(57)【要約】カーボンブラックを製造するための装置用の熱交換器（３０）が開示されている。円筒状のジャケット（３４）、下端壁（３５）及び上端壁（３６）によって囲まれ、鉛直方向に配置された円筒状の第１のチャンバ（３３）を含む前記第１の熱交換部（３１）を備える。チューブ（３７）は、自身の中での燃焼ガスの流動に適応し、鉛直方向に配置される。さらに、上記熱交換器は、前記第２の熱交換部（３２）を備え、前記第２の熱交換部（３２）は、自身の中での燃焼ガスの流動に適応し、鉛直方向に配置された第２のチャンバ（４２）と、前記第２のチャンバ（４２）が円筒状の第１のシェル（４３）によって囲まれていることと、前記第１のシェル（４３）が前記第１のシェル（４３）の前記外部に流れる予熱されたガスへの熱伝達を可能とすることと、を含む。前記熱交換器は、さらに、予熱された前記ガスの流れに適応する、前記第２の熱交換部（３２）から前記第１の熱交換部（３１）への導管（５２）を含む。
2015507170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンブラックを製造するための装置用の熱交換器（３０）であって、
第１の熱交換部（３１）及び第２の熱交換部（３２）を備え、
前記第１の熱交換部（３１）は、
円筒状のジャケット（３４）、下端壁（３５）及び上端壁（３６）によって囲まれ、鉛直方向に配置された円筒状の第１のチャンバ（３３）と、
前記第１のチャンバ（３３）の全域に亘って前記下端壁（３５）から前記上端壁（３６）に延出する、自身の中での燃焼ガスの流動に適応し、鉛直方向に配置されたチューブ（３７）と、
前記チューブ（３７）の外側の前記第１のチャンバ（３３）内を流れる予熱されたガスのための第１の入口（３８）及び第１の出口（３９）と、を含み、
前記第２の熱交換部（３２）は、
自身の中での燃焼ガスの流動に適応し、鉛直方向に配置された第２のチャンバ（４２）と、
前記第２のチャンバ（４２）が円筒状の第１のシェル（４３）によって囲まれていることと、
前記第１のシェル（４３）が前記第１のシェル（４３）の前記外部に流れる予熱されたガスへの熱伝達を可能とすることと、を含み、
前記熱交換器は、さらに、予熱された前記ガスの流れに適応する、前記第２の熱交換部（３２）から前記第１の熱交換部（３１）への導管（５２）を含むことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器において、
前記第２の熱交換部（３２）は、燃焼ガスの流れ（５４）に関連して前記第１の熱交換部（３１）の上流に配置されている熱交換器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の熱交換器において、
前記第２の熱交換部（３２）は、前記第１の熱交換部（３１）の縦中心軸と一致する縦中心軸（Ａ）を有する熱交換器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器において、
前記第２の熱交換部（３２）は、さらに、前記第１のシェル（４３）の径外方向に配置され、前記第１のシェル（４３）と同軸で円筒状の第２のシェル（４４）を含み、
予熱されたガスの流れに適応された円筒状のギャップ（５１）が前記第１及び第２のシェル間に形成される熱交換器。
【請求項５】
請求項４に記載の熱交換器において、
前記ギャップ（５１）は、鉛直方向の両端部において開口している熱交換器。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の熱交換器において、
前記第２の熱交換部（３２）は、さらに、前記ギャップ（５１）の鉛直方向の端部の一つに配置され、かつ予熱されたガスを前記ギャップ（５１）内における前記第１のシェル（４３）の周囲に沿って分配するように適応された円筒状のリングチャンバ（４５）と、
前記リングチャンバ（４５）を介して前記ギャップ（５１）内に予熱されたガスを導入するための第２の入口（４７）とを含む熱交換器。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか一項に記載の熱交換器において、
前記第２の熱交換部（３２）は、さらに、前記ギャップ（５１）から予熱された前記ガスを集めるように適応され、かつ前記ギャップ（５１）の鉛直方向の端部の一つに配置された円筒状のリングチャンバ（４５）と、
前記リングチャンバを介して前記ギャップ（５１）から前記導管（５２）へ予熱されたガスを移動させるための第２の出口（４９）とを含む熱交換器。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱交換器において、
前記チューブ（３７）は、前記第２のチャンバの最大直径（Ｄｍ）よりも小さい直径（Ｄｔ）を有する束で配置される熱交換器。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱交換器において、
前記導管（５２）は、前記第２の熱交換部（３２）から前記第１の入口（３８）を介した前記第１の熱交換部のチャンバ（３３）へのガスの流れに適応されている熱交換器。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の熱交換器において、
前記第２の熱交換部（３２）は、自身の鉛直方向の熱膨張を回避するように堅固に取り付けられている熱交換器。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の熱交換器において、
前記第２の熱交換部（３２）は、自身の異なる部分を熱的に膨張可能とする内部膨張手段を含む熱交換器。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱交換器において、
前記第１のシェル（４３）は、自身の外側の少なくとも一部にフィンが設けられている熱交換器。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の熱交換器において、
前記第１の熱交換部の底空間（４０）に導入される冷却ガスによって前記下端壁（３５）を冷却する手段を含み、
前記底空間（４０）は、前記下端壁（３５）及び下底プレート（４１）によって規定される熱交換器。
【請求項１４】
請求項１３に記載の熱交換器において、
前記手段は、前記第１のチャンバ（３３）内における予熱されたガスのため、前記底空間から前記導管及び第１の入口（３８）の少なくとも何れか一方に前記冷却ガスの流れを提供する熱交換器。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の熱交換器において、
前記第２の熱交換部（３２）は、前記第１のシェル（４３）の外部における予熱されたガスの流れが前記第２のチャンバ（４２）内で流れる前記燃焼ガス（５４）の流れの対向流となるように、設計されている熱交換器。
【請求項１６】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の熱交換器において、
前記第２の熱交換部（３２）は、前記第１のシェル（４３）の外部における予熱されたガスの流れが前記第２のチャンバ（４２）内で流れる前記燃焼ガス（５４）の流れに平行となるように、設計されている熱交換器。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の燃焼チャンバ及び熱交換器（３０）を含むカーボンブラック製造プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンブラックの製造において燃焼ガスを予熱するための熱交換器に関する。また、本発明は、燃焼チャンバ及び熱交換器を含むカーボンブラック製造プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンブラックは、一般に、微粒子カーボンブラックを含む燃焼生成物を生成するために、高温の燃焼ガス、場合によっては空気を含む炭化水素原料を無効にすることによって炉型反応器において製造される。カーボンブラックの製造のための従来のプラントの例の概略図を図１に示す。また、燃焼ガスは、バーナ３及び燃焼チャンバ４内において、オイルの次の燃焼前に予熱される空気予熱器として知られているチューブ熱交換器２の上部に導管１を介して導かれる。熱交換器からの予熱されたガスは、導管６を介して燃焼チャンバに導かれる。オイルが導管７を介して反応器に添加される。いくつかの場合において、クエンチ水８は、燃焼チャンバの下流に添加される。消費される燃焼ガス中における懸濁カーボンブラックの混合物は、蒸発チャンバ５内に導かれ、その後、熱交換器を通過し、導管９を介してフィルタ装置１０に熱交換器の上部から離れるように導かれる。場合によっては予熱器及び／又は追加の熱交換器（図示せず）を介してもよい。このフィルタ装置１０において、カーボンブラックは完全にガスの流れから濾過される。
【０００３】
図２ａは、図１に示すプラントで使用される従来のチューブ型熱交換器２の簡略化した例を示している。熱交換器２は、地面に対して直交配置された略円筒状のチャンバ１１を備える。チャンバ１１は、円筒形のジャケット１２又はシェル、下端壁２３及び上端壁１４によって囲まれている。また、下端壁２３はチューブプレートとして知られている。チューブ１５は、チャンバの内部に鉛直方向（縦方向）に配置されている。チューブ１５は、互いに平行に配置され、下端壁２３から上端壁１４にチャンバ全体に亘って延びている。予熱される燃焼ガスは、入口１６を介して熱交換器に導かれ、燃焼チャンバに導かれて出口１７を介して排出される。
【０００４】
消費された燃焼ガス中における懸濁カーボンブラックの混合物である燃焼されたオイルは、チューブ１５内のチャンバの底部（矢印１８で示す）からチャンバの頂部に導かれ、その後、出口（矢印１９で示す）を介してフィルタ装置に導かれる。
【０００５】
また、熱交換器は、ジャケット１２からチャンバ１１内に延出する水平配置プレート２０を有する。このようなプレート２０は、長手部分（矢印２１で示す）を有するように、チャンバを通じてガスを強制的に流す。これにより、チャンバ内の時間、ひいては排出された予熱されたガスの温度が増加する。
【０００６】
今日、使用されるほとんどの熱交換器は、約８００℃に燃焼ガスを予熱する。排気ガスの高温は、熱交換器のチューブ上及びシェル上に高温負荷を引き起こし、これにより、使用中の実質的な熱膨張につながる。熱膨張は、膨張のための限られた機会によって、チューブ及びシェルに大きな熱応力を発生させる。種々の解決策は、例えば、第１の内部シェル及び第２の外部シェルを有し、外部及び内部シェル間の下端における熱交換器に導入され、前記シェル間の前記熱交換器の上部まで導かれ、その後に熱交換器のチューブに接触する燃焼ガスを有するダブルシェル型熱交換器がこの問題を克服するために使用されている。これにより、外側シェルの温度が低減される。このようなダブルシェル型熱交換器は特許文献１に開示されている。
【０００７】
また、チューブを膨張させるための様々な解決策が提案されている。解決策の一例が、特許文献２に示されている。本文献におけるチューブプレートには、チューブの膨張を可能にするために補償デバイスが取り付けられている。
【０００８】
さらに、底プレートの冷却が提案されている。図２ａに示されるように、下端壁２３は、下底プレート１３とともに密閉空間２２を規定する。矢印２４で示されように、冷却ガスは空間２２内に導入され、矢印２５で示されように、出口を介して空間２２から排出される。底プレートの冷却の別の例は特許文献３に開示されている。本文献におけるプレートは、チューブが延出する円柱空間を形成する上部及び下部円柱プレートを含む。
【０００９】
この円柱空間は、冷却媒体に適応する内部チャネルを備えている。図２ｂは、従来のチューブ熱交換器を簡略化した変形例を示し、それは、図２ａに示すチューブ型熱交換器とは異なって、その空間２２に導入される冷却ガスは、空間２２からの排出後に、予熱された燃焼ガスとして再利用される。冷却ガス出口２６を通って空間２２を出る冷却ガスは、その後、矢印２８で示すように、空間２２から予熱する燃焼ガスのための入口１６に導管２７を介して導かれる。これにより、予熱されるガスは、再利用された冷却ガス及び新しい新鮮なガスの両方を構成する。これは、熱交換器における、より効率的な熱交換を可能にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】欧州特許第０８６５６００Ｂ１号明細書
【特許文献２】米国特許第６３３４４８２号明細書
【特許文献３】米国特許第６３３４４８３号明細書
【特許文献４】米国特許出願第２００４／００８１６０９号明細書
【特許文献５】中国特許第１０１６２５１２８Ｂ号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
カーボンブラックの製造のための従来の熱交換器は、場合によっては、汚れに繋がるチューブ内のカーボンブラックの凝集及び目詰まりが生じる虞がある。このような汚れは、例えば、熱交換器から離れる予熱ガスの温度低下を引き起こす熱伝達に影響し、それは結果的にカーボンブラック製造プラントの低い収率に繋がる。さらに、熱交換器の底部からその上部へのパイプを通る燃焼ガスの流れが影響を受け、チューブが破損するおそれがある。最終的に、熱交換器は、メンテナンスや清掃のためにシャットダウンされなければならない。このようなカーボンブラックの製造における停止は、特に、チューブの洗浄が非常に困難であるため、非常に時間がかかり、かつ高価である。このように、チューブ内部のカーボンブラックの目詰まりや汚染のリスクを最小限に抑える必要がある。
【００１２】
公知であるように、汚れは、懸濁カーボンブラックを含む燃焼ガス及びチューブの表面の温度差に起因する。特許文献４は、予め加熱されるガスの流れの速度によって制御される、温度差が５００°Ｆ、すなわち２６０℃未満であることを確かめることによって問題を解決することを提案する。熱交換器は、予熱されるガスを分配するためのシェル間に介在する空間を備える外側及び内側シェルを含む。穴は、熱交換器の内部領域内にガス流を供給し、流量を含むカーボンブラックが位置するチューブに接触するように、様々な垂直位置において内側シェル内に形成されている。上記特許文献４において提案された解決策は、所望の結果を達成するために穴の配置方法を計算することは非常に困難であるという理由から実際的ではない。
【００１３】
さらに、上記特許文献１に開示されるダブルシェル型熱交換器は、チューブ及びその中を流れる燃焼ガス間の温度差の低減による汚れを低減する。
汚れの問題に対処する別の方法は、熱交換器の汚染を洗浄するために使用されるパルス・フラッシング・デバイスを有する特許文献５に提案されている。このパルス・フラッシング・デバイスは、熱交換器のチューブの上流側に設置されている。
【００１４】
しかしながら、汚染の問題を解消するためのより実用的な解決策が依然として必要であり、複雑な洗浄プロセスを回避して汚染を除去することが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の目的は、カーボンブラックによるチューブの汚染のリスクを低下させた、カーボンブラックを製造するために適応された、熱交換器を提供することである。
この目的は、請求項１によって定義されるようにカーボンブラックの製造のために適応された熱交換器の手段によって達成される。本発明の実施形態は、従属項によって定義される。
【００１６】
本発明に係る熱交換器は、チューブの汚れを著しく低減又は除去するべく、チューブの内部を流れる燃焼ガス及びチューブの表面間の温度差を減少させる。さらに、カーボンブラックを製造するためのエネルギー及びコストの効率的なプロセスを可能にするべく、懸濁カーボンブラックを含む燃焼ガスの熱を利用する。
【００１７】
本発明に係る熱交換器は第１の熱交換部を含み、この第１の熱交換部は円筒状のジャケット、下端壁及び上端壁によって囲まれ、鉛直方向（縦方向）に配置された円筒状の第１のチャンバを含む。さらに、第１の熱交換部は、前記第１のチャンバの全域に亘って前記下端壁から前記上端壁に延出する、自身の中での燃焼ガスの流動に適応し、鉛直方向に配置されたチューブと、前記チューブの外側の前記第１のチャンバ内を流れる予熱されたガスのための第１の入口及び第１の出口と、を含む。さらに、熱交換器は第２の熱交換部を含み、この第２の熱交換部は自身の中での燃焼ガスの流動に適応し、鉛直方向に配置された第２のチャンバと、前記第２のチャンバが円筒状の第１のシェルによって囲まれていることと、前記第１のシェルが前記第１のシェルの前記外部に流れる予熱されたガスへの熱伝達を可能とすることと、を含む。前記熱交換器は、さらに、予熱された前記ガスの流れに適応する、前記第２の熱交換部から前記第１の熱交換部への導管を含む。
【００１８】
実施形態によれば、前記第２の熱交換部は、燃焼ガスの流れに関連して前記第１の熱交換部の上流に配置されている。これにより、第１のチャンバに入る前に、予熱されるガスに最適な熱交換が達成されることが保証される。
【００１９】
好ましくは、前記第２の熱交換部は、第１の熱交換部の縦中心軸と一致する縦中心軸を有する。
好ましい実施形態によれば、前記第２の熱交換部は、さらに、前記第１のシェルの径外方向に配置され、前記第１のシェルと同軸で円筒状の第２のシェルを含み、予熱されたガスの流れに適応された円筒状のギャップが前記第１及び第２のシェル間に形成される。好ましくは、前記ギャップは、鉛直方向の両端部において開口していてもよい。
【００２０】
実施形態によれば、前記第２の熱交換部は、さらに、前記ギャップの鉛直方向の端部の一つに配置され、かつ予熱されたガスを前記ギャップ内における前記第１のシェル部材の周囲に沿って分配するように適応された円筒状のリングチャンバと、前記リングチャンバを介して前記ギャップ内に予熱されたガスを導入するための第２の入口とを含む。実施形態によるリングチャンバは、好ましくは、円筒状の入口空間である。
【００２１】
実施形態によれば、前記第２の熱交換部は、さらに、前記ギャップから予熱された前記ガスを集めるように適応され、かつ前記ギャップの鉛直方向の他端部に配置された円筒状のリングチャンバと、前記リングチャンバを介して前記ギャップから前記導管へ予熱されたガスを移動させるための第２の出口とを含む。本実施形態に係るリングチャンバは、好ましくは、円筒状の出口空間である。第２のチャンバの直径は、大きい熱伝達表面を達成するために、好ましくは比較的に大きい必要がある。従って、本実施形態によれば、前記チューブは、前記第２のチャンバの最大直径よりも小さい直径を有する束で配置される。
【００２２】
実施形態によれば、前記導管は、前記第２の熱交換部から前記第１の入口を介した前記第１の熱交換部のチャンバへのガスの流れに適応されている。実施形態によれば、前記第２の熱交換部は、自身の鉛直方向の熱膨張を回避するように堅固に取り付けられている。さらに、前記第２の熱交換部は、自身の異なる部分を、少なくとも鉛直方向に熱的に膨張可能とする内部膨張手段を含んでもよい。
【００２３】
実施形態によれば、前記第１の熱交換部の底空間に導入される冷却ガスによって前記下端壁を冷却する手段を含み、前記底空間は、前記下端壁及び下底プレートによって規定される。この熱交換器は、さらに、前記底空間から、前記第１のチャンバ内における予熱されたガスのための前記導管及び第１の入口の少なくとも何れか一方への前記冷却ガスの流れのための手段を含む。
【００２４】
一実施形態によれば、前記第２の熱交換部は、前記第１のシェルの外部における予熱されたガスの流れが前記第２のチャンバ内で流れる前記燃焼ガスの流れの対向流となるように、設計されている。あるいは、前記第２の熱交換部は、前記第１のシェルの外部における予熱されたガスの流れが前記第２のチャンバ内で流れる前記燃焼ガスの流れに平行となるように、設計されている。本発明は、さらに、上述したような熱交換器を含むプラントに関連している。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】カーボンブラックの製造のための従来のプラントを模式的に示す。
【図２ａ】従来技術によるチューブ熱交換器の簡略化した断面図を示す。
【図２ｂ】従来技術による別のチューブ熱交換器の簡略化した断面図を示す。
【図３】本発明の一実施形態に係る熱交換器の簡略化した断面図を示す。
【図４】本発明の別の実施形態に係る熱交換器の簡略化した断面図を示す。
【図５】本発明の実施形態による熱交換器の第２の熱交換部の簡略化した断面図を示す。
【図６】本発明の別の実施形態による熱交換器の第２の熱交換部の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明について、添付の図面を参照しつつ説明する。図面は、場合によって簡素化され、いくつかの特徴は、より明確に本発明を示すために誇張されている。従って、図面は一定の縮尺で描かれていない。
【００２７】
前述したように、図１は、カーボンブラックの製造のための従来のプラントを示し、図２ａ，図２ｂは、公知のチューブ熱交換器２の簡易的な断面の側面図を示す。
図３は、本発明に係る熱交換器３０の一例を示す。同図に示すように、熱交換器３０は、第１の熱交換部３１と第２の熱交換部３２とを含む。第１の熱交換部３１は、円筒状のジャケット３４、下端壁３５及び上端壁３６によって囲まれた鉛直方向（縦方向）に配置された略円筒状の第１のチャンバ３３を備える。複数のチューブ３７は鉛直方向に配置され、下端壁３５から上端壁３６に向かって第１チャンバ３３全域に亘って延出している。チューブは、その中の燃焼ガス（すなわち、カーボンブラックプラントの燃焼チャンバから転送されたガス）の流れのために適応されている。
【００２８】
予熱されるガスは、好ましくは第１のチャンバ３３の上部に配置された第１の入口３８を通って第１のチャンバ３３内に導入される。予熱されるガスは、チューブ３７の外側の第１のチャンバ内を流れる。従って、燃焼ガスからの熱は、それが第１のチャンバを通って流れるとき、予熱されるガスに伝達される。予熱されたガスは、好ましくは第１のチャンバ３３の下部に配置された第１の出口３９を通って第１のチャンバから脱出可能となり、その後、公知技術によって燃焼ガスとして燃焼チャンバへ移送される。
【００２９】
第１のチャンバは、好ましくは、ジャケット３４から第１チャンバ３３内に延びる水平に配置された複数のプレート５３を含む。このようなプレート５３は、長手部分を有するように、チャンバを通じてガスを流させる。これにより、チャンバ内の時間ひいては排出された予熱されたガスの温度が増加する。
【００３０】
簡略化のため、図３は、３個のチューブ３７のみを示している。しかし、当業者には明らかなように、熱交換器は、典型的には少なくとも２０個のチューブを含む。チューブは非常に長く、そのため、従来技術に関連して説明したように鉛直方向に多大な熱膨張が生じ、それが熱応力を発生させる。この課題を克服するために、第１の熱交換部は、これを補償するために公知手段を備えていてもよい。例えば、チューブの熱膨張を可能にするための補償装置が設置されてもよい。さらに、下部プレート（例えば、下端壁）の冷却は、図３に示すように設けられる。これは下端壁３５及び下部プレート４１によって規定され、その中における冷却ガスの流れが可能となる下部空間４０に係る手段によって規定される。
【００３１】
熱交換器３０の第２の熱交換部３２は、矢印５４で示すように、好ましくは燃焼ガスの流れに関連して第１の熱交換部３１の上流に配置されている。これは、第２の熱交換部が第１の熱交換部の鉛直方向の下側に配置されていることを意味する。
【００３２】
好ましくは、第２及び第１の熱交換部は、それらのそれぞれの縦（垂直）中心軸Ａが図３に示すように一致するように配置されている。これにより、燃焼ガスの流れが不必要に妨害されない。
【００３３】
第２の熱交換部３２は、鉛直方向に配置された第２のチャンバ４２を備え、第２のチャンバ４２は、その内部の燃焼ガスの流動に適応する。第２のチャンバ４２は、円筒形に、かつ鉛直方向に配置された第１のシェル４３によって囲まれ、これにより第２のチャンバ４２の壁が構成される。第１のシェル４３は、第２のガスチャンバ４２の内部を流れる燃焼ガスから第１のシェルの外側に流れる予熱されたガスへの熱伝達のために形成されている。このように、チャンバ４２内を流れる燃焼ガスは、第１のシェル４３に対して直接に接触している。
【００３４】
第１のシェルの外側に流出したガスは、その後に第２の熱交換部３２から第１の熱交換部３１に導管５２を通って流れ、そこが第１のチャンバ３３を通過する流れによってさらに加熱される。好ましくは、導管は、第２の熱交換部から第１のチャンバ３３への第１の入口３８を介したガスの流れに適応される。
【００３５】
第１のチャンバ３３に導入されるガスが第１のチャンバ内への導入に先立って第２の熱交換部３２に加熱されるという事象は、チューブ３７の表面及び懸濁カーボンブラックを含む燃焼ガス間の温度差を減少させ、これによって、チューブ汚染のリスクを大幅に軽減又はほぼ排除できる。
【００３６】
本発明に係る熱交換器は、例えば図２ａ及び図２ｂに示される先行技術に従う少なくとも二倍の温度である第１のチャンバに導入されるガスの温度を容易に達成することができる。さらに、これは、燃焼ガス以外の追加の熱源を必要とせずに達成される。従って、本発明に係る熱交換器は、特に保守工程における停滞の最小化を要求することにより、燃焼ガスの熱を効率的に利用し、高い生産性を有するだけでなくコスト的に効率化されたカーボンブラック製造を確実にする。
【００３７】
ほとんどの場合、燃焼ガス及び第１シェルの表面の温度差は顕著であるが、チューブの内径よりかなり大きい直径を有しているので、第２の熱交換部において汚れが問題にならない。さらに、第２のチャンバの洗浄は、チューブ３７の洗浄よりもかなり簡単である。
【００３８】
図３に示される１つの好ましい実施形態によれば、第２の熱交換部３２は、さらに、円筒形の第２のシェル４４を含む。第２のシェル４４は、第１のシェル４３の径外方向に配置され、かつ第２のシェル４４と同心に配置され、前記第１及び第２のシェル間に、円筒状の予熱されたガスの流れに適応したギャップ５１が形成される。
【００３９】
ギャップ５１は円筒形であり、第１のシェルの外側に流れるガスが、可能な限り最良のそこへの熱伝達を確保するために第１のシェルの全周面に亘って均等に分配されることを確実にするための手段を提供することが好ましい。これは、例えば、第２のシェルの周囲に均等に分散配置された複数の入口を提供することによって達成される。しかし、これは多数のチューブを必要とし、ひいてはかなりのスペースを消費する。より簡単な解決策は、図３に例示するように、ガスが前記ギャップから流入出することを可能にするため、ギャップ５１をその下端、同様に上端で開放することである。好ましくは、ギャップの周囲のガスを分配又は収集するために適応される上部リングチャンバ４５（図６に示されている）は、ギャップの上端に配置されている。さらに、ギャップの周囲のガスを分配又は収集するために適応される下部リングチャンバ４５は、好ましくは、ギャップの下端に配置されている。
【００４０】
一実施形態によれば、上記第２のシェル４４の径外方向に配置された円筒状の入口空間４８の形状におけるリングチャンバを含む第２の熱交換部３２によって達成される。第２の入口４７は、入口空間４８を介してギャップ５１内に予熱されるガスを導入するための入口空間４８に関連付けられている。さらに、第２の熱交換部３２は、第２シェル４４の径外方向に配置され、円筒形の出口空間５０の形状における第２のリングチャンバと、出口空間５０を介して前記ギャップ５１から導管５２に予熱されるガスを移動させるために適応された第２の出口４９とを含むことが好ましい。
【００４１】
本実施形態によれば、予熱されるガスは、第２の入口４７を介して第２の熱交換部３２に入り、入口チャンバ４８及びギャップ５１内に分配され、ギャップ５１内に鉛直方向に流れ、出口チャンバ５０内に集められ、その後、第２の出口４９を介して導管５２内に第１の熱交換部３１に移動するために案内され第２の熱交換部３２を離れる。
【００４２】
図３に示すように、第２の熱交換部の設計に関して、第１のシェルの外側の予熱されるガスの流れは、第２のチャンバ４２内の燃焼ガスの流れの対向流となる。しかし、第１のシェルの外側の予熱されるガスの流れが第２のチャンバ４２の内部を流れる燃焼ガスの流れと平行になるように第２の熱交換部を設計することも可能である。このような設計は図４に示されている。
【００４３】
図４に示された実施形態は、入口空間及び出口空間を形成する第２の入口及び第２の出口の配置において図３に示された実施形態と異なる。ギャップ５１内における予熱されたガスの流れは燃焼ガスの流れと平行となることが当業者には明らかである。
【００４４】
図４に示された実施形態は、さらに、冷却ガス（この場合、予熱したときに燃焼ガスとして再利用することができるガス）を使用して下端壁を冷却するための手段を含む設計において第３の実施形態と異なる。
【００４５】
冷却ガスは、下端壁３５と下底プレート４１によって定義された底空間４０内に導入されるとともに、第３の出口５５を介してこの空間を出ることを可能とする。ガスは、第３の出口５５から導管５２に移動するとともに、そこで第２の熱交換部からのガスの流れに混合される。このような下端壁を冷却するための手段は、当然、図３に示した実施形態に係る設計に含まれる。
【００４６】
図示しない代替的な実施形態によれば、冷却ガスは、例えば、第２の導管によって、第３の出口から第１の入口３８に直接移動させることができる。
第２の熱交換部において最高の熱伝達を得るためには、可能な限り大きい熱交換表面を有することが望ましい。従って、チャンバの直径は、少なくともその鉛直方向に延出する部分において、比較的に大きくするべきである。好ましい一実施形態によれば、第２のチャンバは第１の熱交換部のチューブの束の外径Ｄｔよりも大きい最大直径Ｄｍを有する。これは、図５に示されている。ほとんどの場合、第２のチャンバ４２は、第２のチャンバへの流入又は流出時に効率的に流れを制御するために、それらの下部Ｄｉ及び／又は上部Ｄｅにおいてより小径とすることが実際的である。従って、一つの好ましい実施形態によれば、Ｄｉ＜Ｄｍ及びＤｅ＜Ｄｍとなる。
【００４７】
また、熱交換器の第２の熱交換部における熱交換の効率を更に向上させるために、第１のシェルは、第１のシェルの外側に外側フィンを適切に設けてもよい。このフィンの目的は、第１のシェルの伝熱面を増加させることである。このフィンは、例えば、水平に配置されてもよいが、他の配置も可能である。さらに、このフィンは、例えば、第１のシェルの表面に溶接されてもよい。
【００４８】
図６は、１つの代替的な実施の形態に係る第２の熱交換部３２を示す図である。第１のリングチャンバ４５はギャップ５１の上端に、かつ第１及び第２のシェル部材の径外方向に配置されている。第２のリングチャンバ４５は、ギャップ５１の下端に、かつ第１及び第２のシェル部材の径外方向に配置されている。予熱すべきガス用の入口／出口４６は、各リングチャンバ４５に関連付けられている。前述したように、リングチャンバは、リングチャンバが予熱されるべきガスの出口又は入口の何れに関連付けられているかに応じて、ギャップ５１及び第１のシェル部材の周囲にガスを分配し、又はギャップ５１の周囲からガスを収集する。第１のシェル部材の周囲における予熱されたガスの不均等な分配によって熱伝達が減少するため好ましくないにも関わらず、ギャップ５１に対して直接的に第２の入口及び／又は第２の出口を設計可能であることが当業者にとって明らかである。
【００４９】
本発明に係る熱交換器の１つの好ましい実施形態によれば、第２の熱交換部において、熱負荷によって鉛直方向へ膨張することが防止される。これは、図３に示すように、第２の熱交換部が堅固に、鉛直方向に２つに分離する固定装置５６，５７間に取り付けられていることを保証することによって達成される。固定装置の例は、例えば地面、基礎コンクリート等であってもよい。当然のことながら、第２の熱交換部における異なる部分は、熱負荷によって展開され、したがって、内部膨張手段を第２の熱交換部に組み込むことが有利である。好適な膨張手段の例としては、例えば、ベローズなどでもよい。これらは当業者に知られているため、本明細書においてこれ以上開示しない。
【００５０】
本発明は、添付の図面を参照して説明した本実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内で変更することができる。なお、図示された各特徴は、所望の技術的機能を達成可能なフレームワーク内の他の全ての図示された特徴と組み合わせることができる。
【００５１】
第１の熱交換部の設計は、第１のチャンバ及びチューブを含む限り、特に本発明に限定するものではない。例えば、チューブの膨張、底プレートの冷却が可能となる任意の公知手段を含んでもよい。さらに、第１チャンバ内のチューブは、参照により本明細書に組み込まれる国際公開２０１０／０３３０７０号明細書における提案と同様にフィンを備えてもよい。実際には、第１の熱交換部の設計は、カーボンブラックの技術分野における公知のチューブ熱交換器に関連する。
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【国際調査報告】
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