KR20230050365A - 셸 앤드 튜브 열 교환기, 열 교환 방법 및 열 교환기의 사용 - Google Patents

셸 앤드 튜브 열 교환기, 열 교환 방법 및 열 교환기의 사용 Download PDF

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KR20230050365A
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KR
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shell
tube
collector pipe
heat exchanger
tube sheet
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KR1020237007370A
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피터 우드
이스마에일 마흐무디 나마르바르
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테크니프 에너지스 프랑스
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Abstract

본 발명의 양태들은 셸 앤드 튜브 열 교환기(101), 상기 열 교환기를 사용하는 방법, 및 상기 열 교환기를 포함하는 탄화수소 분해로 시스템에 관한 것이다. 셸 앤드 튜브 열 교환기는 적어도, 셸 바디(103)를 통해 헬리컬 흐름 경로를 제공하도록 배치되는 스파이럴 배플(7) 및 스파이럴 배플을 지지하고 셸 바디 내에서 실질적으로 동축으로 연장되는 출구 컬렉터 파이프(4)를 포함하고, 출구 컬렉터 파이프는 하나의 터미널 단부에서 셸 바디와 경계를 이루는 제2 튜브 시트(106)에 장착되어 제2 튜브를 통과하고, 출구 컬렉터 파이프(4)는 셸 측 유체(F2)가 셸 바디(103)를 빠져나가도록 하는 갭에 의해 대향하는 터미널 단부에서 제1 튜브 시트(105)로부터 분리된다.

Description

셸 앤드 튜브 열 교환기, 열 교환 방법 및 열 교환기의 사용
본 개시는 셸 앤드 튜브(shell-and-tube) 열 교환기, 제1 유체와 제2 유체의 사이에서 열을 교환하는 방법, 및 탄화수소 분해로 시스템(hydrocarbon cracking furnace system)에서 이송 라인 교환기(transfer line exchanger)로서의 열 교환기의 사용에 관한 것이다.
셸 앤드 튜브 열 교환기들은, 예를 들어, 광범위한 압력들 및 온도들에서의 광범위한 적용 가능성으로 인해, 인기 있는 열 교환기들의 클래스를 구성한다. 셸 앤드 튜브식 열 교환기들은 일반적으로 전력 산업 및 석유 화학 산업 응용 분야들에서 사용된다. 일반적으로 셸 앤드 튜브 열 교환기들은 원통형 셸 내부에 장착되는 하나 이상의 열 교환 튜브들을 포함하여, 두 유체들이 열을 교환하게 하며, 제1 유체가 튜브들 자체를 통해 흐르는 동안 제2 유체는 튜브들의 외부로 흐른다.
예를 들어, 셸 공간이 종방향(longitudinal) 및/또는 횡방향(transvers) 배플들(baffles)을 포함하는 유형의 알려진 셸 앤드 튜브 열 교환기들의 일반적인 문제점은, 특히, 열 교환기들의 셸 측에서, 불균일한 흐름 분포를 나타낸다는 점이다. 일 측 내의 불균일한 흐름 분포 영역들은 다른 측의 유체로의 불균일하거나, 느리거나, 심지어 불충분한 열 전달을 초래할 수 있다. 불균일한 흐름 분포 및 수반되는 불균일한 열 교환은 일반적으로 셸 내의 흐름 경로에 대한 교란들(disturbances)의 결과이다. 이것은 일반적으로 유체가 배플의 후미 가장자리 위 또는 아래를 통과할 때 생성되는 소용돌이들(eddies)의 형태로 표현된다. 대안적으로 또는 추가로, 셸 내의 흐름 프로파일들은, 예를 들어, 입구 또는 출구들에서, 유체가 셸에 들어가거나 셸에서 빠져나올 때 특히 방해받을 수 있다. 상기 단점들 중 하나 이상의 결과들로, 튜브 측 및/또는 셸 측의 제품 및/또는 공급원료(feedstock) 또는 공정 매질의 속성들이 열화될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 예를 들어, 최적이 아닌 열 전달의 결과로서의 과열로 인한 공정 흐름의 잘못된 분포 또는 공정 매질 열화에 의해 유발되는 파울링(fouling)으로 인해, 열 교환기 성능이 저하될 수 있다.
흐름 분포를 개선하기 위해, 스파이럴(spiral) 또는 헬리컬(helical) 배플을 갖는 교환기를 제공하는 것이 제안되었다. US2009301699는 유체 입구와 유체 출구를 갖는 셸, 및 셸을 통해 헬리컬 흐름 패턴으로 유체를 가이드하기 위해 셸에 장착되는 복수의 배플들을 포함하는 열 교환기를 개시하고 있다. US200880190593은 비연속적인 헬리컬 배플, 예를 들어, 접합된 배플 부분들과 함께, 유체 입구와 유체 출구를 갖는 셸을 포함하는 단일 셸-패스뿐 아니라 다중 셸-패스(shell-pass)의 셸 앤드 튜브 열 교환기를 개시하고 있다. 불리하게도, 특히, 중심선 주위에서, 예를 들어, 접합된 배플들의 대향하는 단부들에 근접한 셸의 중앙 섹션을 따라, US2009301699 및 US200880190593에 개시된 유형들에 따른 열 교환기들의 셸들에서 균일한 흐름 분포를 확인하는 것은 여전히 어려운 일이다. 흐름 분포를 개선하기 위해, 배플을 중앙 서포트(central support)에 장착하는 것이 제안되었다. CN100386586C는 코어 주위에 헬리컬 흐름 경로를 제공하기 위해 배플이 장착되는 중앙 코어를 포함하는 유체 입구와 유체 출구를 갖는 셸을 포함하는 열 교환기를 개시하고 있다. 그러나, 그러한 중앙 코어를 갖는 교환기들은 셸 입구/출구의 근처에서 교란들을 받고, 나아가 중앙 코어는 인접한 튜브 시트들에 의해 지지되며, 자유롭게 팽창할 수 없으므로, 셸 측과 튜브 측 벽들의 사이의 온도 차이들로 인한 열 팽창으로 인해 관리하기에 어려운 기계적 응력들에 노출된다.
본 발명은 상기의 문제들 중 하나 이상을 완화하는 셸 앤드 튜브 열 교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 대안적으로 또는 추가로, 본 발명은 개선된 흐름 분포 및/또는 예를 들어, 알려진 셸 앤드 튜브 열 교환기들에 비해 파울링의 측면에서, 달리 개선된 성능을 갖는 셸 앤드 튜브 열 교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 양태들은 셸 앤드 튜브 열 교환기에 관한 것이다. 작동 시, 셸 앤드 튜브 열 교환기는 튜브 측(tube-side) 유체 및 셸 측(shell-side) 유체 사이의 열 교환을 용이하게 한다. 셸 앤드 튜브 열 교환기는 제1 튜브 시트(tubesheet); 제2 튜브 시트; 및 셸 바디(shell body)를 포함한다. 셸 바디에는 셸 측 입구 노즐(shell-side inlet nozzle)이 장착되어 있다. 셸 바디의 대향하는 터미널 단부들(terminal ends)은 제1 및 제2 튜브 시트에 의해 경계를 이룬다(bordered). 셸 앤드 튜브 열 교환기는 하나 이상의 열 교환 튜브들을 더 포함한다. 하나 이상의 열 교환 튜브들은 제1 튜브 시트에서 제2 튜브 시트까지 셸 바디를 통해 연장되어, 셸 바디를 가로지르는 열 교환 튜브들을 통해, 예를 들어, 튜브 측 유체에 대한, 유체 연결(fluid connection)이 제공된다.
셸 앤드 튜브 열 교환기는 스파이럴 배플(spiral baffle)을 더 포함한다. 스파이럴 배플은 튜브 시트들 사이의, 셸 바디의 내부에 포함되며, 셸 바디의 중심선과 실질적으로 정렬되는 회전 중심을 갖는 헬리컬 궤적(helical trajectory)을 따른다. 일반적으로, 하나 이상의 열 교환 튜브들은 스파이럴 배플을 통과한다. 스파이럴 배플은 셸 측 입구 노즐의 하류에서 셸 바디를 통해 제1 튜브 시트를 향하는 헬리컬 흐름 경로를 제공하도록 배치된다.
또한, 셸 앤드 튜브 열 교환기에는 출구 컬렉터 파이프(outlet collector pipe)가 제공된다. 출구 컬렉터 파이프는 셸 바디 내에서 실질적으로 동축으로, 즉, 그의 중심선이 셸 바디의 중심선과 실질적으로 정렬되어, 연장된다. 출구 컬렉터 파이프는 적어도 실질적으로 배플의 전체 길이를 따라 스파이럴 배플을 지지하며, 따라서, 헬리컬 흐름 경로가 출구 컬렉터 파이프의 외부 표면을 따라 가이드된다.
출구 컬렉터 파이프는 제1 튜브 시트에 장착되어 제2 튜브 시트를 통과한다. 출구 컬렉터 파이프는 헬리컬 흐름 경로 하류의 갭(gap)에 의해 제1 튜브 시트로부터 분리된다. 갭은 작동 시, 셸 측 유체가 갭을 가로질러 제1 튜브 시트와 마주하는 컬렉터 파이프 입구로 들어가도록 한다. 셸 측 유체는, 출구 컬렉터 파이프를 통과하여, 예를 들어, 컬렉터 파이프 입구의 반대편에 있는 출구 컬렉터 파이프의 터미널 단부에 제공되는 셸 측 출구 노즐을 통해, 셸 바디를 빠져나갈 수 있다.
본 발명에 따른 스파이럴 배플 및 출구 컬렉터 파이프를 포함하는 셸 앤드 튜브 열 교환기는 유리하게는 작동 중 셸 앤드 튜브 열 교환기 내에서, 특히, 셸 측 공간 내에서 속도 분포를 개선하고, 소용들이들의 크기 및/또는 수를 감소시키고/시키거나, 정체 영역들(stagnant areas)의 크기 및/또는 수를 감소시킨다.
셸 측의 개선된 속도 분포 및/또는 감소된 정체 영역들 및 소용돌이들은 공정 매질의, 예를 들어, 탄화수소 분해로의 고온 공급원료와 같은 온도에 민감한 매질의 공정 매질의 열화를 감소시킨다. 그러한 고온 공급원료는 공급원료 변환이 고온 튜브 표면에 코크스 퇴적물들(coke depositions)을 생성하기에 충분히 높은 지점까지 튜브 측 유체와 열을 교환함으로써 저속 영역들 및 소용돌이들에 의해 생성되는 상대적 정체 영역들에서 과열될 수 있으며, 이는 열 교환기 파울링으로 이어지고, 결과적으로 효율성 감소 및 궁극적으로 열 교환기 청소로 이어진다. 또한, 개선된 흐름 분포는 셸 측 유체와 튜브 측 유체 사이의 열 전달을 개선하여, 셸 앤드 튜브 열 교환기의 효율성을 향상시키고 장비 크기를 감소시킨다. 대안적으로 또는 추가로, 본 발명에 따른 출구 컬렉터 파이프는, 예를 들어, 튜브들과 출구 컬렉터 파이프 사이의 열 구배들(thermal gradients)로 인해, 작동 중 열 팽창 또는 수축을 허용한다. 이것은 출구 컬렉터 파이프의 팽창 벨로우들(expansion bellows)이 생략될 수 있으므로 제조를 단순화한다. 출구 컬렉터 파이프의 벨로우들은 파울링의 경향이 있고 일반적으로 흐름 프로파일을 방해하기 때문에 셸 앤드 튜브 열 교환기 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 추가 양태들은 제1 유체와 제2 유체의 사이에서 열을 교환하는 방법에 관한 것이며, 방법은 본 발명에 따른 셸 앤드 튜브 열 교환기의 열 교환 튜브들 중 하나 이상을 통해 튜브 측 유체를 가이드하는 단계; 및 본 발명에 따른 셸 앤드 튜브 열 교환기의 셸 바디를 통해 셸 측 유체를 가이드하는 단계를 포함한다.
열 교환기 및 방법은 화학 산업 분야, 바람직하게는 탄화수소 분해 분야에서 특히 유리하게 사용될 수 있으며, 예를 들어, 탄화수소 분해 유닛을 빠져나가는 분해된 탄화수소 공정 스트림을 신속하게 그리고 효과적으로 냉각시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 유리한 실시예에서, 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)는 분해로의 복사 코일로부터의 분해된 탄화수소 공정 증기를 냉각시키기 위한 이송 라인 교환기로서 사용된다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 셸 앤드 튜브 열 교환기를 포함하는 탄화수소 분해로 시스템에 관한 것이며, 에틸렌 또는 기타 단량체들의 생산을 위한 탄화수소 분해 시스템에서의 이송 라인 교환기로서의 본 발명에 따른 셸 앤드 튜브 열 교환기의 사용에 관한 것이다.
본 발명의 장치, 시스템들, 사용, 및 방법들의 이들 및 다른 특징들, 양태들, 및 이점들은 이하의 설명, 첨부된 청구범위, 및 첨부된 도면으로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1a 및 도 1b는 일 실시예의 셸 앤드 튜브 열 교환기의 측면도 및 측단면도를 도시한다;
도 2a 및 도 2b는 일 실시예의 셸 앤드 튜브 열 교환기의 상세도들을 도시한다;
도 3은 일 실시예의 셸 앤드 튜브 열 교환기의 평단면도를 도시한다; 그리고
도 4는 셸 앤드 튜브 열 교환기를 포함하는 에틸렌 및 기타 단량체들의 생산을 위한 분해로 시스템을 도시한다.
특정 실시예들을 설명하기 위해 사용되는 용어는 본 발명을 제한하려고 의도되지 않는다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 단수형들 "하나", "한", 및 "일"은 문맥 상 명백하게 다르게 나타내지 않는 한 복수형들도 포함하는 것으로 의도된다. 용어 "및/또는"은 연관된 나열된 항목들 중 하나 이상의 임의의 모든 조합들을 포함한다. 용어들 "포함하다" 및/또는 "포함하는"은 언급되는 특징들의 존재를 명시하지만 하나 이상의 다른 특징들의 존재 또는 추가를 배제하지 않음이 이해될 것이다. 방법의 특정 단계가 다른 단계의 후속으로 지칭될 때, 달리 명시되지 않는 한, 이는 상기 다른 단계를 직접 따를 수 있거나, 특정 단계를 수행하기 전에 하나 이상의 중간 단계들이 수행될 수 있음이 추가로 이해될 것이다. 마찬가지로, 구조들 또는 컴포넌트들 사이의 연결이 설명될 때, 달리 명시되지 않는 한, 이 연결은 직접 또는 중간 구조들 또는 컴포넌트들을 통해 설정될 수 있음이 이해될 것이다.
본 발명은 이하에서 본 발명의 실시예들이 도시되어 있는 첨부된 도면을 참조하여 보다 완전하게 설명된다. 도면에서, 시스템들, 컴포넌트들, 레이어들, 및 구역들의 절대적 및 상대적 크기들은 명확성을 위해 과장될 수 있다. 실시예들은 본 발명의 가능한 이상화된 실시예들 및 중간 구조들의 개략도들 및/또는 단면도들을 참조하여 설명될 수 있다. 설명 및 도면에서, 유사한 부호들은 전체적으로 유사한 요소들을 나타낸다. 관련 용어들 및 그 파생어들은 설명되는 바와 같은 또는 논의 중인 도면에 도시된 바와 같은 배향을 지칭하는 것으로 해석되어야 한다. 이러한 상대적 용어들은 설명의 편의를 위한 것이며, 달리 명시되지 않는 한 시스템이 특정 배향으로 구성되거나 작동될 것을 요구하지 않는다.
도 1a는 일 실시예의 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)의 측면도를 도시하며, 여기서, 시야를 향하는 셸 바디(103)의 일 부분은 내부를 볼 수 있도록 생략된다. 도 1b는 도 1a에 도시된 실시예의 평면 A-A를 따른 측단면도를 제공한다. 도시된 바와 같은 실시예는 제1 튜브 시트(105), 제2 튜브 시트(106), 및 셸 측 입구 노즐(6)이 있는 셸 바디(103)를 포함한다. 셸 바디(103)의 대향하는 터미널 단부들은 제1 튜브 시트(105) 및 제2 튜브 시트(106)에 의해 경계를 이룬다. 셸 앤드 튜브 열 교환기는 제1 튜브 시트(105)에서 제2 튜브 시트(106)까지 셸 바디(103)를 통해 연장되는 하나 이상의 열 교환 튜브들(5)을 더 포함한다. 셸 앤드 튜브 열 교환기는 스파이럴 배플(7), 컬렉터 파이프 입구(8) 및 셸 측 출구 노즐(3)을 갖는 출구 컬렉터 파이프(4)를 더 포함한다. 스파이럴 배플(7)은 셸 바디의 중심선과 실질적으로 정렬되는 회전 중심을 갖는 헬리컬 궤적을 따른다. 도시된 바와 같이, 스파이럴 배플은 셸 측 입구 노즐(6)의 하류에서 셸 바디(103)를 통해 제1 튜브 시트(105)를 향하는, 예를 들어, 셸 측 유체(F2)에 대한, 헬리컬 흐름 경로를 제공하도록 배치된다.
일반적으로, 스파이럴 배플(7)은 소위 피치(pitch)라고 하는, 적어도 하나의 완전한 360˚ 회전 동안 연장된다. 적어도 하나의 완전한 회전의 제공은 흐름 경로가 헬리컬 궤적을 따라 하나 이상의 열 교환 튜브들(5)의 각각을 따라 통과하는 것을 보장한다. 바람직하게는, 예를 들어, 도시된 바와 같이, 스파이럴 배플(7)은 예를 들어, 2와 25 사이의 범위 또는 5와 20 사이의 범위에서, 다수의 회전들, 예를 들어, 다섯 개 이상의 회전들을 포함한다. 더 많은 회전들은 일반적으로 튜브 측과 셸 측 사이의 전체 열 교환을 증가시키지만 제조 복잡성을 증가시킨다. 또한, 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)는 셸 바디 내에서 실질적으로 동축으로 연장되고 스파이럴 배플(7)을 지지하는 출구 컬렉터 파이프(4)를 포함한다. 바람직하게는, 스파이럴 배플(7)은 그 길이를 따라 출구 컬렉터 파이프(4)에 의해, 예를 들어, 출구 컬렉터 파이프(4)의 외부 표면에 의해 지지되며, 따라서, 헬리컬 흐름 경로가 출구 컬렉터 파이프(4)의 외부 표면을 따라 가이드된다. 바람직하게는, 배플은 셸 바디(103)까지 연장되는데, 이는, 배플과 셸 바디(103)의 내부 벽 사이의, 예를 들어, 셸 측 유체(F2)의, 누설 흐름을 감소시키기 때문이다. 도시된 바와 같이, 배플들은 셸에 직접 연결되지 않고, 즉, 셸 바디(103)로부터 분리되거나 셸에 직접 부착되지 않는다. 바람직하게는, 하나 이상의 열 교환 튜브들은 스파이럴 배플을 통해 연장된다. 바람직하게는, 이러한 튜브들은 출구 컬렉터 파이프(4)를 둘러싸고 셸 바디(103)의 내부 벽을 향해 연장되는 다수의 레이어들로 정렬되어, 셸 바디 내부 벽과 컬렉터 파이프의 외부 벽 사이의 가용 공간을 최대한 점유한다.
출구 컬렉터 파이프(4)는, 예를 들어, 도시된 바와 같이, 출구 컬렉터 파이프(4)의 대향하는 단부들에 제공되고 파이프의 중공 내부를 따라 그들 사이에 유체 연결을 제공하는 컬렉터 파이프 입구(8) 및 셸 측 출구 노즐(3)을 포함한다. 출구 컬렉터 파이프(4)는 제2 튜브 시트(106)에 장착되어 제2 튜브 시트(106)를 통과하고, 이로써, 출구 컬렉터 파이프(4), 예를 들어, 컬렉터 파이프 입구(8)가 있는 터미널 단부가 헬리컬 흐름 경로 하류의 갭에 의해 제1 튜브 시트(105)로부터 분리된다. 이 갭은 셸 측 유체(F2)가 컬렉터 파이프(8)의 입구로 들어가고 - 컬렉터 파이프 입구(8)는 갭을 가로질러 제1 튜브 시트(105)를 마주함 -, 컬렉터 파이프 입구(8)의 반대편에 있는 컬렉터 파이프(4)의 터미널 단부에 제공되는 셸 측 출구 노즐(3)을 통해 셸 바디(103)를 빠져나가도록 한다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 출구 컬렉터 파이프(4)를 제2 튜브 시트(106)를 통과시키는 것은, 튜브 측 유체(F1)가 데드 존들(dead zones), 소용돌이들, 또는 정체 영역들이 없이 셸 측을 빠져나가도록 하여, 열 교환기 셸 측의 과열 및 후속 파울링을 유발할 수 있음이 이해될 것이다.
셸 앤드 튜브 교환기는 바람직하게는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 수직으로 장착된다. 더 바람직하게는 제2 튜브 시트(106)가 제1 튜브 시트(105)의 위에 위치된다.
출구 컬렉터 파이프(4)는 하나의 튜브 시트 - 바람직하게는 수직 배향의 경우, 상부 튜브 시트 -에 연결되고, 다른 튜브 시트로부터 분리되어, 유리하게는, 예를 들어, 작동 중 출구 컬렉터 파이프(4)와 튜브들(5)의 외부 벽들 사이의 열 구배로 인해, 자유롭게 팽창 또는 수축할 수 있다. 이것은 유리하게는 출구 컬렉터 파이프(4)에 대한 팽창 벨로우들의 생략을 허용한다. 배플들이 셸 바디(103)로부터 분리된 상태로 유지하면서 단일 튜브 시트에 연결된 출구 컬렉터 파이프(4)에 의해 배플들을 지지하는 것은 대향하는 튜브 시트들(105, 106) 사이의 방향으로 자유로운 열 팽창을 허용한다.
대조적으로, 출구 컬렉터 파이프(4)가 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)의 양 단부들에서, 예를 들어, 두 튜브 시트들에 연결되는 실시예들에서 열 팽창을 허용하기 위해 그러한 벨로우들이 허용될 것이다. 출구 컬렉터 파이프(4)의 벨로우들은 이러한 벨로우들이 헬리컬 흐름 경로를 따라 그리고 출구 컬렉터 파이프(4) 내에서, 예를 들어, 셸 측 유체(F2)에 대해, 파울링의 경향이 있고/있거나 흐름 프로파일을 방해하기 때문에 열 교환기 성능에 더 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
셸 측 입구 노즐(6)은 바람직하게는 셸 측 유체(F2)의 흐름을 제2 튜브 시트(106)에 근접하거나 그에 나란히 주입하도록 배치된다. 이를 위해, 셸 측 입구 노즐(6)은 바람직하게는, 예를 들어, 도시된 바와 같이, 스파이럴 배플(7)의 제1 피치 내에 셸 측 유체(F2)를 주입하기 위해서와 같이, 제2 튜브(106)에 인접하거나 근접하게 장착된다. 대안적으로, 셸 측 유체(F2)는 스파이럴 배플(7) 상류의 볼륨(volume)에 주입될 수 있다. 셸 측 유체(F2)를 스파이럴 배플(7)의 제1 피치 내로 삽입하는 것은 제2 튜브 시트(106)와 배플 사이의 데드 볼륨 또는 데드 공간의 형성을 감소시킨다.
이하에서, 이들 특징들은 다른 또는 추가 특징들과 함께 도 1 내지 도 3을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.
제1 튜브 시트(105)에서 제2 튜브 시트(106)까지, 셸 측 공간(108)을 가로질러, 셸 바디(103)를 통해 연장되는 하나 이상의 열 교환 튜브들은 일반적으로 스파이럴 배플(7), 예를 들어, 스파이럴 배플(7)에 제공되는 하나 이상의 대응하는 홀들을 통과한다는 것이 이해될 것이다. 마찬가지로, 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)는 바람직하게는 복수의 열 교환 튜브들(5)을 포함한다는 것이 이해될 것이다. 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)의 내부 구조를 쉽게 이해할 수 있도록, 열 교환 튜브들(5)들 중 일부만이 도시된다. 대신에, 도시된 하나 이상의 열 교환 튜브들(5)에 대응하는 치수 및 형상을 갖는 복수의 홀들(21)로부터 복수의 튜브들의 존재가 유추될 수 있다(예: 도 2 참조). 바람직하게는, 튜브들은 축방향으로(axially) 정렬된다. 이를 위해, 스파이럴 배플에는 바람직하게는, 각 피치 내에, 하나 이상의 튜브들이 제1 튜브 시트와 제2 튜브 시트 사이의 실질적으로 직선 궤적을 따르도록 하는 방식으로 치수화되고 배열되는 일치하는 수의 홀들이 제공된다. 대안적으로, 열 교환 튜브들(5)은 스파이럴 배플(7) 주위에 형성될 수 있다. 예를 들어, U-턴들, 곡선들, 및/또는 튜브 접합부들이 없는, 실질적으로 직선형 열 교환 튜브들은 유리하게는 각 튜브에 걸친 압력 강하를 감소시키고/시키거나 튜브 내에서, 즉, 튜브 측에서, 유체의 속도 프로파일을 향상시키고, 튜브의 외부 표면과 접촉하는, 즉, 셸 측에서, 유체의 속도 프로파일을 향상시킨다. 본 발명에 따른 셸 앤드 튜브 열 교환기는 탄화수소 분해로 시스템의 장비로서 특히 유용하다; 여기서, 그것은 바람직하게는, 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 분해된 탄화수소 생성물로부터 탄화수소 분해로의 복사 코일로 공급될 탄화수소 공급원료로 열을 전달하도록 구성된다. 분해된 탄화수소 생성물 가스(튜브 측 유체)는 일반적으로 잠재적으로 부식을 유발할 수 있는 코크스 입자들을 함유하고 있다. 부식을 방지하기 위해, 예를 들어, U-턴들, 곡선들, 및/또는 튜브 접합부들이 없는, 직선형 튜브들이 바람직하다. 더 바람직하게는, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 단지 하나의 튜브 패스가 있으며, 따라서, 코크스 입자들이 일 터미널 단부로부터 열 교환기로 들어가서, 턴을 만들지 않고 다른 터미널 단부로부터 빠져나간다.
마찬가지로, 열 교환 튜브들은 바람직하게는 출구 컬렉터 파이프(4) 주위에 균일하게 분포되고 그에 실질적으로 평행하다는 것이 이해될 것이다. 이와 관련하여, 도 2b에 도시된 바와 같이 평면 B-B를 따른 단면도를 도시하는 도 3이 참조될 수 있다. 특히, 튜브들은 바람직하게는 출구 컬렉터 파이프(4)의 내부에서, 즉, 출구 컬렉터 파이프(4)의 내부 공간 내에서 연장되지 않음을 알 수 있다. 다시 말해, 열 교환 튜브들(5)은 바람직하게는 셸 바디의 내부 및 출구 컬렉터 파이프의 외부에만 배타적으로 분포된다.
본 발명에 따른 셸 앤드 튜브 열 교환기 도처에 도시된 바와 같이, 단일 및 역류(counter-current) 방향으로 튜브 측 유체와 열이 교환되는 단일 셸 패스 설계를 형성하는 것이 고려될 수 있다. 본 설계는 유리하게도 소위 온도 교차(temperature cross)를 허용하고, 이로써, 셸 측 출구 온도가 튜브 측 출구 온도를 초과한다. 예를 들어, 셸 측 입구 온도가 350℃이고, 필요한 셸 측 출구 온도가 600℃이고, 튜브 측 입구 온도가 800℃이며, 튜브 측 출구 온도가 550℃이면, 필요한 LMTD(로그 평균 온도 차이(log mean temperature difference))는 200℃이다. LTMD가 더 낮을 수 있음이 밝혀졌다. 이것은 셸 측에 두 개의 통로들을 가져서 열이 튜브 측 유체와 교환되는, CN106839828A 및 CN100386586에 개시된 바와 같은 이중 셸 패스 설계들과 대조된다. 온도 교차는 일반적으로 병류(co-current) 열 교환 섹션을 포함하는 CN106839828A 및 CN100386586에 개시된 바와 같은 이중 셸 패스 설계들과 같이 역류 흐름 어레인지먼트에서 작동하지 않는 설계들로는 불가능하다.
바람직하게는, 예를 들어, 도시된 바와 같이, 각 열 교환 튜브는 연속 튜브, 예를 들어, 대향하는 튜브 시트들 사이의 길이를 늘리는 단일 튜브 섹션이다. 대안적으로, 열 교환 튜브 또는 열 교환 튜브들의 일부는 결합된 튜브 섹션들, 예를 들어, 종방향(longitudinal) 튜브 하프들(tube halves) 및/또는 튜브 섹션들로 형성될 수 있다. 섹션들로부터 하나 이상의 열 교환 튜브를 형성하는 것은, 예를 들어, 스파이럴 배플의 연속적인 각각의 턴들 사이에 튜브 섹션들을 용접함으로써, 제조 공정을 단순화할 수 있다. 연속 열 교환 튜브를 제공하는 것은, 예를 들어, 결합된 섹션들 사이의, 용접들과 같은, 전환들을 피함으로써, 튜브의 내부 표면 거칠기를 감소시킬 수 있다. 그러한 연속 및/또는 실질적으로 직선형 열 교환 튜브(5)는 거친 및/또는 곡선형 튜브들에 비해 파울링율을 감소시키는 것으로 여겨진다.
튜브 측 입구 노즐(1) 및/또는 튜브 측 출구 노즐(2)의 위치 또는 배향은 도 1에 도시된 위치 및/또는 배향으로 제한되지 않음이 이해될 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 튜브 측 입구 노즐(1) 및 튜브 측 출구 노즐(2)은 그들 사이에 실질적으로 직선 흐름 경로를 형성하는 것과 같은 것을 위해 서로의 반대편에 위치된다. 주어진 흐름에 대해, 더 직선의 흐름 경로들이 유리하게는 더 곡선의 흐름 경로에 비해 더 낮은 압력 강하를 발생시킨다.
바람직한 실시예에서, 예를 들어, 도시된 바와 같이, 셸 앤드 튜브 열 교환기는 튜브 측 입구 노즐(1)이 있는 입구 헤드(102) 및 튜브 측 출구 노즐(2)이 있는 튜브 측 유체 출구 헤드(104)를 더 포함하고, 헤드들은 셸 바디(103)의 대향하는 터미널 단부들을 따라 제공된다. 튜브 측 입구 튜브 시트로도 지칭되는 제1 튜브 시트(105)는 입구 헤드(102)에 의해 정의되는 헤드 공간을 셸 바디(103) 내에 정의되는 셸 측 공간(108)으로부터 분리한다. 튜브 측 출구 튜브 시트로도 지칭되는 제2 튜브 시트(106)는 출구 헤드(104)에 의해 정의되는 헤드 공간을 셸 측 공간(108)으로부터 분리한다. 하나 이상의 열 교환 튜브들(5)은 튜브 입구 헤드(102) 공간과 튜브 출구 헤드(104)가 적어도 하나의 튜브를 통해 유체 연결되는 방식으로, 두 튜브 시트들에 장착된다. 도시된 바와 같이, 하나 이상의 열 교환 튜브들(5)은 제1 튜브 시트(105)에서 제2 튜브 시트(106)까지, 셸 바디(103)를 통해 그리고 셸 측 공간(108)을 가로질러 연장되어, 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)의 튜브 측 공간(107)을 정의한다. 튜브 측 유체 출구 헤드(104)를 포함하는 실시예들에서, 그러한 실시예들은 바람직하게는, 예를 들어, 도시된 바와 같이, 출구 컬렉터 파이프(4)가 튜브 측 유체 출구 헤드(104)를 가로질러 통과하도록 배치된다. 튜브 측 유체 출구 헤드(104)는 출구 컬렉터 파이프(4)의 벽 또는 셸 측 출구 노즐(3)에 연결, 예를 들어, 용접될 수 있다. 대안적으로, 튜브 측 유체 출구 헤드(104)는 출구 컬렉터 파이프 또는 셸 측 출구 노즐 주위에 배치될 수 있다.
다른 또는 추가의 바람직한 실시예에서, 컬렉터 파이프 입구에는 일차 스트림라이닝 디바이스(primary streamlining device)(15)가 제공된다. 도 2b는 도 1b에 도시된 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)의 일 섹션의 상세도를 제공하여, 그러한 일차 스트림라이닝 디바이스(15)를 도시한다. 다른 또는 추가의 바람직한 실시예들에서, 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)는 컬렉터 파이프 입구(8)의 반대편에 있는 제1 튜브 시트(105)에 제공되는 이차 스트림라이닝 디바이스(secondary streamlining device)(9)를 포함한다. 두 일차 및 이차 디바이스는 컬렉터의 입구에서 큰 소용돌이들 및 정체 영역들의 형성을 억제한다. 두 스트림라이닝 디바이스들(15, 9)은 셸 측 유체(F2)를 스파이럴 배플(7)의 단부 부분을 통과한 후에 출구 컬렉터 파이프(4)로 원활하게 가이드하도록 배치된다. 두 스트림라이닝 디바이스들(15, 9)은 추가로 특히, 제1 튜브 시트(105) 근처에 있는 셸의 영역들에서, 소용들이들 및 상대적 정체 영역들의 형성을 감소, 예를 들어, 방지한다. 이와 같이, 각 스트림라이닝 디바이스는 하나 이상의 열 교환 튜브들(5)을 따라, 특히, 출구 컬렉터 파이프의 입구 근처 위치에서, 셸 측 유체(F2)의 흐름 분포를 개선함으로써 열 교환기 성능을 향상시키는 데 기여한다. 일차 및 이차 스트림라이닝 디바이스들은 개별적으로 제공될 수 있지만, 출원인은 특히 열 교환기 성능을 추가로 개선하기 위해 두 스트림라이닝 디바이스들(15, 9)을 포함하는 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)를 구상한다.
일 실시예에서, 일차 스트림라이닝 디바이스(15)는 셸 측 유체(F2)를 출구 컬렉터 파이프(4)로 가이드하도록 배치된다.
일차 스트림라이닝 디바이스(15)는 바람직하게는 컬렉터 파이프 입구(8)가 있는 출구 컬렉터 파이프(4)에 장착되거나 단부에 형성되는 입구 피스(inlet piece)로 형성된다. 입구 피스는 바람직하게는 제1 튜브 시트(105)와 셸 바디(103) 사이의 연결을 향해 바깥쪽으로 연장되는 측벽을 갖는, 원뿔 또는 트럼펫과 같은 형상이다. 원뿔형 또는 트럼펫형 형상은 데드 볼륨 또는 데드 공간을 감소시키는 데 추가로 기여한다. 입구 피스의 표면은 바람직하게는, 예를 들어, 도시된 바와 같이 날개 형상의 단면을 가짐으로써, 셸 측 유체(F2)를 원활하게 가이드하기 위해 배치된다. 스파이럴 배플(7)과 유사하게, 일차 스트림라이닝 디바이스(15)에는 그것을 통해 연장되는 하나 이상의 열 교환 튜브들(5)을 위한 홀들 또는 통로들이 제공될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 일차 스트림라이닝 디바이스는 셸 측 유체(F2)의 흐름을 출구 컬렉터 파이프(4)로 원활하게 가이드하기 위해 원뿔 또는 트럼펫 형상을 갖는 입구 피스이다. 이차 스트림라이닝 디바이스(9)는 일반적으로 셸 측 유체(F2)의 흐름을 출구 컬렉터 파이프(4)의 입구를 향하게 하도록 배치되는 측벽들을 갖는 제1 튜브 시트(105)에 제공되거나 그러부터 형성되는 돌기(protrusion)이다.
일 실시예에서, 예를 들어, 도 1a, 도 1b, 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 이차 스트림라이닝 디바이스(9)는 일반적으로 원뿔 형상의 돌기로서 설명될 수 있고, 돌기 측벽들은 셸 측 유체(F2)의 흐름, 예를 들어, 제1 튜브 시트(105)를 따르는 측면 흐름을 컬렉터 파이프 입구를 향하게 하도록 배치된다.
따라서, 일 실시예에서, 셸 앤드 튜브 열 교환기는 컬렉터 파이프 입구(8)의 반대편에 있는 제1 튜브 시트(105)에 제공되는 이차 스트림라이닝 디바이스(9)를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 이차 스트림라이닝 디바이스(9)는 컬렉터 파이프 입구(8)의 반대편에 있는 위치에서 제1 튜브 시트(105)에 제공되는 돌기이며, 돌기는 셸 측 유체(F2)의 흐름을 제1 튜브 시트(105)를 따르는 방향으로 출구 컬렉터 파이프(4)로 원활하게 가이드하도록 형성되는 측벽들을 갖는다.
다른 또는 추가의 바람직한 실시예에서, 이차 스트림라이닝 디바이스(9)는 원뿔 형상의 돌기이다.
대안적으로 또는 추가로, 삼차 스트림라이닝 디바이스(tertiary streamlining device)(16)가 셸 바디(103)와 입구 헤드(102) 사이의 코너에서 내부 연결을 따라 제공될 수 있고, 그의 측벽들은 셸 측 유체(F2)를 코너로부터 멀리 그리고 컬렉터 파이프 입구를 향하게 하기 위해 배치되는 내부 경사 표면을 제공하도록 형성된다.
다른 또는 추가 실시예들에서, 예를 들어, 도시된 바와 같이, 스파이럴 배플(7)은 연속 스파이럴 배플이다. 연속 스파이럴 배플은 실질적으로 배플의 전체 길이를 따라, 바람직하게는 실질적으로 제2 튜브 시트(106)로부터 제1 튜브 시트(105)와 마주하는 그의 터미널 단부를 향하는 출구 컬렉터 파이프의 전체 길이를 따라 실질적으로 중단되지 않는 연속적인 헬리컬 흐름 경로를 제공하는 스퍼이럴 배플에 관한 것으로 이해될 수 있다. 연속 스파이럴 배플은 실질적으로 스파이럴 배플(7)의 전체 길이를 따라 개선된 속도 분포를 제공하거나, 소용돌이들 및/또는 정체 영역들을 감소시키며, 이는 연속 배플이 일반적으로 기존의 충돌 배플들과 같은, 세그먼트화되거나 접합된 배플 및 임의의 다른 유형의 배플의 트레일링 에지(trailing edge)의 하류에서 발생하는 후류(wake)를 방지하기 때문이다. 연속 스파이럴 배플들을 갖는 실시예들에서, 셸 측 유체는 실질적으로 배플을, 즉, 배플의 표면을 따라 원활하게 통과한다(도 1a의 개방된 헤드의(open-headed) 화살표들 참조). 기존의 충돌 배플들 또는 접합된 스파이럴 배플들과 같은, 비연속 배플들의 경우, 유체 흐름은 플레이 또는 접합된 섹션의 위 또는 아래를 통과하여, 후류를 생성한다.
일부 바람직한 실시예들에서, 예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 셸 앤드 튜브 열 교환기는 복수의 스파이럴 배플들, 예를 들어, 일차 스파이럴 배플(7) 및 이차 스파이럴 배플(10)을 포함한다. 각 추가 스파이럴 배플은 그의 회전 중심이 셸 바디(103)의 중심선 및 출구 컬렉터 파이프(4)와 정렬되는 헬리컬 경로를 따른다. 각 스파이럴 배플은 그 길이를 따라 출구 컬렉터 파이프(4)에 의해 지지된다. 각 스파이럴 배플은 다른 스파이럴들에 대해 이동된다. 복수의 스파이럴 배플들을 갖는 셸 앤드 튜브 열 교환기를 제공하는 것은 스파이럴 배플에 의해 분리되는 다수의 헬리컬 흐름 경로들의 형성을 허용한다. 복수의 상호 이동되는 스파이럴들을 제공하는 것은 후술되는 바와 같이, 비교 가능한 전체 경로 길이를 제공하도록 배치되는 단일 스파이럴 배플 또는 더 적은 수의 배플들을 갖는 시스템에 비해 유리할 수 있다. 설명되는 바와 같이, 제1 또는 일차 배플(7)은 일반적으로 제2 튜브 시트(106)에서 또는 그 부근에서 시작한다. 두 개의 배플들을 갖는 셸 앤드 튜브 열 교환기의 경우, 제2 배플은 일반적으로 제2 튜브 시트로부터 약 1/2 피치 떨어진 곳에서 시작하며, 제1 스파이럴에 대해 180˚ 회전 차이를 갖는다. 세 개의 배플들이 있는 경우, 연속 배플들의 시작점은 각각 다른 것들에 대해 제2 튜브 시트로부터 약 1/3 피치만큼 이동되며, 각 배플은 약 120˚의 각도로 중심선 주위의 다른 것들에 대해 회전된다. 복수의 스파이럴 배플들의 제공은 셸 측 내에서, 특히, 출구 컬렉터 파이프의 입구 근처의 스파이럴 단부들 근처의 위치에서, 속도 분포를 최적화하고, 더 큰 소용돌이들의 형성을 억제하고/하거나, 정체 영역들을 감소시킨다. 각 배플은 컬렉터 파이프의 입구 속도 프로파일에서 최소 및 최대 속도를 나타낸다. 적용되는 배플들의 수가 많을수록, 최대 속도와 최소 속도 사이의 차이가 더 작다. 특히, 저속 영역들은 과열 및 관련 공정 매질 열화의 영향을 받아서, 교환기의 파울링이 발생한다. 더 많은 수의 배플들을 제공하는 것이 이를 방지할 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 복수의 스파이럴 배플들의 제공은 셸 앤드 튜브 열 교환기(101) 내의 고조파 문제들을 감소시키고, 예를 들어, 파괴적인 진동들을 방지한다. 이것은 진동들이 시스템의 고유 주파수에 있는 경우 발생한다. 이것은 배플 피치를 변경하거나 배플들의 수를 증가시킴으로써 방지된다. 배플 피치를 감소시키는 것은 허용 가능한 압력 강하를 초과할 수 있으므로, 항상 가능한 것은 아니다. 이 경우, 배플들의 수를 늘리는 것은 옵션이다.
도 1 및 도 2는 두 개의 스파이럴 배플들을 갖는 열 교환기를 도시하며, 발명자들은 또한 상이한 수의 스파이럴 배플들, 예를 들어, 하나의 배플들, 세 개 또는 네 개의 배플들을 갖는 실시예들을 구성한다.
일부 바람직한 실시예들에서, 예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 제1 튜브 시트(105)를 마주하는 하나 이상의 스파이럴 배플들의 단부 부분(109), 바람직하게는 스파이럴 배플들의 전부에는 추가 홀들 또는 구멍들(20)이 제공된다. 추가 홀들 또는 구멍들(20)이 제공되는 단부 부분은 셸 측 유체의 적어도 일부가 해당 단부 부분을 우회하도록 한다. 천공된 배플 영역(109)으로도 지칭되는 단부 부분을 따른 홀들 또는 구멍들의 제공은, 셸 측 유체(F2)가 컬렉터 파이프 입구(8)로 들어가기 전에 천공되지 않은 스파이럴 배플의 최종 에지를 통과하는 상황과 비교할 때 특히 컬렉터 파이프 입구(8)의 입구 근처에서, 예를 들어, 셸 측 유체(F)의, 흐름 속도 분포를 개선하는 것으로 나타났다. 천공의 전체 개수, 크기, 및/또는 구멍들이 제공되는 길이는 배플들의 수에 따라 달라질 수 있다. 배플들의 수가 많을수록 전체 천공이 낮아진다. 일반적으로, 주어진 길이의 천공된 배플 영역을 따른 구멍들(20)의 총 수 및 크기는 전체 천공의 5와 50 %의 사이(그러한 구멍들이 없는 동일한 길이의 영역에 대해)에 이른다. 스파이럴 배플(7)에의 단부 부분에 홀들 또는 구멍들의, 예를 들어, 5 내지 50 % 전체 천공으로의 제공은 셸 측 유체(F2)의 일 부분, 예컨대, 적어도 25 부피비, 적어도 50 부피비, 또는 적어도 75 부피비가 최종 에지를 우회하고 더 균일하게 분포되는 방식으로 컬렉터 파이프 입구(8)를 향해 흐르도록 한다. 전체 우회는 일반적으로 100 부피비 미만, 특히, 90 부피비 이하, 보다 특히, 80 부피비 이하, 예컨대, 약 75 부피비 이하일 것이다.
일부 실시예들에서, 스파이럴 배플 또는 배플들의 단부 부분은 배플 피치의 적어도 5 내지 50 %의 길이에 걸쳐 천공된다. 배플 피치는 완전한 360˚회전을 완료하는 데 필요한 범위이다. 그 효과는 천공된 배플 영역(109)의 길이를 증가함에 따라 증가하는 것으로 여겨진다. 하나의 스파이럴 배플(7)을 갖는 실시예들의 경우, 최적의 길이는 약 1/2 피치인 것으로 밝혀졌다. 두 개의 이동된 스파이럴 배플들을 갖는 실시예들의 경우, 최적의 길이는 약 1/4 피치인 것으로 밝혀졌다. 하나의 배플을 갖는 실시예의 길이는 일반적으로 최대 약 1 피치이다. 두 개의 배플들을 갖는 실시예의 길이는 일반적으로 최대 약 1/2 피치이다. 상이한 수의 추가 배플들을 갖는 실시예들의 경우(예: 총 네 개의 배플들), 길이들은 그에 따라 조정될 수 있다.
일부 실시예들에서, 예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 출구 컬렉터 파이프(4)에는 단열 배리어(thermal insulation barrier)가 제공된다. 단열 배리어는 유리하게는 셸 측 유체(F2)가 출구 컬렉터 파이프(4)를 통해 가이드될 때 셸 측 유체(F2)로의 또는 셸 측 유체(F2)로부터의 열 전달을 감소시킨다. 바람직하게는, 단열 배리어는 출구 컬렉터 파이프(4)의 길이를 따라, 즉, 컬렉터 파이프 입구(8)에 근접한 위치로부터 제2 튜브 시트(106)를 가로질러 셸 측 출구 노즐(3)을 향해 제공된다. 가장 바람직하게는, 단열 배리어는 실질적으로 출구 컬렉터 파이프의 전체 길이를 따라 제공된다. 이와 같이, 예를 들어, 튜브 측 유체 출구 헤드(104)를 가로질러 연장되는 출구 컬렉터 파이프(4)의 일부에서,
절연 슬리브(insulation sleeve) 및/또는 튜브 측 유체(F1)의 반대편에 있는 셸 측 유체(F2)로의 열 전달은 감소된다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 도시된 바와 같이, 튜브형 내부 절연 슬리브(11)는 파이프의 내부 표면을 따라 제공된다. 바람직하게는, 절연 슬리브(11)는 절연 레이어(12)에 의해 둘러싸인다. 이 절연 슬리브(11)는 점진적 경사 측멱을 제공하는 전이 피스(transition piece)(13)를 통해, 컬렉터 파이프 입구(8) 근처의 출구 컬렉터 파이프(4)에 부착되어, 입구에서 슬리브로 흐름을 가이드한다. 대향하는 단부에서, 셸 측 출구 노즐(3)은, 예를 들어, 유사한 전이 피스에 의해, 내부 슬리브(11)에 연결되거나, 셸 측 출구 노즐(3)에 연결된다(도시되지 않음).
다른 또는 추가의 바람직한 실시예에서, 셸 측 입구 노즐(6)은 셸 바디(103)에 대해 접선 방향으로(tangentially) 배치되고, 유입되는 흐름이 스파이럴 배플과 동일한 회전 방향으로 셸 바디(103)에 들어가도록 배향된다. 셸 측 입구 노즐(6)을 셸 바디(103)에 대해 접선 방향으로 제공하는 것은 흐름을 방해하지 않고, 소용돌이 형성을 억제하고/하거나, 정체 영역 형성을 감소시키는 것과 같이, 흐름 프로파일을 추가로 개선하고, 입구에서 스파이럴로의 원활한 흐름 경로를 보장하는 것으로 밝혀졌다.
일부 바람직한 실시예들에서, 셸 바디(103)에는, 예를 들어, 특히, 도 1에 도시된 바와 같은 고정 튜브 시트 셸 앤드 튜브 열 교환기의 경우, 셸 측과 튜브 측 벽들 사이의 열 팽창 차이들을 처리하기 위해, 하나 이상의 팽창 벨로우들(14)이 제공된다. 고정된 튜브 시트 설계의 경우와 같이, 두 튜브 시트들을 셸 바디에 고정하는 것은 제조를 간소화하고/하거나 견고성을 향상시킨다. 열 교환 튜브들은 일반적으로 튜브 시트들에 고정된다. 일반적으로, 벨로우들의 위치는 우발적인 파열을 방지하는 것과 같은 것을 위해 선택된다. 벨로우들의 유연성은 구성 재료의 적절한 선택을 요구하는 중요한 측면이며, 기계적인 속성들은 국부적 작동 조건들, 예를 들어, 국부적 온도에 따라 다르다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 팽창 벨로우들(14)은 바람직하게는, 예를 들어, 도시된 바와 같이, 셸 측 입구 노즐(6)의 바로 하류에 위치된다. 하나 이상의 팽창 벨로우들(14)을 입구 노즐(6)의 바로 하류에 위치시키는 것은 작동 중에, 벨로우들이 스파이럴 배플 및/또는 접선 방향으로 배치되는 노즐(6)에 의해 전개되는 접선 방향 흐름 패턴에 의해 플러싱되기 때문에, 벨로우 파울링을 감소시켜, 오염물의 축적을 감소시키는 것으로 밝혀졌다. 셸 측 유체가 튜브 측에 있는 유체에 의해 가열되는 경우, 이 영역은 또한 교환기의 상대적으로 더 차가운 영역이기도 하여, 열 교환기의 상대적으로 더 뜨거운 영역을 따라 제공되는 벨로우들에 비해, 다른, 예를 들어, 더 저렴한 벨로우 재료들의 선택을 허용한다. 또한, 더 차가운 영역들에서, 공정 매질(셸 측 유체(F2))의 바람직하지 않은 변환, 예를 들어, 열화는 교환기의 뜨거운 쪽에서보다 문제가 적다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 큰 온도 차이들이 예상되지 않는 경우에, 팽창 벨로우들은 생략된다.
본 발명의 추가 양태는 본 발명에 따른 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)를 사용하여, 제1 유체, 예를 들어, 튜브 측 유체(F1)와 제2 유체, 예를 들어, 튜브 측 유체(F2)의 사이에서 열을 교환하는 방법에 관한 것이다. 방법은, 본 발명에 따른 셸 앤드 튜브 열 교환기의 열 교환 튜브들 중 하나 이상을 통해 튜브 측 유체(F1)를 가이드하는 단계; 및 본 발명에 따른 셸 앤드 튜브 열 교환기의 셸 바디(103)를 통해 셸 측 유체(F2)를 가이드하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 셸 앤드 튜브 열 교환기는 명확하고 제어되는 방식으로, 분해된 탄화수소 가스와 같은, 고온 공정 스트림을 빠르게 냉각시키는 데 특히 유리하다. 그러한 실시예에서, 튜브 측 유체(F1)는 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)를 들어갈 때 셸 측 유체(F2)보다 더 높은 온도를 갖는다. 그러나, 본 발명은 셸 측 유체를 냉각시키기 위해 적용될 수도 있다. 그러한 실시예에서, 튜브 측 유체(F1)는 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)를 들어갈 때 셸 측 유체(F2)보다 더 낮은 온도를 갖는다.
유체들은 단상(single phase)(가스, 액체, 또는 초임계) 또는 다상(multiphase)(예: 가스-액체 혼합물)일 수 있다. 바람직하게는, 양 측의 유체들은 동일한 상을 갖고, 더 바람직하게는 양 측들의 유체들은 가스 상이다. 도 1은 직교류(cross flow)/역류(counter flow) 어레인지먼트로 흐르는 유체들을 도시하고 있지만, 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)는 또한 병류 흐름 어레인지먼트에서 작동될 수 있음이 이해될 것이다.
본 발명의 추가 양태들은 분해로 시스템, 및 탄화수소 분해로 시스템에서 이송 라인 교환기로서의 본 발명에 따른 셸 앤드 튜브 열 교환기의 사용에 관한 것이다. 예를 들어, 문헌 EP 17176502.7 또는 US4479869에 개시된 바와 같은, 분해로 시스템들은 일반적으로 탄화수소 공급원료가 예열 및/또는 부분적으로 증발되고 희석 증가와 혼합되어 공급원료-희석 증기 혼합물을 제공하는 대류 섹션(convection section)을 포함한다. 이 시스템은 대류 섹션으로부터의 공급원료-희석 증기 혼합물이 열분해에 의해 고온에서 생성물 및 부산물 컴포넌트들로 변환되는, 화실에 적어도 하나의 복사 코일을 포함하는 복사 섹션(radiant section)을 포함한다. 이 시스템은 열분해 부반응들을 중지하고 생성물들에 유리한 반응들의 평형을 유지하기 위해 복사 섹션을 떠나는 생성물 또는 분해된 가스를 신속하게 급냉시키도록 구성되는 적어도 하나의 급냉 교환기, 예를 들어, 이송 라인 교환기를 포함하는 냉각 섹션(cooling section)을 더 포함한다.
전술한 시스템/공정을 개선하는 것이 본 발명의 목적이다. 특히, 본 발명은 열 교환기의 셸 측에서의 코크스 형성 문제들을 다루었다. 본 발명에 따른 열 교환기는 열 교환기의 셸 측에서의 공급원료 열화로 인한 코크스 형성을 방지하는 것과 같은 것을 위해, 상당한 과열 없이 공급원료-희석 증기 혼합물을 가열할 수 있게 한다. 또한, 튜브 측에서 흐르는 유출물(분해된 탄화수소 가스)은 일반적으로 코크스 입자들을 함유하고 있기 때문에, 부식을 방지하고 튜브 측을 청소할 수 있으려면 고정된 튜브 시트가 필수적이다. 고정된 튜브 시트 설계와 마찬가지로, 셸 측을 기계적으로 청소하는 것은 불가능하며, 셸 측의 파울링은 어떤 대가를 치르더라도 방지되어야 한다.
유리하게는, 이것은 여기에서 개시된 바와 같은, 본 발명에 따른 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)에 의해; 본 발명에 따른 제1 유체와 제2 유체 사이의 열을 교환하는 방법에 의해; 제1 유체와 제2 유체의 사이에서 열을 교환하기 위한 상기 열 교환기의 사용에 의해; 및/또는 탄화수소 분해로 시스템(1000)에 의해 달성된다. 특히, 이것은 본 발명에 따른 열 교환기에 제공되는 탁월한 흐름 분포로 인해, 실질적으로 열 교환기 셸 측의 과열 및 후속 파울링을 유발할 수 있는 임의의 소용돌이들 또는 정체 영역들이 없기 때문에, 본 발명에 따라 달성된다.
유리하게는, 본 발명에 따른 열 교환기는 저배출 탄화수소 분해 시스템의 일부를 형성하며, 그의 바람직한 구성은 EP 17176502.7에 기초할 수 있다. 따라서, 열 교환기는 에너지 공급에 대한 필요성이 감소되어, 결과적으로, CO2 배출이 감소되는 효율적인 탄화수소 분해로 시스템에 유리하게 사용될 수 있다.
일부 바람직한 실시예들에서, 도 4를 참조하여 후술되는 바와 같이, 유출물(분해된 가스(208))로부터의 열은 복사 코일(211)로 들어가기 전에 탄화수소 공급원료(201)를 예약하는데 직접 사용된다.
도 4는 본 발명에 따른 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)를 포함하는 예시적인 실시예의 탄화수소 분해로 시스템(100)을 개략적으로 도시한다. 여기에 개시된 바와 같이 탄화수소 공급원료를 분해된 가스로 변환하기 위한 탄화수소 분해로 시스템(1000)은, 탄화수소 공급원료(201)를 수용하고 예열하도록 구성되는 복수의 컨벤션 뱅크들(convention banks)(221)을 갖는 로 대류 섹션(furnace convection section)(220); 공급 원료가 분해되어 분해된 탄화수소 가스 흐름(208)을 형성하는 복사 코일(211)을 포함하는 복사 섹션, 예를 들어, 복사 섹션/로 화실(210) 중 적어도 하나를 더 포함한다. 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)는 복사 코일(211)에 들어가기 전의 탄화수소 공급물을 예열하고 복사 코일(211)을 떠나는 생성물/분해된 가스(208)를 빠르게 급냉시키는 일차 이송 라인 교환기(235)의 역할을 한다. 도시된 바와 같은 시스템에서 포함되는 다른 컴포넌트들/흐름들은, 희석 증기(202); 보일러 공급수(203); 고압 증기(204); 연료 가스(205); 연소 공기(206); 연도 가스(207); 복사 코일(211); 하단 버너(212); 연소 구역(화염)(214); 공급물 예열기(222); 고온 코일(223); 희석 증기 과열기(224); 고안 증기 과열기(225); 보일러 코일(226); 증기 드럼(233); 과열기(234); 및 일차 이송 라인 교환기(235)를 포함한다. 시스템, 그의 컴포넌트들, 그의 작동, 및 대안적인 어레인지먼트들에 대한 세부 사항들은 EP 17176502.7에서 찾을 수 있으며, 이는 특히 EP 17176502.7의 도 1 내지 도 7에 도시된 실시예들과 관련하여 도시되고 설명된 실시예들 및 방법들은 참조로서 여기에 포함된다.
일 실시예에서, 예를 들어, 현재 도 4에 도시된 바와 같이, 시스템은 탄화수소 공급원료(201)가 희석 증기(202)와 혼합되고 복사 코일(211)에 들어가기 전에 예열되도록 구성된다. 그러한 어레인지먼트에서, 소위 분해된 가스(208)라고 하는 유출물은 일반적으로 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)의 튜브 측 공간(107)을 통해 가이드된다. 하나 이상의 열 교환 튜브들(5)을 통과하는 동안, 열은 희석 증기(202)와 혼합되는 탄화수소 공급원료(201)를 포함하는 셸 측으로 전달되어, 복사 코일(211)로의 공급물을 직접 예열한다. 도시된 바와 같이, 복사 코일(211)로의 공급물은 일반적으로 탄화수소 공급물(201) 및 희석 증기(202)를 포함한다. 전술된 바와 같이, 시스템의 이점들은, 예를 들어, 셸 앤드 튜브 열 교환기(101) 내에서, 개선된 열 전달로 인해, 열분해 부반응을 피함으로써, 즉, 정체 영역들을 감소시킴으로써, 소용돌이들을 감소시킴으로써, 및/또는 흐름 속도 분포를 개선함으로써, 공급원료 열화의 감소를 포함한다. 추가적으로, 복사 코일로의 공급물을 예열하기 위해 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)로부터의 열을 사용함으로써, 시스템은 유리하게는 시스템들 전반의 에너지 효율성을 향상시켰으며, 여기서, 열은, 예를 들어, 증기를 생성하기 위해, 간접적으로 사용되어, 에너지 공급의 필요성을 감소시키고, 결과적으로 시스템의 CO2 배출을 감소시킨다.
상기로부터, 바람직한 실시예에서, 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)가 분해된 탄화수소 공정 스트림(208)을 냉각시키는 데 사용된다는 것이 이해될 것이다. 특히 바람직한 실시예들에서, 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)는 추가적으로 복사 코일(211)로의 공급물을 예열하는 데 사용된다. 따라서, 일부 실시예들에서, 제1 유체와 제2 유체 사이의 열을 교환하는 방법은, 열 교환기의 튜브 측 공간(107) 및 셸 측 공간(108)을 통해 튜브 측 및 셸 측 유체들을 각각 가이드하는 단계, 예를 들어, 본 발명에 따른 셸 앤드 튜브 열 교환기의 열 교환 튜브들 중 하나 이상을 통해 튜브 측 유체(F1)를 가이드 하는 단계, 및 상기 열 교환기의 셸 바디(103)를 통해 셸 측 유체(F2)를 가이드하는 단계를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 튜브 측 유체(F1) 및 셸 측 유체(F2) 중 하나는 탄화수소 분해로 시스템(1000)의 복사 코일(@11)을 빠져나가는 분해된 가스(208)이다. 더 바람직하게는, 예를 들어, 도 4에 도시된 실시예에서와 같이, 분해된 탄화수소 가스 흐름(208)으로부터의 열은 복사 코일(211)로 흐르는 탄화수소 공급물/희석 증기 혼합물로 직접 전달된다. 따라서, 방법 바람직하게는, 열 교환기의 튜브 측 공간(107)을 통해 분해된 가스(208)를 가이드하는 단계; 및 열 교환기의 셸 측 공간(108)을 통해 복사 코일(211)로 탄화수소 공급원료/희석 증기 혼합물을 가이드하는 단계를 포함한다.
여기에서 상세하게 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 교환기(101)는, 예를 들어, EP 17176502.7의 도 1 내지 도 5에 도시된 탄화수소 분해로 시스템들(1000), WO 2018/229267에 따른 분해로 시스템, 또는 국제 출원 번호 PCT/EP2020/067173에 따른 분해로 시스템의 실시예들의 이송 라인 교환기들 중 하나 이상을 대체하여, 탄화수소 분해로 시스템의 이송 라인 교환기로서 특히 유리하게 사용될 수 있으며; 이들 출원들의 내용들, 특히, 청구범위들, 도면들, 및 도면들의 설명들은 참조로서 포함된다. 탄화수소 분해로 시스템은 적어도 탄화수소 공급원료를 분해하기 위한 복사 코일(211), 및 상기 로 화실에 위치되는 복사 코일에 유동적으로 연결되는 본 발명에 따른 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 튜브 측 공간(107) 및 셸 측 공간(108)은, 동시에 복사 코일을 빠져나가는 탄화수소 가스 흐름을 냉각하고 복사 코일로의 공급물을 예열하는 것과 같은 것을 위해, 복사 코일의 대향하는 단부들에 각각 유동적으로 연결된다.
명확성과 간결한 설명을 위해, 특징들은 동일하거나 별도의 실시예들의 일부로서 여기에서 설명되지만, 본 발명의 범위는 설명된 특징들의 전부 또는 일부의 조합들을 갖는 실시예들을 포함할 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 각각이 천공된 배플 영역(109)을 갖는 두 개의 연속 스파이럴 배플들을 포함하는 셸 앤드 튜브 열 교환기에 대한 실시예들이 도시되었지만, 유사한 기능 및 경과를 달성하기 위해 본 개시의 이점을 갖는 대안적인 방식들도 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람에 의해 구상될 수 있다. 기술되고 도시된 바와 같은 실시예들의 다양한 요소들은 개선된 흐름 분포 및/또는 예를 들어, 알려진 셸 앤드 튜브 열 교환기들에 비해 파울링의 측면에서, 달리 개선된 성능을 갖는 셸 앤드 튜브 열 교환기의 제공과 같은 특정 이점들을 제공한다. 물론, 상기의 실시예들 또는 공정들 중 임의의 하나가 하나 이상의 다른 실시예들 또는 공정들과 조합되어, 설계들 및 이점들을 찾고 매칭하는 데 있어 훨씬 더 개선된 사항들을 제공할 수 있음이 이해되어야 한다. 본 개시는 분해된 탄화수소 가스 흐름(208)의 냉각을 위한 특별한 이점들을 제공하고, 일반적으로, 개선된, 바람직하게는 거의 완벽에 가까운 셸 측 흐름 분포 및 유체들 사이의 개선된 열 교환으로부터 이익을 얻는 임의의 응용 분야에 적용될 수 있다는 것이 이해된다.
첨부된 청구범위를 해석함에 있어서, 어절 "포함하는"은 주어진 청구항에서 나열된 것 이외의 다른 요소들 또는 동작들의 존재를 배제하지 않고; 요소 앞의 단어 "하나" 또는 "일"은 그러한 요소들의 복수의 존재를 배제하지 않고; 청구범위에서 임의의 참조 부호들은 그 범위를 제한하지 않고; 여러 "수단들"은 동일하거나 다른 항목(들) 또는 구현된 구조 또는 기능으로 나타낼 수 있으며; 개시된 디바이스들 또는 그들의 일부는 달리 명시되지 않는 한 함께 결합되거나 추가 부분들로 분리될 수 있음이 이해되어야 한다. 하나의 청구항이 다른 청구항을 참조하는 경우, 이것은 그들의 각각의 특징들의 조합에 의해 달성되는 시너지 효과를 나타낼 수 있다. 그러나, 어떤 조치들이 서로 다른 청구항들에서 언급되어 있다는 단순한 사실이 이러한 조치들의 조합이 또한 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다. 따라서, 본 실시예들은 청구범위의 모든 작업 조합들을 포함할 수 있으며, 각 청구항은 문맥에 의해 명확하게 배제되지 않는 한 원칙적으로 임의의 이전 청구항을 참조할 수 있다.
본 출원으로 이어지는 프로젝트는 보조금 계약 n˚ 723706에 따라 유럽 연합 호라이즌 H2020 프로그램(H2020-SPIRE-2016)으로부터 자금을 받았다.
셸 앤드 튜브 열 교환기(101);
탄화수소 분해로 시스템(1000);
튜브 측 유체(F1);
셸 측 유체(F2);
튜브 측 입구 노즐(1);
튜브 측 출구 노즐(2);
셸 측 출구 노즐(3);
출구 컬렉터 파이프(4);
열 교환 튜브(5);
셸 측 입구 노즐(6);
스파이럴 배플(7);
컬렉터 파이프 입구(8);
이차 스트림라이닝 디바이스(9);
추가 스파이럴 배플들(10);
절연 슬리브(11);
절연 레이어(12);
전이 피스(13);
팽창 벨로우(14);
일차 스트림라이닝 디바이스(15);
삼차 스트림라이닝 디바이스(16);
추가 홀들 또는 구멍들(20);
튜브 측 유체 입구 헤드(102);
셸 바디(103);
튜브 측 유체 출구 헤드(104);
제1 튜브 시트(105);
제2 튜브 시트(106);
튜브 측 공간(107);
셸 측 공간(108);
천공된 배플 영역(109);
탄화수소 공급원료(201);
희석 증기(202);
보일러 공급수(203);
고압 증기(204);
연료 가스(205);
(연소) 공기(206);
연도 가스(207);
분해된 가스(208);
보일러 수(209a);
부분 기화 보일러 수(209b);
복사 섹션/로 화실(210);
복사 코일(211);
하단 버너(212);
연소 구역(화염)(214);
로 대류 섹션(220);
컨벡션 뱅크(221);
공급물 예열기(222);
고온 코일(223);
희석 증기 과열기(224);
고압 증기 과열기(225);
보일러 코일(226);
증기 드럼(233);
과열 저감기(234);
일차 이송 라인 교환기/셸 앤드 튜브 열 교환기(235).

Claims (16)

  1. 튜브 측 유체(F1)와 셸 측 유체(F2)의 사이에서 열을 교환하기 위한 셸 앤드 튜브(shell-and-tube) 열 교환기(101)에 있어서,
    제1 튜브 시트(105);
    제2 튜브 시트(106);
    셸 측 입구 노즐(6)이 장착된 셸 바디(103) - 상기 셸 바디(103)의 대향하는 터미널 단부들(terminal ends)은 상기 제1 튜브 시트(105) 및 상기 제2 튜브 시트(106)에 의해 경계를 이룸(bordered) -;
    상기 제1 튜브 시트(105)에서 상기 제2 튜브 시트(106)까지 상기 셸 바디(103)를 통해 연장되는 하나 이상의 열 교환 튜브들(5);
    상기 셸 바디의 중심선과 실질적으로 정렬되는 회전 중심을 갖는 헬리컬 궤적(helical trajectory)을 따르는 스파이럴 배플(spiral baffle)(7) - 상기 스파이럴 배플(7)은 상기 셸 측 입구 노즐(6)의 하류에서 상기 셸 바디(103)를 통해 상기 제1 튜브 시트(105)를 향하는 헬리컬 흐름 경로를 제공하도록 배치됨 -; 및
    상기 셸 바디 내에서 실질적으로 동축으로 연장되고 상기 스파이럴 배플(7)을 그 길이를 따라 지지하는 출구 컬렉터 파이프(4) - 따라서, 상기 헬리컬 흐름 경로가 상기 출구 컬렉터 파이프(4)의 외부 표면을 따라 가이드됨 -
    를 포함하고,
    상기 출구 컬렉터 파이프(4)는 상기 제2 튜브 시트(106)에 장착되어 상기 제2 튜브 시트(106)를 통과하고, 상기 출구 컬렉터 파이프(4)는 상기 헬리컬 흐름 경로 하류의 갭에 의해 상기 제1 튜브 시트(105)로부터 분리되어, 상기 셸 측 유체(F2)가 컬렉터 파이프 입구(8)로 들어가고 - 상기 컬렉터 파이프 입구(8)는 상기 갭을 가로질러 상기 제1 튜브 시트(105)와 마주함 -, 상기 컬렉터 파이프 입구(8)의 반대편에 있는 상기 출구 컬렉터 파이프(4)의 터미널 단부에 제공되는 셸 측 출구 노즐(3)을 통해 상기 셸 바디(103)에서 빠져나가도록 하는,
    셸 앤드 튜브 열 교환기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 컬렉터 파이프 입구(8)에는 상기 셸 측 유체(F2)를 상기 출구 컬렉터 파이프(4)로 원활하게 가이드하기 위해 원뿔 또는 트럼펫 형상을 갖는 일차 스트림라이닝 디바이스(streamlining device)(15)가 제공되는,
    셸 앤드 튜브 열 교환기.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 스파이럴 배플(7)은 실질적으로 상기 제2 튜브 시트(106)로부터 상기 제1 튜브 시트(105)를 향하여 상기 출구 컬렉터 파이프(4)의 전체 길이를 따라 연속적인 헬리컬 흐름 경로를 제공하는 연속적인 스파이럴 배플인,
    셸 앤드 튜브 열 교환기.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 튜브 시트(105)와 마주하는 상기 스파이럴 배플(7)의 단부 부분에는 상기 셸 측 유체(F2)가 적어도 부분적으로 상기 단부 부분을 우회하도록 하는 홀들 또는 구멍들(20)이 제공되는,
    셸 앤드 튜브 열 교환기.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컬렉터 파이프 입구(8)의 반대편에 있는 상기 제1 튜브 시트(105)에 제공되는 돌기를 포함하는 이차 스트림라이닝 디바이스(9)
    를 포함하고,
    상기 돌기는 상기 셸 측 유체(F2)의 흐름을 상기 제1 튜브 시트(105)를 따르는 방향으로 상기 출구 컬렉터 파이프(4)로 원활하게 가이드하도록 형성되는,
    셸 앤드 튜브 열 교환기.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출구 컬렉터 파이프(4)에는 단열 배리어(thermal insulation barrier)가 제공되는,
    셸 앤드 튜브 열 교환기.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)는 하나 이상의 추가 스파이럴 배플들(10)을 포함하는,
    셸 앤드 튜브 열 교환기.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셸 측 입구 노즐(6)은 상기 셸 바디(103)에 대해 접선 방향으로(tangentially) 배치되는,
    셸 앤드 튜브 열 교환기.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셸 바디(102)에는 하나 이상의 팽창 벨로우들(expansion bellows)(14)이 제공되는,
    셸 앤드 튜브 열 교환기.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 열 교환 튜브들의 대향하는 단부들은 튜브 측 유체 입구 헤드(102) 및 튜브 측 유체 입구 헤드(104)로 각각 개방되는,
    셸 앤드 튜브 열 교환기.
  11. 제1 유체와 제2 유체의 사이에서 열을 교환하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
    제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 따른 상기 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)의 상기 열 교환 튜브들(5) 중 하나 이상을 통해 튜브 측 유체(F1)를 가이드하는 단계; 및
    제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 따른 상기 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)의 상기 셸 바디(103)를 통해 셸 측 유체(F2)를 가이드하는 단계
    를 포함하는,
    방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)는 탄화수소 분해 시스템에서 이송 라인 교환기(transfer line exchanger)로서 사용되는,
    방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 튜브 측 유체(F1)는 분해로 시스템(1000)의 복사 코일(211)을 빠져나가는 분해된 탄화수소 공정 스트림이고, 상기 셸 측 유체(F2)는 상기 복사 코일(211)에 공급되는 탄화수소 공급원료(feedstock)를 포함하며, 상기 셸 측 유체(F2)는 바람직하게는 탄화수소 공급원료-희석제(diluent) 혼합물, 더 바람직하게는 탄화수소 공급원료-희석 증기(dilution steam) 혼합물인,
    방법.
  14. 탄화수소 분해로 시스템(1000)에 있어서,
    복사 코일(211)이 탄화수소 공급원료를 분해하기 위해 제공되는 로 화실(210), 및
    상기 로 화실 내에 위치되는, 상기 복사 코일(211)에 흐름적으로(fluidly) 연결되는, 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 따른 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)를 포함하는,
    탄화수소 분해로 시스템.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)는 복사 코일(211)의 대향하는 단부들에 각각 흐름적으로 연결되고, 상기 복사 코일(211)을 빠져나가는 탄화수소 가스 흐름을 동시에 냉각시키고 상기 복사 코일(211)로의 공급물을 예열하도록 구성되는 튜브 측 공간(107) 및 셸 측 공간(108)을 갖는
    탄화수소 분해로 시스템.
  16. 제14 항 또는 제15 항에 있어서,
    상기 셸 앤드 튜브 열 교환기(101)는 실질적으로 수직으로 장착되고/되거나 상기 제2 튜브 시트(106)는 상기 제1 튜브 시트(105)의 위에 위치되는,
    탄화수소 분해로 시스템.
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