JP4350396B2 - ファウリングが低減された改良熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は概して、熱交換器に関する。より詳しくは、熱交換器の構成部分の設計に関する。
【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。その基本的な設計に関し、二十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】
【発明が解決しようとする課題】
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、熱交換器の表面に生じる種々の析出物および被膜をいう。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。このタイプにおいては、一方の流体が多数の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】
チューブ側の流れについてのより高い流速はまた、問題を生じることがある。例えば、伝統的なシェル−チューブ型配置では、チューブ側の流れについて流速がより高いと、特にチューブ入口において、チューブ内側表面の侵蝕を生じる傾向がある。例えば、流速が２．４ｍ／秒（８フィート／秒）の場合、真鍮製チューブの内側表面の侵蝕が、入口から始まって、チューブ中に１５ｃｍ（６インチ）以上に亘って生じることがある。流速が上昇するにつれて、侵蝕を受けるチューブの長さ、および侵蝕が生じる速度の両方に関して問題が悪化する。
【０００７】
チューブの侵蝕により、最終的にはチューブ−チューブシート結合が不完全になる。極端な場合には、侵蝕によってチューブに穴が空き、これによって、最終的には、熱交換器のシェル側とチューブ側の間で流体の混合が起こることもありうる。
【０００８】
一度相当の侵蝕が起こると、チューブを交換または修理する必要があることから、チューブ内側表面の侵蝕は、特にシェル−チューブ型配置において問題がある。通常のシェル−チューブ型熱交換器では、侵蝕を受けるチューブ長の大部分はチューブシートの内側に埋め込まれているので、チューブの修理および交換には費用がかかり、また時間もかかる。例えば、チューブの両チューブシートの内側表面に隣接する部分を切断し、チューブシートの内側に残存するチューブ断片を抜出し、（二つのチューブシート間にある）チューブの中間部分を取出し、次いで表面を清浄にして、新しいチューブを取付けることが必要であるかもしれない。当分野で知られるように、これは、一般に相当なプロセスの中断時間をもたらす困難な方法である。
【０００９】
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、各チューブシートおよび各ノズルの間の領域に位置するデッドゾーンや滞留域が存在する傾向がある。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。当分野において知られるように、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。
【００１０】
【課題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る、熱交換器の形態を提供する。この熱交換器においては、デッドゾーンおよび滞留域は実質的に最少化されるか排除され、入口領域におけるチューブの侵蝕に対しては、チューブの侵蝕部分の修理および交換が、実質的により安価に、より容易に、またプロセスの中断を最少にして行えるよう、チューブ長に犠牲部分を提供することによって対処される。本発明の好ましい実施形態によれば、シェル側の流体に対して軸方向の流れが用いられるため、一般に、チューブの振動の問題は排除される。
【００１１】
本発明の第１の発明は、
（ａ）熱交換器への流体の導入を可能にするための入口ノズルを有する導管；
（ｂ）複数の開口部を有するチューブシート；および
（ｃ）流体を移動させるための複数のチューブからなり、該チューブは各々、該チューブシートの該開口部の一つを完全に通過し、軸方向に、該チューブシートから離れて該導管内部の空間に向かって伸びる犠牲部分を含むチューブ束
を含むことを特徴とする熱交換器である。
【００１２】
本発明の第２の発明は、前記熱交換器は、第二の導管、および複数の開口部を有する第二のチューブシートを含み、チューブは各々、該第二のチューブシートの該開口部の一つを完全に通過し、また該チューブは各々、軸方向に、該第二のチューブシートから離れて該第二の導管内部の空間に向かって伸びる第二の犠牲部分を含むことを特徴とする第１の発明に記載の熱交換器である。
【００１３】
本発明の第３の発明は、前記熱交換器は、シングルチューブパス熱交換器であることを特徴とする第１の発明に記載の熱交換器である。
【００１４】
本発明の第４の発明は、前記入口ノズルは、前記チューブ内の流体の流れと同じ軸方向の流体の流れをもたらすように配列されることを特徴とする第１の発明に記載の熱交換器である。
【００１５】
本発明の第５の発明は、前記入口ノズルは、前記チューブ内の流体の流れと直交する流体の流れをもたらすように配列されることを特徴とする第１の発明に記載の熱交換器である。
【００１６】
本発明の第６の発明は、
（ｄ）チューブ束を囲包するシェル；
（ｅ）該チューブのための開口部を有する少なくとも二つのチューブシート；および
（ｆ）該シェルを該チューブシートに結合させ、該シェルの外側表面から該チューブシートの一つまで伸びる少なくとも一つのコーン
を含むことを特徴とする第１の発明に記載の熱交換器である。
【００１７】
本発明の第７の発明は、二つのコーンを含み、第一のコーンは、前記シェルを第一のチューブシートに結合させ、第二のコーンは、該シェルを第二のチューブシートに結合させることを特徴とする第６の発明に記載の熱交換器である。
【００１８】
本発明の第８の発明は、前記コーンは、シェル側の流体が前記熱交換器を出ることを可能にするための、少なくとも一つの出口ノズルを有することを特徴とする第６の発明に記載の熱交換器である。
【００１９】
本発明の第９の発明は、前記チューブシートの少なくとも一つは、円錐形のチューブシート伸張部を含み、該伸張部は、前記入口ノズルから離れて、前記シェルの内部に向かう方向に突き出し、チューブ側の流体を前記熱交換器中に導入することを特徴とする第６の発明に記載の熱交換器である。
【００２０】
本発明の第１０の発明は、前記円錐形のチューブシート伸張部は、前記チューブシート表面の中心に位置していることを特徴とする第９の発明に記載の熱交換器である。
【００２１】
本発明の第１１の発明は、前記円錐形のチューブシート伸張部の直径は、前記チューブ束の直径と同じであることを特徴とする第１０の発明に記載の熱交換器である。
【００２２】
本発明の第１２の発明は、前記円錐形のチューブシート伸張部の直径は、前記チューブ束の直径より小さいことを特徴とする第１０の発明に記載の熱交換器である。
【００２３】
本発明の第１３の発明は、二つのコーンを含み、該コーンはそれぞれ、チューブシートを前記シェルに結合させ、該シェルは、第一のコーンが該シェルに接する点を超えて、第一のチューブシートの方向に伸びることを特徴とする第６の発明に記載の熱交換器である。
【００２４】
本発明の第１４の発明は、前記シェルは、第二のコーンが該シェルに接する点を超えて、第二のチューブシートの方向に伸びることを特徴とする第１３の発明に記載の熱交換器である。
【００２５】
本発明の第１５の発明は、各チューブは、前記第一のチューブシートを完全に通過し、また該第一のチューブシートから離れ、前記シェルからも離れて、軸方向に伸びる犠牲部分を含むことを特徴とする第１３の発明に記載の熱交換器である。
【００２６】
本発明の第１６の発明は、前記第一のチューブシートは、前記シェルの内部に向かって突き出した第一の円錐形のチューブシート伸張部を、更に含むことを特徴とする第１３の発明に記載の熱交換器である。
【００２７】
本発明の第１７の発明は、前記第二のチューブシートは、前記シェルの内部に向かって突き出した第二の円錐形のチューブシート伸張部を含むことを特徴とする第１３の発明に記載の熱交換器である。
【００２８】
本発明の第１８の発明は、前記シェルは、前記第一のコーンが該シェルに接する点を超えて、前記チューブシートに向かって伸び、前記チューブ束は、Ｕ字型を形成するチューブからなることを特徴とする第１の発明に記載の熱交換器である。
【００２９】
本発明の第１９の発明は、前記第一のコーンの側とは反対側の前記シェルの末端で、該シェルと結合する第二のコーンを含み、該シェルは、該第二のコーンが該シェルに接する点を超えて、前記チューブシートから離れる方向で更に伸びることを特徴とする第１８の発明に記載の熱交換器である。
【００３０】
本発明の第２０の発明は、前記第一のコーンは、入口ノズルを有し、前記第二のコーンは、出口ノズルを有することを特徴とする第１９の発明に記載の熱交換器である。
【００３１】
一実施形態においては、熱交換器は、その内部に包含された複数のチューブを有し、チューブは各々、所定の距離だけ、チューブシートの外側表面を越えて延びている。このようにチューブを延長することにより、チューブの入口部分の近くに配置されたチューブの長さを、内側表面の侵蝕が問題になるレベルに達する時点より前に、容易に交換することができる犠牲部分として用いることが可能となる。更に、犠牲部分においてチューブの侵蝕が生じても、それは運転上の見地からみて、懸念の根拠としてさほど重大なものではない。
【００３２】
本発明の他の実施形態においては、シェルをチューブシート組立部に接続するコーン部分を提供し、チューブシートの方向に移動するシェル側の流体が、低流速域を最少にしつつ、均一に、かつ周囲を取り巻くようにチューブ束の部分から出るようにする。
【００３３】
熱交換器は、熱交換器のコーンがシェルと出会う場所を超えて、シェル側の流体の出口近くに配置されたチューブシートの、シェル側の面の方向に更に伸びる、シェル伸張部を用いて構成されていてもよい。このシェル伸張部は、シェル側の流体の流れをチューブシートの方向に押しやって、デッドゾーンや、流体の流速が低い、または流れがない領域（これらは、シェル側の流体出口やシェル側の流体入口近くの領域に位置するチューブシートの、中心に面した表面またはその周囲に生じる）を更に最少化するのに用いられる。シェル伸張部はまた、シェル側の流体がチューブ束に対して直接流れる形態の代わりに、シェル側の流体の流れに対して３６０゜の流入路や流出路を提供するので、シェル側の侵蝕の問題を制限および／または排除する。
【００３４】
熱交換器のチューブシートは、円錐形の伸張部によって形成されていてもよい。好ましくは、この伸張部の中心は、チューブシートのシェル側の面の中心にある。この円錐形の部分は、それがなければ本発明の熱交換器内に存在するはずの滞留の小さな領域を、本発明の前述のコーン部分およびシェル伸張部によって生じる方向の流れの結果として、更に減少および／または排除するのに役立つ。
【００３５】
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ため、標準的なサイズの熱交換器のより小型のものを多数、平行、直列または平行および直列の両方で用いてもよい。
【００３６】
以下に更に詳細に説明するように、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。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の教示に従って構成される熱交換器１００を示す。図において、チューブ束の構成をより明確に示すため、シェル部分は切り開かれている。
図１は、ワンパス形式の実施形態のシェル−チューブ型熱交換器を示しているが、本発明は、他の多くの形式のシェル−チューブ型熱交換器（例えば、マルチパスおよびＵ型装置）に等しく適用可能である。本発明の熱交換器１００はシェル１５０を含み、またシェル内にチューブ束１６０を含む。
【００３８】
チューブ束１６０には、チューブ束１６０の各末端に配置される、一対のチューブシート１８０および１９０が含まれる。チューブ束１６０に包含されるチューブは、従来の手段（溶接、チューブをチューブシート１８０および１９０中に伸張することなど）により、チューブシート１８０および１９０に含まれる開口部に固定される。チューブ側入口１４０および対応するチューブ側出口１３０は、第一の流体をチューブ束１６０のチューブに導入する手段と、第一の流体を熱交換器１００から排出する手段を、それぞれ提供する。シェル側入口１１０およびシェル側出口１２０は、第二の流体が熱交換器１００のシェル側に入り、出る手段をそれぞれ提供する。従ってこれらは、チューブ束１６０を構成するチューブの外側を通る。
【００３９】
好ましくは、チューブ束１６０のチューブは、新規なコイル構造体により支持される（米国特許出願第１０／２０９，１２６号および第６０／３６６，９１４号を参照）。これによりバッフルの必要がなくなり、高い流速で流体を流すことが可能となる。または、チューブ束１６０のチューブは、「ロッドバッフル」、「捩れチューブ」、または「卵かご」型チューブ支持体などの通常の手段により支持されていてもよい。セグメントバッフルは一般に、高い流速で流体を流すことが可能とならず、またデッドゾーンを生じることから、好ましくない。
【００４０】
本発明の好ましい実施形態においては、シェル側の流体に対して軸方向の流れを用いる。また、二つの異なる流体間において、非向流（即ち並流）配置を用いてもよいが、向流配置を用いることが好ましい。
【００４１】
図１においては、チューブ束１６０のチューブは、チューブシート１８０の表面を超えて、チューブ側入口１４０の方向に、ある長さだけ伸びている。好ましくは、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、目的の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。伸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。目的の流速が高いほど、チューブ長さの伸長部を長くすべきである。チューブ長さの伸長部に関する唯一の実質的な制限は、チューブ長さは、導管１２５内に望ましくない速度プロファイルを生じるほどの長さにまで伸長しないという要件である。
【００４２】
チューブ長さの伸長部は、典型的にはチューブシート１８０の表面を超えて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更に伸ばす。異なる伸張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、伸張部の長さを増すべきである。
【００４３】
図１には示されていないが、チューブ束１６０のチューブはまた、チューブシート１９０を通って出口ノズル１３０の方向にも伸びていてよい。チューブを伸張し、チューブシート１８０およびチューブシート１９０の両方を越えて伸びる犠牲部分を提供することによって、流れ方向を逆転し、出口ノズル１３０を入口ノズルとして用いる場合でも、犠牲部分が有効となる。
【００４４】
伸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、新規部分を伸張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。
【００４５】
図１に示される構成によって、デッドゾーンや低流の速域は排除され、本発明の熱交換器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（チューブシート１８０および１９０の外側周縁部からシェル１５０の方向に伸び、ノズル１２０および１１０をそれぞれ包含している）に出会う点を過ぎて、シェル１５０が横方向に伸びるように含まれる。図１に示すように、シェル伸張部１１５を用いてシェル１５０を伸長することにより、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（１７０）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）チューブシート１８０および１９０の方向に向けられる。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、シェル伸張部１１５により防止されるという事実によって、シェル側の侵蝕の問題が最小にされる。
【００４６】
シェル１５０のいずれかまたは両方の末端にコーン１３５が含まれることもまた示される。コーン１３５は、好ましくはシェル１５０の外部表面からチューブシート１８０および／またはチューブシート１９０まで伸びる。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。コーン１３５は、シェル伸張部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、むしろ流体流をチューブシート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。
【００４７】
図１はまた、円錐形のチューブシート伸張部を有する形態を示す。チューブシート１８０および１９０には、熱交換器の空洞内部に向かい、入口ノズル１４０および出口ノズル１３０からそれぞれ離れる方向に突き出した円錐形の伸張部が含まれる。好ましくは、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１８０および１９０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構成する。例えば、この実施形態によれば、円錐形の突出部が１０〜１６ｃｍ（４〜６インチ）の基部直径を有するように構成され、一方チューブシート１８０または１９０の直径をおよそ３０〜６０ｃｍ（１２〜２４インチ）とすることができる。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の円形表面上に中心がある。
【００４８】
上記の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本発明の熱交換器内に存在する特定の低流速域は、本発明のシェル伸張部１１５およびコーン１３５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本発明の熱交換器１００に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。
【００４９】
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（これらもやはり本発明の範囲内にあるが）とは異なっていてもよい。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するのには、既知の流体モデル方法論が用いられる。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。
【００５０】
図１に示されるように、好ましい実施形態には、チューブ支持体１７０が含まれる。チューブ支持帯１７０は、好ましくは金属コイル構造体である（米国特許出願第１０／２０９，１２６号および第６０／３６６，９１４号を参照）。これら新規の金属コイル構造体をチューブ支持体１７０として用いることにより、従来のバッフルを排除し、より高い流速を用いることができる。
【００５１】
図２に、他の形式の熱交換器の形態を示す。図２に示す熱交換器２００は、Ｕ型チューブを有するツーチューブパス形態である。加えて、図１の熱交換器１００の形態（チューブシート１８０、円錐形の部分１３５およびシェル１５０が、例えば溶接により一体となっている）とは対照的に、熱交換器２００の形態は、ボルト２３０を用いることにより、導管２２５、チューブシート２８０およびチューブ束２６０が、熱交換器のシェル躯体から容易に取り外せるようになっている。
【００５２】
好ましい実施形態においては、チューブ束２６０には、導管２２５に隣接するチューブ束２６０の末端に配置されるチューブシート２８０が含まれる。チューブ側入口２４０および対応するチューブ側出口２１０は、第一の流体をチューブ束２６０のチューブ中に導入し、また第一の流体を交換器２００から排出する手段をそれぞれ提供する。図２に見られるように、パス仕切り板２４５は、チューブ束２６０のチューブを通過することなく、流体が入口２４０を通って熱交換器２００に入り、出口２１０を通って熱交換器２００を出ることを防止する。シェル側入口２１０およびシェル側出口２２０は、第二の流体が熱交換器２００のシェル側に入り、そこを出る（従って、チューブ束２６０を構成するチューブの外側を通過する）手段をそれぞれ提供する。
【００５３】
図１の形態でもそうであるが、チューブ束２６０のチューブは、バッフルが排除され、また高流速の流体流が達成されるよう、上記の米国特許出願第１０／２０９，１２６号および第６０／３６６，９１４号に開示された新規なコイル構造体により支持されることが好ましい。または、チューブ束２６０のチューブは、ロッドバッフル、捩れチューブまたは卵かご形チューブ支持体などの通常の手段により支持されていてもよい。これも図１のものと同様に、この実施形態において、セグメントバッフルは、一般に高流速の流体流が可能でなく、またデッドゾーンを生じることから、好ましくない。
【００５４】
図２の実施形態は、「Ｕ字型チューブ」（従ってツーチューブパス）を含むことから、２つのパスのうち一つはシェル側の流れと並流である。好ましくは、図２の実施形態のシェル側の流体に対して軸方向の流れが用いられる。
【００５５】
図１の形態でもそうであるが、図２の実施形態におけるチューブ束２６０のチューブは、チューブシート２８０の表面を超えて、チューブ側入口２４０の方向に、ある長さだけ伸びている。本発明の図２の実施形態において、伸張部は、チューブシート２８０の表面を超えて少なくとも１５ｃｍ（６インチ）であり、恐らくは、目的の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。
【００５６】
図２の実施形態においては、チューブ長さの伸長部は、例えばチューブシート２８０の表面を超えて１５ｃｍ（６インチ）であるが、異なる伸張部長さを用いてもよい。即ち、チューブ素材の侵蝕の受けやすさが増大するにつれて、伸張部の長さを増すべきである。
【００５７】
図２はまた、デッドゾーンおよび低流速域を排除するのに資する、熱交換器２００全体を通じて一貫した高速の流体流を可能にする他の態様を示す。第一のシェル伸張部２１５（図２の左側にある）は、シェル２５０を、シェル２５０がコーン２３５（チューブシート２８０の外側周縁部からシェル２５０の方向に伸びる）に出会う点を過ぎて、横方向に伸ばしている。コーン２３５にはまた、チューブシート２８０に沿ったフランジまたはリング部が含まれる。第二のシェル伸張部２１５（図２の右側にある）は、シェル２５０を、シェル２５０がコーン２３５に出会う点を過ぎて、シェルカバー２９５の方向に横方向に伸ばしている。シェルカバー２９５は、図２に示されるようにシェル２５０に溶接されていてもよく、ボルトまたは他の既知の固定技術を用いてシェル２５０に取付けられていてもよい。図２に示されるように、シェル２５０をシェル伸張部２１５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（２１０）に直接的に隣接する領域に入ったり、出口ノズル（２２０）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およびシェルカバー２９５の方向に向けられる。図１の実施形態でもそうであるが、この配置はまた、シェル側の侵蝕の問題を最少化するのに用いられる。
【００５８】
コーン２３５は、シェル２５０のいずれかまたは両方の末端に含まれていてよい。コーン２３５は、好ましくはシェル２５０の外側表面からチューブシート２８０および／またはシェルカバー２９５まで伸びる。コーン２３５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２３５として用いるために選択される。コーン２３５は、現在適用されているように、流体を入口ノズル２１０または出口ノズル２２０の方向に流すより、むしろ流体流をチューブシート２８０およびシェルカバー２９５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２８０およびシェルカバー２９５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。
【００５９】
図２はまた、円錐形のチューブシート伸張部を示す。チューブシート２８０には、熱交換器の空洞内部に向かい、導管２２５から離れる方向に突き出した円錐形の伸張部が含まれる。好ましくは、チューブシート２８０の直径全体が、チューブシート２８０の表面から伸びる円錐形の突出部の基部を構成する。他の実施形態においては、チューブシート２８０の直径の一部のみが、円錐形の突出部の基部を構成する。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され、一方チューブシート２８０の直径をおよそ３０〜６０ｃｍ（１２〜２４インチ）とすることができる。この実施形態において、円錐形の突出部の中心点は、チューブシート２８０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２８０の円形表面上に中心がある。しかし、この二つの実施形態に対する円錐形の突出部のサイズおよび詳細な形状は、運転上の要件により異なる。
【００６０】
図２は、チューブ支持体２７０を含む好ましい形態を示す。チューブ支持体２７０は、好ましくは上記に引用される文献（米国特許出願第１０／２０９，１２６号および第６０／３６６，９１４号）においてより十分に開示される金属コイル構造体である。これらの新規な金属コイル構造をチューブ支持体２７０として用いることにより、従来のバッフルを排除し、より高い流速を用いることができる。
【００６１】
熱交換器を用いることに関連して、任意の形態のストレーナーが、熱交換器に達する前の、プロセスラインの任意の点で用いられることが好ましい。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】取り外し出来ないチューブ束を有するシングルチューブパス型熱交換器の横立面（破断）図である。これは、本発明の第一の実施形態を表す。
【図２】取り外し可能なチューブ束を有するツーチューブパス型熱交換器の横立面（破断）図である。これは、本発明の第二の実施形態を表す。
【符号の説明】
１００、２００ 熱交換器
１１０、２１０ シェル側入口
１１５、２１５ シェル伸張部
１２０、２２０ シェル側出口
１２５、２２５ 導管
１３０、２１０ チューブ側出口
１３５、２３５ コーン
１４０、２４０ チューブ側入口
１５０、２５０ シェル
１６０、２６０ チューブ束
１７０、２７０ チューブ支持体
１８０、１９０、２８０ チューブシート
２３０ ボルト
２４５ パス仕切り板
２９５ シェルカバー

Claims (13)

1. イ）チューブ側の流体を移動させるための複数のチューブを有するチューブ束と；
   ロ）前記チューブ束を実質的に囲包するシェルであって、シェル側の流体は前記シェルと前記複数のチューブとの間の空間に移動させることができるシェルと；
   ハ）その中に形成されている複数の開口部を有する少なくとも一つのチューブシートであって、各チューブシートは第一の側及び第二の側を有し、前記第一の側は前記シェルに向かって面し、一方、前記第二の側は前記シェルから離れて面し、かつ、前記少なくとも一つのチューブシートの少なくとも一つは、第一の側から前記シェルの内部に向って伸びる円錐形のチューブシート伸張部を有するチューブシートと；
   ニ）前記シェルを前記少なくとも一つのチューブシートに結合させる少なくとも一つの円錐形アセンブリーであって、前記円錐形アセンブリーは該シェルの外側表面から前記少なくとも一つのチューブシートの外側周辺まで伸び、各円錐形アセンブリーは前記シェルに隣接した第一の直径及び前記チューブシートに隣接した第二の直径を有し、かつ第一の直径は第二の直径よりも小さい円錐形アセンブリーと；
   を含むことを特徴とする熱交換器。
2. 前記チューブ束は、前記少なくとも一つのチューブシートの一つの第二の側から離れて軸方向に伸びる犠牲部分を有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記少なくとも一つのチューブシートは、第一のチューブシートと第二のチューブシートを含み、前記少なくとも一つの円錐形アセンブリーは、第一の円錐形アセンブリーと第二の円錐形アセンブリーを含み、前記第一の円錐形アセンブリーは、前記シェルの外側表面から第一のチューブシートの外側周辺まで伸び、かつ、前記第二の円錐形アセンブリーは、前記シェルの外側表面から第二のチューブシートの外側周辺まで伸びることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記第一の円錐形アセンブリー及び前記第二の円錐形アセンブリーの一つは、前記熱交換器中へのシェル側の流体の導入を可能にするための、一つのシェル側の流体用入口を有し、かつ、前記シェル側の流体用入口は、前記チューブ内の流体の流れと直交する流体の流れをもたらすように配列されることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記第一の円錐形アセンブリー及び前記第二の円錐形アセンブリーの一つは、シェル側の流体が前記熱交換器を出ることを可能にするための、一つのシェル側の流体用出口を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の熱交換器。
6. 前記第一の円錐形アセンブリー及び前記第二の円錐形アセンブリーの一つは、前記熱交換器中へのチューブ側の流体の導入を可能にするための、一つのシェル側の流体用入口を有し、かつ、前記チューブ側の流体用入口は、前記チューブ内の流体の流れと同じ軸方向の流体の流れをもたらすように配列されることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
7. 前記第一の円錐形アセンブリー及び前記第二の円錐形アセンブリーの一つは、チューブ側の流体が前記熱交換器を出ることを可能にするための、一つのチューブ側の流体用出口を有することを特徴とする請求項３又は６に記載の熱交換器。
8. 前記シェルは、シェルが前記少なくとも一つの円錐形アセンブリーに結合している点を超えて、前記少なくとも一つのチューブシートの方向に伸びることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の熱交換器。
9. 前記熱交換器は、シングルチューブパス熱交換器であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の熱交換器。
10. 前記円錐形のチューブシート伸張部の直径は、前記チューブ束の直径と同じであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の熱交換器。
11. 前記チューブ束の複数のチューブは、Ｕ字型を形成し、かつ、前記少なくとも一つのチューブシートは各チューブの両端を収容するための開口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。
12. チューブ側の流体のためのチューブ側の流体用用入口と、チューブ側の流体のためのチューブ側の流体用出口とを分離する、前記Ｕ字型チューブのそれぞれの先端部の間の区画を、さらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の熱交換器。
13. 前記チューブ束は、前記チューブ側の流体用用入口に隣接する区画の側で、前記少なくとも一つのチューブシートの一つの第二の側から離れて軸方向に伸びる犠牲部分を有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。

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