JP7629447B2 - 熱交換器の防汚装置およびその使用 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器における汚染を低減または回避するための防汚装置およびその使用に関する。本発明はまた、この装置を組み込んだ熱交換器、および工業プロセス、特にカーボンブラックの製造におけるそれらの使用に関する。

熱交換器は、プロセスの全体的な効率を高めるために、高温プロセスまたは燃焼ガスからのエネルギーを復熱しかつ熱交換流体に移す種々の工業プロセスにおいて、広範囲の用途を見いだしている。回復されたエネルギーは例えば、１つ以上の反応物質を加熱するために使用されてもよく、この場合、熱交換流体として直接使用されてもよく、またはプロセスにおいて必要とされる操作もしくは反応温度の維持に寄与してもよく、または発電もしくは地域暖房のためなど、プロセス自体に直接関連しないものを含む他の目的のために使用されてもよい。これらのプロセスのいくつかでは、熱交換器が１，０００℃以上などの実質的に高い温度にさらされる場合もあり、材料選択に厳しい要件を課す。このような高温プロセスの例としては、カーボンブラックまたはヒュームドシリカの製造が挙げられる。

カーボンブラックは一般に、制御された条件下で炭化水素系原料の熱分解によって製造される。カーボンブラックを製造するための様々な異なる方法および反応器が一般に知られている（例えば、Ｊｅａｎ－Ｂａｐｔｉｓｔｅ Ｄｏｎｎｅｔ、Ｒｏｏｐ Ｃｈａｎｄ Ｂａｎｓａｌ、Ｍｅｎｇ－Ｊｉａｏ Ｗａｎｇ、カーボンブラック、第２版、ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ、１９９３参照）。最も一般的なタイプの製造方法によれば、炭化水素系供給原料は燃料、一般的には炭化水素系燃料を酸化剤、好ましくは空気と反応させることによって前もって上流で生成された高温燃焼ガス流中に、炉内の１つ以上の位置で注入される。燃焼ガス中の高温のために、注入された炭化水素系供給原料は熱分解し、供給原料と高温燃焼ガスとの混合物が反応器の反応領域を通過することにつれてカーボンブラックの形成が進行する。所望の特性を有するカーボンブラックが形成された後、熱分解は、典型的には水の注入によってプロセス混合物を急冷することによって停止される。得られたカーボンブラックを含有するガスは一般に、カーボンブラックを含有するガスをさらに冷却し、同時に空気を予熱するために空気予熱器とも呼ばれる熱交換器に通され、この熱交換器は、次いで、燃料と反応して高温の燃焼ガスを形成するために反応器の燃焼室に供給される。冷却されたカーボンブラック含有ガスは、その後、バッグフィルターのようなフィルターユニットに通され、そこでカーボンブラック生成物が分離され、ガス流から収集される。

カーボンブラックの製造に使用される従来の熱交換器は、典型的には円筒形シェル、底板および天板によって囲まれた円筒形の垂直に配置されたチャンバを通って延びる複数の平行な管を備える。空気が予熱されるための入口および出口がチャンバに設けられ、典型的にはシェルの底部および頂部部分に設けられる。高温のカーボンブラックを含んだガスが管に通されると、管壁を横切ってチャンバ内部の管の外表面を流れる空気の流れに熱が伝達される。これにより、空気の温度は、出口で約９５０℃以上の高さの温度まで上昇させることができる。他のものに加えて、大部分の熱交換器は向流モードで運転され、典型的には、高温カーボンブラックを含有するガスが下端から上部へ管を通過する。熱交換器はしばしば、チャンバ内の空気を制御するためのバッフルプレートなどの追加の手段を備える。

カーボンブラックの製造のための反応器から得られるような高温プロセスガスまたは燃焼ガスからエネルギーを回収するために使用される従来の熱交換器で遭遇する共通の問題は、それらが典型的な操作条件下で汚れやすいことである。したがって、プロセスガスまたは燃焼ガスは、典型的には凝縮相物質またはその前駆体を含有する。汚染は、凝縮相材料、例えばカーボンブラックのような粒子状物質が、凝縮相材料を含む高温燃焼ガスまたはプロセスガスと接触する、特に熱交換管の内面のような熱交換面上に堆積することによって生じる。汚染は、既に形成された堆積物が核として働き、熱交換表面上への追加の凝縮相材料の堆積を容易にすることができるので、一般に自己触媒的なプロセスである。

汚染は、いくつかの負の効果を有し得る。これにより、例えば熱交換器の熱交換面の熱伝達率を低下させて熱伝達の効率に悪影響を及ぼす。したがって、空気のような熱交換流体の達成可能な出口温度はより低くなる場合もあり、これは、連結された製造プロセスの効率を低下させ、例えば、カーボンブラックの製造におけるより低い収率または生産速度につながる可能性がある。熱交換流体の所望の出口温度を達成するために、プロセスまたは燃焼ガスのより高い入口温度を使用することによって、ある程度、このような効率の低い熱伝達を補償することができるが、しかしながら、これは熱交換器に課される熱ストレスを増加させる。汚染は、熱交換流体の出口温度における漸進的なプロセス変動であるので、例えばカーボンブラック製品の物理的性質のような熱交換流体を利用する共同製造プロセスから得られる製品の特性の望ましくない長期変動ももたらし得る。熱交換表面上の堆積物は更に、熱交換器内のガス流特性に影響を及ぼす可能性があり、例えば、熱交換管の両端間の圧力降下を増加させる可能性があり、これは同様にプロセス効率に悪影響を与え、熱交換器材料に付加的なストレスを発生させる可能性がある。最終的には、汚染が熱交換管の完全な詰まりを招き、および／または熱交換管の割れまたは破裂などによって熱交換器に不可逆的な損傷を引き起こす恐れがある。さらに、硬化した堆積物が熱交換器表面から分離し、プロセスガスまたは燃焼ガスの流れに再び入り、そこから得られる生成物の汚染につながる危険があるように、堆積物は、経時的に硬化し脆化する傾向がある。

これらの問題と欠点を回避し、適正な機能性を再確立するために、熱交換器は、従来、熱交換表面から堆積物を除去する定期的なメンテナンスのために時々遮断されてきた。しかしながら、例えば、長いワイヤブラシの手段またはサンドブラストによるような機械的な熱交換管の洗浄は、労力および時間がかかり、熱交換器材料にストレスを加える。さらに、このようなアプローチは、運転停止および洗浄作業に必要な時間が製造時間のロスを意味するため、費用がかかる。

したがって、熱交換器表面の汚染を防止するために、様々な技術的解決法が当技術分野で開発されてきた。

一つの選択肢は、熱交換管の内面から堆積物を熱的に除去するために、爆発下限界より低い酸素レベルを有する雰囲気中での熱交換管の反復加熱を予見する。しかしながら、このような熱洗浄は、局所的な過熱の危険を含む熱交換器に大きな熱ストレスを与え、熱交換器の存続期間を低下させる劣化をもたらす可能性がある。

また、防汚剤として種々の化学添加剤の使用が検討されている。例えば、汚染の原因となり得る高温プロセス媒体または燃焼媒体に、および／またはそのような媒体を形成するために使用される前駆体材料に、特定のポリマー材料を追加することが、熱交換器表面上の汚染を回避するために提案されている。例えば、米国特許出願公開第２０１４／０３３８２５４号は、１００～５５０℃の温度範囲における液体炭化水素媒体の熱処理における防汚剤として、一定のヒドロキシ官能性ポリエステルの使用を提案している。このような防汚剤は、汚染の進歩を遅らせるかまたは回避するのに役立つ場合があるが、典型的には熱交換表面上に既に形成された堆積物を除去することはできない。あるいは、糖含有洗浄組成物の利用が予見され、汚れた熱交換管からの堆積物の除去が達成可能であり、それは表面の研磨洗浄に起因する。しかしながら、化学添加剤の使用は一般に、プロセス媒体中への異物の付加を意味し、これは、プロセス媒体から得られる生成物の特性を汚染するか、さもなければ悪影響を及ぼす可能性がある。

したがって、他のアプローチは、熱交換器の特定の構造設計によって汚染を最小限にすることを追求する。ここで、プロセス媒体とそれと接触する熱交換器表面との間の大きな温度勾配は典型的には汚染を促進することが見出され、従って、その温度勾配を小さく保つために構造設計が考案された。

例えば、米国特許第６，５８５，９４９号Ｂ１は、カーボンブラックを含有する燃焼ガスと、それに接触する熱交換面との間の温度差を５００°Ｆ以下、最も好ましくは１００°Ｆ以下に維持して、熱交換面の汚染を抑制することを提案している。温度差は、ここでは好ましくは空気である熱交換流体の流れの速度を制御することによって制御される。この目的のために、それは、外側および内側シェルを有する熱交換器構造を示唆する。ここで、空気流は、熱交換表面の任意の部分の局所的冷却が最小化されるように、数および直径を変化させた穴を設けることによって、異なるバッフル通路に分割され、分配される。

欧州特許第０７７７０９８号Ａ２は、二重底部管板と、比較的冷たい冷媒が直接的に衝突する領域において１つ以上のプロセスガス管を遮蔽するための手段とを含む、代替の特殊な熱交換器デザインを提案している。上記遮蔽手段は、冷却媒体入口ポートに隣接するガス管チャンバ、および／または二重底部管板内のプロセスガス管の下部に円周方向に隣接して配置されたフェルールを備えることができ、フェルール充填剤と共に、高温プロセスガスとプロセスガス管の下端部分との間に熱障壁を提供する。このデザインは、突然の局所的な温度変化を回避し、より均一な内部温度勾配を達成し、それによってプロセスガス管内の汚染傾向を低減する。

さらに、欧州特許第２８２０３６６号Ｂ１は、カーボンブラックを含む高温プロセス媒体が、管状熱交換部品に入る前に、円筒状シェルによって囲まれた垂直に配置されたチャンバを通過し、そのシェルの外側を流れる予熱されるべきガスへの熱伝達が可能となるように適合され、次いで、予熱されたガスが管状熱交換器の入口への導管によって供給される、２段階設計を有するカーボンブラックの製造に適合された熱交換器に関する。この予熱は、管状熱交換部内の管の表面と、管内を流れるカーボンブラックを含有する高温プロセス媒体との間の温度差を低減するように維持され、それによって管の汚染を低減するか、またはなくすことさえできる。

熱交換器のこのような特定の構造は、汚染を低減する点である程度の改善をもたらしたが、熱交換器システムの増大する複雑さおよび感度を犠牲にしている。さらに、既存の熱交換器は、それに応じて適応させるために熱交換器の主要な構造変更が必要となるため、そのような概念について改装することはできない。

主熱交換器の設計に対する構造的変更の他に、異なる物理的原理に依存する熱交換器における汚染を軽減するために特別に設計された補助装置も提案されている。

したがって、例えば、熱交換器の運転中に、過熱蒸気のような洗浄媒体のガスパルスを、短い高速度、例えば超音速で定期的に管に流して、汚れた熱交換器を洗浄する装置が提案されている。そのような装置の一例が、米国特許第４，３６６，００３号に開示されており、熱交換器の管のガス入口開口部の中央上の空間に配置されラバルノズルのような一連のジェットノズルであって、プロセスガスに対して過剰な圧力を有する洗浄ガスの周期的供給のための遮断要素を備えたダクトに接続されたジェットノズルを備えている。周期的なガスパルスは、キャビテーション効果により熱交換管の内面の堆積物に崩壊効果を及ぼし、熱交換管に沿った圧力降下を低く保ち、カーボンブラック製品の品質に悪影響を及ぼすことなく高い熱交換効率を維持することを可能にする、と記載されている。

同様に、中国特許出願公開第１０１９４９５４５号Ａには、シェル－管型の熱交換器用の自動汚染除去装置が記載されている。この装置は、熱交換管の端部の平面に近接して平行に取り付けられた複数の空気注入ポートを有する空気注入管と、バルブを有する圧縮空気源への接続部と、空気注入ポートを有する空気注入管を熱交換管ポート群と向き合うように毎回異なる位置に調整するモーターを含む伝達機構と、熱交換管上の注入管の相対位置と熱交換管への高圧パルスの注入を制御してその内面から堆積物を除去するコントローラとを含む。

さらに、米国特許第４，８４６，８９４号は、熱交換器の管を通過するカーボンブラック粒子を運ぶ輸送ガスの流れを断続的に１秒程度の短時間中断して、管の内面に堆積した固体堆積物をガス流の再開時に除去し掃き流すことを提案している。また、そのような方法を実施するための装置についても記載されており、シャッタまたは流れの中断アセンブリを備え、シャッタ板は管の排出端部を遮断するための位置にスライドすることができるように、管の排出端部に隣接して位置決めされている。

米国特許第４，８２５，９４０号は、垂直に配置された熱交換管の内面を定期的に洗浄するための自動洗浄装置を開示しており、該管およびノズル内に永久的に配置されたスプリングのような弾性部材を備え、管の開口の前にある程度の距離に配置された圧縮ガスの注入のためのものである。これらのノズルからの圧縮ガスのパルス注入は、弾性部材を管の内側で振動させ、それによって管の内側表面と接触し、堆積物を機械的に掻き落とし、これらの表面の洗浄に至るように使用される。

上述のタイプの補助装置は少なくとも部分的に、汚染の満足な低減を可能にするが、それらはシステム全体の機械的な複雑さおよび感度を増大させ、特に高温プロセス媒体にさらされたときに、要求の厳しい動作条件に耐える特定の材料の使用を必要とし、追加の制御および保守を必要とする。さらに、このような装置はコストが高く、既存の熱交換器を簡単に改装することはできない。

したがって、従来技術の技術的解決策の上述の制限および欠陥を受けない、熱交換器の汚染を効果的に軽減するか、または防止する新規な手段が絶えず必要とされている。

したがって、本発明は、熱交換器に実質的なストレスを作用させることなく、長期間にわたって信頼性のある方法で熱交換器内の汚染を効果的に低減または更に回避することを可能にする簡単な構造の安価な装置を提供することを目的とする。装置は、保守または追加の制御を必要とせず、既存の熱交換器を改装する選択肢を含めて容易に設置可能でなければならない。さらに、それは、特にカーボンブラックのようなプロセスガスから回収可能な生成物の特性に汚染または悪影響を及ぼす危険性なしに、カーボンブラックの製造のための反応器からの流出物として得られる高温プロセスガスのような高温用途に適合しなければならない。

本発明者らは鋭意検討することにより、この目的は、請求項１に記載の防汚装置を用いることにより達成できることを見出した。

したがって、本発明は、熱交換管内の汚染を低減するための装置に関し、この装置は、管の一部の流れ断面積を減少させるために熱交換管内に挿入されるように構成された細長い排除体（displacement body）を備える。装置は、熱交換管の端部に装置を取り付けるために、細長い排除体に接続されたマウントをさらに備える。マウントは、管内に挿入されると、排除体を管の内面と離間した関係で保持するように構成される。

驚くべきことに、このような装置はメンテナンス、外部制御、添加された化学薬品を必要とせずに、または熱交換器に実質的なストレスを及ぼすことなく、長期間にわたって信頼性のある方法で熱交換器の汚染を効果的に低減するか、または回避することさえ可能にすることが見出された。ここで、装置は、高温用途に完全に適合し、プロセスガスから回収可能な生成物を汚染することなく、またはその特性に悪影響を及ぼすことなく、カーボンブラック、ヒュームドシリカ、または他の粒子状物質の製造において遭遇するような高温燃焼ガスまたはプロセスガスに曝すことができる。

本発明による装置は、比較的安価に提供することができ、容易に取り付けることができ、現存する熱交換器にも後付けすることができるため、熱交換器における汚染に関連する問題に対処するための魅力的な万能手段といえる。

いかなる理論にも束縛されることを意図するものではないが、本発明による装置は、例えば、熱交換管の端部の近傍、または管の内面と管を通って流れるプロセスガスとの間の熱勾配が比較的大きい領域など、他の方法では汚染が好ましく発生すると予想される管の部分において、汚染が効率的に防止され得るように、熱交換管内の熱およびガス流特性を局所的に制御することを可能にすると考える。このように、排除体は、それが設置される熱交換管内のガス流動特性に影響を及ぼす可能性があり、特に、排除体が管の流れ断面積を減少させ、ガス流速を増加させる。ガス流速の増加は、熱交換管の内面への凝縮相物質の堆積を妨げ、現在の堆積材料の浸食を促進すると考えられる。さらに、排除体は、動作中、熱交換管を通って流れるプロセスガスによって加熱され、熱放射のエミッタおよび／またはリフレクタとして作用し、管の内面の対向部分の温度を増加させ、それによって、管の内面のそのような部分と管を通って流れるプロセスガスとの間の温度勾配を減少させることができる。管の内面とプロセスガスとの間の温度勾配の減少は例えば、核形成プロセス、凝縮プロセスおよび／または熱泳動プロセスを妨げることによって、プロセスガスからの凝縮相材料の内管壁への堆積のための駆動力を減少させると考えられる。更に、挿入された排除体は、熱伝達速度、すなわち、熱交換管を横切ってプロセス媒体から熱交換流体に熱が伝達される速度を増加させることもでき、すなわち、熱交換の効率を増加させることもできる。

したがって、本発明は、本発明による防汚装置を含む熱交換器、ならびに管状熱交換器を改装するための本発明による防汚装置の使用にも関する。したがって、本発明は、プロセス媒体の入口としての第１の端部と、プロセス媒体の出口としての第２の端部とを有する少なくとも１つの管を備える熱交換器に関する。熱交換器は、少なくとも１つの管が貫通して延在するシェルをさらに備える。シェルは、シェル内に設けられた入口からシェル内に設けられた出口への熱交換流体の流れのためのプレナムを形成し、少なくとも１つの管を横切るプロセス媒体と熱交換流体との間の熱交換を可能にする。本発明による防汚装置は、マウントを介して、１つ以上の管の少なくとも１つの端部の１つ以上に取り付けられ、排除体は、管の内面に対して離間した関係で管内に挿入されて、管の一部の流れ断面積を減少させる。

また、本発明は、凝縮相物質を運ぶ高温プロセスガスを通過させて管の外側の熱交換流体と熱を交換する熱交換管の内面上の汚染を低減する方法に関する。この方法は、マウントを介して管の出口端部のような管の端部に取り付けられた本発明による防汚装置を熱交換管に設けることを含み、排除体は、管の内面に対して離間した関係で管内に挿入されて、管の一部の流れ断面積を減少させる。

本発明による防汚装置を有する熱交換器は、熱交換器が一般に使用される任意の種類の用途に有用である。しかし、それらは、例えば、熱交換管がカーボンブラック、ヒュームドシリカまたは他の粒子状物質のような粒子状物質の製造のための反応器からの流出物として得られる粒子含有プロセスガスに曝される場合に、汚染に関連する従来の深刻な問題に遭遇し得る用途において特に有用である。本発明による熱交換器は特に、カーボンブラックの製造において有益であることが証明されている。したがって、本発明はまた、カーボンブラックの製造における、本明細書に記載の防汚装置を含む熱交換器の使用に関する。本発明はさらに、カーボンブラックの製造方法に関する。この方法は、燃料を酸化剤と反応させて高温燃焼ガスを形成し、高温燃焼ガス中に炭化水素供給原料を注入して反応器中で供給原料の熱分解によってカーボンブラックを形成し、得られたカーボンブラック含有プロセス媒体を反応器中で急冷し、急冷されたカーボンブラック含有プロセス媒体を本発明による熱交換器の管の１つまたは複数に通し、それによってプロセス媒体から熱交換媒体に熱を伝達し、熱交換器を通過した冷却されたプロセス媒体からカーボンブラックを分離および回収することを含む。例えばこの方法を実施するための、本発明による燃焼反応器および熱交換器を含むカーボンブラック製造プラントもまた、本発明の範囲内である。

本発明のこれらおよびさらなる特徴および利点は、以下により詳細に記載される。本明細書では例示的な実施形態および添付の図面を参照するが、これらは本発明の理解を高めるために例示的な目的のために含まれており、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではなく、添付の特許請求の範囲およびその均等物の全範囲が与えられるべきである。

図１は、本発明による防汚装置の例示的な実施形態の斜視図を表す。熱交換管への防汚装置の取り付けは破線で図示されている。 図２は、図１に示す防汚装置を熱交換管にマウントを介して取り付けた断面図である。図２（ａ）は、図２の線ＩＩａ－ＩＩａで示される面において取付けられた防汚装置の断面図を示す。拡大詳細図は、装置のスペーサの接触面が熱交換管の内面に接近／緩く接触するように位置決めすることを示している。 図３は、本明細書に開示されるような本発明の防汚装置を含む、本発明による熱交換器を概略的に示す。 図４は、図３に示すような本発明による熱交換器を含むカーボンブラック製造プラントの概略ブロック図を示す。 図５Ａは、本発明による防汚装置が取り付けられていない熱交換器について、以下の本開示で提示する実施例による参考試験のために測定した熱伝達率ｋ×熱伝達面積比Ａ／Ａｏ対時間の代表的なプロットを示す。面積比は、試行開始時にｋＡ／Ａｏが１ｋＷ／ｍ²Ｋとなるように選択される。図５Ｂは、本発明による防汚装置を備えた熱交換器について、以下の本開示で提示する実施例による試験のために測定した熱伝達率ｋ×熱伝達面積比Ａ／Ａｏ対時間の代表的なプロットを示す。面積比は、試行開始時にｋＡ／Ａｏが１ｋＷ／ｍ²Ｋとなるように選択される。

上述のように、本発明は、本明細書において「防汚装置」とも呼ばれる、熱交換管内の汚染を低減するための装置に関する。本発明による防汚装置は、管の一部の流れ断面積を減少させるために熱交換管に挿入されるように構成された細長い排除体を備える。本明細書で使用される「流れ断面積」という用語は、管を通るガスなどの流体の流れに利用可能な管の断面の領域を指す。分かりやすくするために、管の断面とは、管の主軸に垂直な面内の断面をいう。管の主軸は、図２に示されるように、包囲する管壁によって形成されるその中空チャネルの方向に沿った中心軸を意味し、そこでは軸「Ａ」として指定される。本明細書で使用される「排除体」という用語は、気体などの流体の流路に導入されたときにその位置を維持し、流体の流れをその形状に一致させる物理的な物体を指す。すなわち、排除体が占める流路内の体積は流体の流れに対して遮断され、流体は排除体の輪郭に沿って流れるように強制される。

本発明による防汚装置に使用される排除体は細長い。本明細書で使用される「細長い」という用語は長方形を指す。従って、排除体は、その寸法が空間内の他の方向よりも大きい優先方向を示す。優先方向に沿った軸は本明細書では排除体の長軸（図１および図２において軸「Ａ」として図示される）とも呼ばれ、長軸に沿った排除体の延び長さはその長さとも呼ばれる。排除体は概して、長軸に沿って２つの対向する端部を有し、本明細書では、排除体の第１および第２の端部とも呼ばれる。装置を熱交換管の端部に取り付けるために排除体に接続されているマウントにより近い細長い排除体の端部は、本明細書では排除体の第１の端部と称される。マウントについては、以下でより詳細に説明する。第１の端部に対向する第２の端部は、典型的には熱交換管に最も遠くに挿入される排除体の前端を表す。均質な熱伝達を達成するために、排除体の対称形状が好都合であり得る。特に、排除体は、その長軸に対して回転対称な形状を有することができる。排除体の断面は、長軸に沿って一定とすることができ、例えば、排除体は、円筒形状を有することができる。あるいは、排除体の断面は、例えば、円錐形もしくはテーパ形状を有する排除体の場合のような直線的な態様で、または、１つ以上の突起もしくは窪みを有する円筒形もしくは円錐形ベースのような不規則および／もしくは複雑な形状を含む非線形の態様で、長軸に沿って徐々に変化することが可能である。さらに、その本体の断面は、例えば、円形、楕円形、三角形、正方形、またはより高い多角形（例えば、五角形または六角形）または星形のような任意の形態を有してもよい。排除体の正確な形状は、特定の必要性に応じて選択することができる。例えば、円錐形状は、空気力学の点で利益をもたらすことができ、円筒形状は例えば、製造の容易さの点で利点をもたらすことができる。好ましくは、排除体は、円筒形状または円錐形状を有する。排除体の第１および第２の端部は、特定の場合における必要性および所望の流れ特性に応じて、任意のタイプの形状を有することができる。例えば、これに限定されるものではないが、第１の端部および第２の端部はそれぞれ、直線状、鈍角状、角状、テーパ状、角錐状、丸みを帯びた形状とすることができる。直線状端部、すなわち長軸に垂直な平面状端部は例えば、簡易性および製造の容易性の点で有益であり得る。テーパ状、角錐状または丸みを帯びた形状のような他の端部構成は、強化された空気力学的特性を提供することができる。丸みを帯びた形状は、凝縮相物質の堆積のための核形成部位として作用し得る鋭い端部および角部を回避するので、第２の端部にとって特に有益であり得る。

図１は、本発明による防汚装置（１）の例示的な実施形態を示す。防汚装置の熱交換管（７）への取付けは、装置の管への挿入時に管（７）の内面に沿ってスペーサ（１２）により装置を誘導する表示と、熱交換管（７）の端部（９）に係合する構造支持部材（１０）の留置要素（retaining element）（１１）によって最終的に設置される位置の表示とを含む破線で示されている。図示の実施形態では、防汚装置（１）は、排除体（２）の長軸（Ａ）に沿って一定の断面を有する円筒形状を有する細長い排除体（２）を備える。排除体（２）は、第１の端部（３）および第２の端部（４）を有し、これらの端部は、図示の実施形態では両方とも真っ直ぐな端部である。図２に示すように、熱交換管（７）の端部（９）への装置（１）の取り付けを可能にし、挿入された排除体（２）を管（７）の内面（８）に離間した関係で保持するために、第１の端部（３）に近い長尺状排除体にマウント（５）が接続されており、ここで、図２は、熱交換管に取り付けたときに図１に示す例示的な装置を示す。

防汚装置の排除体は一般に、固体材料で作られる。したがって、それは、典型的には動作条件下で熱交換管内でそれが曝されるプロセス媒体に対して実質的に不透過性である。排除体が製造される材料は一般に、耐腐食性および耐劣化性のような意図された用途に適した特性、ならびに、想定される動作温度レベル（カーボンブラック反応器からの流出プロセス媒体のような特定の場合には１，０００℃またはそれ以上の高温になる場合もある）での十分な強度を含む適切な熱的および機械的特性を提供すべきであり、特定の要件に従って選択される。例えば、金属材料、セラミック、サーメットのような無機複合材料、または他の耐火材料を使用して、排除体を形成することができる。金属、合金、およびそれらの組み合わせを含む金属材料は典型的には費用および／または加工性の点で利点を提供し、したがって、好ましくは使用される。排除体を形成するために使用され得る金属材料の非限定的な例としては、インコネル型、ハステロイ型、インコロイ型、モネル型などのニッケル基超合金、コバルト基超合金または鉄基超合金、または例えば１．４８２８、１．４８７６および合金８００ｈのようなステンレス鋼が挙げられる。カーボンブラックの製造に有用な熱交換器を含む多くの用途では、高い強度と化学的安定性を有し、容易に入手可能でコスト効率がよく、機械加工が可能な建設材料としてのステンレス鋼を、有利に使用することができる。

本発明による防汚装置の排除体は、中実体として、または中空体として作製することができる。コスト効率および材料節約のために、また、排除体が熱交換器および支持構造物に課す高い重量負担を避けるために、排除体は中空体であることが好ましい。中空体は閉じたシェルを有することができ、これは、排除体の外側の輪郭および形状を規定し、内部空隙スペースを囲む。中空体は、内部空隙スペースに対する圧力の均等化を可能にするために、１つまたは複数の貫通孔を有することができる。存在する場合、そのような１つ以上の貫通孔は、典型的には熱交換管内のプロセス媒体の流れに影響を及ぼさないように、マウントが配置される排除体の第１の端部に設けられる。存在する場合、１つ以上の任意の貫通孔は、典型的には１ｍｍ～１０ｍｍ、例えば２ｍｍ～５ｍｍの範囲の直径を有し、これは、通常、意図される圧力の均等化を可能にする。図１に示す防汚装置（１）の例示的な実施形態では、排除体（２）が排除体（２）の第１の端部（３）に形成された貫通孔（６）を有する中空体である。

本発明による防汚装置の細長い排除体は、熱交換管内に挿入されるように構成される。これは、その形状および寸法が、その長軸を管の主軸に沿って配向させた排除体を、装置と組み合わせて使用する熱交換器の管に挿入できるように選択されることを意味する。そのような排除体の断面は一般に、管の流れ断面、すなわち管の内径よりも小さくなるであろう。排除体は、好ましくは、管の流れ断面積が排除体によって、挿入された排除体のない管の流れ断面積に対して、１０％～９０％、例えば２０％～８０％、または２５％～７０％減少するような寸法にすることができる。管の流れ断面積が１０％未満に減少するように排除体の寸法を小さくすると、本発明による装置によって付与される防汚効果が弱くなるか、または目立たなくなることさえある。管の流れ断面積が９０％超減少するように排除体の寸法を大きくすると、管内に著しい圧力降下が生じ、プロセス媒体のスループットおよび熱伝達の効率に悪影響を及ぼす可能性がある。排除体の長さは、一般に、汚染を防止するために流れ断面が減少されるべき管の部分に対応するように選択される。排除体は、原理的には熱交換管全体にわたって延在してもよい。すなわち、排除体は、熱交換管の全長の最大１００％に相当する長さを有することもできる。しかしながら、典型的には排除体は、熱交換管の全長の１００％未満、例えば、最大９０％、例えば、最大７５％、最大５０％、最大４０％、最大３０％、最大２０％、または最大１０％に相当する長さを有する。排除体の長さは、熱交換管の全長の１％以上、２％以上、５％以上、１０％以上、または１５％以上であってもよい。排除体の長さは、熱交換管の全長の１～７０％、または５～５０％、または１０～４０％の範囲など、上記の値のいずれかの間の範囲内とすることができる。したがって、当技術分野で現在使用されている熱交換管の寸法を考慮すると、本発明による防汚装置の排除体は典型的には例えば、約３０ｃｍ、５０ｃｍ、１ｍ、２ｍ～約１０ｍ、７ｍ、もしくは５ｍの範囲の長さを有することができ、および／または最大２０ｃｍ、最大１５ｃｍ、最大１０ｃｍ、最大７ｃｍ、最大５ｃｍ、例えば１ｃｍ～２０ｃｍ、２ｃｍ～１５ｃｍ、もしくは３ｃｍ～１０ｃｍの範囲などの断面を有することができる。

前述し、図１および図２に示すように、本発明による防汚装置（１）は、装置（１）を熱交換管（７）の端部（９）に取り付けるために、細長い排除体（２）に接続されたマウント（５）をさらに備える。マウント（５）は図２に示すように、排除体（２）を管（７）に挿入する際に、管（７）の内面（８）と離間した関係で保持するように構成されている。本明細書で使用される「離間した関係で（in spaced relationship）」という語は、挿入された排除体が、取り付けられた状態で管の内面に対して間隔を置いて配置されることを意味する。言い換えると、排除体と管の内面とは互いに直接接触しておらず、それによって、管を通るプロセス媒体の流れを確実にするとともに、管と排除体との間の望ましくない接触熱伝達および関連する熱応力および／または機械的ストレスを回避する。マウントは、排除体の長軸を管の主軸と実質的に平行に配置するように構成されていることが好ましい。本明細書で使用される「実質的に平行」という語は、理想的な平行配置からの小さな偏差、例えば、最大１０°、最大５°、最大３°、または最大１°の偏差が存在し得ることを意味する。マウントは特に、図２に示すように、挿入された排除体を管の主軸に沿って中央に配置するように構成することができ、これにより、排除体の長軸と管の主軸とを互いに整列させることができる（ここで、管の主軸と排除体の長軸とは互いに対応し、両者は図示の軸「Ａ」によって図示される）。排除体は、取り付けられた状態において、排除体の外面と管の内面との間に、環状ギャップのような円周方向ギャップを作ることができる（図２ａも参照）。管の主軸に垂直な断面において、排除体の外面と管の内面との間に等しい半径距離を有する対称的な相対配置は、管の領域におけるプロセス媒体の均一な流れ分布の観点から望ましく、ここで、流れ断面積は排除体によって減少し、円筒体の場合、効率的かつ均質な関連する熱伝達を促進する。非円筒形物体の場合、隙間は物体の周りの均一な流れを確保するために形成されるべきである。これは、例えば、その本体の軸が熱交換管の軸と重畳可能である場合に達成することができる。

マウント（５）は、典型的には排除体（２）の重量を保持し、上記のような任意の構成のように、管（７）の内面（８）と離間した関係に保つための１つ以上の構造支持部材（１０）を備える。マウントは、熱交換管が取り付けられている端部を封止してはならないため、流体を通すことができる開放支持構造を使用する。例えば、１つまたは複数の構造支持部材（１０）は、グリッド、バー、リング、ロッド、ビーム、フィン、またはそれらのアセンブリまたは組合せを備えることができる。１つ以上の構造支持部材（１０）またはそれから形成されるアセンブリは典型的には、装置（１）の負荷が熱交換管（７）によって支持され得るように、装置（１）が設置されるときに、それらが熱交換管（７）上に延在するように寸法決めされる。マウント（５）は排除体（２）に接続されている。この接続は図１および図２に示すように、１つまたは複数の支持部材（１０）が、典型的には細長い排除体の第１の端部（３）またはその近くで、排除体（２）に直接接続されることによって達成することができる。接続は、限定、溶接、ハンダ付、接着接合、プラグ接続、ファスナー（ボルト、ねじ、リベットなど）、または単一ピースからの機械加工に留まらず、当業者に利用可能な様々な方法で行うことができる。排除体を１つまたは複数の支持部材に直接接続する代わりに、マウントは、排除体を１つまたは複数の支持部材に結合するための１つまたは複数の拡張部材を任意選択で備えることができる。任意の拡張部材（図示せず）は、構造支持部材と排除体の第１の端部との間に配置される任意の種類の保持要素、例えば、ロッド、バー、チェーン、またはそれらの組み合わせであってもよい。適切な寸法の拡張部材を選択することにより、管の端部から任意の所望の距離に排除体を位置決めすることが可能となり、ここで、装置はマウントを介して設置され、したがって、必要に応じて、管の端部から離れた部分にも選択的に汚染を防止することができる。

マウントは、本発明による防汚装置を熱交換管の端部に取り付けることを可能にする。例えば、図２に示すように、１つ以上の支持部材（１０）は、熱交換管（７）上の所定位置に保持されるように、例えば、熱交換管（７）の端部（９）と嵌合する１つ以上の留置要素（１１）、例えば、凹部、溝等を備えることによって、構成することができる。あるいは、マウントは、１つ以上の支持部材および任意の拡張部材（存在する場合）に加えて、装置を熱交換管の端部に取り付けるための１つ以上の取り付け手段（図示せず）をさらに備えてもよい。適当な取付け手段にはクランプ、弾性部材、ねじ、ボルト、リベット、溶着、ハンダ付、接着結合、またはプラグ接続などの任意の公知の種類の取付け装置が含まれるが、これらに限定されるものではない。

好ましい実施形態では、マウントは、排除体の表面から半径方向に延びるフィンなどの複数の、例えば３つ、４つ、５つまたは６つなどの少なくとも３つの支持部材を備える。支持部材は全て同じ寸法であり、排除体の長軸に対して対称に配置されることが好ましい。支持部材は任意に、各々、熱交換管に対向する側に凹部を有し、該凹部は、熱交換管の壁と嵌合するように構成される。例えば、図１および図２に示す実施形態では、マウント（５）が排除体（２）の第１の端部（３）に近い排除体（２）の表面から半径方向に延びるフィン（１０）の形をした３つの支持部材を備える。フィン（１０）は、排除体（２）の長軸（Ａ）に対して、断面内の隣接する２つのフィン間の角度がそれぞれ１２０°になるように対称に配置されている。各フィンは、それらの底部側、すなわち熱交換管（７）に対向する側に凹部（１１）を有する。凹部（１１）は、熱交換管の壁（８）と嵌合するように構成される。最終的な設置位置では、構造支持部材（１０）の凹部（１１）が図１に破線で示されているように、熱交換管（７）の端部（９）と係合する。したがって、排除体（２）は、凹部（１１）を有する支持部材（１０）を介して、熱交換管（７）の端部（９）に取り付けることができ、図２に示すようにのみ、重力によって中央に配置された状態で管（７）の内面（８）に離間した関係で保持することができる。

本発明によれば、防汚装置は、任意に、排除体の表面上に１つ以上のスペーサ（１２）をさらに含むことができる。図１に破線で示すように、１つ以上のスペーサは、排除体を熱交換管に挿入する際に補助するガイド要素として機能することができ、装置は熱交換管（７）の内面（８）に沿ってガイド要素（１２）の接触面（１２ａ）を介してガイドされ、排除体を管の内面に対して意図された離間した関係で維持し、管内に設置されたときの排除体の振動運動を低減しまたは回避するのに役立つ。１つ以上のスペーサは、存在する場合には好ましくは排除体の第２の端部、すなわちマウントからの遠位端部に、またはそれに隣接して配置することができる。スペーサは、垂直安定板、ブレード、突出部等の熱交換管から離間した関係に排除体を保持するように構成された任意の種類の構造要素を含む。典型的には、１つ以上のスペーサは、存在する場合、それぞれ、排除体の長軸に垂直な方向に排除体の表面から延在する。好ましくは、１つ以上のスペーサは、排除体の長軸に対して対称に配置される。

装置は例えば、複数のスペーサ、好ましくは、排除体の表面から半径方向に延びるガイドフィンなどの３つ、４つ、５つ、または６つなどの少なくとも３つのスペーサを備えることができる。図１および図２に示す例示的な実施形態では、装置が排除体（２）の第２の端部（４）に近い排除体（２）の表面から半径方向に延びるフィン（１２）の形をした３つのスペーサを含む。図２（Ａ）に示すように、フィン（１２）は、排除体（２）の長軸（Ａ）に対して、断面内の隣り合う２つのフィン間の角度がそれぞれ１２０°になるように対称に配置されている。

フィン等のスペーサは、フィンにより排除体の有効円周を大きくして熱交換管の断面にほぼ対応させるような寸法とすることができる（図２（ａ）拡大図参照）。「排除体の実効円周」は、その面から突出するスペーサを含む排除体を包含する長軸に垂直な断面平面における最小円の直径を意味する。「ほぼ対応する」とは、排除体の有効円周が熱交換管の断面に実質的に一致するが、機械的損傷の危険なしに排除体を管内に直接挿入できるように、後者よりわずかに小さい状態に留まることを意味する。実際には、排除体の有効円周が熱交換管の断面の９５．０～９９．９％の範囲内になるようにスペーサを寸法決めすることが好ましい場合がある。スペーサの正確な寸法は、熱交換管の異なる熱膨張係数および防汚装置の異なる成分を考慮して、スペーサが熱交換器の動作条件下で管の内壁に緩く接触するように選択することができる。「緩く接触する」とは、実質的な接触力のない直接的な表面接触を意味する。

マウントおよびその成分、ならびに１つ以上の任意選択のスペーサが存在する場合、それは、排除体について上述したのと同じ種類の材料から作製することができる。好ましくは、本発明による防汚装置の異なる構成要素は、例えばステンレス鋼のような同じ材料から作られる。

上述のような本発明による装置は、１つ以上の熱交換管を含む任意の種類の熱交換器と共に使用されて、管内の汚染を低減または排除することができる。これは、異なる熱交換器および管設計および／または寸法に適合するように構造および寸法決めすることができ、したがって、実質的に利用可能なあらゆる種類の管状熱交換器と共に使用することができる。管状熱交換器の非限定的な例は例えば、米国特許第６，５８５，９４９号、欧州特許出願公開第０７７７０９８号Ａ２、欧州特許第２８２０３６６号Ｂ１およびＶＤＩ－Ｗａｅｒｍｅａｔｌａｓ，第１１編、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇに記載されている。本発明による防汚装置の特別な利点は、現存する管状熱交換器に後付けするために使用することができ、したがって、使用中の熱交換器の汚染に対する効果的な改善手段を提供することであり、これは、噴射ノズルタイプのような従来の防汚装置による汚染または改装を低減するように最適化されたデザインを有する新しい熱交換器への出資よりも著しく安価で複雑でない。本発明の防汚装置を熱交換器に取り付けることは簡単であり、最小限の時間内で人手によって達成することができる。

図３には、本発明による防汚装置を含む熱交換器が概略的に示されている。熱交換器（１３）は、プロセス媒体の入口として機能する第１の端部と、プロセス媒体の出口として機能する第２の端部とを有する少なくとも１つの管（７）を備える。典型的には、熱交換器は、各々がプロセス媒体の入口として機能する第１の端部と、プロセス媒体の出口として機能する第２の端部とを有する複数の管を備える。図３には例えば、３つの管（７）が示されているが、これは限定を意図するものではなく、熱交換器は原則として、任意の所望の数の管（単数または複数）を有することができる。したがって、熱交換器は、特定の用途では最大３００本またはそれ以上、例えば、１～３００本の管、２～２００本の管、１０～１５０本の管、または２０～１００本の管を含むことができる。管は、典型的にはその全長にわたって延びる中空チャネルを有する直線状の細長い円筒形状であるが、例えば長円形のような非円形または正方形のような多角形などの他の形状も、原理的には同様に採用することができる。管の寸法は、当技術分野で一般に使用される任意の寸法による管を使用することができるように、特に限定されない。典型的には、管はそれぞれ、１ｍ～２０ｍ、例えば３ｍ～１５ｍまたは５ｍ～１２ｍの範囲の長さを有する。管は、典型的には２ｃｍ～３０ｃｍ、例えば３ｃｍ～２５ｃｍ、４ｃｍ～２０ｃｍ、または５ｃｍ～１５ｃｍ、または５ｃｍ～１０ｃｍの範囲の内径（流れ断面積）を有する。管の壁の厚さは、例えば１ｍｍ～１０ｍｍ、２ｍｍ～５ｍｍなどの範囲であってもよい。管の実際の数および寸法は、熱交換器を通る所望の熱交換容量および流量に応じて選択される。管の材料は、意図する用途に予想される動作条件に適合することが先行技術から知られている任意の材料とすることができる。典型的な材料は例えば、ステンレス鋼１．４８２８、１．４８７６、および合金８００ｈである。

図３に示されるように、熱交換器（１３）の１つ以上の管（７）は、シェル（１４）を通って延びる。熱交換器（１３）のシェル（１４）は、シェル（１４）の内面によって規定される境界内の熱交換流体の流れのためのプレナム（１５）を形成する筐体である。シェルは、底部プレート（１６）と頂部プレート（１７）とを備え、これらのプレートは１つ以上の管を固定された空間的配置で保持するために、互いに平行かつ距離をおいて配置され、１つ以上の管は一対のプレートを通って延びる。カーボンブラックを含んだガスの入口プレートは、熱交換流体の一部で冷却されうる。この流れは、熱交換器の前、内、または後の任意の時点で、その後に主熱交換流体流に混合することができる。シェル（１４）は、底部プレート（１６）と頂部プレート（１７）とを接続する側壁（１８）をさらに備え、これらはこれらの間に配置された１つ以上の管（７）を囲む。流体を熱交換するための入口（１９）および流体を熱交換するための出口（２０）が、典型的には側壁（１８）の開口としてシェル（１４）内に設けられている。入口（１９）および出口（１９）は、シェル上の遠くの位置に設けることが好ましく、そのうちの１つは通常、図３の出口（２０）のような底板に近接して設けられ、他の１つは図３の入口（１９）のような天板（１７）に近接して設けられる。記載された構成は、１つまたは複数の管（７）を収容するプレナム（１５）を介してシェル内に設けられた入口（１９）からシェル内に設けられた出口（２０）への熱交換流体の流れを可能にする。したがって、１つまたは複数の管を流れるプロセス媒体と、プレナム（１５）を通って管の外側を流れる熱交換流体との間で、管の壁を横切って熱を交換することができる。本発明による熱交換器は、任意に、プレナム（１５）を通る熱交換流体の流れおよび分配を最適化するための手段を更に含むことができる。例えば、図３に概略的に示すように、ガイドプレートまたはバッフルプレート（２１）をシェル（１４）の内側に設けて、プレナム（１５）を通る熱交換流体の流路を制御することができる。さらに、当技術分野で知られているようなダブルシェル設計などの流体分配構造を実施することができる。

特徴的な特性として、熱交換器（１３）はそのマウント（５）を介して１つ以上の管（７）の少なくとも１つの端部の１つに取り付けられた本発明による防汚装置を含み、排除体（２）は管（７）の一部の流れ断面積を減少させるために、管（７）の内面に対して離間した関係で管内に挿入される。図３は、本発明による防汚装置をその各管の端部に取り付けた熱交換器を示し、中央の管に取り付けられた防汚装置は説明のために断面図で示されている。しかしながら、これは、単に例示を目的としたものであり、限定する意図を意味するものではないことを理解されたい。むしろ、本発明は、本発明による防汚装置が、熱交換器内に存在する任意の所望の数の管、例えば、単一の管、熱交換器の管の総数からの選択された複数の管、または熱交換器のすべての管などに取り付けられることを見越している。汚染は典型的には熱交換器の全ての管に関係するので、好ましくは熱交換器の各々および全ての管が本発明による防汚装置を備えている。本発明による防汚装置は、必要に応じて、プロセス媒体のための入口として働く第１の端部、またはプロセス媒体のための出口として働く第２の端部、またはその両方など、熱交換管の１つ以上の端部に取り付けることができる。しばしば、汚染は主に管の１つの端部近傍のような管の特定の部分において生じるため、防汚装置は管のこの部分における汚染を選択的に防止するために使用され得る。したがって、多くの場合、プロセス媒体の入口として働く第１の端部、またはプロセス媒体の出口として働く第２の端部など、熱交換器の１つまたは複数の管の特定の端部に本発明による防汚装置を取り付けることが有用である。したがって、好ましい実施形態では熱交換器はそれぞれ、プロセス媒体の入口としての第１の端部と、プロセス媒体の出口としての反対側の第２の端部とを有する複数の管、およびこれらの端部の一方に取り付けられた本発明の防汚装置を備える。好ましくは、本発明の防汚装置は、熱交換器の各々および全ての管など、防汚装置を備えた管の中の同じ種類の端部（入口または出口）に設けられる。例えば、特定の用途では、汚染は、主に管の出口側で生じる傾向があることが観察されているため、本発明による防汚装置を、プロセス媒体の出口として働く第２の端部に取り付けることが好ましい場合がある。

熱交換器に含まれる１つ以上の防汚装置は、それぞれ個々に、防汚装置の文脈において上述したように、形状、寸法および熱交換管に対する配置を含む任意の構成であることができる。したがって、防汚装置は例えば、排除体の長軸が図２に示すように、管の主軸に対して実質的に平行であるか、またはそれと位置合わせされているように、管の上に取り付けられてもよい。装置の排除体は特に、円筒形または円錐形のようなその長軸に対して回転対称な形状を有することができる。排除体の長さおよび断面寸法は、前述のようにすることができる。排除体は特に、管の流れ断面積が排除体によって、挿入された排除体のない管の流れ断面積に対して、１０％～９０％、例えば、２０％～８０％、または２５％～７０％減少するように、寸法決めされてもよい。さらに、防汚装置の排除体は、通常、熱交換管の全長の最大７０％、例えば最大５０％の長さにわたって延びることができる。例えば、熱交換管の全長の１０％から５０％の範囲の長さを有することができる。汚染の低減は、流れ断面積が減少した管の部分におけるプロセス媒体の流速が少なくとも５０ｍ／ｓ、例えば６０ｍ／ｓ以上、８０ｍ／ｓ以上または１００ｍ／ｓ以上など、であるように排除体が構成される場合に、特定の用途において特に有効であることが見出された。場合によっては、排除体は、減少した流れ断面積を有する管の部分内のプロセス媒体の流速が、管の入口におけるプロセス媒体の初期流速の±３０％以内、好ましくは±２０％以内であるように構成される。

本発明による熱交換器は、任意の適切な方法で空間的に配置することができる。好ましくは、熱交換器の１つ以上の管は、図３にも示されるように実質的に垂直に配置される。このような垂直配置では、防汚装置は、例えば図２および図３に示すように、マウントを介して取り付けられるそれぞれの管の上端によって支持され、追加の手段を必要とせずに、重力によって所定位置に保持されることができる。そうではあるが、熱交換器の他の空間的配置も可能であり、本発明による熱交換器は例えば、熱交換器の管が支持地面に対して実質的に水平に配置された水平型のものであってもよい。本明細書で使用される「実質的に垂直である」または「実質的に水平である」という用語は、理想的なそれぞれの配置（すなわち、垂直配向の場合には地面に対して９０°の配向、水平配向の場合には地面に対して１８０°の配向）からの小さな偏差が存在することができ、例えば最大５°、最大３°、または最大１°の偏差が存在することができることを意味する。

熱交換器の動作モードは特に限定されない。したがって、熱交換器は例えば、向流モード、並行流モードまたは交差流モードで現行プロセス媒体および熱交換流体と共に動作させることができる。好ましくは本発明による熱交換器は、向流モードで作動される。さらに、プロセス媒体の種類および熱交換流体の種類は、本発明によれば特に限定されず、本明細書に記載されている防汚装置またはそれを含む熱交換器は、それぞれの特定の対象用途に従来使用されている任意の種類のプロセス媒体および任意の種類の熱交換流体と共に使用される。

本発明による防汚装置は、熱交換管内の汚染を効率的に減少させ、または除去することさえ可能にし、さらに、熱伝達率を改善することができることが見出された。

前述したように、本発明はまた、凝縮相物質を運ぶ高温プロセスガスを通過させて管の外側の熱交換流体と熱を交換する熱交換管の内面上の汚染を低減する方法に関する。「高温プロセスガス」、「高温プロセス媒体」などの表現は、工業生産プロセスまたは燃焼プロセスなどの周囲温度よりも高い温度（通常は周囲温度よりも実質的に高い温度、たとえば少なくとも１００℃、または少なくとも４００℃の温度を有する）を有するプロセスの過程で生成されたガスまたは流体媒体を指す。用語「凝縮相物質」は、固体または液体形態の物質を指す。凝縮相物質は、特に粒状形態で存在することができる。用語「粒状」は、粒子、液滴、凝集体、および凝縮相物質の他の別個の物理的実体を含む。例えば粒状形態の凝縮相物質は、典型的には高温プロセスガス中に分散され、熱交換管の内面上に堆積することがある。この汚染を回避するために、本発明による方法は、マウントを介して出口端部のような熱交換管の管の端部に本発明による防汚装置を取り付けることを見越し、排除体は、管の一部の流れ断面積を減少させるために管の内面に対して離間した関係で管内に挿入される。

本発明のこの方法に従って使用される防汚装置は、本発明による防汚装置および熱交換器の文脈において上述したように、形状、寸法および熱交換管に対する配置を含む任意の構成のものとすることができる。特に、防汚装置は例えば、排除体の長軸が管の主軸に実質的に平行であるかまたは管の主軸と整列さえするように、管に取り付けられてもよい。さらに、装置の排除体は特に、円筒形または円錐形のようなその長軸に対して回転対称な形状を有することができる。排除体の長さおよび断面寸法は、前述のようにすることができる。特定の用途では、この方法が排除体による減少した流れ断面積を有する管の部分におけるプロセス媒体の流速を、少なくとも５０ｍ／ｓ、例えば６０ｍ／ｓ以上、８０ｍ／ｓ以上、または１００ｍ／ｓ以上など、に増加させることを含む。場合によっては、排除体は、減少した流れ断面積を有する管の部分内のプロセス媒体の流速が、防汚装置の挿入された排除体によって調整されて管の入口におけるプロセス媒体の初期流速の±３０％以内、好ましくは±２０％以内であるように構成される。本発明による防汚装置は、高温用途に適合する。本発明の方法による凝縮相物質を運ぶ高温プロセスガスは、例えば４００℃以上、さらに４００℃～１，２００℃の範囲などの初期温度を有することができる。本発明による汚染を減少させる方法は例えば、燃焼プロセスまたはカーボンブラック、ヒュームドシリカまたは金属酸化物のような他の粒子状物質の製造プロセスからの高温粒子状物質を含むプロセスガスに曝される熱交換管によく適合し、効果的である。従って、凝縮相物質を運ぶ高温プロセスガスは例えば、カーボンブラックの製造のための反応器からの流出物であってもよい。

前述したように、本発明による防汚装置を有する熱交換器は例えば、カーボンブラック、ヒュームドシリカまたは他の粒子状材料のような粒子状物質の製造のための反応器からの流出物として得られる粒子状プロセスガスに熱交換管がさらされる場合に、汚染に関連する従来の深刻な問題に遭遇し得る用途において特に有用であり、特にカーボンブラックの製造において有用であることが証明されている。したがって、本発明はまた、本発明の熱交換器を利用するカーボンブラックの製造方法、ならびにそのような熱交換器を含むカーボンブラック製造プラントにも関連し、そのような製造方法は、上記に記載したように実施することができる。本発明のこれらの態様を、本発明による熱交換器を含むカーボンブラック製造プラントの概略ブロック図を示す図４を参照して説明する。

カーボンブラックは、反応器中での制御された条件下での炭化水素性供給原料の熱分解によって形成される。反応器は、カーボンブラックの製造に従来使用されている任意のタイプのもの、特にファーネスブラックの製造のための反応器であってよい。図４に示すように、反応器は、燃焼領域、注入領域、反応領域、および急冷領域または降温領域などの異なる領域を含むことができる。燃料および酸化剤はこれらの成分の反応によって高温燃焼ガスを生成するために、反応器、例えば燃焼領域内のバーナに供給される。燃料は一般に、炭化水素油またはガスのような炭化水素系燃料であり、酸化剤は、典型的には空気、酸素または酸素富化空気、好ましくは空気である。反応器に導入される酸化剤は、典型的には以下により詳細に論じられるように予熱される。燃料の燃焼によって生成される高温燃焼ガスは、１，２００～２，０００℃またはそれ以上の範囲などの高温に達する。反応器は一般に、このような高温に耐えることができる耐火材料で覆われている。次に、炭化水素系供給原料を高温燃焼ガス流中に注入する。これは、反応器の燃焼領域の下流の注入領域内の１つ以上の位置に注入ノズルを配置することによって達成することができる。様々な液体および気体の炭化水素系材料を原料として使用することができる。適切な供給原料としては、例えば、天然ガス、鉱物油、植物油、石炭または原油処理から得られる炭化水素油（ナフサまたは軽油など）、コールタールからの蒸留物、石油留分の分解によって得られる油などが挙げられる。高温燃焼ガスの高温のために、注入された炭化水素質供給原料は熱分解し、供給原料と高温燃焼ガスとの混合物が反応器の注入領域の下流の反応領域を通過することにつれて、供給原料の熱分解によるカーボンブラックの形成が進行する。次に、得られたカーボンブラック含有プロセス媒体を急冷領域で急冷して反応を停止させる。急冷は、反応器の反応領域から受け取ったカーボンブラック含有プロセス媒体に水または水蒸気などの急冷媒体を注入するか、またはこの目的のために急冷ボイラーシステムを適用することによって達成することができる。注入された急冷媒体は、プロセス媒体の温度を、熱分解反応がもはや有意な速度で進行しないレベルまで、例えば１，２００℃未満、典型的には１，０００℃未満、例えば４００℃～１，２００℃の範囲の温度まで低下させる。急冷媒体注入の位置を調節することによって、反応時間を制御することが可能であり、それによって、形成されるカーボンブラックの特性、例えば粒度分布を制御することが可能である。典型的には、反応時間は数ミリ秒～２秒の範囲である。一般に、反応器の設計および製造条件を調節することによって、非常に異なる特性を有するカーボンブラックグレードを製造することが可能である（例えば、Ｊｅａｎ－Ｂａｐｔｉｓｔｅ Ｄｏｎｎｅｔ、Ｒｏｏｐ Ｃｈａｎｄ Ｂａｎｓａｌ、Ｍｅｎｇ－Ｊｉａｏ Ｗｌａｃｋ、第２版、ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ、１９９３を参照）。当業者は、製造される特定のカーボンブラックの所望の特性に従って、適切な反応器設計および反応条件を選択するであろう。

反応器からの流出物として得られる急冷されたカーボンブラック含有プロセス媒体は本発明による熱交換器の１つ以上の管を通過し、それによってプロセス媒体から熱交換媒体に熱を伝達する。本発明による熱交換器は特に、熱交換管に関して本発明による１つ以上の防汚装置を備える任意の形状、寸法、および配置を含む、上述の任意の構成とすることができる。典型的には、カーボンブラックの製造において本発明に従って使用される熱交換器は、シェル内に設けられた入口からシェル内に設けられた出口への熱交換流体の流れのためのプレナムを定義する封入シェルを通って延びる複数の平行な熱交換管を含む。熱交換器は垂直に配置されること、すなわち、管は地面に対して実質的に垂直に配向されることが好ましい。管の１つ以上または全ては、管の端部に取り付けられた本発明による防汚装置を有することができる。１つ以上の防汚装置は、好ましくは管の上端に取り付けられる。そのような場合、それらは、図２および図３の文脈において図示され、説明されたような重力を使用しマウントによって、管に対して所定の位置に保持されてもよい。高温カーボンブラックを含有するプロセス媒体が管を通過すると、熱は、管壁を横切って、プレナム内の管の外面上を流れる熱交換流体の流れに伝達される。熱交換器は、通常、向流モードで作動される。反応器からの流出物として得られる急冷されたカーボンブラック含有プロセス媒体は、典型的には下端で管に供給され、熱交換器の管を通過して、それらの上端で低下した温度で出る。空気のような熱交換媒体は典型的にはシェルの上部に設けられた入口によってプレナムに導入され、シェルの下部に設けられた出口によって熱交換器から出る（例えば、図３に描かれているように）。熱交換流体の温度は、プレナム内で生じるプロセス媒体との熱交換を介して、出口において、約１，０００℃の高温、例えば５００～８００℃の範囲まで上昇する場合もある。

本発明によれば、異なる熱交換流体を使用することができる。非限定的な例としては、空気、酸素、酸素富化空気、窒素富化空気、水または水蒸気が挙げられる。典型的には、本発明によるカーボンブラックの製造方法に使用される熱交換媒体が好ましくは空気のような、反応器中の高温燃焼ガスの生成に使用される酸化剤に相当する。図４に示すように、熱交換器で予熱された後の空気などの酸化剤を反応器に送り込み、高温燃焼ガスを形成することができる。このように、熱交換器を用いることにより、熱の一部を回収し、カーボンブラックの製造に使用される出発材料を予熱するために使用することができ、これにより、プロセスの総合的な効率を向上させることができる。

本明細書に開示される防汚装置を含む本発明による熱交換器の使用は保守または他の複雑かつ／または高価な補助洗浄手段を必要とせずに、熱交換管（複数可）の内面の汚染を効率的に低減し、長期間の動作にわたって高い熱交換効率を維持することを可能にする。

熱交換器を通過することによって冷却された後のカーボンブラック含有プロセス媒体は冷却されたプロセス媒体からカーボンブラックを分離し、収集するための手段に送られる。カーボンブラックを分離および収集するための手段は、典型的にはバグフィルターのようなフィルターユニットを含む。

図４に示すように、熱交換器を出るカーボンブラック含有プロセス媒体はプロセス媒体からカーボンブラックを収集し分離する前にプロセス媒体をさらに冷却するために、本発明による熱交換器であってもなくてもよいさらなる熱交換器などの１つまたは複数の二次冷却ユニットを任意に通過させてもよい。

本発明による熱交換器の使用は、カーボンブラック製品の汚染または特性への悪影響の危険なしに、汚染を効果的に防止し、プロセス効率を向上させることを可能にする。

本発明の特徴および利点は、カーボンブラック製造プロセスにおいて空気予熱器として使用される熱交換器における本発明による防汚装置の使用、およびそれによって達成可能な利点を実証する以下の非限定的な実施例によってさらに説明される。

カーボンブラックは、炉反応器を用いて製造した。反応器は、燃焼室と、オイル注入領域と、反応領域と、急冷領域とを含む。使用されたセットアップは、反応器と連結された熱交換器（２４管、９００＋型シングルパス熱交換器、スウェーデンのエクストローム＆ソンＡＢ社製）をさらに備えていた。この熱交換器には、米国特許第４，３６６，００３号に記載されている種類と同様の蒸気清浄装置が装備されていた。燃焼室では、以下に詳述するように、スモークガス（すなわち、反応器からカーボンブラック含有プロセス媒体として得られたカーボンブラックと反応ガスの混合物）が供給される熱交換器を用いて約６２０℃の温度に予熱した空気で天然ガスを燃焼させ、高温燃焼ガス流を生成させた。燃焼領域の下流の注入領域では、次いで、高温の燃焼ガスの発生した流れに油が注入される。使用された油タイプは、以下の分析特性を有するコールタール留出物である。

炭素、水素、窒素、硫黄および酸素の所与の元素質量分率は、乾燥および灰分を含まない基準を指す。油の量は、最終カーボンブラック生成物について約１２０ｍ²／ｇのＳＴＳＡに達するように調整される。油は、燃焼室からの高温燃焼ガスと一緒に、後続の反応領域においてカーボンブラックおよびテールガスに変換される。次いで、水急冷を用いて反応を急冷領域で停止させ、流れを７２０℃に冷却する。

急冷領域の下流では、スモークガスは上記の熱交換器を通過する。熱交換管は地面に対して垂直に配置した。熱交換器は、反応器からの流出物として得られた高温カーボンブラックプロセス媒体を含む高温カーボンブラックプロセス媒体を熱交換器の管の底端部に供給し、管を上方に通してその上端部に通過させる一方で、シェルの上端部に近い入口からシェルの内部を介してシェルの上端部に近い入口からシェルの下端に近い出口に熱交換流体として用いられる空気の流れを通過させる向流モードで作動させた。この熱交換器は、２０００～３５００Ｎｍ³／ｈの空気で作動するように設計されており、空気およびスモークガス側で１１０ミリバールの最高圧降下を有する。

スモークガスの温度と空気の温度は、熱電対によって熱交換器の各出口と、同様に熱交換器の各入口でそれぞれ測定した。次に、これらの測定された温度値を使用して、熱伝達係数ｋを決定した。このために、空気に伝達される熱流を次のように計算した。
ここで、Φ_m、ｃ_p、Ｔ_air,out、Ｔ_air,inはそれぞれ、設定した質量流量、定圧比熱容量（与えられた設定に対して１１０７Ｊ／ｋｇＫ）、熱交換器排出部での測定空気温度、および熱交換器入口での測定空気温度を表す。スモークガスと空気との間の平均温度差は、さらに次式で決まる。
ここで、測定された熱交換器入口のスモークガス温度および測定された熱交換器排出部のスモークガス温度は、それぞれＴ_smoke,in、Ｔ_smoke,outで表記される。

次いで、次式を用いて、熱伝達係数ｋ×熱伝達面積Ａを求めることができる。

比較のために、ｋＡは、測定開始時の熱伝達係数ｋ_startを用いた次式に従って決定される基準領域Ａｏに関連する。

熱交換器のスチームクリーナを用いて、管の内側に蒸気パルスを注入して管の内面から前のランの堆積物を除去することにより、各試行前に再現性のある開始条件を作った。参考のために、試験は最初に、管に取り付けられた追加の防汚装置を有さない熱交換器を用いて行われた。各試験について、熱交換器は、反応器からの流出物として得られたカーボンブラック含有プロセスガスおよび熱交換流体として予熱される空気を用いて、上記のように典型的には６～７時間連続的に運転された。運転中に熱伝達率を汚損の指標として上記のように求めた。従って、合計１０回の参照試験を連続して行った。続いて、熱交換器の管には、それぞれ、それらの上端に取り付けられた本発明による防汚装置が設けられた。使用した防汚装置は、図１に示すような構造を有し、長さ４ｍの中空の円筒状の排除体と、その一端に近い排除体の外面から半径方向に延びる３つのフィンを有するマウントと、排除体の反対端に近い排除体の外面から半径方向に延びる３つのガイドフィンとを備える。各ガイドフィンの横方向の伸長は２２ｍｍ、高さは５４ｍｍであった。マウントのフィンはそれぞれ、管の壁と嵌合する凹部を有していた。管は、各々が４０ｍｍの横方向延長部、３０ｍｍの高さおよび５ｍｍのスリットを有する取り付け垂直安定板によって熱交換管上に取り付けられ、内径約８２ｍｍおよび長さ約９ｍを有する熱交換管と係合する。このような防汚装置の１つは、マウントのフィンの凹部が管の上端の管壁と嵌合する状態で静止するまで、管の上端の管に排除体を挿入することによって、熱交換器の各管に設置された。このように取り付けられた防汚装置は、その長軸が主軸と一直線になるようにして、排除体の外面と内管壁との間に環状の間隙を作りながら、排除体を管の中心にして重力によって適所に保持された。次に、本発明による防汚装置を管に取り付けた熱交換器を用いて、同じ運転条件を適用し、参考試験について上述したのと同じ方法で熱伝達係数を決定して、試験を行った。１回の試験を２０時間以上行って、より長い時間スケールで性能を評価した。処理条件を以下の表１に要約する。

表１：

図５Ａおよび５Ｂは、それぞれ、防汚装置なしの基準試行（図５Ａ）および本発明による防汚装置による試行（図５Ｂ）についての時間の関数として、ｋＡ／Ａｏとして表される、決定された熱伝達係数の代表的なプロットを示す。図５Ａから分かるように、参考試験のケースではｋＡ／Ａｏが最初の１～２時間にわたって、最初の１ｋＷ／ｍ²Ｋの値から約０．８８ｋＷ／ｍ²Ｋまで有意に減少し、続いて、約６時間後に約０．８５ｋＷ／ｍ²Ｋの値までさらに減少し、すなわち、全体としての熱伝導率は６時間にわたって約１５％減少した。熱伝達係数のさらなる減少は図５Ａのプロットにおいても連続的な負の傾きによって示されるように、より長いランについて観察された。これとは対照的に、図５Ｂでは、ｋＡ／Ａｏとして表される熱伝達率が防汚装置を用いた試行について、最初の値である１ｋＷ／ｍ²Ｋから、６時間の運転後に、約５％だけ０．９５ｋＷ／ｍ²Ｋの値までわずかに減少しただけであることを示している。試験期間が２０時間を超える延長でも、それ以上の有意な減少は観察されなかった。これらの発見は、熱交換器の管の内面上の汚染に関連する熱伝達係数の減少が効果的に減少され、安定した動作条件が本発明による防汚装置の使用によって達成されることを示す。熱交換器の構造健全性に及ぼす装置の負の影響は観測されなかった。

カーボンブラック製品の品質に対する防汚装置の潜在的な効果を調査するために、熱交換器を通過した後のカーボンブラックを含むプロセス媒体からフィルターを用いて分離され収集されたカーボンブラック材料の試料を分析した。

表２は、熱交換器に設置された本発明による防汚装置を用いた試験で得られたカーボンブラック製品に対する、参照試験で得られたカーボンブラック製品についての分析の結果を示す。報告された値は、それぞれ、実施された参照試験または試験の総数にわたる標準偏差を有する平均値である。

表２：

ヨウ素吸収数は、ＡＳＴＭ Ｄ－１５１０に従って測定した。

統計的厚さ表面積（ＳＴＳＡ）は、ＡＳＴＭ Ｄ－６５５６に従って測定した。

吸油量数（ＯＡＮ）は、ＡＳＴＭ Ｄ２４１４に従って測定した。

ＢＥＴ表面積は、ＡＳＴＭ Ｄ－６５５６に従ってブルナウアー・エメット・テラー方法を使用して、全表面積として窒素吸収によって決定した。

報告された透過率の値は、ＡＳＴＭ Ｄ－１６１８に従って測定された。

表２のデータの比較は、熱交換器上に設置された本発明による防汚装置を用いた試験およびそのような装置を用いない参照試験で製造されたカーボンブラックについて測定された特性が同等であり、許容範囲内で異ならないことを示している。これは、本発明の防汚装置の使用が製品特性に悪影響を及ぼさなかったことを示している。

１ 防汚装置
２ 排除体
３ 排除体の第１の端部
４ 排除体の第２の端部
５ マウント
６ 貫通孔
７ 熱交換管
８ 熱交換管内面
９ 熱交換管端部
１０ 構造支持部材
１１ 留置要素
１２ スペーサ
１２ａ スペーサの接触面
１３ 熱交換器
１４ シェル
１５ プレナム
１６ 底板
１７ 天板
１８ 側壁
１９ 熱交換流体用の注入口
２０ 熱交換流体用の出口
２１ ガイド／バッフルプレート
Ａ 熱交換管主軸／排除体長軸

Claims (15)

1. 熱交換管内の汚染を減少させるための防汚装置であって、
   （ａ）熱交換管内に挿入されるように構成され、前記管の一部の流れ断面積を減少させる細長い排除体、および
   （ｂ）熱交換管の端部に前記装置を取り付けるための細長い排除体に接続されたマウントであって、前記管に挿入されると、前記管の内面に離間した関係で排除体を保持するように構成されているマウント、を含み、
   マウントが、排除体の表面から半径方向に延びる複数の支持部材を含み、支持部材がそれぞれ熱交換管に面する側に凹部を有し、凹部が熱交換管の壁と嵌合するように構成されている、防汚装置。
2. マウントが、排除体の長軸を前記管の主軸と実質的に平行に配置し、好ましくは、挿入された排除体を前記管の主軸に沿って中心に配置する、請求項１に記載の防汚装置。
3. 排除体が、取り付けられた状態において、排除体の外面と前記管の内壁との間に環状ギャップを形成し、および／または排除体が、その長軸に対して回転対称である形状、好ましくは円筒形状もしくは円錐形状を有し、および／または排除体が中空体であり、任意に中空体が均圧のための貫通孔を有する、請求項１または２に記載の防汚装置。
4. マウントが、排除体の表面から半径方向に延びるフィンなどの少なくとも３つの支持部材を含み、支持部材がそれぞれ熱交換管に面する側に凹部を有し、凹部が熱交換管の壁と嵌合するように構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の防汚装置。
5. 排除体の表面上に１つ以上のスペーサをさらに含み、スペーサが、好ましくはマウントに対して排除体の遠位端にまたはそれに隣接して配置され、好ましくはスペーサが、排除体の表面から半径方向に延在する少なくとも３つなどの複数のガイドフィンを含み、このフィンが、フィンによる排除体の有効円周を熱交換管の断面の９５～９９．９％の範囲に増大させるように寸法決めされる、請求項１～４のいずれか１項に記載の防汚装置。
6. 排除体、マウントおよび／もしくはスペーサがステンレス鋼から作られ、ならびに／または排除体が０．５～５ｍの範囲の長さを有する、請求項１～５のいずれか１項に記載の防汚装置。
7. （ａ）プロセス媒体の入口としての第１の端部と、プロセス媒体の出口としての第２の端部とを有する少なくとも１つの管、
   （ｂ）前記少なくとも１つの管が延在するシェルであって、シェル内に設けられた入口からシェル内に設けられた出口への熱交換流体の流れのためのプレナムを形成し、前記少なくとも１つの管を横切るプロセス媒体と熱交換流体との間の熱交換を可能にするシェル、および
   （ｃ）１つ以上の管の少なくとも１つの端部の１つ以上に、マウントを介して取り付けられた請求項１～６のいずれか１項に記載の防汚装置であって、排除体が、管の内面に対して離間した関係で管内に挿入されて、管の一部の流れ断面積を減少させる防汚装置、
   を含む熱交換器。
8. 前記流れ断面積が、挿入された排除体のない管の流れ断面積に対して１０％から最大で９０％まで排除体によって減少される、および／または排除体が、管の全長の最大７０％の長さにわたって延在する、請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記少なくとも１つの管が実質的に垂直に配置され、好ましくは、少なくとも１つの防汚装置がマウントを介して取り付けられるそれぞれの管の上端によって支持され、重力によって所定位置に保持される、請求項７または８に記載の熱交換器。
10. 管の外側の熱交換流体と熱交換するために、凝縮相物質を運ぶ高温プロセスガスが通過する熱交換管の内面上の汚染を低減する方法であって、請求項１～６のいずれか１項に記載の防汚装置が管の出口端部などの管の端部にマウントを介して取り付けられた熱交換管を提供することを含み、排除体が、管の内面に対して離間した関係で管内に挿入されて、管の一部の流れ断面積を減少させる、方法。
11. 流れ断面積が減少した管の部分におけるプロセス媒体の流速が、防汚装置の排除体によって少なくとも５０ｍ／ｓに増加される、請求項１０に記載の方法。
12. 粒子状物質を運ぶ高温プロセスガスが、カーボンブラックの製造のための反応器から得られる流出物であり、および／または４００℃～１，２００℃の範囲の初期温度を有する、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 燃料と酸化剤を反応させて高温燃焼ガスを形成すること、
    高温燃焼ガス中に炭化水素供給原料を注入し、反応器内で供給原料の熱分解によってカーボンブラックを形成すること、
    反応器中で、得られたカーボンブラック含有プロセス媒体を急冷すること、
    急冷されたカーボンブラック含有プロセス媒体を、請求項７～９のいずれか１項に記載の熱交換器の１つ以上の管に通し、それによって、プロセス媒体から熱交換媒体に熱を伝達すること、および
    熱交換器を通過し冷却されたプロセス媒体からカーボンブラックを分離し、回収すること、を含むカーボンブラックの製造方法。
14. 燃焼反応器および請求項７～９のいずれか１項に記載の熱交換器を含むカーボンブラック製造プラント。
15. 管状熱交換器を改装するための、請求項１～６のいずれか１項に記載の装置の使用。