 축에 직각이다.
GB 2 126 116 A 호는 복수의 수직 열전달 튜브, 상기 튜브의 하단을 둘러싸는 액체 유입구 플레넘(plenum), 및 상기 유입구 플레넘 내에 위치되며 이를 통해 다수의 오리피스를 갖는 분배기 플레이트를 포함하는 증발기를 기술하며, 상기 분배기 플레이트는 튜브의 유입구 단부로부터 이격되어 상기 유입구를 상호 연결하여 십자 흐름을 허용하는 매니폴드를 정의한다.
EP 1586 370 A2 호는, 재킷 튜브 반응기(2), 튜브의 번들 및 측면 유출구에 직접 연결된 별도의 최종 냉각기(after cooler)(3)를 포함하는, 촉매 기상 반응을 수행하기 위한 반응기 장치를 기술하고 있으며, 여기서 상기 애프터 쿨러의 단면적은 상기 재킷의 단면적과 본질적으로 일치하며 이들 두 단면적은 많은 수로 대향하여 쌍을 이루고 있다.
거의 모든 종류의 스트림이 온도와 관계없이 투관형 열교환기에서 냉각되거나 가열될 수 있지만, 이러한 열교환기는 스트림 사이에서 효율적인 열교환이 일어나지 않는 일부 조건이 있다. 이러한 조건 중 하나는 교환기의 일측, 즉 튜브측 상의 흐름이 비등점에 근접할 때 발생한다. 이러한 조건에서, 교환기의 다른측 상의 스트림, 여기서는 쉘측 스트림은 튜브측 스트림을 그의 비등점까지 과도하게 가열함으로써, 튜브측 스트림의 극심한 파괴적인 비등을 유발할 수 있다. 이는 튜브 내부의 튜브측 스트림의 불균일한 분포를 야기하며, 따라서 결과적으로는 쉘측과 튜브측 스트림 사이의 비효율적인 열교환을 초래한다. 추가적으로, 이는 또한 증기 형성으로 인해 튜브측 스트림의 손실을 초래함으로써 열교환기의 운영 비용을 증가시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 튜브측 스트림의 극심한 파괴적인 비등을 초래하지 않음으로써 손실을 최소화하거나 전혀 손실없이 튜브측 스트림의 균일한 분포를 생성하는 열교환기를 제공하는 것이다.
놀랍게도, 상기 정의된 목적은 분배기 어셈블리와 열교환기의 쉘측 유출구 사이에 단열 튜브 시트(insulation tube sheet)를 삽입함으로써 달성되는 것으로 밝혀졌다. 단열 튜브 시트를 삽입하면 분배기 어셈블리와 단열 튜브 시트 사이에 유입구 단열 공간이 생성된다. 유입구 단열 공간이 생성되면 분배 어셈블리에서 튜브측 스트림의 과열과 관련된 문제가 해결될뿐만 아니라 튜브측 스트림과 쉘측 스트림 사이의 열교환에 필요한 쉘측 스트림의 양이 감소되며, 그 결과 추가 비용이 절감되고 열교환 공정을 경제적으로 만든다.
따라서, 하나의 양태에서, 본 발명은:
쉘(101);
튜브측 유입구(106) 및 튜브측 유출구(107);
쉘측 유입구(105) 및 쉘측 유출구(104);
복수의 튜브(102);
분배 어셈블리(108);
유입구 튜브 시트(114) 및 유출구 튜브 시트(112); 및
단열 튜브 시트(103)
를 포함하는 열교환기(100)에 관한 것으로,
여기서,
상기 단열 튜브 시트(103)는 상기 분배기 어셈블리(108)와 쉘측 유출구(104) 사이에 배열되어 그들 사이에 단열 공간(109)을 생성하며; 상기 튜브(102)는 상기 분배기 어셈블리(108)와 유출구 튜브 시트(112) 사이에서 쉘(101)의 내측에 장착되고 상기 분배기 어셈블리(108) 및 상기 튜브측 유출구(107)를 통해 상기 튜브측 유입구(106)와 연통한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은:
i. 튜브측 스트림을 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)에 공급하는 단계,
ii. 상기 튜브측 스트림을 상기 복수의 튜브(102)에 통과시키는 단계,
iii. 쉘측 스트림을 상기 쉘측 유입구(105)를 통해 공급하는 단계, 및
iv. 상기 복수의 튜브(102) 내의 튜브측 스트림 사이의 열을 쉘측 스트림과 교환하는 단계
를 포함하는, 상기 열교환기를 사용하여 열을 교환하는 방법에 관한 것으로,
여기서,
상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 액체 성분 중 적어도 하나의 온도는 그의 비등점 근처에 있으며;
상기 쉘측 유입구(105)를 통해 유입되는 쉘측 스트림의 온도는 상기 분배 어셈블리(108)에서 튜브측 스트림의 액체 성분 중 적어도 하나의 온도보다 더 높다.
또 다른 양태에서, 본 발명은:
i. 튜브측 스트림을 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)에 공급하는 단계,
ii. 상기 튜브측 스트림을 내벽을 갖는 상기 복수의 튜브(102)에 통과시키고 내벽을 따라 튜브측 스트림의 필름을 형성하는 단계,
iii. 쉘측 스트림을 상기 쉘측 유입구(105)를 통해 공급하는 단계,
iv. 상기 복수의 튜브(102) 내의 튜브측 스트림 사이의 열을 쉘측 스트림과 교환하는 단계, 및
v. 상기 쉘의 상기 튜브측 유출구(107)를 통해 농축된 스트림을 수득하는 단계
를 포함하는, 본원에서 기술되는 바와 같은 강하 필름 열교환기(falling film heat exchanger)를 사용하여 액체를 농축하는 방법에 관한 것으로;
여기서,
상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 온도는 그의 비등점 근처에 있으며;
상기 쉘측 유입구(105)를 통해 유입되는 쉘측 스트림의 온도는 상기 분배 어셈블리(108)에서 튜브측 스트림의 온도보다 더 높다.
본 발명은 첨부된 도면과 함께 기술된다:
도 1은 본 발명에 따른 열교환기를 나타내는 개략도이다.
도 2는 복수의 튜브 개구를 나타내는 분배기 플레이트의 확대 평면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 열교환기를 나타내는 개략도이다.
도 2는 복수의 튜브 개구를 나타내는 분배기 플레이트의 확대 평면도이다.
이하의 설명은 단지 예시적인 실시형태를 제공하며, 본 개시내용의 범위, 적용 가능성 또는 구성을 제한하려는 의도가 아니다. 그보다는 오히려, 예시적인 실시형태들의 이하의 설명은 하나 이상의 예시적인 실시형태들을 구현하기 위한 가능한 설명을 당업자에게 제공할 것이다. 첨부된 특허청구범위에 설명된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고서 요소의 기능 및 배열에서 다양한 변경이 이루어질 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 본원에서 사용되는 용어 및 본원에서 기술되는 도면은, 특허청구되는 본 발명의 범위가 단지 첨부된 청구범위에 의해서만 제한될 것이기 때문에, 제한하려는 의도가 아닌 것으로 이해되어야 한다.
이하의 그룹이 적어도 특정 수의 실시형태를 포함하는 것으로 정의되는 경우, 이는 또한 바람직하게는 이들 실시형태로만 이루어진 그룹도 포함한다는 것을 의미한다. 또한, 상세한 설명 및 특허청구범위에서 용어 "제 1", "제 2", "제 3" 또는 "(a)", "(b)", "(c)", "(d)" 등은 유사한 요소를 구별하는데 사용되며, 필수적으로 순차적 또는 시간적 순서를 기술하는데 사용되는 것은 아니다. 이렇게 사용되는 용어는 적절한 환경에서 상호 교환 가능하며, 본원에서 기술되는 본 발명의 실시형태들은 본원에서 기술되거나 예시되는 순서와 다른 순서로 작동할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 용어 "제 1", "제 2", "제 3", 또는 "(A)", "(B)" 및 "(C)", 또는 "(a)", "(b)", "(c)", "(d)", "i", "ii" 등이 방법 또는 사용 또는 분석의 단계와 관련되는 경우, 시간 또는 시간 간격은 이들 단계들 사이에서 일관성이 없을 수 있다, 즉 즉, 상기 또는 하기에서 기술되는 바와 같이 본원에서 달리 명시되지 않는 한은, 이들 단계는 동시에 수행될 수 있거나 또는 이러한 단계들 사이에 초, 분, 시간, 일, 주, 개월 또는 심지어는 년의 시간 간격이 있을 수 있다.
또한, 명세서 전반에 걸쳐 정의되는 범위는 말단 값도 또한 포함한다, 즉, 1 내지 10의 범위는 1과 10이 모두 범위에 포함된다는 것을 의미한다. 의심의 여지를 없애기 위해, 본 출원인은 적용 가능한 법률에 따른 모든 등가물에 대한 권리를 부여받아야 한다.
본원 명세서 전반에 걸쳐 "하나의 실시형태" 또는 "실시형태"에 대한 언급은 실시형태와 관련하여 기술되는 특정의 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시형태에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본원 명세서 전반에 걸쳐 다양한 장소에서 "하나의 실시형태에서" 또는 "실시형태에서"라는 어구의 출현은 필수적으로 모두 동일한 실시형태를 지칭하는 것은 아니지만, 그럴 수도 있다. 또한, 특정의 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시형태에서 본 개시내용으로부터 당업자에게 명백한 바와 같이 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다. 또한, 본원에서 기술되는 일부 실시형태는 다른 실시형태에 포함되지 않는 다른 특징의 일부를 포함하지만, 상이한 실시형태의 특징들의 조합은 당업자들이 이해하고 있는 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있고 상이한 실시형태를 형성한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 첨부된 특허청구범위에서, 특허청구된 실시형태 중 임의의 것이 임의의 조합으로 사용될 수 있다.
구체적인 세부 사항은 실시형태의 완전한 이해를 돕기 위해 하기의 상세한 설명에서 제공된다. 그러나, 당업자는 이러한 특정의 세부 사항 없이 이러한 실시형태들이 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 시스템, 공정 및 기타 다른 요소들은 불필요한 세부 사항으로 실시형태를 모호하게 하지 않기 위해 구성 요소들이 블록도 형태로 도시될 수 있다. 다른 경우, 잘 알려진 공정, 구조 및 기술은 실시형태를 모호하게 하는 것을 피하기 위해 불필요한 세부 사항없이 도시될 수 있다.
또한, 개별 실시형태는 플로 차트, 흐름도, 데이터 흐름도, 구조도 또는 블록도로 도시되는 공정으로서 기술될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 플로 차트는 동작을 순차적인 공정으로 기술할 수 있지만, 많은 동작이 병렬로 또는 동시에 수행될 수 있다. 또한, 동작의 순서는 재정렬될 수 있다. 공정은 동작이 완료되면 종료될 수 있지만, 논의되지 않거나 도면에 포함되지 않은 추가의 단계를 가질 수 있다. 또한, 특별히 기술된 공정의 모든 동작이 모든 실시형태에서 발생할 수 있는 것은 아니다. 공정은 방법, 기능, 절차 등에 상응할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 실시형태는 적어도 부분적으로 수동 또는 자동으로 구현될 수 있다. 수동 또는 자동 구현은 기계, 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어, 마이크로코드, 하드웨어 기술 언어 또는 이들의 조합을 사용하여 실행될 수 있거나 또는 적어도 지원을 받을 수 있다.
다양한 참조 부호가 하기에 기술된다:
본 발명의 양태는 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 열교환기를 제공한다. 열교환기(100)는 다음을 포함한다:
쉘(101);
튜브측 유입구(106) 및 튜브측 유출구(107);
쉘측 유입구(105) 및 쉘측 유출구(104);
복수의 튜브(102);
분배 어셈블리(108);
유입구 튜브 시트(114) 및 유출구 튜브 시트(112); 및
단열 튜브 시트(103);
여기서,
상기 단열 튜브 시트(103)는 상기 분배기 어셈블리(108)와 쉘측 유출구(104) 사이에 배열되어 그들 사이에 단열 공간(109)을 생성하며;
상기 튜브(102)는 상기 분배기 어셈블리(108)와 유출구 튜브 시트(112) 사이에서 쉘(101)의 내측에 장착되고 상기 분배기 어셈블리(108) 및 상기 튜브측 유출구(107)를 통해 상기 튜브측 유입구(106)와 연통한다.
하나의 실시형태에서, 본 발명의 열교환기는 증발기이며, 또 다른 실시형태에서는 강하 필름 증발기이다.
쉘(101)은, 전술된 바와 같이, 임의의 미리 정의된 형상 및 크기를 갖는 열교환기의 쉘측 스트림을 위한 컨테이너 또는 용기이다. 쉘(101)은 수평 또는 수직으로 배향될 수 있으며, 당업자에게 잘 알려진 재료로 구성된다. 예를 들어, 이는 시트 금속으로 제조될 수 있다. 본 발명은 쉘(101)의 형상, 크기, 배향 및 구성 재료로 제한되지 않는다. 그러나, 하나의 실시형태에서, 열교환기는 수직으로 배치된다.
쉘(101)은 임의의 용량 및, 예를 들어 고진공에서 초고압(10 MPa 초과)까지 및 극저온에서 고온(1100℃)까지의 조건, 및 쉘측과 튜브측 스트림 사이의 임의의 온도 및 압력차에서 동작하도록 맞춤 설계될 수 있다. 예를 들어, 약 1.3 MPa의 압력 및 약 260℃, 약 0.4 MPa의 압력 및 약 150℃, 및 약 0.6 MPa의 압력 및 약 35℃의 증기가 모두 쉘측 스트림으로서 사용될 수 있다.
하나의 실시형태에서, 쉘(101)의 형상은 실린더형 또는 장방형이며, 다른 실시형태에서 쉘(101)의 형상은 실린더형이다. 쉘(101)은, 미국 열교환기공업회(Tubular Exchanger Manufacturers Association)(또한 TEMA라고도 함)에서 규정된 대로 각각 E, F, G, H, J, K, X로 명명 표기되는, 원 패스 쉘(one pass shell), 종방향 배플을 갖는 투 패스 쉘, 분류(分流)(split flow)형, 이중 분류형, 분할 흐름(divided flow)형, 케틀 타입(kettle type), 십자류(cross flow)형일 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다.
TEMA에서 규정한 바와 같이, 열교환기는 전면 헤드(front head) 및 후면 헤드(rear head)를 가지고 있다. 전면 헤드 유형은 채널 및 탈부착식 커버(A), 보닛(B), 튜브 시트 및 탈부착식 커버와 일체형 채널(C 및 N), 및 특수 고압 클로저(D)로부터 선택된다. 후면 헤드는 "A" 고정 헤드(stationary head)와 같은 고정 튜브 시트(L), "B" 고정 헤드와 같은 고정 튜브 시트(M), "C" 고정 헤드와 같은 고정 튜브 시트(N), 외측 패킹된 플로팅 헤드(floating head)(P), 백업 장치를 가진 플로팅 헤드(S) 및 풀 스루(pull through) 플로팅 헤드(T), U-튜브 번들(U) 및 랜턴 고리를 가진 패킹된 플로팅 튜브 시트(W)로부터 선택된다.
튜브측 유입구(106)는 유입을 허용하고, 튜브측 유출구(107)는 튜브측 스트림의 유출을 허용하다. 튜브측 유입구(106) 및 튜브측 유출구(107)는 사용되는 열교환기의 유형에 따라 대향측 상에 또는 동일측 상에 있을 수 있다. 예를 들어, 단순한 투관형 교환기가 사용되는 경우, 튜브측 유입구(106)는 쉘의 일측 상에 있고 튜브측 유출구(107)는 대향측 상에 있다. 열교환기가 1개의 쉘 패스(shell pass) 및 2개의 튜브 패스(tube pass)를 가진 투관형 교환기인 경우, 튜브측 유입구(106) 및 튜브측 유출구(107)는 동일측 상에 있다. 하나의 실시형태에서, 튜브측 유입구(6)는 일측 상에 있고 튜브측 유출구(107)는 쉘(101)의 대향측 상에 있다.
다른 실시형태에서, 복수의 튜브(102)는 튜브 번들을 얻기 위해 튜브 시트 또는 튜브 플레이트 상에 장착된다. 튜브 번들은 쉘(101) 내에 수용되어 쉘의 내벽과 쉘측 스트림이 순환하는 튜브 번들의 튜브의 외측 사이에 공간을 구축한다. 비록 단지 단일의 튜브 만이 도 1에 도시되어 있지만, 실제로 열교환기는 복수의 이러한 튜브를 가질 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 튜브는 모두 서로 평행하게 배열되며 양쪽 단부에서 개방된다. 튜브의 내벽은 매끄럽기 때문에 내벽을 따라 얇은 필름 형태의 튜브측 스트림의 흐름은 방해를 받거나, 감속되거나 또는 저항을 받지 않는다. 본 발명은 튜브의 선택, 그의 구성 재료, 튜브의 수 및 튜브 번들 자체에 의해 제한받지 않는다. 이들은 당업자에게 잘 알려져 있고, 이들은 튜브측 및 쉘측 스트림 및 이들 둘 사이의 온도차에 따라 변경될 수 있지만, 이에 국한되지 않는다.
전술된 열교환기의 튜브(102)의 외벽은 매끄럽거나 핀(fin)을 가지고 있으며, 일부 실시형태에서 튜브의 벽은 핀을 가지고 있다. 본 발명의 튜브는 탄소강, 구리, 애드머럴티(admiralty), 황동, 구리-니켈, 스테인리스 강, 먼츠 메탈(muntz metal), 알루미늄, 알루미늄 청동, 하스텔로이(hastalloy), 인코넬(inconel) 및 티타늄으로 제조되지만, 이에 국한되지 않는다. 튜브 번들은 직선 형상 또는 U자 형상과 같은 임의의 형상이고, 일부 실시형태에서는 직선형이지만, 이에 국한되지 않는다. 복수의 튜브는 튜브 번들을 얻기 위해 튜브 시트 상에 장착된다. 튜브 시트는 튜브 번들을 지지하기 위해 쉘(101)의 양측 상에 장착될 수 있다. 튜브 시트는 튜브 번들의 단부에서 내부 공간을 효과적으로 폐쇄한다. 쉘(101) 내부의 튜브의 수는 수십개 내지 수백개에서 일천개 초과의 범위일 수 있다. 당업자는 재료 및 장치의 목적하는 용량, 조건 및 다른 파라미터에 따라 튜브의 개수 및 치수를 결정하는 것이 일반적이다.
또 다른 실시형태에서, 쉘측 유입구(105)는 유입을 허용하고 쉘측 유출구(104)는 쉘측 스트림의 유출을 허용한다.
또 다른 실시형태에서, 튜브측 스트림은 그의 비등점에 근접한 온도를 갖는 액체이다. 튜브측 스트림은, 적어도 하나의 성분이 그의 비등점에 근접한 온도를 갖는 액체 성분의 혼합물일 수 있다. 또한, 액체 성분의 혼합물은 공비 혼합물을 형성할 수 있고, 이러한 경우, 튜브측 스트림의 온도는 상기 공비 혼합물의 비등점에 근접하는 반면, 쉘측 스트림은 증기, 열수, 오일 및 공기와 같은 단일 유체 또는 유체의 혼합물일 수 있지만, 이에 국한되지 않는다.
또 다른 실시형태에서, 본 발명의 열교환기는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 튜브측 유입구 아래에 분배 어셈블리(108)를 포함하며, 이는 튜브측 스트림이 복수의 튜브(102) 내로 유입되기 전에 분배를 도와 튜브(102)의 내벽을 따라 박막의 형성을 용이하게 한다. 분배 어셈블리에서, 하나 이상의 분배 트레이가 사용될 수 있다. 이러한 분배 트레이는 임의의 형상일 수 있지만, 일부 실시형태에서 분배 트레이는 원형 디스크를 포함한다. 분배 어셈블리(108)의 분배 트레이는 튜브측 스트림이 흐르고 분배되는 다수의 홀(1081)을 갖는다. 분배 트레이 상의 홀(1081)의 직경은 약 1 내지 100 mm, 일부 실시형태에서는 5 내지 50 mm, 또 다른 실시형태에서는 8 내지 25 mm의 범위내이다. 튜브 번들에 있는 각각의 모든 튜브의 직경은 동일한 직경을 가질 수 있거나 또는 다양할 수 있다. 분배 어셈블리(108) 상의 다수의 홀(1081)은 정방형 피치, 삼각형 피치 및 육각형 피치 상에 배치된다.
다른 실시형태에서, 열교환기는, 전술된 바와 같이, 단열 튜브 시트(103)를 포함하며, 이는 분배기 어셈블리(108)와 쉘측 유출구(104) 사이에 배열되어 분배 어셈블리(108)와 단열 튜브 시트(103) 사이에 단열 공간(109)을 생성한다. 분배 어셈블리(108)와 단열 튜브 시트(103) 사이에 생성된 단열 공간(109)은 쉘측 스트림과 접촉하는 분배 어셈블리에서 튜브측 스트림을 보호한다. 생성되는 단열 공간은 분배 어셈블리에서 극심한 파괴적인 비등으로부터 튜브측 스트림을 보호하고 그에 의해 튜브의 내벽을 따라 튜브측 스트림을 균일하게 분배하고 쉘측 스트림과 튜브측 스트림 사이에서 효율적인 열 교환을 유도한다. 또한, 이는 또한 증기 형성으로 인한 손실로부터 튜브측 스트림을 보호한다.
분배기 어셈블리(108)에 대한 단열 튜브 시트(103)의 위치는 튜브측 스트림의 온도와 비등점 및 쉘측 스트림의 온도에 기초한다. 예를 들어, 단열 튜브 시트(103)는, 튜브측 스트림의 비등점과 온도사이의 차이가 15℃, 또는 10℃ 미만인 경우 쉘측 유출구에 가깝게 배치된다. 상기 온도차가 더 커지는 경우, 단열 튜브 시트(103)는 쉘측 유출구로부터 더 멀리 배치될 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 단열 공간(109)은 액체가 공간 내에 전혀 존재하지 않도록 하기 위해 배기 노즐(110)이 장착된다. 유입구 단열 튜브 시트의 두께는 5 mm 내지 100 mm의 범위, 일부 실시형태에서는 10 mm 내지 50 mm의 범위이다. 단열 튜브 시트(103)의 형상은 쉘의 형상에 따라 다르지만, 일부 실시형태에서는 원형 디스크 형상이다.
또 다른 실시형태에서, 단열 공간(109)은 공기로 충전된다.
또 다른 실시형태에서, 단열 튜브 시트(103)는 내열성 재료 또는 금속으로 제조된다. 일부 실시형태에서, 내열성 재료는 테플론이다. 보편적인 열교환기에서, 유입구 튜브 시트(114)는 튜브측 스트림 및 쉘측 스트림 모두와 접촉하는 반면, 본 발명의 열교환기에서는 단열 튜브 시트(103)가 쉘측 스트림과 유입구 튜브 시트(114)가 접촉하는 것을 방지할 것이기 때문에 유입구 튜브 시트(114)는 단지 튜브측 스트림과만 접촉한다.
하나의 실시형태에서, 전술된 바와 같이, 열교환기는 튜브측 유출구에 제 2 단열 공간을 포함한다. 그러나, 다른 실시형태에서는, 전술된 바와 같이, 열교환기는 튜브측 유출구에는 단열 공간을 포함하지 않고 단지 튜브측 유입구에만 단열 공간을 포함한다.
다른 실시형태에서, 열교환기는 1 단 열교환기이거나 또는 열교환기의 각각의 단이 직렬로 연결된 다단 열교환기이다. 열교환기가 다단 열교환기인 경우, 단열 튜브 시트(103)는 각각의 열교환기에 대해 분배기 어셈블리(108)와 쉘측 유출구(104) 사이에 배열된다.
또 다른 실시형태에서, 열교환기는 적어도 하나의 배플(113)을 포함한다. 배플은 두 가지 중요한 기능을 제공한다. 첫째, 이들은 조립 및 작동 중에 튜브(102)를 지지하고 흐름-유발 와류로 인한 진동을 방지한다. 두 번째로, 이들은 쉘측 스트림을 튜브 번들을 가로 질러 전후좌우로 보내어 효과적인 속도 및 열 전달 속도를 제공한다. 본 발명 장치의 배플은 쉘측 유체를 쉘을 가로 질러 전후좌우로 보내기 위한 종방향 배플 또는 횡방향 배플일 수 있다. 배플은 단일 활차, 이중 활차, 오리피스, 디스크 및 도넛 유형 등일 수 있다. 본 발명은 이러한 배플의 선택으로 제한받지 않는다.
선택적으로, 하나 이상의 흐름 보조 유입구(111), 예를 들어 증기 유입구가 열교환기에 설치된다. 일부 실시형태에서, 4 내지 6개의 흐름 보조 유입구(111)가 설치되며, 이들은 증기 유입구일 수 있다. 열교환기에서, 흐름 보조제, 예를 들어 증기는 흐름 보조 유입구(111)를 통해 튜브(102) 내로 유입되는 반면, 열교환될 튜브측 스트림은 유입구(106)에서 튜브(102) 내로 유입된다. 흐름 보조제는 튜브측 스트림과 동시에 이동하여 튜브측 스트림이 가속된 속도로 튜브의 내벽을 따라 흐르도록 도와준다.
또 다른 양태에서, 본 발명은:
i. 튜브측 스트림을 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)에 공급하는 단계,
ii. 상기 튜브측 스트림을 상기 복수의 튜브(102)에 통과시키는 단계,
iii. 쉘측 스트림을 상기 쉘측 유입구(105)를 통해 공급하는 단계, 및
iv. 상기 복수의 튜브(102) 내의 튜브측 스트림 사이의 열을 쉘측 스트림과 교환하는 단계
를 포함하는, 전술된 열교환기를 사용하여 열을 교환하는 방법에 관한 것으로,
v. 여기서, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 액체 성분 중 적어도 하나의 온도는 그의 비등점 근처에 있으며;
vi. 상기 쉘측 유입구(105)를 통해 유입되는 쉘측 스트림의 온도는 상기 분배 어셈블리(108)에서 튜브측 스트림의 액체 성분 중 적어도 하나보다 더 높다.
튜브측 스트림은 튜브측 유입구(106)를 통해 분배 어셈블리(108)로 도입됨으로써 열교환기로 도입된다. 튜브측 스트림은 각각의 튜브에 동등한 양으로 분포됨으로써 튜브 자체의 표면을 통해 쉘측 스트림과 열을 교환하는 향류를 형성한다. 따라서, 쉘측 스트림은 튜브의 유출구에서 집중된다. 튜브측 유출구(107)는 열교환된 튜브측 스트림을 수집하고 쉘측 유출구(104)는 열교환기로부터 쉘측 스트림의 배출을 허용한다.
또 다른 실시형태에서, 튜브측 스트림은 하나 이상의 액체 성분을 포함하되, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 온도는 Tb-15℃ 미만이며, 여기서 Tb는 상기 공비 혼합물의 비등점 또는 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점이다. 일부 실시형태에서, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 온도는 Tb-10℃ 미만이며, 여기서 Tb는 상기 공비 혼합물의 비등점 또는 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점이다. 다른 실시형태에서, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 온도는 Tb-5℃ 미만이며, 여기서 Tb는 상기 공비 혼합물의 비등점 또는 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점이다.
예를 들어, 튜브측 스트림이 둘 이상의 액체의 혼합물이고 각각의 성분이 독립적으로 비등하는 경우, Tb는 먼저 비등하는 성분의 비등점이다. 또 다른 예로, 튜브측 스트림이 공비 혼합물을 형성하는 둘 이상의 액체의 혼합물인 경우, Tb는 이러한 공비 혼합물의 비등점이다.
또 다른 실시형태에서, 쉘측 스트림의 온도는 Tb+5℃ 초과이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림 중의 성분들의 혼합물에 의해 형성되는 상기 공비 혼합물의 비등점 또는 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점이다. 일부 실시형태에서, 쉘측 스트림의 온도는 Tb+10℃ 초과이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림 중의 성분들의 혼합물에 의해 형성되는 상기 공비 혼합물의 비등점 또는 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점이다. 또 다른 실시형태에서, 쉘측 스트림의 온도는 Tb+15℃ 초과이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림 중의 성분들의 혼합물에 의해 형성되는 상기 공비 혼합물의 비등점 또는 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점이다.
또 다른 실시형태에서, 열을 교환하는 방법은 흐름 보조 유입구(111)를 통해 가스를 공급하는 단계 및 상기 가스를 튜브측 스트림과 동일한 방향으로 유동시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 튜브측 스트림의 속도는 상기 흐름 보조 가스에 의해 복수의 튜브(102)의 내벽을 따라 가속된다.
또 다른 양태에서, 본 발명은:
i. 튜브측 스트림을 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)에 공급하는 단계,
ii. 상기 튜브측 스트림을 상기 복수의 튜브(102)에 통과시킴으로써 상기 복수의 튜브의 내벽을 따라 상기 튜브측 스트림의 필름을 형성하는 단계,
iii. 쉘측 스트림을 상기 쉘측 유입구(105)를 통해 공급하는 단계,
iv. 상기 복수의 튜브(102) 내의 튜브측 스트림 사이의 열을 쉘측 스트림과 교환하는 단계, 및
v. 상기 쉘의 상기 튜브측 유출구(107)를 통해 농축된 스트림을 수득하는 단계
를 포함하는, 전술된 바와 같은 강하 필름 열교환기를 사용하여 액체를 농축하는 방법에 관한 것으로;
여기서, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 온도는 그의 비등점 근처에 있으며;
상기 쉘측 유입구(105)를 통해 유입되는 쉘측 스트림의 온도는 상기 분배 어셈블리(108)에서 튜브측 스트림의 온도보다 더 높다.
또 다른 실시형태에서, 쉘측 스트림은 증기, 물, 오일, 공기, 이전 단계 열교환기로부터의 2차 증기, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.
또 다른 실시형태에서, 튜브측 스트림은 하나 이상의 액체 성분을 포함하되, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 온도는 Tb-15℃ 미만이며, 여기서 Tb는 상기 튜브측 스트림 중의 성분들의 혼합물에 의해 형성되는 상기 공비 혼합물의 비등점 또는 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점이다. 일부 실시형태에서, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 온도는 Tb-10℃ 미만이며, 여기서 Tb는 상기 튜브측 스트림 중의 성분들의 혼합물에 의해 형성되는 상기 공비 혼합물의 비등점 또는 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점이다. 또 다른 실시형태에서, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 온도는 Tb-5℃ 미만이며, 여기서 Tb는 상기 튜브측 스트림 중의 성분들의 혼합물에 의해 형성되는 상기 공비 혼합물의 비등점 또는 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점이다.
또 다른 실시형태에서, 쉘측 스트림의 온도는 Tb+5℃ 초과이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림 중의 성분들의 혼합물에 의해 형성되는 상기 공비 혼합물의 비등점 또는 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점이다. 일부 실시형태에서, 쉘측 스트림의 온도는 Tb+10℃ 초과이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림 중의 성분들의 혼합물에 의해 형성되는 상기 공비 혼합물의 비등점 또는 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점이다. 다른 실시형태에서, 쉘측 스트림의 온도는 Tb+15℃ 초과이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림 중의 성분들의 혼합물에 의해 형성되는 상기 공비 혼합물의 비등점 또는 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점이다.
본 발명은 적어도 하나의 하기의 장점 및 개선 사항을 나타낸다:
분배 어셈블리(108)와 단열 튜브 시트(103) 사이에서 생성되는 단열 공간(109)은 튜브측 스트림이 분배 어셈블리에서 튜브측 스트림이 분배 어셈블리를 통해 튜브 내로 통과하기 전에 더 높은 온도의 쉘측 스트림과 접촉하는 것을 방지한다. 생성되는 단열 공간은 분배 어셈블리에서 튜브의 내벽을 따라 튜브측 스트림을 덜 균일하게 분배하고 따라서 쉘측 스트림과 튜브측 스트림 사이에서 덜 효율적인 열 교환을 초래할 수 있는 극심한 파괴적인 비등으로부터 튜브측 스트림을 보호한다. 또한, 이는 또한 증기 형성으로 인한 손실로부터 튜브측 스트림을 보호한다. 또한, 셸측 스트림의 요구 사항은 유입구 단열 플레이트의 도입으로 인해 상당히 감소되어 추가 비용 및 에너지 절감을 초래한다는 것은 예로부터 명백하다.
본 발명은 대응하는 종속성 참조 및 링크에 기인하는 하기의 실시형태 및 실시형태들의 조합에 의해 더 상세하게 예시된다:
1. 열교환기(100)로서:
쉘(101);
튜브측 유입구(106) 및 튜브측 유출구(107);
쉘측 유입구(105) 및 쉘측 유출구(104);
복수의 튜브(102);
분배 어셈블리(108);
유입구 튜브 시트(114) 및 유출구 튜브 시트(112); 및
단열 튜브 시트(103)
를 포함하되,
여기서,
상기 단열 튜브 시트(103)는 상기 분배기 어셈블리(108)와 쉘측 유출구(104) 사이에 배열되어 그들 사이에 단열 공간(109)을 생성하며;
상기 튜브(102)는 상기 분배기 어셈블리(108)와 유출구 튜브 시트(112) 사이에서 쉘(101)의 내측에 장착되고 상기 분배기 어셈블리(108) 및 상기 튜브측 유출구(107)를 통해 상기 튜브측 유입구(106)와 연통하는,
열교환기(100).
2. 실시형태 1에 있어서, 상기 단열 공간(109)은 상기 쉘(101)로부터 상기 튜브측 유입구(106) 및 상기 분배 어셈블리(108)를 단열하는, 열교환기.
3. 실시형태 1 또는 2에 있어서, 상기 쉘측 유입구(105)는 유입을 허용하고 상기 쉘측 유출구(104)는 쉘측 스트림의 유출을 허용하며; 상기 튜브측 유입구(106)는 유입을 허용하고 상기 튜브측 유출구(107)는 튜브측 스트림의 유출을 허용하는, 열교환기.
4. 선행하는 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 분배 어셈블리(108)에 대한 상기 단열 튜브 시트(103)의 위치는 상기 튜브측 스트림의 적어도 하나의 성분의 그의 비등점에 근접한 온도 및 비등점, 및 상기 쉘측 스트림의 온도에 기초하는, 열교환기.
5. 실시형태 4에 있어서, 상기 튜브측 스트림은 상기 튜브측 유입구(106)에서 액체 스트림인, 열교환기.
6. 선행하는 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 튜브(102)는 열교환기 내부에 병렬로 배열되는, 열교환기.
7. 선행하는 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 단열 공간(109)에 배기 노즐(110)이 장착되는, 열교환기.
8. 선행하는 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 단열 공간(109)은 공기로 충전되는, 열교환기.
9. 선행하는 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 쉘의 튜브측 유입구(106)에 하나 이상의 흐름 보조 유입구(111)가 장착되는, 열교환기.
10. 선행하는 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 열교환기는 열교환기의 각각의 단이 직렬로 연결된 1 단 또는 다단 열교환기인, 열교환기.
11. 실시형태 10에 있어서, 상기 열교환기는 다단 열교환기이고, 여기서 상기 단열 튜브 시트(103)는 각각의 열교환기에 대해 분배기 어셈블리(108)와 쉘측 유출구(104) 사이에 배열되는, 열교환기.
12. 선행하는 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 단열 튜브 시트(103)는 내열성 재료로 제조되는, 열교환기.
13. 실시형태 12에 있어서, 상기 내열성 재료는 테플론인, 열교환기.
14. 선행하는 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 열교환기는 쉘측에 유입구 튜브 시트(114)를 포함하는, 열교환기.
15. 선행하는 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 열교환기는 쉘측에 하나 이상의 배플(113)을 포함하는, 열교환기.
16. 선행하는 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 분배 어셈블리(108)는 다수의 홀(1081)을 갖는 분배 플레이트인, 열교환기.
17. 실시형태 16에 있어서, 상기 분배 플레이트 상의 다수의 홀은 1 mm 내지 100 mm 범위의 직경을 갖는, 열교환기.
18. 선행하는 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 튜브(102)는 정방형 피치 상에 배치되는, 열교환기.
19. 선행하는 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 튜브(102)는 삼각형 피치 상에 배치되는, 열교환기.
20. 선행하는 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 튜브(102)는 육각형 피치 상에 배치되는, 열교환기.
21. 선행하는 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 열교환기는 쉘의 튜브측 유출구(107)에 단열 공간을 포함하지 않는, 열교환기.
22. 선행하는 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 열교환기는 증발기인, 열교환기.
23. 선행하는 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 증발기는 강하 필름 증발기인, 열교환기.
24. 선행하는 실시형태 중 어느 하나에 따른 열교환기를 사용하여 열을 교환하는 방법으로서:
i. 튜브측 스트림을 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)에 공급하는 단계,
ii. 상기 튜브측 스트림을 상기 복수의 튜브(102)에 통과시키는 단계,
iii. 쉘측 스트림을 상기 쉘측 유입구(105)를 통해 공급하는 단계, 및
iv. 상기 복수의 튜브(102) 내의 튜브측 스트림 사이의 열을 쉘측 스트림과 교환하는 단계
를 포함하되,
여기서, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 액체 성분 중 적어도 하나의 온도는 그의 비등점 근처에 있으며;
상기 쉘측 유입구(105)를 통해 유입되는 쉘측 스트림의 온도는 상기 분배 어셈블리(108)에서 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분보다 더 높은,
방법.
25. 실시형태 24에 있어서, 상기 쉘측 스트림은 공기, 가스, 액체 또는 이들의 조합으로부터 선택되는, 방법.
26. 실시형태 24에 있어서, 상기 튜브측 스트림은 하나 이상의 액체 성분을 포함하되, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 온도는 Tb-15℃ 미만이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림의 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점인, 방법.
27. 실시형태 26에 있어서, 상기 튜브측 스트림은 하나 이상의 액체 성분을 포함하되, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 온도는 Tb-10℃ 미만이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림의 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점인, 방법.
28. 실시형태 24 내지 26 중 어느 하나에 있어서, 상기 쉘측 스트림의 온도는 Tb+5℃ 초과이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림의 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점인, 열을 교환하는 방법.
29. 실시형태 24에 있어서,
v. 흐름 보조 유입구(111)를 통해 가스를 공급하고 상기 가스를 상기 튜브측 스트림과 동일한 방향으로 유동시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 튜브측 스트림의 속도는 상기 흐름 보조 가스에 의해 상기 복수의 튜브(102)의 내벽을 따라 가속되는, 방법.
30. 실시형태 1 내지 23 중 어느 하나에 따른 강하 필름 열교환기를 사용하여 액체를 농축하는 방법으로서:
i. 튜브측 스트림을 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)에 공급하는 단계,
ii. 상기 튜브측 스트림을 내벽을 갖는 상기 복수의 튜브(102)에 통과시키고 내벽을 따라 튜브측 스트림의 필름을 형성하는 단계,
iii. 쉘측 스트림을 상기 쉘측 유입구(105)를 통해 공급하는 단계,
iv. 상기 복수의 튜브(102) 내의 튜브측 스트림 사이의 열을 쉘측 스트림과 교환하는 단계, 및
v. 상기 쉘의 상기 튜브측 유출구(107)를 통해 농축된 스트림을 수득하는 단계
를 포함하되,
여기서, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 온도는 그의 비등점 근처에 있으며;
상기 쉘측 유입구(105)를 통해 유입되는 쉘측 스트림의 온도는 상기 분배 어셈블리(108)에서 튜브측 스트림의 온도보다 더 높은,
방법.
31. 실시형태 30에 있어서,
vi. 흐름 보조 유입구(111)를 통해 가스를 공급하고 상기 가스를 상기 액체와 동일한 방향으로 유동시키는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 상기 액체의 속도는 상기 흐름 보조 가스에 의해 상기 복수의 튜브(102)의 내벽을 따라 가속되는, 방법.
32. 실시형태 30에 있어서, 상기 쉘측 스트림은 공기, 가스, 증기, 물, 오일, 또는 선행 단계 열교환기로부터의 2차 증기인, 방법.
33. 실시형태 30에 있어서, 상기 튜브측 스트림은 하나 이상의 액체 성분을 포함하되, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 온도는 Tb-15℃ 미만이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림의 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점인, 방법.
34. 실시형태 33에 있어서, 상기 튜브측 스트림은 하나 이상의 액체 성분을 포함하되, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 온도는 Tb-5℃ 미만이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림의 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점인, 방법.
35. 실시형태 30 내지 34 중 어느 하나에 있어서, 상기 쉘측 스트림의 온도는 Tb+5℃ 초과이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림의 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점인, 방법.
본 발명은 하기 실시예에 의해 예시된다; 그러나, 본 발명의 주제는 제시된 실시예에 국한되지 않는다.
실시예
하기 표 1 및 표 2는, 대규모 열교환기가 단열 플레이트가 설치된 상태 및 설치되지 않은 상태에서 작동하는 두 세트의 비교예 및 본 발명 실시예를 나타낸다. 단열 튜브 시트의 통합이 튜브측 스트림과 쉘측 스트림 사이에 개선된 열교환 이점을 제공하였음을 표에서 알 수 있다. 단열 튜브 시트는 기포의 형성 및 균일한 흐름의 파괴 없이 복수의 튜브를 통해 튜브측 유체의 자유 흐름을 보장하였다.
| 실시예 및 기간 | 증기의 평균 사용량(lb/hr) | 생성된 생성물(lb/hr) | 증기의 총 사용량(lb) |
| 비교예 1 01.07.2014 - 31.12.2014 (단열 튜브 플레이트가 설치되지 않음) |
9,374 | 44,866 | 41,395,584 |
| 본 발명의 실시예 1 01.07.2015 - 31.12.2015 (단열 튜브 플레이트가 설치된 비교예 1) |
5,270 | 42,129 | 23,272,320 |
| 절감량 | 4,104 | 18,123,264 |
| 실시예 기간 | 증기의 평균 사용량(lb/hr) | 생성된 생성물(lb/hr) | 증기의 총 사용량(lb) |
| 비교예 2 01.07.2014 - 29.12.2014 (단열 튜브 플레이트가 설치되지 않음) |
9,613 | 44,866 | 41,989,584 |
| 본 발명의 실시예 2 01.01.2016 - 30.06.2016 (단열 튜브 플레이트가 설치된 비교예 2) |
7,496 | 43,205 | 32,742,528 |
| 절감량 | 2,117 | 9,247,056 |
Claims (35)
- 열교환기(100)로서,
쉘(101);
튜브측 유입구(106) 및 튜브측 유출구(107);
쉘측 유입구(105) 및 쉘측 유출구(104);
복수의 튜브(102);
분배 어셈블리(108);
유입구 튜브 시트(114) 및 유출구 튜브 시트(112); 및
단열 튜브 시트(103)
를 포함하되,
여기서,
상기 단열 튜브 시트(103)는 상기 분배기 어셈블리(108)와 쉘측 유출구(104) 사이에 배열되어 그들 사이에 단열 공간(109)을 생성하며;
상기 튜브(102)는 상기 분배기 어셈블리(108)와 유출구 튜브 시트(112) 사이에서 쉘(101)의 내측에 장착되고 상기 분배기 어셈블리(108) 및 상기 튜브측 유출구(107)를 통해 상기 튜브측 유입구(106)와 연통하는,
열교환기(100). - 제 1 항에 있어서,
상기 단열 공간(109)은 상기 쉘(101)로부터 상기 튜브측 유입구(106) 및 상기 분배 어셈블리(108)를 단열하는, 열교환기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 쉘측 유입구(105)는 유입을 허용하고 상기 쉘측 유출구(104)는 쉘측 스트림의 유출을 허용하며;
상기 튜브측 유입구(106)는 유입을 허용하고 상기 튜브측 유출구(107)는 튜브측 스트림의 유출을 허용하는,
열교환기. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분배 어셈블리(108)에 대한 상기 단열 튜브 시트(103)의 위치는 상기 튜브측 스트림의 적어도 하나의 성분의 그의 비등점에 근접한 온도 및 비등점, 및 상기 쉘측 스트림의 온도에 기초하는, 열교환기. - 제 4 항에 있어서,
상기 튜브측 스트림은 상기 튜브측 유입구(106)에서 액체 스트림인, 열교환기. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 튜브(102)는 열교환기 내부에 병렬로 배열되는, 열교환기. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단열 공간(109)에 배기 노즐(110)이 장착되는, 열교환기. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단열 공간(109)은 공기로 충전되는, 열교환기. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 쉘의 튜브측 유입구(106)에 하나 이상의 흐름 보조 유입구(111)가 장착되는, 열교환기. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환기는 열교환기의 각각의 단이 직렬로 연결된 1 단 또는 다단 열교환기인, 열교환기. - 제 10 항에 있어서,
상기 열교환기는 다단 열교환기이고, 여기서 상기 단열 튜브 시트(103)는 각각의 열교환기에 대해 분배기 어셈블리(108)와 쉘측 유출구(104) 사이에 배열되는, 열교환기. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단열 튜브 시트(103)는 내열성 재료로 제조되는, 열교환기. - 제 12 항에 있어서,
상기 내열성 재료는 테플론인, 열교환기. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환기는 쉘측에 유입구 튜브 시트(114)를 포함하는, 열교환기. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환기는 쉘측에 하나 이상의 배플(113)을 포함하는, 열교환기. - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분배 어셈블리(108)는 다수의 홀(1081)을 갖는 분배 플레이트인, 열교환기. - 제 16 항에 있어서,
상기 분배 플레이트 상의 다수의 홀은 1 mm 내지 100 mm 범위의 직경을 갖는, 열교환기. - 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 튜브(102)는 정방형 피치 상에 배치되는, 열교환기. - 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 튜브(102)는 삼각형 피치 상에 배치되는, 열교환기. - 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 튜브(102)는 육각형 피치 상에 배치되는, 열교환기. - 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환기는 쉘의 튜브측 유출구(107)에 단열 공간을 포함하지 않는, 열교환기. - 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환기는 증발기인, 열교환기. - 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증발기는 강하 필름 증발기인, 열교환기. - 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 열교환기를 사용하여 열을 교환하는 방법으로서,
i. 튜브측 스트림을 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)에 공급하는 단계,
ii. 상기 튜브측 스트림을 상기 복수의 튜브(102)에 통과시키는 단계,
iii. 쉘측 스트림을 상기 쉘측 유입구(105)를 통해 공급하는 단계, 및
iv. 상기 복수의 튜브(102) 내의 튜브측 스트림 사이의 열을 쉘측 스트림과 교환하는 단계
를 포함하되,
여기서, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 액체 성분 중 적어도 하나의 온도는 그의 비등점 근처에 있으며;
상기 쉘측 유입구(105)를 통해 유입되는 쉘측 스트림의 온도는 상기 분배 어셈블리(108)에서 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분보다 더 높은,
방법. - 제 24 항에 있어서,
상기 쉘측 스트림은 공기, 가스, 액체 또는 이들의 조합으로부터 선택되는, 방법. - 제 24 항에 있어서,
상기 튜브측 스트림은 하나 이상의 액체 성분을 포함하되, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 온도는 Tb-15℃ 미만이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림의 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점인, 방법. - 제 26 항에 있어서,
상기 튜브측 스트림은 하나 이상의 액체 성분을 포함하되, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 온도는 Tb-10℃ 미만이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림의 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점인, 방법. - 제 24 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 쉘측 스트림의 온도는 Tb+5℃ 초과이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림의 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점인, 방법. - 제 24 항에 있어서,
v. 흐름 보조 유입구(111)를 통해 가스를 공급하고 상기 가스를 상기 튜브측 스트림과 동일한 방향으로 유동시키는 단계
를 포함하며, 여기서 상기 튜브측 스트림의 속도는 상기 흐름 보조 가스에 의해 상기 복수의 튜브(102)의 내벽을 따라 가속되는,
방법. - 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 강하 필름 열교환기를 사용하여 액체를 농축하는 방법으로서,
i. 튜브측 스트림을 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)에 공급하는 단계,
ii. 상기 튜브측 스트림을 내벽을 갖는 상기 복수의 튜브(102)에 통과시키고 내벽을 따라 튜브측 스트림의 필름을 형성하는 단계,
iii. 쉘측 스트림을 상기 쉘측 유입구(105)를 통해 공급하는 단계,
iv. 상기 복수의 튜브(102) 내의 튜브측 스트림 사이의 열을 쉘측 스트림과 교환하는 단계, 및
v. 상기 쉘의 상기 튜브측 유출구(107)를 통해 농축된 스트림을 수득하는 단계
를 포함하되,
여기서, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 온도는 그의 비등점 근처에 있으며;
상기 쉘측 유입구(105)를 통해 유입되는 쉘측 스트림의 온도는 상기 분배 어셈블리(108)에서 튜브측 스트림의 온도보다 더 높은,
방법. - 제 30 항에 있어서,
vi. 흐름 보조 유입구(111)를 통해 가스를 공급하고 상기 가스를 상기 액체와 동일한 방향으로 유동시키는 단계
를 추가로 포함하며, 여기서 상기 액체의 속도는 상기 흐름 보조 가스에 의해 상기 복수의 튜브(102)의 내벽을 따라 가속되는,
방법. - 제 30 항에 있어서,
상기 쉘측 스트림은 공기, 가스, 증기, 물, 오일, 또는 선행 단계 열교환기로부터의 2차 증기인, 방법. - 제 30 항에 있어서,
상기 튜브측 스트림은 하나 이상의 액체 성분을 포함하되, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 온도는 Tb-15℃ 미만이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림의 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점인, 방법. - 제 33 항에 있어서,
상기 튜브측 스트림은 하나 이상의 액체 성분을 포함하되, 상기 튜브측 유입구(106)를 통해 상기 분배 어셈블리(108)로 유입되는 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 온도는 Tb-5℃ 미만이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림의 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점인, 방법. - 제 30 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 쉘측 스트림의 온도는 Tb+5℃ 초과이며, 여기서 Tb는 튜브측 스트림의 비등점에 근접한 튜브측 스트림의 적어도 하나의 액체 성분의 비등점인, 방법.
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