(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シェルと；
熱交換器の第１の長手方向端部に位置し、前記熱交換器内への流体の導入を許容するための入口ノズルを有するヘッダと；
前記熱交換器の前記第１の長手方向端部に位置し、かつ前記ヘッダに取り付けられた第１の固定チューブシートと；
前記流体を移送するための複数のチューブからなるチューブ束であって、前記シェル内に位置し、かつ前記第１のチューブシートに取り付けられたチューブ束と；
前記熱交換器の前記第１の長手方向端部に位置し、かつ前記ヘッダおよび前記第１の固定チューブシートに取り付けられた第１の周回りリングと；
前記第１の周回りリングから前記シェルの外側表面に延び、かつ前記第１の周回りリングを前記シェルに接合する第１の円錐形部材と；
前記チューブ束に取り付けられ、かつ前記熱交換器の第２の長手方向端部に位置する第２の可動チューブシートであって、前記チューブの膨張および収縮に応じて前記シェルに対し長手方向に可動である第２の可動チューブシートと；
前記熱交換器の前記第２の長手方向端部に位置し、かつ前記第２の可動チューブシートの外周縁を囲む第２の周回りリングであって、前記第２の可動チューブシートが前記第２の周回りリング内で軸方向に可動である周回りリングと；
前記第２の周回りリングから前記シェルの外側表面に延び、かつ前記第２の周回りリングを前記シェルに接合する第２の円錐形部材と
からなることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記シェルは、前記シェルが前記第１の円錐形部材と接合する点を越えて延びる部分を含み、その部分は、前記第１の固定チューブシートに向かって延びることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記シェルは、前記シェルが前記第２の円錐形部材と接合する点を越えて延びる他の部分を含み、その部分は、前記第２の可動チューブシートに向かって延在することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記各チューブは、前記第１および第２のチューブシートを通過し、また前記チューブシートの一方を越えて長手方向に延びる犠牲部分を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記熱交換器の前記第２の長手方向端部から前記第１の長手方向端部にチューブ側流体を移送するための、中央パイプを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記熱交換器の前記第１の長手方向端部から前記第２の長手方向端部にチューブ側流体を移送するための第１のパスを有するツーパス熱交換器であり、前記流体は、第２のパスの前記中央パイプを通じて前記熱交換器の前記第１の長手方向端部に向かうことを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
【請求項７】
ツーパス熱交換器であって、前記第１の固定チューブシートに取り付けられた前記ヘッダ内に仕切りプレートを有し、流体入口からの流体を、前記第１のパス用の前記固定チューブシートに取り付けられた前記チューブのいくつかに向かわせると共に、前記流体が前記入口を通じて前記熱交換器内に進入するのに続いて直ちに前記熱交換器から出ることを防止することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記第１の固定チューブシートは、前記シェルの内部に向かう方向に延びる、円錐状のチューブシート延長部を有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記第２の可動チューブシートは、前記シェルの内部に向かう方向に延びる、円錐状のチューブシート延長部を有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記チューブ側流体をチューブ側流体出口に移送するための、中央に位置するパイプを含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記中央に位置するパイプは、前記第２の可動チューブシートのチューブ側に接続され、前記チューブ側流体を前記可動チューブシートから前記流体出口に導くことを特徴とする請求項１０に記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記中央パイプは、延長部分を更に含むことを特徴とする請求項１１に記載の熱交換器。
【請求項１３】
前記延長部分は、蛇腹部分を備えることを特徴とする請求項１２に記載の熱交換器。
【請求項１４】
前記チューブ側に流体入口と流体出口とを含み、前記熱交換器のシェル側流体の流れに対して向流方向の流れを前記チューブ側流体に引き起こすことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱交換器は何十年も前に開発され、熱移動を必要とする多くの用途において極めて有用であり続けている。熱交換器の基本設計に関し２０世紀を通じて多くの改良が為されたにも拘らず、依然として、熱交換器を商業規模のプロセスに含めることに付随するトレードオフおよび設計上の問題が存在する。
【０００３】
熱交換器を用いることに伴う問題の一つは、ファウリング性向である。ファウリングとは、プロセス流体の流れおよび熱移動の結果として、熱交換器の表面に種々の析出物および被膜が生成されることをいう。種々のタイプのファウリングがあり、これには腐食、無機物の析出、重合、結晶化、コーキング、沈殿および生物学的要因によるものが含まれる。腐食については、プロセス流体と、熱交換器の構成に用いられる素材の相互作用の結果として、熱交換器の表面が腐食されることがある。種々のファウリングタイプが相互に影響しあって、更により多くのファウリングがもたらされることがあるという事実により、事態は更により悪化される。ファウリングにより、熱移動に対する一層の抵抗がもたらされることが有り得るし、また実際もたらされ、これにより、熱移動の性能が低下される。ファウリングはまた、交換器内の流体の流れに関し、圧力低下を増大する原因となる。
【０００４】
商業規模の装置で通常用いられる熱交換器のタイプの一つは、シェル−チューブ型熱交換器である。この形式の熱交換器においては、一方の流体がチューブの内側を流れ、他の流体がシェル内の、チューブ外側の部分に押し込まれる。典型的には、バッフルが、チューブを支持し、流体が曲がりくねったチューブ束を横切って押し込まれるように配置されている。
【０００５】
ファウリングは、より高い流速を用いることにより低減することができる。実際、ある研究においては、流速を二倍にすることにより、５０％を超えるファウリング低減が達成されることが示された。より高い流速を用いることにより、ファウリング問題が実質的に減少し、または消滅することさえもありうることが知られている。残念ながら、バッフルによって系内に生じる過大な圧力低下のため、一般には、通常のシェル−チューブ型熱交換器のシェル側では、実質的にファウリングを低減するのに必要とされる十分に高い流速は達成されない。また、シェル側流体の流れの方向が軸方向以外である場合、また特に流れが高速である場合、種々の程度のチューブ損傷が振動に起因していることがあるという点で、流れに起因するチューブの振動が実質的な問題となることがある。
【０００６】
上記のチューブ侵蝕の問題に加えて、既存のシェル−チューブ型交換器は、交換器のシェル側に「デッドゾーン」と流体滞留域が存在するという事実を黙認している。一般に、これらのデッドゾーンおよび滞留域は、熱移動の性能の低下のみならず、過大なファウリングをもたらす。通常のシェル−チューブ型熱交換器に存在する、特に流体の滞留が起こりやすい領域の一つは、シェル側の流体が熱交換器を出る出口ノズルの近傍の、チューブシートに近い領域である。既知の流体動力学的挙動から、デッドゾーンや滞留域は、各チューブシートおよび各ノズルの間の領域に形成される傾向がある。この領域では流れが全く存在しないか、または流速が非常に低いため、流体の流れが制限されるシェル側のこの領域では、チューブシートの領域において相当なファウリングの問題が生じ得る。上記と同じ問題はまた、入口ノズルに隣接する領域にも存在する。
【０００７】
熱交換器内の特定の領域、例えば、入口ノズルとチューブシートとの間や、出口ノズルとチューブシートとの間の領域において、流体の流れが低速となることがある。この問題に対する様々な解決策が、「ファウリングが低減された改良熱交換器」と題された、米国特許出願第１０／２０９０８２号（米国仮特許出願第６０／３６６７７６号）に対応する同時係属中の特許出願に提供されている。提供されている解決策は、シェル延長部と、シェルとチューブシートとの間の円錐状接続部と、円錐状のチューブシート延長部とを含めることによるものである。これらの構造要素は、ファウリングの問題に対処するために必要に応じて、または所望により組み合わせることが可能である。
上述の解決策は、大部分のケースにおいては十分に機能するが、いくつかの用途、特に、シェル側流体とチューブ側流体との間の温度差が大きいような用途においては、チューブの長さ方向の熱膨張が、シェルのそれに対して過度の差を生じることがある。チューブシートが熱交換器シェルに溶接されている場合、このチューブの膨張の結果、相当の構造上の損害が生じることがある。
【０００８】
大部分の先行技術の熱交換器における更に他の欠点は、プロセス設計全体に関し熱交換器の柔軟性が制限されていることである。例えば、大部分の用途では、シェル側の流速はチューブ側の流速と同一、または概ね等しいことが望ましい。しかし、プロセス流量の制約を考慮すると、シェル側の流速とチューブ側の流速を同等にすることは、不可能でないとしても困難であることが多い。これは、所定の断面が存在していて流体がそこを通って流れるようになっており、このことによって、熱交換器に向かう所定のプロセス流速が存在するとき、熱交換器内に強制的に流速を発生させるという、熱交換器の固定的な設計に起因する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、顕著なファウリングの問題をもたらすデッドゾーンおよび低流速の領域を実質的に低減する改良熱交換器を提供することにある。
【００１０】
【発明を解決するための手段】
本発明は、好ましくはシェル側の流体に対して軸方向の流れを用い、デッドゾーンおよび滞留域が実質的に最少化されるか排除される、熱交換器の新規な形態を提供する。本発明の熱交換器では、チューブ束内のチューブが、交換器の一方の端部にある固定チューブシートと、好ましくはリターンヘッドに配置される浮動チューブシートの間に延びている。浮動チューブシートは、円錐状延長部を有し、それによって低流速域に露出するチューブの表面積が最小になっていることが好ましい。同様の円錐状延長部を固定チューブシート上にも設けることが可能である。特定の一実施態様では、熱交換器は、熱交換器のヘッダから他の端部に、またはリターン端部が後方に配置される方の端部からヘッダにチューブ側流体を送るように機能する中央パイプを含む。チューブシートおよびチューブ束は、洗浄、検査および／または保全のために、シェルから容易に取外し可能であるように製造することができる。
【００１１】
熱交換器の構成要素はモジュール式の集成体に構成し得る。シェル側の流れおよびチューブ側の流れの一方または両方に対して並列および／または直列に配置された、標準化された「規格品」の熱交換器を用いることによって、相当の設計柔軟性を得ることが可能である。ファウリングの減少を最大にし、また設計時間の極めて顕著な低減を可能にするため、標準的なサイズの「規格品」の熱交換器モジュールを用いてもよい。必要な熱移動の要件を満足することを初めとする所望のプロセス特性を達成するため、標準的なサイズの熱交換器のより小型のものをいくつか、平行、直列または平行および直列の両方で用いてもよい。
【００１２】
本発明を用いなければ顕著なファウリングの問題をもたらすデッドゾーンおよび低流速の領域が、本発明により実質的に低減することをはじめとする利点が提供される。また、そのような熱交換器は、他の相当の利点を提供し、例えば、容易かつより有効な洗浄、検査および／または保全のためのチューブ束の取り外しを可能とする。そのような熱交換器は更に、チューブ側流体の温度とシェル側流体の温度との温度差が比較的大きい用途における、シェルに対するチューブの熱膨張差に関連した問題の回避を可能にする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明によって構成された熱交換器１００を示している。図面では、チューブ束の構成をより明確に示すために、シェル部分が切除されている。図１はシェル−チューブ型熱交換器の一つを示しているが、本発明は他の多くの形態のシェル−チューブ型熱交換器に等しく適用できる。図１に示した熱交換器１００は、大きな中央チューブを有するツーパス熱交換器であり、この中央チューブは、第２のパス中において、チューブ側流体を、熱交換器１００のシェル側入口ノズル１１０に近い側の端部近くに配置されたリターンヘッドから、熱交換器１００の他方の端部（こちらの端部では、チューブ側出口１３０においてチューブ側流体が熱交換器１００から出る）へ送るように位置決めされている。熱交換器１００の実施態様はツーパス熱交換器として記載されているが、実際には、チューブ側流体がチューブ側出口ノズル１３０に向かって中央パイプ１４５を流れる間に、第１のパス中で生じる熱伝達は、熱伝達全体の圧倒的に大きな割合を占めており、第２のパス中で生じる熱伝達は、非常に限られたものに過ぎない。
【００１４】
熱交換器１００は、シェル１５０とその中に収容されたチューブ束１６０とを含む。チューブ束１６０は、チューブ束１６０の各端部にそれぞれ配置されたチューブシート１８０と１９０を含む。チューブシート１８０は所定の位置に固定されているが、チューブシート１９０は熱交換器部分の長手方向軸の方向について可動であり、以下により詳細に記述する浮動ヘッド部分を形成する。チューブ束１６０内に収容されるチューブは、当業界において公知の手段、例えばチューブを溶接、またはチューブシート内に延長することによって、チューブシート１８０と１９０の開口部に固定される。チューブ側入口１４０およびチューブ側出口１３０はそれぞれ、第１の流体をチューブ束１６０内のチューブに導入すること、および第１の流体を交換器１００から放出することを可能にする。シェル側入口１１０およびシェル側出口１２０はそれぞれ、第２の流体が熱交換器１００のシェル側に入ることと、そこを出ることを可能にし、そうすることによって、第２の流体がチューブ束１６０を構成するチューブの外側全体に流れることを可能にする。
【００１５】
図１に示した実施態様はチューブ支持体１７０を含む。チューブ支持体１７０は、「熱交換器の流通チューブ支持体」と題された、米国特許出願第１０／２０９１２６号（米国仮特許出願第６０／３６６９１４号）に対応する同時係属中の特許出願に開示されている、バッフルの必要性をなくし高速の流体流を可能にする金属製のコイル構造体であることが好ましい。これらの金属製のコイル構造体をチューブ支持体１７０として使用することによって、従来のバッフルは省略可能であり、より高い流体速度を利用し得る。或いは、チューブ束１６０内のチューブは「捻れチューブ」から構成されていてもよく、また従来の手段、例えば「ロッドバッフル」型または「エッグクレート」型のチューブ支持体によって支持されていてもよい。分割バッフルは、一般に高速の流体流を許容せず、またデッドゾーンを更に形成するので好ましくない。
【００１６】
シェル側流体については、軸方向の流れを使用することが好ましい。そのような熱交換器は、大部分の熱伝達が行われる第１のパス中において、シェル側流体とチューブ側流体が向流となるようにする。ほとんどの場合、第１のパスには向流が好ましいが、出口１２０にシェル側流体を導入し、入口１１０からシェル側流体を流出させることによって、並流を使用してもよい。
【００１７】
図１では、チューブ束１６０内のチューブはチューブ側入口１４０の方向に、またそれに向かって、固定チューブシート１８０の表面を越えてある長さだけ延びている。好ましくは、その伸張部は、チューブシート１８０の表面を超えて少なくとも１５ｃｍ（６インチ）であり、恐らくは、意図する流速およびチューブの冶金学的特性によっては更に長い。延長されたチューブ長さは犠牲の長さとして用いられる。これは、より速い流速において最もよく起こる、入口チューブの侵蝕の影響を防止するために必要な、または望まれるときに、容易に交換することができる長さである。意図する流速がより速くなると、チューブ延長部の長さを長くする必要がある。チューブ長さの延長部に関する唯一の実質的な制限は、チューブ長さは、ヘッダ１２５内に望ましくない速度プロファイルを生じたり、チューブの振動による不具合が生じるほどの長さにまで伸長しないという要件である。
【００１８】
一般的に、チューブ延長部の長さは、チューブシート１８０の表面を越えて１５ｃｍ（６インチ）である。この伸長部の長さは、穿孔の問題を生じうるレベルで侵蝕を受けるチューブ素材、例えば炭素鋼、銅、ニッケルおよび他の金属、並びに他の物質に対して十分なものである。真鍮その他特に侵蝕されやすいチューブ素材の場合には、好ましくはチューブ長さを１５センチ（６インチ）を超えて延長し得る。当然、異なる延長部の長さを用いてもよく、またチューブ素材の侵蝕の受けやすさが増大するにつれて、延長部の長さを増すべきである。
【００１９】
延長されたチューブ長さを用いることにより、侵蝕が生じたとき、または選択された時間間隔で、犠牲チューブ部分を定期的に交換することが可能となる。犠牲部分は切り離されて、新規の犠牲部分が、溶接されるか、または、チューブシートから外側に伸びているチューブ長さの残存部分の内部に、新規部分を延長することによって固定される。必要とされる犠牲チューブ長さの交換には、この他の溶接および他の技術を用いてもよい。
【００２０】
例示した構成によって、デッドゾーンや低流速域は減少または除去され、熱交換器１００全体を通じて一貫した高速の流体流が可能になる。シェル伸張部１１５は、シェル１５０がコーン１３５に出会う点を過ぎて、シェル１５０が（軸方向に）伸びるように含まれる。熱交換器の固定チューブシート側端部のコーン１３５は、シェル１５０から前端側周回りリング１８５まで延びている。この前端側周回りリングは、固定チューブシート１８０の一部を囲んでおり、締結具１３２によって固定チューブシート１８０に取り付けられている。締結具１３２はチューブシート１８０のシェル１５０に対する軸方向の移動を妨げる。シェルおよびチューブ束の他の端部において、コーン１３５は、シェル１５０から、可動チューブシート１９０の外周縁を囲む浮動端部側周回りリング１９８まで延びている。チューブシート１９０は周回りリング１９８内で軸方向に自由に摺動でき、チューブ束１６０の軸方向の熱膨張を可能にする。コーン１３５は、シェル１５０の端部の一方に設けても、両方に設けてもよい。シェル延長部１１５を用いてシェル１５０を延長することにより、流体が直ちに入口１１０に直接的に隣接する領域に入ったり、出口１２０に直接的に隣接する領域から出たりする機会がない（上記のようにしないとこれらの領域で流速が相当に遅くなる）という点で、チューブシート１８０および１９０近傍のシェル側流体の流れが改善される。更に、シェル側の流体が熱交換器１００に入ったり、そこから出る際に、それが直接チューブ束１６０に向かって流れることが、シェル延長部１１５により防止されるという事実によって、シェル側チューブ侵蝕の問題が最小にされる。
【００２１】
浮動チューブシート１９０の位置はシェル１５０に対して固定されず、従って浮動チューブシート１９０は長手方向に、シェルカバー１９５に向かってまたはそれから離れる向きに移動できる。このことは、シェル側流体とチューブ側流体との相対温度に応じた、チューブ束１６０内のチューブの伸張および収縮を可能にする。更に、チューブ束１６０並びにチューブシート１８０および１９０は、それらの洗浄その他の保全を容易に実行し得るように、シェル１５０から容易に取り外し可能である。このことは、締結具１３２（固定チューブシート側）およびスプリットリング１６５（浮動ヘッド側、詳細は図２）によって可能となり、またこれらによって、ヘッダ１２５およびシェルカバー１９５がそれぞれシェルから取り外すことができるようになり、この結果チューブ束１６０も取り外し可能となる。図１に示した熱交換器１００の更なる特徴は、図３に示した実施態様にも見られる。
【００２２】
コーン１３５のサイズおよび形状は、流体モデル研究に基づいて選択されるが、殆どの場合、容易に入手可能である標準的な部品が、コーン１３５として用いるために選択される。コーン１３５は、シェル延長部１１５と共に、現在適用されているように、流体が出口ノズル１７０から直ちに出たり、入口ノズル１１０からチューブ束１６０の内部に直ちに入るようにするよりも、むしろ流体の流れをチューブシート１８０および１９０の方向に向けるのに用いられる。そうしなければチューブシート１８０および１９０の近傍に存在する低速度の流体域が、そうすることにより排除される。
【００２３】
チューブシート１８０および１９０には各々、熱交換器の空洞内部に向かい、それぞれ入口１４０および出口１３０から離れる方向に突き出した円錐形の延長部１４２が含まれる（図２により詳細に図示、図５も参照）。図１および図２では、延長部または突出部は円錐の切頭体の形状、図３、図４および図５に示すものは完全な円錐形の延長部である。従って、延長部を「円錐」と称していることは、完全な円錐形の延長部、円錐の切頭体の他、デッドゾーンや低流速の領域が低減または除去される他の形状の延長部、例えば回転楕円体その他の曲面形の延長部を含む（これらはそれほど製作しやすくないので通常好ましくないが）。ここでは、チューブシート１８０および１９０の直径全体が、チューブシートの表面から伸びる切頭円錐形の突出部の基部を構成する。または、チューブシート１８０および１９０の直径の一部のみが、円錐形の突出部の基部を構成していてもよい。例えば、この実施形態によれば、円錐形の突出部が１０〜１５ｃｍ（４〜６インチ）の基部直径を有するように構成し、チューブシート１８０または１９０の直径をおよそ３０〜６０ｃｍ（１２〜２４インチ）程度とすることができる。この場合、円錐形の突出部の中心点は、チューブシート自身の中心点と同じであることが好ましい。換言すれば、円錐形の突出部は、好ましくは、チューブシート１８０および１９０の円形表面上の中心にある。
【００２４】
円錐形の突出部が含まれることにより、小さなデッドゾーンおよび低流速域（上記のようにしないと、本熱交換器内の、熱交換器の空洞に面した、チューブシート内側表面の中心に隣接してこれらが存在する傾向がある）の低減および／または排除がもたらされる。上記のようにしないと熱交換器内に存在する特定の低流速域は、本発明のシェル延長部１７０およびコーン１３５の構成要素を含むことにより生じる。チューブシートの突出部が含まれることによって、突出部により占められる熱交換器１００内の空間（上記のようにしないと「デッドゾーン」または低流速域となる）が固体物質で満たされ、その結果、熱交換能力を殆どまたは全く損失することなく、低流速域および「デッドゾーン」が排除される。
【００２５】
円錐形の突出部のサイズおよび詳細な形状は、上記に提供される例とは異なっていてもよい。所望により、当業界で公知の流体モデル方法論を利用し、特定の設計に対して望ましい基準を満たす特定のサイズおよび形状を決定してもよい。当然ながら、特定の一つの熱交換器において、一方のチューブシートにおける円錐形の突出部が、サイズまたは形状に関して、他のチューブシートにおける他の円錐形の突出部と同一である必要はない。チューブシート表面における突出部の間のサイズおよび形状は、予期される特定の流体の流速および性向により異なることがある。
【００２６】
熱交換器１００はまた、チューブ側流体がチューブ側出口ノズル１３０において熱交換器１００を出ることが可能であるように、浮動チューブシート１９０から熱交換器１００の他の側に向かってチューブ側流体を送る中央パイプ１４５を含む。中央パイプ１４５は、中央パイプ１４５のヘッダ１２５内に収容される領域に、長手方向に伸張可能な部分１９２を含むことが好ましい。この伸張可能な領域は、チューブと同一の材料から構成されることが好ましく、専門の製造業者から入手可能である。中央パイプ１４５を含む熱交換器１００の設計により、熱交換器１００の同じ側にチューブ側入口１４０およびチューブ側出口１３０を配置することが可能となる。
【００２７】
図２は、浮動チューブシート１９０付近の領域のより詳細な図を示す。シェルカバー１９５は図２に示されていないが、浮動チューブシート１９０、特に浮動ヘッドカバー１７５は、シェルカバー１９５に向かう方向に長手方向に可動であり、その運動は、浮動ヘッドカバー１７５がシェルカバー１９５と物理的に接触する点までに限定される。間隔は、浮動チューブシート１９０が約２．５〜５ｃｍ（１〜２インチ）移動できるように配置されることが好ましいが、特定の用途における必要性に応じて、より大きな、またはより小さな間隔を利用し得る。
【００２８】
浮動ヘッドカバー１７５は、提供されているスプリットリング１６５と共に他の締結機構、例えば関連付けられたナット２４５と組み合わされたボルトを使用することによって、浮動チューブシート１９０の残りの部分から取り外し可能であることが好ましい。同様に、図２から理解できるように、ロッドまたはチューブ１５５は、浮動チューブシート１９０内にそれらの終末があり、そこで付加的にそれらが支持されるように設計に組み込まれることが好ましい。浮動チューブシート１９０を浮動ヘッドカバー１７５に接続することを可能にするために、コネクタ要素２８２もまた含まれることが好ましい。コネクタ要素２８２は浮動チューブシート１９０に溶接してもよく、初めからコネクタ要素２８２を含むように浮動チューブシートを形成してもよい。
【００２９】
図３は他の熱交換器の構成を示している。図３に示した熱交換器３００は、チューブ側流体が入口１４０を通して入り、熱交換器３００の他の端部に通じるチューブを通して浮動リターンヘッド内に移動するツーパス構成である。次いで、チューブ側流体は第２のパスにおいて反対方向に移動し、その後チューブ側流体は出口１３０を通して熱交換器３００を出る。図３に示した構成では、第１のパスは、シェル側流体に対して向流をもたらすが、第２のパスによってシェル側流体に対して並流がもたらされる。シェル側入口１１０およびシェル側出口１２０を逆にすると、向流は第２のパスで得られ、並流は第１のパスで得られる。チューブ側流体の流れが出口１３０を通して熱交換器３００を直ちに出るよりも、むしろチューブを通して流れることが保証されるように、熱交換器３００はパス仕切り板３４５を含む。更に、図１の熱交換器１００の構成と同様に、熱交換器３００の構成は、ヘッダ１２５、チューブシート１８０およびチューブ束１６０が、ナット付き鋲１３２のような締結具を使用することによって、熱交換器シェル本体から容易に取り外せるようになっている。更に、熱交換器３００の他の端部では、浮動チューブシート１９０、浮動リターンヘッドカバー１７５、シェルカバー１９５およびチューブ束１６０内のチューブをシェル１５０からスプリットリング１６５を用いて取り外し、リターンヘッドカバー１７５を取り外すことも可能である。
【００３０】
図１の交換器でもそうであるが、チューブ束２６０内のチューブは、「熱交換器の流通チューブ支持体」と題された、上記の同時係属中の特許出願に開示されている、バッフルをなくし高速の流体流を可能にする金属製のコイル構造体に支持されていることが好ましい。或いは、チューブ束１６０内のチューブは「捻れチューブ」から構成されていてもよく、また従来の手段、例えば「ロッドバッフル」型または「エッグクレート」型のチューブ支持体によって支持されていてもよい。この実施態様でもまた、分割バッフルは、一般に高速の流体流を許容せず、またデッドゾーンを更に形成するので好ましくない。
【００３１】
図３のチューブ束１６０内のチューブは、チューブ側入口１４０およびチューブ側出口１３０の方向に、またそれに向かって、チューブシート１８０の表面を越えてある長さだけ延びている。図３の実施態様では、その伸張部は、チューブシート１８０の表面を超えて少なくとも１５ｃｍ（６インチ）であり、恐らくは、意図する流速およびチューブの冶金学的特性によっては更に長い。図３の実施態様では異なる延長部の長さを用いてもよく、またチューブ素材の侵蝕の受けやすさが増大するにつれて、延長部の長さを増すべきである。
【００３２】
シェル延長部を使用することによって、図１と同様に、熱交換器３００全体を通じて一貫した高速の流体流が提供される。第１のシェル延長部１１５（図３の左側）は、シェル１５０を、シェル１５０がコーン１３５（チューブシート１８０の外周縁の周りの周回りリング１８５から延びる）に出会う点を過ぎて横方向に延長させている。第２のシェル延長部１１５（図３の右側）は、シェル１５０を、シェル１５０がコーン１３５に出会う点を過ぎて横方向に延長させている。コーン１３５は、シェル１５０から周回りリング１８５まで延びている。この周回りリングは可動チューブシート１９０を囲んでおり、またリターンヘッドカバーはこの周回りリングに取り付けられている。図３に示されるように、シェル１５０をシェル延長部１１５を用いて伸張することにより、シェル側の流体流が、流体が直ちに入口ノズル１１０に直接的に隣接する領域に入ったり、出口ノズル１２０に直接的に隣接する領域から出たりする機会なしに（上記のようにしないと、これらの領域で流速が相当に遅くなる）それぞれチューブシート１８０および浮動ヘッドカバー１７５の方向に向けられる。この配置は、シェル側の侵蝕の問題を最少化するのに用いられる。
【００３３】
コーン１３５は、現在適用されているように、流体が入口ノズル１１０や出口ノズル１２０に向かって流れるようにするよりも、むしろ流体の流れをチューブシート１８０および１９０の方向に向けるのに用いられる。そうしなければチューブシート１８０および浮動チューブシート１９０の近傍に存在する低速度の流体域が、そうすることにより排除される。コーン１３５のサイズおよび形状は、流体モデル研究に基づいて選択されるが、殆どの場合、容易に入手可能である標準的な部品が、コーン１３５として用いるために選択される。
【００３４】
図３はまた、図１と同様の円錐状チューブシート延長部の配置を示している。チューブシート１８０は、熱交換器の空洞内部に向かい、ヘッダ１２５から離れる方向に突き出した円錐形の延長部１４２が含まれる。この場合、延長部は完全な円錐形の形状を有する。また、可動チューブシート１９０には、同様の円錐状延長部１４２が設けられている。本発明の一実施態様では、チューブシート１８０および１９０の直径全体が、チューブシートの表面から伸びる円錐形の突出部の基部を構成する。または、チューブシート１８０および１９０の直径の一部のみが、円錐形の突出部の基部を形成する。例えば、この実施形態によれば、円錐形の突出部が１０〜１５ｃｍ（４〜６インチ）の基部直径を有するように構成し、チューブシートの直径をおよそ３０〜６０ｃｍ（１２〜２４インチ）程度とすることができる。この場合、円錐形の突出部の中心点は、チューブシート自身の中心点と同じであることが好ましい。換言すれば、円錐形の突出部は、好ましくは、チューブシート１８０および１９０の円形表面上の中心にある。円錐形の突出部のサイズおよび詳細な形状は、当然ながら上記に提供される例とは異なっていてもよい。
【００３５】
チューブ束１６０はチューブ支持体１７０によって支持される。チューブ支持体１７０は、上記の「熱交換器の流通チューブ支持体」と題された同時係属中の特許出願に開示されている金属製のコイル構造体であることが好ましい。これらの新規な金属製のコイル構造体をチューブ支持体１７０として使用することによって、従来のバッフルは省略可能であり、より高い流体速度を利用し得る。
【００３６】
図４は４パス熱交換器４００を示しており、ツーパス用の仕切り板がヘッダ１２５内に含まれ、熱交換器４００の他の端部の浮動リターンヘッド内にも仕切り板が含まれている。
【００３７】
図５に示した熱交換器５００は、浮動リターンヘッドを有するシングルパス熱交換器である。この設計により、チューブ側およびシェル側で同時に高速を達成する際に更なる柔軟性が提供される。流れの構成は完全な並流でも完全な向流でもよい。熱交換器５００は、浮動ヘッドの運動を可能にするチューブ側の拡張継手５９２を含むことが好ましい。
【００３８】
図６は、本発明の熱交換器の使用を含むプロセスエンジニアリングに関連して使用し得るモジュール式のアプローチを示している。様々な組み合わせの標準サイズの熱交換器を使用して全体的な熱伝達特性を所望のものとしうるように、本発明の熱交換器を複数の標準サイズの熱交換器となるように製造してもよい。例えば、所望のプロセスフローおよび構成を獲得するために、標準サイズの熱交換器ユニットをシェル側流体、チューブ側流体またはそれらの両方に対して並列または直列に配置することが可能である。
【００３９】
図６のケース１は、チューブ側流体について４．６ｍ・ｓｅｃ−１（１５フィート／秒）、シェル側流体について９．１ｍ・ｓｅｃ−１（３０フィート／秒）の流速を必要とする従来のシェル−チューブ型熱交換器を示している。これらの流速は通常、体積流速および利用可能なフロー断面積によって規定される。本発明のモジュール式のアプローチを用いると、プロセス設計上シェル側とチューブ側の両方に４．６ｍ・ｓｅｃ−１（１５フィート／秒）の流速を必要とする場合、所望の結果を獲得するためには、ケース１について図６の右側に示すように、標準サイズの熱交換器を、チューブ側に関しては直列に、シェル側に関しては並列に組み合わせればよい。シェル側流体は等しい寸法の２つの熱交換器を通過するので、シェル側の流速は本来９．１ｍ・ｓｅｃ−１（３０フィート／秒）であるが、２つの熱交換器について各々４．６ｍ・ｓｅｃ−１（１５フィート／秒）の流速に低下する。
【００４０】
図６のケース２では、本来の実施において、シェル側の流速は４．６ｍ・ｓｅｃ−１（１５フィート／秒）であるが、チューブ側について流速９．１ｍ・ｓｅｃ−１（３０フィート／秒）が得られる場合、ケース２について図６の右側に示したように、シェル側流体とチューブ側流体の両方について４．６ｍ・ｓｅｃ−１（１５フィート／秒）の流体速度を獲得するために、熱交換器をチューブ側流に関して並列に配置してもよい。
【００４１】
熱交換器に達する前の、プロセスラインの任意の点で、ストレーナを使用することが好ましい。これは、本発明の熱交換器内で、熱交換器のチューブまたはシェル側のいずれかにおいて捕捉されるような破片を除去するのに重要である。十分に大きなサイズ、または十分に多量の破片が本発明の熱交換器に入ると（また実際、現行の既存の熱交換器でもそうであるが）、熱交換器が無効となるまでに流速が低下することがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施態様を示す、取り外し可能なチューブ束と中央パイプを有する熱交換器の側面破断断面図である。
【図２】図１に示す熱交換器の浮動ヘッド領域のより詳細な図面である。
【図３】本発明の第２の実施態様による、ツーパス熱交換器の側面破断断面図である。
【図４】本発明の第３の実施態様による、４パス熱交換器の側面破断断面図である。
【図５】本発明の第４の実施態様による、チューブ側の拡張継手を有するシングルパス熱交換器の側面破断断面図である。
【図６】本発明の教示によるプロセスフロー設計に関連した、モジュール方式の利用を示した図面である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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