KR880001590B1 - 열 교환장치 및 그에 의한 유체 냉각 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

열 교환장치 및 그에 의한 유체 냉각 방법

제 1 도는 열 교환작동중 열 교환장치의 흐르는 유체의 흐름 경로를 나타내는, 본 발명에 의한 열 교환장치의 개요도.

제 2 도는 제 1 도의 열 교환장치의 특정 실시 예에 대한 정단면도.

제 3 도는 제 1 도의 열 교환장치의 또다른 실시 예에 대한 정단면도.

제 4 도는 열 교환장치의 관판과 도관 다발의 일부를 도시하는, 제 2 도 및 3 도의 V-V선에 따라 취해진 부분 단면도.

제 5 도는 일부의 도관 다발과, 열 교환장치의 열 교환단면에서 도관 다발을 지지해주는 부재를 도시하는, 제 2 도 및 제 3 도의 V-V선에 따라 취해진 부분 단면도.

제 6 도는 도관 다발에서 내측도관을 내장한 외측도관의 밀폐단과, 외측도관내에서 내측 도관을 지지해주는 수단을 도시하는 부분 상세 단면도.

제 7 도는 제 6 도의 Ⅶ-Ⅶ선에 따라 취한 단면도.

제 8 도는 제 1 도 열 교환장치의 또 다른 특정 실시 예에 대한 정단면도.

제 9 도는 열 교환장치의 도관 다발의 구조를 나타내는, 제 8 도의 Ⅸ-Ⅸ선에 따라 취한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 헤드부 11 : 열 교환부

12 : 제 1관판 13 : 제 2관판

18 : 내측도관 19 : 외측도관

21 : 경계벽 25 : 차폐판

30 : 단열재 31 : 충돌판

34, 46 : 냉각유체실 36 : 냉각유체 입구관

38 : 링 37, 44 : 슬라이브

41 : 냉각유체 분산부재

대체로, 본 발명은 특정 온도와 압력의 제 1 유체를 저온 고압의 제 2 유체로써 냉각시키는 열 교환장치에 관한 것이다.

종래의 쉘 앤드 튜브형(외피와 도관형) 열 교환장치에 있어서 열 교환장치의 도관 단면은 양단이 개방된 도관 다발로 구성된다. 양단에서 도관들은 관통 연장하며 관판에 용접된다. 열 교환장치의 외피는 도관 다발을 완전히 감싼다. 도관 다발속의 도관들은 서로 그리고 외피로부터 이격되어 열 교환장치의 외피 단면을 이룬다.

전형적인 열 교환 작동에서는 한 가지 유체(액체 또는 기체)가 열 교환장치의 도관 단면을 통과한다. 다른 유체는 그때 외피 단면을 통과한다. 즉, 대개 도관 단면을 흐르는 유체와는 역방향으로 하여 도관들의 외부에서 흐른다. 열 교환 작동의 한 예로서는 탄화수소 분해로의 반응생성물을 냉각하는 경우이다. 반응생성물이란 대개 약 700 내지 900℃의 온도로 분해로에서 방출되는 기체이다. 고온의 기체는 분해로를 떠날때 열 교환장치의 도관 단면을 통과하여 대개 고압수인. 즉 열 교환장치의 외피 단면을 통과하는 제 2 유체에 의해 냉각된다.

이러한 작용중에 고온 기체(반응생성물)의 일부 열은 도관벽을 통해 물로 전달된다. 결과적으로 이는 물의 온도를 때로는 증발시킬 정도로 상승시키로 기체의 온도를 하강시킨다.

상기 분해로에 사용된 열 교환장치는 여러가지 단점을 갖고 있다. 예를들면, 도관벽의 내표면에 코우크스가 퇴적되어 열 교환장치를 불결하게 하며 열교환 효과를 심히 손상시킨다. 코우크스가 퇴적되면 관내부의 수동 세척작업 및 상류 장치의 오랜 정지가 요구된다. 청소 작업이 자주 필요할 뿐 아니라 일주일씩이나 열교환장치를 사용할 수 없다. 또다른 문제점은 청소하는 동안의 온도 변화에 의해 열 교환장치에 손상이 생길 수 있다는 점이다. 예를들면, 열 교환장치는 청소단계에서 상당히 높은 작동 온도에서 상당히 낮은 온도로 냉각되었다가 그 온도는 다시 열 교환 작동을 위해 상승 되어야 한다.

열 교환 작동의 효율성을 높인다거나 상기 설명된 기계적 스트레스를 감소시키시 위해 종래의 쉘 앤드 튜브형(외피와 도관형) 열 교환장치는 여러가지 방법으로 수정되어 왔다. 이런 수정중의 하나가 에이치. 알. 눌이 케미칼 엔지니어링 프로그레스 68권 7호(1972년 7월)의 53페이지에서 56페이지 사이에 걸쳐 설명한 "에칠렌 공장의 열 교환장치의 문제점"이다 . 이 열 교환장치는 내관을 흐르는 열분해 기체가 내관을 둘러싼 외관을 흐르는 다른 유체에 의해 냉각되는 이중관 구조이다. 잘 알려진 다른 많은 열 교환장치도 그렇지만 이러한 형식의 열 교환장치는 청소하기가 어려운데 왜냐하면 이들은 수동 세척 및 장시간 정지를 요구하기 때문이다. 게다가, 상기 설명한 온도 변화에 따른 손상을 받지 않게 하려면, 이 열교환장치는 청소전에 냉각되어야 한다.

본 발명에 의한 열 교환장치는 유체 사이의 열 교환을 위한 종래 방법 및 장치에 비해 여러가지 두드러진 장점을 갖는다. 예를 들어, 비교적 고온인 유체가 더 낮은 저온으로 신속히 냉각된다. 바람직하지 못한 부산물을 제거하기 위해 고온 반응 생성물이 신속히 냉각되어야 하는 열 또는 촉매 분해로에서와 같은 탄화수소 분해 작업에 있어서 이것은 특별한 장점이 된다. 본 발명에 의한 열 교환장치를 사용하면 대개 약 700 내지 1000℃의 온도를 갖는 고온 반응 생성물을 약 0.03초 동안에 약 500 내지 700℃ 이하로 냉각될 수 있다.

본 열 교환장치의 또다른 장점은 열 교환부의 비교적 높은 고온을 저온 고압으로 작동하는 헤드부 방향으로 점진 소산시킬 수 있는 능력이다. 이러한 열 소산은 고온 구역과 저온 구역의 경계에서 흔히 발생하는 재료의 물리적 악화라는 문제를 해결한다. 또다른 장점은 본 발명의 열 교환장치는 종래의 열 교환장치보다 청소시간이 훨씬 덜 요구된다는 것이다. 예를들면, 청소시간은 일반적으로 단 몇시간만을 요구한다. 또다른 장점은 본 발명의 열 교환장치는 작동중에 청소할 수 있다는 것, 즉 청소하기 전에 냉각할 필요가 없다는 것이다. 이 특징에 의해, 앞서 설명한 온도 변화에 의한 열 교환장치의 도관과 기타 부재의 열적 손상의 가능성을 크게 감소시키게 된다.

본 발명은 특정 온도와 압력의 제 1 유체를 저온 고압의 제 2 유체로써 냉각시키는 열 교환장치에 관한 것이며, 이 열 교환장치는, 저온 유체의 입구 및 출구를 포함하는 헤드부와, 양단이 개방되어 있는 헤드부에서 열 교환부로 뻗으며 저온 유체의 입구와 유체 소통되어서 저온 유체가 각 내측도관으로 통과할 수 있는 내측도관들의 다발을 포함하며 저온 유체의 출구와 유체 소통되며 열 교환부내를 지나는 각 내측도관을 감싸서 외측도관의 내측면과 내측도관의 외측면 사이에 유로가 형성되고 내측도관으로부터 나온 저온 유체가 이유로를 통해 헤드부의 출구로 흘러가도록 하는 외측도관들의 다발을 또한 포함하며 고온 유체인 제 1 유체를 위한 입구 및 출구를 포함하고 고온 유체가 입구에서 출구로 흘러 저온 유체의 도관들과 접하도록 하는 공간을 또한 포함하는 열 교환부와, 헤드부와 열교환부 사이에 위치하며 고온 유체의 온도보다 낮은 온도와 고온 유체의 압력보다 큰 압력을 갖고서 열교환부로부터 헤드부로 온도를 점차 낮추어 주는 유체를 수용할 수 있는 온도 조절부를 포함한다.

본 발명은 또한 탄화수소 분해로의 반응생성물을 냉각시키는 방법에 관한 것인데, 이 방법은, 고온 유체의 입구를 통하여 고온 유체로서의 탄화수소 반응생성물을 열 교환장치로 통과시키고, 저온 유체의 입구를 통하여 탄화수소 반응생성물보다 저온인 액체 혹은 증기상태의 물을 열 교환장치로 통과시키고, 탄화수소 반응생성물은 일부 냉각시키고 물은 기화 또는 가열시키도록 탄화수소 반응생성물을 물과 간접적으로 접촉 시키고, 열 교환장치를 통과하는 증기에 탄화수소 반응생성물을 직접 접촉시킴으로써 탄화수로 반응생성물을 증기와 함께 고온 유체의 출구를 통해 열 교환장치로부터 배출시키고, 기화 혹은 가열된 물을 저온 유체의 출구를 통해 배출시키는 단계들을 포함한다.

도면을 참조하면, 제 1 도에 도시된 것처럼 본 발명에 열 교환장치는 크게 나누어 헤드부(10)와 열 교환부 (11)의 두 부분으로 구성된다. 이제 제 2 도의 실시예를 참조하면, 헤드부(10)는 입구(16), 출구(17), 제 1 관판(12), 제 2 관판(13)을 포함한다. 관판(12)은 비교적 얇은, 예를들면, 약 2 내지 10mm의 구조물이다. 그러나, 관판(13)은 일반적으로 훨씬 두꺼운, 예를들면, 약 10 내지 35mm의 재료료 만들어진다. 각 관판의 두께는 각 관판의 양측에 존재하는 압력편차에 주로 의존한다. 예를들면, 관판(13)은 보통 관판(12)보다 더 두꺼운 재로로 만들어지는데, 왜냐하면, 그것은 일반적으로 열 교환장치 가동시 보다 높은 압력편차를 받기 때문이다.

헤드부(10)는 관판(12)에 의해 두 개의 분리실로 나뉜다. 특별히, 관판(12)의 전방 공간은 입구실(14)을 형성하고, 관판(12)과 관판(13) 사이의 공간은 출구실(!5)을 형성한다. 입구(16)는 입구실(14)로 유체를 안내한다. 유체는 입구실(14)로부터 보통 도관 다발로 언급되는 여러개의 내측도관(18) 속으로 들어간다. 양단이 개방된 각각의 내측도관(18)은 용접, 납땜, 혹은 다른 적당방법으로 관판(12)에 고정된다. 또한, 각 내측도관(18)은 헤드부(10)에서부터 연장하여 열 교환부(11)로 뻗어들어간다. 제 2 도에서와 같이, 열 교환부(11)속에 있게 되는 각 내측도관(18)의 이런 부분은 외측도관(19)에 의해 감싸인다.

유로(20)는 외측도관(19)의 내측면과 내측도관(18)의 외측면 사이에 이루어지는 환상형 공간으로 제공된다. 각 외측도관(19)의 개방단부는 일반적으로 용접, 납땝, 혹은 다른 적당 방법으로 제 2 관판(13)에 고정되어, 유로(20)는 출구실(15) 및 출구(17)와 유체 소통하게 된다. 내측도관(18)과 외측도관(19)은 제 4 도에 보다 자세히 도시되어 있듯이 서로 동심관계를 갖는 도관들이다. 본 발명의 실시 예에서, 내측도관(18)과 외측도관(19) 사이의 유로(20)는 내측도관(18)으로부터 나온 저온 유체가 좀더 두꺼운 관판(13)에 의해 한측면이 구획된 출구실(15)로 흘러들어갈 수 있는 통로가 된다.

제 6 도 및 제 7 도에서 도시된 것처럼, 내측도관(18)은 외측도관(19)내에 동심을 이루어 위치하여 로드(40)로 위치 고정된다. 로드(40)의 위치와 크기는 유로(20)를 통하는 유체의 흐름을 크게 방해하지 않을 정도록 결정한다.

도면은, 특히 제 2 도, 제 3 도 및 제 8 도는 내측도관(18) 및 외측도관(19)이 헤드부(10) 및 열 교환부(11)의 일부분만을 차지하는 것으로 단순화되어 도시되었다. 열 교환장치를 실제로 제작함에 있어서는 제 4 도 및 제 5 도에 아주 잘 도시된 것처럼 재측도돤(18)과 외측도관(19)은 헤드부 및 열 교환부상의 단면적 대부분을 차지한다.

제 5 도에서와 같이, 열 교환부(11)내로 뻗은 외측도관(19)의 이러한 부분은 양호하게도 어떤 적당수단, 가령 동심상의 링(38)들에 의해 지지된다. 외관의 지지수단에는 또한 동심상의 각 링(38)들 사이에 고정된 다수의 이격된 버팀부재(39)가 포함된다. 특히, 외측도관(19)은 각 외측도관이 인접 버팀부재(39) 사이에 끼워 고정되록 하여 링(38) 사이에 위치한다.

다시 제 2 도를 참조하면, 경계벽(21)으로 한정된 열 교환부(11)는 고온 유체로부터 저온 유체로 열이 전달되는 부분이다. 고온 유체는 입구(28)를 통해 열 교환부(11)로 들어가서 출구(29)를 통해 빠져 나간다. 열 교환부(11)내에는 각각의 외측도관(19) 사이와, 외측도관(19)과 경계벽(21) 사이에서 형성되는 좁은 공간(27)이 있다. 열 교환부(11)를 통과하는 고온 유체는 이 공간(27)에 의해 흐를 수 있게 된다.

차폐판(25)은 플랜지(22) 및 경계벽(21)과, 얇은 벽(26)의 끝인 또다른 플랜지(24) 사이에 위치한다. 플랜지들은 볼트(23)로 함께 조여져서 차폐판(25)은 경계벽(21)에 고정된다. 얇은 벽(26)은 용접, 납땜, 혹은 다른 적당수단에 의해 관판(13)에 고정된다. 내측도관(18) 및 외측도관(19)은 차폐판(25)을 통과하나 부착 되지는 않는다. 그러나, 각 외측도관(19)의 외부와 차폐판(25) 사이(도시되지 않음)에는 약간의 여유량이 있는 것이 좋다. 이것에 의해 외측도관들은 자유롭게 움직이게 되고, 바람직하지 못한 열 응력을 발생시킴이 없이 온도 변화와 그 밖의 조건에 따라 팽창 및 수축할 수 있게 된다.

얇은 벽(26)은 헤드부(10)와 열 교환부(11) 사이를 연결해준다. 실제로, 얇은 벽(26)은 열 교환부로부터 헤드부로의 열 전달을 최소화 시켜주기에 충분한 얇은 두께(15mm)이하여야 한다. 그러나 헤드부를 열 교환부를 열 교환부에 견고하게 연결시켜줄만큼은 두꺼워야 한다. 차폐판(25)은 경계벽(21), 또는 얇은 벽(26)에 기계적 수단등에 의해 고정 부착되어 있지 않기 때문에 열 교환장치에 있어서의 열 응력은 훨씬 더 감소된다. 헤드부(10)는 또한 열 슬리이브 기능을 하는 냉각 유체실(34)에의해 열 교환부(11)의 고온으로 부터 단열된다. 제 2 도에 도시된 것처럼, 냉각 유체실(34)은 관판(13)과 차폐판(25) 그리고 벽(26)에 의해 둘러싸인 공간이다. 플랜지(24)의 상부에 뻗어있는 업구(33)는 냉각 및 세척 유체(이하 냉각 유체라 칭함)를 냉각 유체실(34)로 안내한다. 입구(33)는 얇은 벽(26)에서의 과도한 기계적 응력과 열 응력을 방지하기 위하여 얇은 벽(26)보다는 플랜지(24)에 위치한다.

냉각 유체실(34)은 경계벽(21)에 의해 한정되는 전체 단면적에 대해 냉각 유체를 균일하게 분포시켜주는 수단과 유체 소통한다. 제 2 도에 도시된 바와 같이, 단열재(30)는 충돌판(31), 벽부재(32) 및 차폐판(25)으로 한정된 영역에 배치된다. 단열재(30)와 냉각 유체실(34) 사이의 유체 소통은 외측도관(19)과 차폐판(25)사이, 외측도관과 벽부재(32) 사이의 좁은 틈(도시되지 않음)에 의해 이루어진다. 단열재(30)는 열 교환부의 고온으로부터 차폐판(25)을 단열시켜주고, 전 단면적에 대해 보다 균일한 냉각 유체 분포를 제공하지만, 그 용도는 선택적이다. 단열재 사용시, 좋은 재료는 압축광물섬유, 산화알루미늄섬유, 카오울 알루미나 실리카 세라막섬유등이다. 충돌판(31)과 벽부재(32)는 얇은 열 저항 금속판 혹은 기타 종래의 내열재료로 제작된다.

본 발명에 의한 열 교환장치는 여러가지 다양한 열 교환 작용을 할 수 있다. 예를들면, 고온 및 저온 유체는 기체나 액체 또는 기체와 액체 혼합물일 수 있다. 일반적으로 고온 유체는 고온 기체상태의 물질이고, 저온유체는 보다 냉한 액체 도는 기체이다. 어떤 열 교환 작용에 있어서는 저온 혹은 고온 유체가 열 교환장치 통과시 상변화를 받는 것이 바람직하다. 예를들면, 고온 유체를 냉각할때 저온의 액체는 기화되는 것이 종종 바람직하다. 실제 작업 조건하에서 바람직한 상변화를 일으킬 저온 또는 고온 유체를 선택하므로써 이러한 상변화를 쉽게 이룰 수 있다.

본 발명에 의한 열 교환 작용은 열 혹은 촉매분해로에 의해 생성되는 고온의 반응생성물을 냉각시킴에 있어 특히 유용하다. 이러한 반응 생성물의 온도는 일반적으로 700 내지 1000℃에 달한다. 이러한 열 교환작용에 있어 저온 유체는 액체, 즉 물이 좋다. 일반적으로, 냉각수는 100 내지 400℃의 온도를 가져야 한다. 열 교환작용에 있어서, 헤드부(10)는 일반적으로 저온 고압의 상태이며, 반면에 열 교환부(11)는 고온 유체에 의한 고온 저압을 받는다. 고온 유체로부터 저온 유체로 열 전달이 되어 열 교환이 일어난다.

제 1 도 및 제 2 도를 참조하면, 전형적인 열 교환작용에는 고온 유체를 입구(28)를 통하여 열 교환부(11)로 보내는 것이 포함된다. 열 교환부내에서 고온 유체는 화살표(58) 방향으로 외측도관(19) 사이의 공간(27)을 통해 유동한다. 열 교환장치의 반대측에서는 물과 같은 저온 유체가 증기 드럼(59)과 같은 적당한 공급원으로부터 입구(16)를 통해 헤드부(10)로 유입한다. 저온 유체는 헤드부(10)로부터 양단이 개방된 내측도관(18)(예를들어, 튜브)를 통해 열 교환부(11)로 유입한다. 저온 유체의 유동 경로는 참고번호(60)로 지시된다. 열 교환부(11)내의 각 내측도관(18)은 해당부분이 외측도관(19)에 의해 감싸인다. 제 6 도에 도시된것처럼, 내측도관(18)으로부터 나온 저온 유체는 외측도관(19) 내측면과 내측도관(18) 외측면 사이에 형성된 유로(20)를 통하여 헤드부(10)쪽으로 흐른다.

저온 유체가 물일 경우 고온 유체로부터 전달된 열은 일반적으로 그 물의 최소한 일부를 증기로 기화시키기에 충분하다. 열 교환 작용중 발생된 이 물과 증기의 혼합체는 참고번호(61)로 지시된 흐름 경로를 따라 유로(20)를 통하여 헤드부(10) 방향으로 흐른다. 헤드부(10)에서 물과 증기의 혼합체는 증기 드럽(59)을 통해 재순환한다. (유로(61) 참조). 고온 유체는 참고번호(58)로 지시된 유로를 따라 열 교환부(11)를 흐르면서 저온 유체에 열을 빼앗긴다. 고온 유체는 냉각된 후 출구(29)로 빠져나간다.

열 교환작용 중에 차폐판(25)은 단열재(30)와 냉각 유체의 기능으로 인해 온도와 온도변화, 그리고 부식 및 오염으로부터 보호된다. 여러 다양한 유체가 냉각 유체로 적당하다. 사용될 수 있는 냉각유체로는 증기가 대표적이다. 출구(29)에서 냉각 유체의 온도는 고온 유체의 온도보다 낮지만 그 압력은 고온 유체의 그 것보다 크다. 제 2 도에서, 냉각 유체의 유로는 화살표(63)로 지시되고 있다. 앞에서 설명한 바와 같이, 좁은 틈(도시되지 않음)이 차폐판(25), 벽부재(32), 외측도관(19) 사이에 존재한다. 이러한 좁은 틈들은 냉각 유체가 냉각 유체실(34)로부터 단열재(30)로 흐르도록 해준다. 냉각 유체의 압력은 고온 유체의 압력보다 크기때문에, 냉각 유체실(34)로부터 단열재(30)로 흐를 뿐 아니라 단열재를 지나 열 교환부(1) 속까지 흘러 들어간다. 냉각 유체는 고온 유체와 함께 출구(29)를 통하여 열 교환부(11)로부터 배출된다. 그러므로, 본 열 교환장치의 작용에 있어서, 열 교환부내의 고온은 헤드부 방향으로 점진적으로 소산된다. 이러한 특징이 종래의 열 교환장치에 비한 본 열 교환장치의 뚜렷한 장점이다. 구체적으로 말하면, 본 열 교환장치는 저온 유체와 고온 유체 사이의 과도한 온도 및 압력 편차에 기인한 종래 열 교환장치의 구조적 문제를 갖고 있지 않다는 것이다.

많은 열 교환 작용에 있어서, 예를들면, 열 또는 촉매 분해로의 고온 반응생성물을 냉각시킴에 있어서 출구(29)를 빠져나온후, 그러나 최종 생성물로서 회수하기 전에, 고온 유체의 온도를 더욱 낮추어야 좋을 경우가 종종 있다. 본 발명의 실시 예에서, 고온 유체의 온도는 여기서 설명한 형식의 제 2 열 교환장치(도시되지 않음)나 혹은 다른 형식의 열 교환장치에서 고온 유체를 다시 식힘으로써 더욱 낮추어진다. 탄화수소 분해로의 반응 생성물의 온도는 출구(29)를 빠져나올때 대개 약 300내지 700℃가 된다. 본 발명의 실시 예에 있어서 반응 생성물은 제 2 열 교환장치(도시되지 않음)에서 200내지 400℃ 이하로 냉각된다.

본 발명의 열 교환장치는 단지 고온 유체를 초고온의 증기로 대체하고 저온 유체의 공급을 중단시키는 것을 포함하는 단순하고 용이한 절차에 의해 청소된다. 예를들면, 탄화수호 분해로의 반응생성물을 냉각시키는데 사용된 열 교환장치의 세척이나 코우크스 제거 작업에 있어서, 약 900 내지 1000℃의 초고온 증기가 입구(28)을 통해 유입된다. 이와 동시에, 헤드부(10)를 과도한 고온으로부터 보호하기 위해 입구(33)를 통해 세척 유체를 흘려 보내준다. 이러한 코우크스 제거 절차에 있어서, 온도 조절 구역은 열 교환부와 헤드부를 충분히 분리시켜줌으로써 헤드부의 온도는 대개 약 500℃이하, 양호하게는 약 300 내지 400℃로 유지된다. 초고온증기는 출구(29)로 빠져나온 후 분사되는 물에 의해 300 내지 700℃로 냉각된다. 이 증기는 종래 기술을 사용하여 더욱 냉각될 수 있다. 본 발명의 열 교환장치는 항상 정상적인 작업 온도에서 유지되기 때문에, 대개 열 교환장치의 청소 작업과 관련되는 열 응력(온도변화에 기인함)은 상당히 감소된다.

제 3 도에는 본 발명에 의한 열 교환장치의 또다른 실시 예가 도시되어 있다. 헤드부, 열 교환부, 열교환작용에 있어서는 제 2 도에 도시된 열 교환장치와 거의 동일하다. 각 실시 예에 있어 유사한 성분을 지시할 때는 동일한 참고 번호가 쓰인다. 그러나 제 3 도 실시 예에 있어서는 외측도관(19)이 용접, 납땜, 혹은 적당방법에 의해 제 2 관판(13)과 차폐판(25) 모두에 물리적으로 고정된다. 이러한 구조에 의해 헤드부와 열교환부는 연결 부착되므로 얇은 벽(26)을 필요로 하지 않는다. 차폐판(25)은 적당한 고정수단, 가령 플랜지(22)와 외측 클램핑 요소(35) 사이에 끼워지고, 볼트(23)로 조여진다. 본 발명에서의 차폐판(25)은 (제 3 도 참조) 고정수단에 견고히 부착되어 있지 않으므로 움직일 수 있다. 이 점에 의해 차폐판은 과도한 응력을 일으킴이 없이, 온도 변화를 받을 때 팽창과 수축을 할 수 있게 된다(제 2 도 실시예를 차폐판(25)과 동일한 방법으로).

차폐판(25)과 제 2 관판(13) 사이에는 대기에 개방되어 있으면 좋은 공간이 있다. 이 공간에는 냉각 유체를 열 교환부(11)로 안내하는 냉각 유체 입구관(36)이 위치한다. 제 3 도에 도시된 것처럼, 입구관(36)은 T자 형상인데, 개방단을 갖는 한쪽 아암과 밀폐단을 갖는 한쪽 아암으로 구성된 형상이다. 개방단축 아암은 차폐판(25)을 통과하여 슬리이브(37)로 최소한 그 일부분이 감싸인다. 개방단측 아암을 또한 슬리이브(37)속으로 뚫린 여러개의 작은 구멍들을 갖는다. 슬리이브(37)도 또한 여러개의 작은 구멍들을 가지고 있어서 냉각 유체가 단열재(30)속으로 흘러 들어가게 한다. 입구관(36)의 아암과 슬리이브(37)는 양호하게도 저온 유체가 흐르는 도관 다발들의 중심부에 위치한다. 또한, 아암 구조물은 열 교환장치의 길이 방향으로 뻗어서 냉각 유체가 단열재(30)에 균일하게 분포되도록 한다.

제 3 도에 도시된 것처럼, 밀폐단을 갖는 냉각 입구관(36)의 아암은 제 2 관판(13)의 틈속으로 뻗는다. 이러한 배열은 선택적이지만, 열 교환장치의 구조상 견고성을 제공하기 때문에 있는 것이 좋다. 이 아암의 벽에는 구멍이 없지만, 이암 자체는 입구관(36)으로 들어간 냉각 유체가 통한다. 열 교환장치에 차페판(25)과 제 2 관판(13) 속으로 뻗는 아암이 여러개 설치된다면 단열재(30)로의 유체 분포를 좀더 균일하게 할 수 있다. 그러나, 이러한 구조는 저온 유체가 흐를 도관의 수효를 감속시키고, 그래서 열 교환장치의 용량을 감소시키기 때문에 바람직하지 못하다.

제 8 도에는 본 발명에 의한 열 교환장치의 또다른 실시예가 도시되어 있다. 헤드부, 열 교환부, 작용방법에 있어서는 제 2 도 및 제 3 도의 열 교환장치 실시예와 거의 동일하다. 각 실시예에서 유사한 부분을 지시하기 위해서는 동일한 참고번호가 사용된다. 그러나, 제 8 도의 실시예에 있어서는 제 2 관판(13)과 차폐판(25) 사이에 냉각 유체 분산부재(41)가 마련된다. 냉각 유체실(46)은 이 분산부재(41)와 제 2 관판(13) 사이에 위치한다. 냉각 유체는 냉각 유체실(46)과 소통하는 입구(43)를 통하여 열 교환장치로 들어간다. 차폐판(25)은 플랜지(35,22) 사이에 높여 볼트(23)로 조여진다. 여러개의 냉각 유체 슬리이브(44)가 일단부는 분산부재(41)에, 다른 반대쪽 단부는 차폐판(25)에 고정된다. 용접, 납땜, 혹은 기타 적당한 방법에 의해 분산부재(41) 및 차폐판(25)에 고정된 이들 슬리이브(44)는 헤드부(10)와 열 교환부(11) 사이에 유일한 기계적 연결을 해준다.

슬리이브(44)는 분산부재(41)와 차폐판(25) 사이를 지나는 내측도관(18) 및 외측도관(19)을 감싼다. 슬리이브(44)는 외측도관(19)보다 큰 직경을 갖기 때문에, 외측도관(19)의 외측면과 슬리이브(44)의 내측면 사이에는 유로(45)가 있게 된다. 외측도관(19)에 관련한 슬리이브(44)의 규격은 제 9 도에 아주 잘 도시되어 있다. 유로(45)는 입구(43) 및 단열재(30)와 유체 소통한다. 이런 구조에 의해, 참고번호(63)가 지시한대로 입구(43)로 들어온 냉각 유체는 유로(45)를 통하여 단열재(30)내로 균일하게 분포된다.

제 8 도에 도시된 실시예에서, 열 교환부에서 헤드부로의 열전달은 상당히 감소되는데, 왜냐하면 그 두부분 사이에 벽부재가 없기 때문이다. 또한, 열 교환부 전방은 대기에 노출되어 있어서 주위 대기에 냉각효과가 열전달 방생량을 감소시켜준다. 본 실시예의 열 교환장치에 있어서의 열응력은 또한 외측도관(19)이 제 2 관판(13)에만 고정된다는 사실에 의해서 최소화된다.

이제, 본 발명의 열 교환장치의 구성재료에 관한 세부사항과 작동조건, 그리고 기타 특징에 대해 설명한다. 저온 유체가흐르는 도관들은 열 교환장치의 작동 중 보통 주어지는 온도 및 압력에 견딜 수 있는 재료로 만들어진다. 예를들면, 탄화수소 분해로의 반응성생성물을 냉각시키는 것을 포함한 작동에 있어서 저온 유체는 약 100 내지 300℃의 온도와 140기압에 달하는 압력을 갖는다. 이러한 조건에 견딜 수 있는 종래의 전형적인 재료는 니켈과 니켈합금, 크롬, 코발트, 몰리브덴, 텅스텐, 니오브, 탄탈등이다. 이러한 금속 또는 합금물은 실리콘, 탄소같은 비금속 참가물을 포함할 수 있다.

열 교환장치의 여러 부분을 제작함에 있어 좋은 재료는 열 교환 작용과 세척 작업에서 보통 부딪히게 되는 온도 및 압력에 견딜 수 있는 것들이다. 열 교환장치가 탄화수소 분해로의 고온 반응생성물을 냉각하는데 사용될 때, 열 교환작용중의 온도 및 압력은 약 700 내지 1000℃이며, 2 내지 10기압이다. 초고온 중기로 하는 코우크스 제거 및 세척작업중에서의 온도는 약 900 내지 1100℃이며 압력 크기는 2 내지 10기압이다. 이러한 조건들에 견딜 수 있느 적당한 재료는 니켈 및 합금이다.

열 교환부의 대부분의 열은 헤드부로 전달되지 않고 점차 소산되므로, 헤드부의 구성 재료는 열 교환부의 고온에 견디도록 설계되지 않아도 된다. 예를들자면, 헤드부는 500℃이하의 최대 온도를 받으며, 제 2 관판이 받는 최대 온도는 열 교환부로 들어가는 고온 유체의 온도보다 낮은 약 300℃이다. 일반적으로, 헤드부의 구성 재료로 좋은 것은 크롬과 몰리브덴의 합금강이다. 열 교환장치와 그 구성요소, 즉 도관, 관판, 차 폐판, 하우징등의 규격과 형상은 열 교환장치의 특정 작용과, 관판 양쪽의 압력 편차와 같은 작동 조건에 따라 주로 결정된다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 의한 열 교환장치의 작동중에 온도 및 압력 조건은 매우 점차적으로 변화한다. 이러한 이유로 본 열 교환장치의 관판과 기타 요소들은 커다란 온도 및 압력 편차를 견디도록 설계되지 않아도 된다.

Claims (10)

1. 저온 고압의 제 2 유체로써 특정 온도 및 압력의 제 1유체를 냉각시켜주는 열 교환장치에 있어서, 저온 유체의 입구(16) 및 출구(17)를 포함하는 헤드부(10)와, 양단이 개방되어 있고, 헤드부(10)에서 열 교환부(11)로 뻗으며, 저온 유체의 입구(16)와 유체 소통되어서 저온 유체가 각 내측도관(18)으로 통과할 수 있는 그러한 내측도관(18)들의 다발과, 저온 유체의 출구(17)와 유체 소통되며, 열 교환부(11)를 지나는 각 내측도관(18)을 감싸서 외측도관(19)의 내측면과 내측도관(18)의 외측면 사이에 유로(20)가 형성되고, 내측도관 (18)으로부터 나온 저온 유체가 이 유로(20)를 통해 헤드부(10)의 출구(17)로 흘러가도록 하는 외측도관(19)들의 다발과, 고온 유체인 제 1유체를 위한 입구(28) 및 출구(29)를 포함하고, 고온 유체가 입구(28)에서 출구(29)로 흘러 저온 유체의 도관(19)들과 접하도록 하는 공간(27)을 포함하는 열 교환부(11)와, 헤드부(10)와 열 교환부(11) 사이에 위치하며, 고온 유체의 온도보다 낮은 온도와 고온 유체의 압력보다 큰 압력을 갖고서 열 교환부(11)로부터 헤드부(10)로 온도를 점차 낮추어주는 유체를 수용할 수 있는 온도 조절부를 포함함을 특징으로 하는 열 교환장치.
2. 제 1 항에 있어서, 내측도관(18)은 제 1 관판(12)에 한 단부가 고정되고, 외측도관(19)은 제 2 관판(13)에 그 개방 단부가 고정되고, 단열재(30)가 헤드부(10)와 열 교환부(11)사이에 위치하여 제 2 관판(13)과 고온 유체를 위한 출구(29) 사이에 위치한 차폐판(25)과 이웃하고, 내측도관(18)과 외측도관(19)은 차폐판(25)을 통과하고, 차폐판(25)에는 단열재(30)와 냉각 유체 사이에 유체 소통을 가능케 하는 통로가 마련되었음을 특징으로 하는 열 교환장치.
3. 제 2 항에 있어서, 열 슬리이브가 냉각 유체실(34)로서 제공되고, 냉각 유체실(34)은 헤드부(10)와 열교환부(11)를 견고하게 연결하는 얇은 벽(26)으로 한정되고, 얇은 벽(26)은 제 2 관판(13)과 차폐판(25)에의해 한정되며, 냉각 유체실(34)은 유체 입구(33)를 가지고 있어서 상기 냉각 유체실(34)은 차폐판(25)과 외측도관(19) 사이에 형성된 통로에 의해 단열재(30)와 유체 소통하게 됨을 특징으로 하는 열 교환장치.
4. 제 2 항에 있어서, 외측도관(19)들은 제 2 관판(13)과 차폐판(25) 모두에 고정되고, 제 2 관판(13)과 차폐판(25) 사이에는 공간이 마련되고, 그 공간은 대기에 개방되어 있고, 냉각 유체를 위한 T형 입구관(36)이 상기 공간속으로 뻗고, 이 입구관(36)은 밀폐단측 아암과 슬리이브(37)에 의해 감싸인 개방단축 아암을 가지며,슬리이브(37)와 개방단측 아암은 차폐판(25)을 지나 단열재(30)와 속으로 연장되며, 슬리이브(37)는 작은 구멍을 갖고 있어서 냉각 유체를 단열재(30)속으로 흐르게 함을 특징으로 하는 열 교환장치.
5. 제 4 항에 있어서, 입구관(36)의 밀폐단측 아암과 개방단측 아암은 열 교환장치의 세로축상에서 사실상 중심에 위치함을 특징으로 하는 열 교환장치.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 밀폐단측 아암은 제 2 관판(13)의 틈 속으로 뻗음을 특징으로 하는 열 교환장치.
7. 제 2 항에 있어서, 냉각 유체 분산부재(41)가 제 2 관판(13)과 차폐판(25) 사이에 위치하고, 냉각 유체실(46)은 제 2 관판(13)과 냉각 유체 분산부재(41) 사이에 위하하며, 냉각 유체 입구(43)가 냉각 유체실(46)에 연결되며, 열 교환장치는 양단이 개방된 슬리이브(44) 다발을 포함하며, 가가 슬리이브(44)는 그 내측면과 외측도관(19)의 외측면 사이에 유로(45)가 형성되도록 냉각 유체 분산부재(41)와 차폐판(25) 사이의 외측도관(19)을 감싸고, 이 유로(45)는 냉각 유체 입구(43)와 단열재(30) 사이를 유체 소통시키고, 냉각 유체 분산부재(41)와 차폐판(25) 사이에는 공간이 마련되고, 이 공간은 슬리이브(44)를 둘러싸고 대기에 개방되어 있음을 특징으로 하는 열 교환장치.
8. 제 2 항, 제 3 항, 제 4 항 또는 제 7 항에 있어서, 단열재(30)는 열 교환부(11)의 고온 유체와 접촉하고 있는 충돌판(31)에 의해 형성된 영역에 배치되고, 외측도관(19)들은 충돌판(31)을 통과하고, 상기 외측도관(19)들과 충돌판(31)사이에는 통로가 형성되어 있고, 단열재(30)속의 냉각 유체는 상기 통로를 통하여 고온 유체속으로 흐르게 됨을 특징으로 하는 열 교환장치.
9. 탄화수소 분해로의 반응생성물을 냉각시키는 방법에 있어서, 고온 유체의입구(28)를 통하여 고온 유체로서의 탄화수소 반응생성물을 열 교환장치로 통과시키고, 저온 유체의 입구(16)를 통하여 탄화수소 반응생성물보다 저온인 액체 혹은 증기상태의 물을 열 교환장치로 통과시키고 탄화수소 반응생성물은 냉각시키고 물은 기화 또는 가열시키도록 탄화수소 반응생성물을 물과 간접적으로 접촉시키고, 열 교환장치를 통과하는 증기에 탄화수소 반응생성물을 직접 접촉시키므로써 탄화수소 반응생성물을 더 한층 냉각시키며, 냉각된 탄화수소 반응생성물을 증기와 함께 고온 유체의 출구(29)를 통해 열 교환장치로부터 배출시키고, 기화 혹은 가열된 물을 저온 유체의 출구(17)를 통해 배출시키는 단계들을 포함함을 특징으로 하는 유체 냉각 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 열 교환장치를 통한 탄화수소 반응생성물의 유동과 물의 유동을 중단시키고, 열 교환장치내의 코우크스 침전물을 제거하기 위해, 고온 유체의 입구(28)를 통하여 약 900 내지 1100℃온도의 초고온 증기를 열 교환장치로 통과시키며, 고온 유체의 출구(29)를 통하여 초고온 증기를 코우크스 침전물과 함께 배출시키는 단계들을 포함함을 특징으로 하는 유체 냉각 방법.

Images