JP2001056194A - 高性能熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高性能熱交換器を提供する。 【解決手段】 （ａ）入口チューブシート部分および出
口チューブシート部分を有するシェルであって、各チュ
ーブシートは複数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のた
めの少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口
を有する、シェル；（ｂ）シェル内に配置された複数の
管であって、管の軸と入口および出口のチューブシート
の穴の軸とが一致するように、各管の入口端が入口チュ
ーブシートに付けられ、かつ各管の出口端が出口チュー
ブシートに付けられている、複数の管；ならびに（ｃ）
複数のフェルールであって、各フェルールは、入口端お
よび出口端を有し、フェルールは入口チューブシートの
穴を通って管内へに達し、出口端は入口チューブシート
の下方に位置し、フェルールは窒化ケイ素を含む、複数
のフェルールを含む、還元、浸炭および／または窒化の
環境で使用するための熱交換装置が開示される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般に、高温の反応
性流出気体を生成する化学反応システムにおいて使用さ
れる間接的熱交換器の有効寿命および信頼性を改善する
ための手段に関する。特に、本発明は、シアン化水素の
製造に使用される間接的熱交換器の有効寿命を改善する
ための手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】多くの化学プロセスにおいては、反応流
出物は、高温で反応性のおよび／または摩耗性の（ａｂ
ｒａｓｉｖｅ）流体および／または気体を含む。これら
の反応の多くにとっては、反応器流出物を速やかにクエ
ンチして、生成物成分の分解を防ぐのが望ましい。直接
接触、例えば噴霧水の施用によって、または、より普通
には、間接法、例えば間接的熱交換器の使用によって、
クエンチを達成することができる。間接的熱交換器は、
排熱を回収するように配置することができるという利点
が追加されるので、より好ましい方法であり、長年の間
使用されてきた。そのような化学プロセスで使用される
典型的な間接的熱交換器は、シェル（ｓｈｅｌｌ）アン
ドチューブのデザインからなる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】多くのシステムにおい
て、流出物の熱的特性、動力学的特性および反応特性
は、個々にまたはまとまって、熱交換帯域を形成するの
に使用されている材料を腐食し、亀裂を生じさせ、また
はさもなければ劣化させるように働くことがある。特
に、交換管および、反応帯域に最も近い、管からチュー
ブシート（ｔｕｂｅｓｈｅｅｔ）への接合部（ｗｅｌ
ｄ）は、最も過酷な状態であり、最も劣化を受けやす
い。例えば、高温の流出物は、熱交換管自体の金属と化
学的に反応することがあり、それによって、浸食（ｅｒ
ｏｓｉｏｎ）および／または腐食（ｃｏｒｒｏｓｉｏ
ｎ）、すなわち金属ダスティング（ｄｕｓｔｉｎｇ）、
浸炭（ｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ）等を引き起こし、
そのすべてが、熱交換器の破壊に至る。熱交換管の接合
部領域はまた、応力腐食亀裂を受けやすく、それは熱交
換器の破壊に至る。これらの問題は、例えばシアン化水
素またはアクリロニトリルの製造において、硝酸排熱回
収交換器において、炭化水素クラッキングユニットにお
いて、ならびに管側燃焼ボイラー（ｔｕｂｅｓｉｄｅ
ｆｉｒｅｄ ｂｏｉｌｅｒ）および交換器において遭遇
し得る。

【０００４】シェルアンドチューブ熱交換器ならびに冷
却器における管のための保護カバーとしてフェルール
（ｆｅｒｒｕｌｅ）を使用することは良く知られてい
る。そのようなフェルールは第１に、管および接合部を
断熱するが、また、化学的反応から生じる劣化に対して
熱交換管を保護する。典型的には、熱交換器は、化学反
応器における反応帯域の下流、例えば触媒の下流に置か
れる。このように、熱交換管の頂部または上部は、高温
の流出気体にさらされる。ある種のフェルール、例えば
アルミナが、そのような気体からの熱に対する断熱性を
与えるのに使用される。

【０００５】通常の用途においては、交換管は第１に、
ベースの材料から構成され、第２に、その特性、例えば
浸食および／または化学反応に対する抵抗性のために選
ばれる、可能な別の材料が、熱交換管の入口／上流端の
内部でスライドする管に成形される。プロセス条件の過
酷さに依存して、フェルールは、長期間メンテナンス不
要の働きを提供することができるか、あるいは、頻繁な
交換を必要として、犠牲的であり得る。いずれの場合に
も、フェルールの使用は、浸食および／または腐食を防
ぐことによって、ベース材料の交換器の有効寿命を延ば
すための経済的方法を提供する。

【０００６】例えば、Ｍ．ジェームス（Ｊａｍｅｓ）の
「排熱ボイラー管の予期せぬ金属ダスティング破壊（Ｕ
ｎｅｘｐｅｃｔｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｄｕｓｔｉｎｇ Ｆ
ａｉｌｕｒｅ ｏｆ Ｗａｓｔｅ Ｈｅａｔ Ｂｏｉｌ
ｅｒ Ｔｕｂｅｓ）」，熱交換器の信頼性を改善するた
めの革新的アプローチについての第１回国際シンポジウ
ム（Ｆｉｒｓｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍ
ｐｏｓｉｕｍ ｏｎＩｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ａｐｐｒｏ
ａｃｈｅｓ ｆｏｒ ＩｍｐｒｏｖｉｎｇＨｅａｔ Ｅ
ｘｃｈａｎｇｅｒ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ）、プロシ
ーディングス、マテリアルズ テクノロジー インステ
ィテュート オブ ザ ケミカルプロセス インダスト
リーズ インコーポレーテッド（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ
ｓ， Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉ
ｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆｔｈｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐ
ｒｏｃｅｓｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ, Ｉｎｃ．）、
１−１３（１９９８）は、還元、浸炭および／または窒
化（ｎｉｔｒｉｄｉｚｉｎｇ）の条件を有する化学的プ
ロセスにおいて使用するためのシェルアンドチューブ反
応器における特定のセラミックフェルールデザインを開
示する。この論文においては、ニッケル‐クロム合金
（ＩＮＣＯＮＥＬ）が、熱交換器の管に使用された。各
場合において、ＩＮＣＯＮＥＬ材料は、知られている速
度よりずっと速い速度でのひどい消耗、すなわち、金属
ダスティングを生じさせた。

【０００７】また、米国特許第５，７７５，２６９号
は、内側のセラミックスリーブ、セラミックブロックお
よび外側のセラミックスリーブを有するボイラー保護管
アセンブリ（ｂｏｉｌｅｒ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｔ
ｕｂｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）を開示する。米国特許第
５，７７５，２６９号に開示されたセラミックは、酸化
アルミニウムおよび酸化ジルコニウムである。これらの
材料はそのような極端な温度下では比較的短時間だけし
か耐えられないので、そのようなセラミックは、非常に
高温の流出物の急速なクエンチを必要とする熱交換器に
使用するのには実用的でない。

【０００８】セラミック、例えばアルミナ、シリカおよ
びジルコニアは、蒸気‐メタン改質炉（ｒｅｆｏｒｍｅ
ｒ）のような反応器における断熱材として有効である。
しかしながら、それらは、熱衝撃抵抗性に乏しく、シリ
カの場合には、多くの還元性の環境に存在する水素と反
応することがある。例えば、Ｍ．Ｓ．クローリー（Ｃｒ
ｏｗｌｅｙ）、耐火材における水素‐シリカの反応（Ｈ
ｙｄｒｏｇｅｎ−Ｓｉｌｉｃａ Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ
ｉｎ Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓ）， Ｃｅｒａｍｉｃ
Ｂｕｌｌｅｔｉｎ， Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．７， ６
７９−６８２（１９６７）参照。このように、これらの
セラミック材料は、高温の流出気体の急速なクエンチを
必要とする化学的プロセスおよび／または還元性の環境
（シアン化水素の製造においてはその両方が見出され
る）において使用するのに適当でない。

【０００９】典型的なシェルアンドチューブ反応器にお
いては、熱交換管が各管の端でチューブシートに付けら
れる。典型的には、管は、管の端がチューブシートの上
表面とほぼ同じ高さになるまでチューブシート中の穴を
通される。管は次に、典型的にはチューブシートの上表
面に接合される。一般に、管の外径は、チューブシート
中の対応する穴の内径より小さい。よって、一旦、管が
チューブシートに接合されると、接合部の下の管とチュ
ーブシートとの間に環状の空間が残る。図１ａは、シェ
ルアンドチューブ反応器、特に、還元性の環境を有する
化学的プロセスのために、例えばシアン化水素の製造に
おいて使用される反応器に用いられる典型的な接合部３
を示す。管はまた、他の手段、例えばローリング（ｒｏ
ｌｌｉｎｇ）によってチューブシートに付けることがで
きる。図１ｂは、ローリングによる管のチューブシート
への典型的な付着を示す。

【００１０】シアン化水素の製造においては、シアン化
水素の分解を防ぐために、高温の流出気体は約１０００
〜１４００℃から約６００℃以下の温度へと急速に冷却
されなければならない。そのような流出気体が冷却され
ると、チューブシート、接合部および交換管の上部は非
常に高温となる。その結果、環状空間５に存在するいか
なる水も蒸発し、水に含まれていたいかなる不純物も環
状空間５に堆積する。そのような不純物は典型的には、
水中のイオンおよび無機質等である。そのような不純物
はまた典型的には、チューブシート、交換管および特に
接合部に対して腐食性である。時間が経つと、そのよう
な腐食性の物質が環状空間５に蓄積する。流出気体から
の熱と腐食性の物質との組み合せは、系における応力と
共に、管、接合部および／またはチューブシートに応力
腐食亀裂（ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｃｒａ
ｃｋｉｎｇ）をもたらす。そのような応力腐食亀裂は熱
交換器の破壊、そして結局は熱交換器の交換に至る。

【００１１】チューブシート、交換管および接合部がさ
らされる熱を最小にするという問題と取り組むために、
多くのシェルアンドチューブのシアン化水素反応器のデ
ザインが開発されてきた。図３ａ−ｅは、そのような反
応器を示す。各反応器は、冷却水の高い流速、冷却水の
乱流、およびチューブシートを断熱するための耐火材を
備えて設計されている。しかしながら、これらのデザイ
ンは、そのような応力腐食亀裂を完全に防ぐわけではな
い。

【００１２】ダウンホール接合部（ｄｏｗｎ−ｈｏｌｅ
ｗｅｌｄ）またはフルペネトレーション接合部（ｆｕ
ｌｌ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｗｅｌｄｓ）が、還元
性の環境を有さない、またはそのような急なクエンチの
必要がない化学的プロセスにおいて使用されてきた。例
えば、アーメッド（Ａｈｍｅｄ）ら、排熱ボイラーの故
障、修理および交換（Ｆａｉｌｕｒｅ， Ｒｅｐａｉｒ
ａｎｄ Ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｗａｓｔｅ
Ｈｅａｔ Ｂｏｉｌｅｒ），ＡｍｍｏｎｉａＰｌａｎ
ｔ Ｓａｆｅｔｙ ＆ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｆａｃｉｌｉ
ｔｉｅｓ，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏ
ｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ， Ｖｏ
ｌ．３７， １００−１１０は、二次的アンモニア改質
器に使用するための水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）熱交
換器における、そのような接合部の使用を開示する。こ
の論文は、任意の他のプロセスのためにこの接合部を使
用することを開示しない。

【００１３】よって、還元性の環境を有する化学的プロ
セスに使用されるシェルアンドチューブ反応器において
長い有効寿命を持つ、効率的な熱交換器を提供すること
についての問題が残されている。

【００１４】驚くべきことに、フェルール、特に窒化ケ
イ素を含むフェルールを用いることによって、および／
または熱交換管をチューブシートに付けるためにダウン
ホール接合部を使用することによって、シェルアンドチ
ューブのシアン化水素反応器における熱交換器の有効寿
命を延ばすことができることが見出された。

【００１５】１つの態様においては、本発明は、（ａ）
入口チューブシート（ｅｎｔｒｙ ｔｕｂｅｓｈｅｅ
ｔ）部分および出口チューブシート（ｅｘｉｔ ｔｕｂ
ｅｓｈｅｅｔ）部分を有するシェルであって、各チュー
ブシートは複数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のため
の少なくとも１つの入口（ｉｎｌｅｔ）および少なくと
も１つの出口（ｏｕｔｌｅｔ）を有する、シェル；
（ｂ）シェル内に配置された複数の管であって、管の軸
と入口および出口のチューブシートの穴の軸とが一致す
るように、各管の入口端（ｅｎｔｒｙ ｅｎｄ）が入口
チューブシートに付けられ、かつ各管の出口端（ｅｘｉ
ｔｅｎｄ）が出口チューブシートに付けられている、複
数の管；ならびに（ｃ）複数のフェルールであって、各
フェルールは、入口端および出口端を有し、フェルール
は入口チューブシートの穴を通って管内に達し、出口端
は入口チューブシートの下方に位置し、フェルールは窒
化ケイ素を含む、複数のフェルールを含む、還元、浸炭
および／または窒化の環境で使用するための熱交換装置
に関する。

【００１６】第２の態様においては、本発明は、（ａ）
入口チューブシート部分および出口チューブシート部分
を有するシェルであって、各チューブシートは複数の穴
を有し、シェルは熱交換媒体のための少なくとも１つの
入口および少なくとも１つの出口を有する、シェル；
（ｂ）シェル内に配置された複数の管であって、管の軸
と入口および出口のチューブシートの穴の軸とが一致す
るように、各管の入口端が入口チューブシートに付けら
れ、かつ各管の出口端が出口チューブシートに付けられ
ていて、各管は、ニッケル‐クロム合金を含む金属で形
成されている、複数の管；ならびに（ｃ）複数のフェル
ールであって、各フェルールは、入口端および出口端を
有し、フェルールは入口チューブシートの穴を通って管
内に達し、出口端は入口チューブシートの下方に位置
し、該フェルールがニッケル‐クロム合金を含む、複数
のフェルールを含む、熱交換装置に関する。

【００１７】第３の態様においては、本発明は、熱交換
管において使用するためのフェルールであって、フェル
ールが入口端および出口端を有し；入口端はパイプ部分
へと円錐形に先細になった開口を有し、入口端の外径は
熱交換管の内径より大きく；パイプ部分は熱交換管の内
径の９９％までの外径を有し；パイプ部分は、熱交換管
の内径と実質的に同じ外径を有する広がった領域を有す
る、フェルールに関する。

【００１８】第４の態様においては、本発明は、熱交換
管において使用するためのフェルールであって、フェル
ールが入口端および出口端を有し；入口端はパイプ部分
へと円錐形またはトランペット形に先細になった開口を
有し、入口端の外径は熱交換管の内径より大きく；パイ
プ部分は、熱交換管の内径と実質的に同じ外径を有し；
かつ、フェルールは、長手方向の断面がベンチュリ管形
（ｖｅｎｔｕｒｉ−ｓｈａｐｅｄ）のデザインを有す
る、フェルールに関する。

【００１９】第５の態様においては、本発明は、（ａ）
入口チューブシート部分および出口チューブシート部分
を有するシェルであって、各チューブシートは複数の穴
を有し、シェルは熱交換媒体のための少なくとも１つの
入口および少なくとも１つの出口を有する、シェル；な
らびに（ｂ）シェル内に配置された複数の管であって、
管の軸と入口および出口のチューブシートの穴の軸とが
一致するように、各管の入口端が入口チューブシートに
付けられ、かつ各管の出口端が出口チューブシートに付
けられていて、各管の入口端は、ダウンホール接合部に
よって入口チューブシートに付けられている、複数の管
を含む、シアン化水素反応器において使用するための熱
交換装置に関する。

【００２０】第６の態様においては、本発明は、炭化水
素、アンモニアおよび任意的に酸素含有気体を、白金含
有触媒の存在下で、１０００〜１４００℃の範囲の温度
にて反応させることによってシアン化水素を製造するた
めの装置であって、反応帯域、任意の耐火帯域ならび
に、（ａ）入口チューブシート部分および出口チューブ
シート部分を有するシェルであって、各チューブシート
は複数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のための少なく
とも１つの入口および少なくとも１つの出口を有する、
シェル；（ｂ）シェル内に配置された複数の管であっ
て、管の軸と入口および出口のチューブシートの穴の軸
とが一致するように、各管の入口端が入口チューブシー
トに付けられ、かつ各管の出口端が出口チューブシート
に付けられている、複数の管；ならびに（ｃ）複数のフ
ェルールであって、各フェルールは、入口端および出口
端を有し、フェルールは入口チューブシートの穴を通っ
て管内に達し、出口端は入口チューブシートの下方に位
置し、フェルールが窒化ケイ素を含む、複数のフェルー
ルを含む熱交換帯域を有する装置に関する。

【００２１】第７の態様においては、本発明は、炭化水
素、アンモニアおよび任意に酸素含有気体を含む反応気
体を反応器に供給すること；反応気体を、触媒の存在下
で反応させて生成物気体を与えること；生成物気体を、
（ａ）入口チューブシート部分および出口チューブシー
ト部分を有するシェルであって、各チューブシートは複
数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のための少なくとも
１つの入口および少なくとも１つの出口を有する、シェ
ル；（ｂ）シェル内に配置された複数の管であって、管
の軸と入口および出口のチューブシートの穴の軸とが一
致するように、各管の入口端が入口チューブシートに付
けられ、かつ各管の出口端が出口チューブシートに付け
られている、複数の管；および（ｃ）複数のフェルール
であって、各フェルールは、入口端および出口端を有
し、フェルールは入口チューブシートの穴を通って管内
に達し、出口端は入口チューブシートの下方に位置し、
該フェルールは窒化ケイ素を含む、複数のフェルールを
有する熱交換装置で冷却すること；ならびに冷却した生
成物気体からシアン化水素を回収することを含む、シア
ン化水素を製造するための方法に関する。

【００２２】本明細書全体を通して使用したように、以
下の用語は、他に明らかに示されていなければ、以下の
意味を持つ。「熱交換ユニット」および「熱交換容器」
という語は相互に交換可能に使用される。「第１」と
「第２」および「上方」と「下方」および「入口と出
口」という語はそれぞれ、相互に交換可能に使用される
が、反応器は、垂直、水平または他の配置であることが
でき、そこでは「上方」と「下方」という語は互いの要
素の関係を記載するのに適切ではないであろう。「入口
（ｅｎｔｒｙ）」という語は、反応帯域に最も近い熱交
換装置の部分、すなわち、高温のプロセス気体が熱交換
装置に入るところをいう。「出口（ｅｘｉｔ）」という
語は、反応帯域から最も遠い熱交換装置の部分、すなわ
ち、高温のプロセス気体が熱交換装置から出るところを
いう。明細書全体を通して、以下の略語を使用する：Ｃ
＝摂氏度およびｃｍ＝センチメートル。比および量はす
べて、他に記載がなければ重量である。数値範囲はすべ
て、他に記載がなければ、両端値を含めた範囲である。

【００２３】本発明は、特定のフェルールおよび／また
は接合部を用いることによる、シェルアンドチューブ熱
交換器の短い有効寿命についての問題の解決を提供す
る。好ましくは、本発明のフェルールのデザインはさら
に、反応器流出ストリームの潜在的損傷の影響を最小に
するように働く。さらに、熱交換器のデザインおよび、
交換管を装置のチューブシートに付けるのにダウンホー
ル接合部を使用することは、ユニットの構成、メンテナ
ンスおよび修理を簡単にし、休止時間を最小にし、かつ
運転効率を増加させる。ダウンホール接合部はまた、腐
食作用物を濃縮する隙間として働き得る、交換管とチュ
ーブシートとの間の環状の空間を除去する。よって、本
発明は、どのようなシェルアンドチューブ熱交換器の有
効寿命を延ばすのにも有用である。本発明のフェルール
および接合部は特に、高温で反応性の流出気体にさらさ
れるシェルアンドチューブ熱交換器、好ましくは熱交換
器が還元、浸炭または窒化環境にさらされるところ、例
えばシアン化水素の製造において有用である。

【００２４】反応性の高温の高摩耗性の流出ストリーム
を生じる反応器と共に使用するのに適当な多くの熱交換
器のデザインがある。特にシアン化水素の製造に関し
て、高温のプロセス気体をクエンチする必要性が長く認
められてきた。高温のプロセス気体または流出気体をク
エンチするとは、その中に含まれる生成物が分解しない
くらい十分に気体を冷却することを意味する。例えば、
シアン化水素の製造において、高温のプロセス気体を十
分に冷却しないと、存在するシアン化水素が分解するこ
とが良く知られている。

【００２５】シアン化水素の製造において有用な、典型
的な熱交換ユニットまたは容器を図３ａ〜３ｅに示す。
これらのユニットは、各図において同じ数字で同一にさ
れている、以下の要素を有する：高温のプロセス気体入
口１、冷却されたプロセス気体出口６、交換器冷却水入
口７、交換器冷却水出口８、交換器チューブシートベン
ト（ｖｅｎｔ）９、チューブシート４、熱交換管２、熱
交換容器１０、反応容器１１、および耐火材１２。耐火
材１２は、チューブシートを、高温のプロセス気体に直
接さらすことから保護する。矢印は、気体または冷却水
の流れの方向を示す。

【００２６】図３ａのユニットは、反応容器の下部が熱
交換容器の中へ伸び、熱交換容器に囲まれるように配置
される。このことにより、冷却水出口を交換管とチュー
ブシートの接合点の高さより上に位置させることが可能
となる。チューブシートは、熱交換容器の凸状内部上表
面を形成する。プロセス気体は下方に流れ、冷却水に囲
まれた交換管を通過する。交換管はチューブシートを通
過し、交換管の上方のへり（ｌｉｐ）とチューブシート
の上表面との間の境界面で、慣用の接合部を用いてチュ
ーブシートに接合される。高温の水および、高温のプロ
セス気体のクエンチ中にその中に形成された泡が一般
に、交換管から冷却水出口へと導かれる。

【００２７】図３ｂのユニットは、一般に比較的大きい
厚みを持つ平らなチューブシートを有する。プロセス気
体はチューブシートを通過して、交換管へと下に進む。
冷却水は底から熱交換容器に入り、主として容器上部の
冷却水出口を通って出ていく。チューブシートは、冷却
水がそれを水平に通って流れるようにさせるインテグラ
ル流路（ｉｎｔｅｇｒａｌ ｃｈａｎｎｅｌ）を含む。
また、容器の上部、主出口の上に位置する交換器チュー
ブシートベントがあり、これは、チューブシート流路
（ｃｈａｎｎｅｌ）から水を受け取る。これらのベント
は、最も高温の水およびその中に混入された泡を除去す
るように設計されている。

【００２８】図３ｃのユニットは、熱交換媒体の出口流
れに対して、逆配向を使用する。チューブシートは、そ
れから下に伸びている交換管を有する環の形状である。
冷却水出口は、環の中心にあり、高温の水を上へ、反応
容器の中心を通って交換容器から外へ運ぶ。冷却水入口
は、熱交換容器の底にある。冷却水の上方への流れ、お
よび、好ましくは冷却水出口の方へ上方へと角度をつけ
られたチューブシートの斜面は、高温の水および混入さ
れた泡の、チューブシートおよび交換管から外への除去
を促進する。

【００２９】図３ｄのユニットは、平面の上表面を備
え、熱交換容器の凹状上表面を形成するチューブシート
を提供する。冷却水は熱交換容器に入り、容器の上部へ
と向かい、容器の基部に近い冷却水出口を通って出て行
く。入口および出口、ならびに容器の凹状の屋根の配置
は、最も冷たい水をチューブシートの下表面およびチュ
ーブシートから出てくる交換管へと導く傾向にある。容
器の頂部近くに配置された出口を備えた交換器チューブ
シートベントは、高温の水および泡を、チューブシート
および交換管から外へ除去するように働く。

【００３０】図３ａ〜３ｄに示されたユニットのそれぞ
れにおいては、プロセス気体は、ユニットを通って下方
へ流れる。図３ｅのユニットにおいては、プロセス気体
は上方へ流れる。この配向において、反応容器は熱交換
容器の下にある。気体は、耐火材料を過ぎチューブシー
トを通って上方へ、そして交換管へと流れる。冷却水
は、チューブシートのちょうど上の熱交換容器の底で容
器に入り、容器の頂部に近い出口から除去される。その
結果、高温の水および気泡、例えば蒸発した水が容器の
頂部へ、すなわち、チューブシートから離れる。しかし
ながら、冷却水中の固体、特に無機質は、チューブシー
トのさらされた上表面に沈殿し、蓄積することがある。
そのような無機質の堆積物は、チューブシート、交換管
およびそれに隣接するチューブシート接合部の劣化を促
進する、局在化したホットスポット（ｈｏｔｓｐｏｔ）
を作る。このデザインの利点は、チューブシートに隣接
する気体層、すなわち熱交換に対するバリヤーの形成が
最小にされることである。

【００３１】シェルアンドチューブ熱交換器、例えば図
３ａ〜３ｅにおける熱交換器の冷却効率は、シェル内に
バフル（ｂａｆｆｌｅ）を使用することによって改善す
ることができる。そのようなバフルは、シェル内の熱交
換媒体の流れを導く。シェル内のバフルの大きさ、形状
および配置は、使用される特定の熱交換器のデザインに
特有である。そのようなバフルのデザインおよび配置
は、当業者の裁量の範囲内であり、所望なら、そのよう
なバフルは水の入口および出口を逆にすることを可能に
する。１つより多い熱交換器を直列に接続することがで
き、それはまた、反応器流出物の冷却を高めることがで
きることが認識される。

【００３２】シェルアンドチューブ熱交換器において
は、チューブシートは典型的には、約８分の１インチ
（０．３ｃｍ）〜約２０インチ（５０ｃｍ）の厚さであ
る。そのようなチューブシートは典型的には、炭素鋼、
ステンレス鋼、ニッケル合金、ニッケル‐クロム合金、
ニッケル‐モリブデン合金等から作られる。そのような
シェルアンドチューブ熱交換器においては、熱交換管は
典型的には、公称径（ｎｏｍｉｎａｌ ｄｉａｍｅｔｅ
ｒ）０．５インチ（１．２ｃｍ）〜２インチ（５ｃｍ）
である。熱交換管は、流出気体または液体の冷却を可能
にする任意の長さであることができる。熱交換管の長さ
は、熱交換器デザイン、管径、冷媒流等に依存して変わ
る。よって、特定の反応器デザインについての管の長さ
は、当業者の裁量の範囲内でよい。典型的な管の長さ
は、４フィート（１．２ｍ）〜３０フィート（９ｍ）の
範囲にある。シェルアンドチューブ熱交換器において有
用な管は典型的には、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル
合金、ニッケル‐クロム合金、ニッケル‐モリブデン合
金等から作られる。

【００３３】熱交換管が、炭素鋼またはニッケル‐クロ
ム合金から作られるのが好ましい。熱交換管に使用され
るのに適当なニッケル‐クロム合金は、４０〜８０％の
ニッケルおよび１２〜２８％のクロムを含む。ニッケル
‐クロム合金は任意的に、１種以上の他の成分、例えば
炭素、ケイ素、マンガン、銅、硫黄、コバルト、アルミ
ニウム、鉄、チタン、ホウ素、リン、モリブデンまたは
ニオブを含むことができる。適当な市販の入手可能なニ
ッケル‐クロム合金としては、スペシャル メタルズ
コーポレーション（Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃ
ｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（ニューハートフォード、ニュ
ーヨーク）から入手可能なＩＮＣＯＮＥＬの商標で販売
されているものが挙げられる。適当なＩＮＣＯＮＥＬ合
金としては、ＩＮＣＯＮＥＬ ６００、ＩＮＣＯＮＥＬ
６０１、ＩＮＣＯＮＥＬ ６１７、ＩＮＣＯＮＥＬ
６２５、ＩＮＣＯＮＥＬ ７１８、ＩＮＣＯＮＥＬ Ｘ
−７５０、ＩＮＣＯＮＥＬ ７５１およびＩＮＣＯＮＥ
Ｌ ＭＡ ７５４が挙げられるが、これらに限定されな
い。熱交換管で使用されるニッケル‐クロム合金が、７
１〜７５％のニッケル、１５〜１７％のクロム、７〜１
１％の鉄、０．２〜０．３５％のマンガン、０．２〜
０．３５％のケイ素、０．１〜０．３％の銅、０．００
３〜０．０４％の炭素および０．００１〜０．０１％の
硫黄を含むのが好ましい。適当な好ましいニッケル‐ク
ロム合金としては、ＩＮＣＯＮＥＬ ６００が挙げられ
る。チューブシートおよび熱交換管が同じ材料から作ら
れるのがさらに好ましい。

【００３４】シェルアンドチューブ熱交換器を通過す
る、高温のプロセス気体および／または流体は、任意の
熱交換媒体によって冷却されることができる。そのよう
な媒体は、少なくとも１つの入口を通ってシェルに入
り、熱交換管に沿って進み、少なくとも１つの出口を通
ってシェルから出て行く。適当な熱交換媒体は、プロセ
ス気体および／または流体から熱を除去する任意のもの
である。適当な熱交換媒体としては、水、水と蒸気との
混合物、溶融塩、グリコール、水とグリコールとの混合
物、オイル例えば天然もしくは合成のオイル、気体例え
ば空気およびプロセス気体ストリーム等が挙げられる
が、これらに限定されない。

【００３５】図１ａは、シェルアンドチューブ熱交換
器、例えば図３ａ〜３ｅに示されたものにおいて、熱交
換管をチューブシートに付けるのに使用される典型的な
接合部を示す。図１ａは、以下の要素を有する：高温の
プロセス気体の入口１、熱交換管２、接合部３、チュー
ブシート４、環状空間５および冷却されたプロセス気体
の出口６。環状空間５は、チューブシートを通って上に
伸び、交換管２をチューブシート４に付けている接合部
３の下表面で終わる。冷却水が環状空間５に入ると、冷
却水は蒸発し、水に含まれる任意の不純物が環状空間５
に堆積する。そのような不純物は典型的には、水中のイ
オンおよび無機質等である。そのような不純物はまた典
型的には、チューブシート、交換管および特に接合部に
対して腐食性である。時間が経つと、そのような腐食性
の物質が環状空間５に蓄積する。流出気体からの熱と腐
食性の物質との組み合せは、系における応力と共に、
管、接合部および／またはチューブシートに応力腐食亀
裂をもたらす。接合部領域を熱処理することは、接合
部、特にニッケル‐クロム合金の接合部における応力腐
食亀裂についての可能性を最小にする。しかしながら、
そのような熱処理は、管および／またはチューブシート
における応力腐食亀裂を排除しない。そのような応力腐
食亀裂は熱交換器の破壊、そして結局は熱交換器の交換
に至る。

【００３６】交換管をチューブシートに付ける他の方
法、例えばローリング（ｒｏｌｌｉｎｇ）が知られてい
る。ローリングにおいては、熱交換管の端が、チューブ
シートの穴の内側の噛み合う溝に転がる。図１ｂは、交
換管のチューブシートへの典型的なローリングによる接
合を示す。そのようなローリング法は当業者に良く知ら
れている。管をローリングによってチューブシートに付
けるとき、小さい環状空間５が、交換管２とチューブシ
ート４との間に残り、これはまた、応力腐食亀裂を生じ
得る。そのようなローリングは、さらなる機械的強度の
ために、図１ａに示したような接合部と組み合せること
ができる。しかしながら、そのような組み合せは、応力
腐食亀裂を除去しない。

【００３７】反応性で高温のプロセス気体を有する反応
器、例えばシアン化水素反応器において使用される熱交
換容器は、そのような応力腐食亀裂を最小にするように
設計されてきた。例えば、図３ａ〜３ｄに示された熱交
換容器のそれぞれは、流出気体の冷却を促進するデザイ
ンを有する。各デザインは、高い冷却水流速、冷却水の
乱流、および任意的に、高温の流出気体から上部チュー
ブシートを断熱するための耐火材を備える。流出気体の
効率的な冷却によって、これらのデザインは、腐食の速
度を減少させる。しかしながら、これらのデザインは、
腐食を除去しない。

【００３８】図３ｅのユニットの上方への流れ配向は、
上記した特別の問題、すなわち環状空間における腐食作
用物の濃縮を減らす。というのは、高温の水および蒸気
は、チューブシートおよび交換管接合部から離れて上が
っていくからである。しかしながら、この配置はなお、
冷却水からの無機質および他の沈殿物の堆積の影響を受
ける。これらの物質はまた、チューブシートの開口と交
換管との間の隙間へと入って行くことができ、これらの
要素ならびに接合部への損傷を引き起こす。

【００３９】したがって、反応性で高温のプロセス気体
を有する反応器において使用される公知の熱交換容器デ
ザインは、腐食性物質の濃縮の問題を解決せず、よっ
て、応力腐食亀裂の問題を解決しない。

【００４０】本発明のダウンホール接合部は、反応性で
高温のプロセス気体を有する熱交換器、例えばシアン化
水素反応器、硝酸廃棄物回収交換器（ｎｉｔｒｉｃ ａ
ｃｉｄ ｗａｓｔｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｅｘｃｈａｎ
ｇｅｒ）およびアクリロニトリル反応器における応力腐
食亀裂を大きく減らす。図２ａは、本発明において有用
なダウンホール接合部を示す。図２ａは次の要素を有す
る：高温のプロセス気体の入口１、熱交換管２、接合部
４８、チューブシート４および冷却されたプロセス気体
の出口６。ダウンホール接合部においては、熱交換管の
頂部が、フルペネトレーション接合部を用いてチューブ
シートの下面に付けられる。このようにして、環状空間
を除去し、腐食性物質の濃縮を大きく減らす。ダウンホ
ール接合部の使用は、応力腐食亀裂を減らすことによっ
て、シェルアンドチューブ熱交換器、特にシアン化水素
の製造において使用される熱交換器の有効寿命を大きく
増大させる。ダウンホール接合部は、好ましくは図３ａ
〜３ｅに示されたような、より好ましくは図３ａ〜３ｄ
に示されたような熱交換ユニットを有するシアン化水素
反応器において使用される。

【００４１】本発明において有用なダウンホール接合部
は、任意の慣用の手段、例えば米国特許第４，２２１，
２６３号に記載されたような手段によって形成すること
ができる。交換管が、種々のやり方で、接合のためにチ
ューブシートに適合できることが認識される。例えば、
管は、チューブシートの下表面のカウンターボア（ｃｏ
ｕｎｔｅｒｂｏｒｅ）またはソケットに適合でき、か
つ、管の内側からチューブシートへ、または管の外側で
チューブシートの下表面へ接合することができる。例え
ば、米国特許第４，２２１，２６３号参照。使用される
ダウンホール接合部は、図２ａによって示されたもので
あるのが好ましい。

【００４２】本発明の好ましいダウンホール接合部を製
造するには、径ｍを有する穴を、軸ｙに沿ってほぼ完全
にチューブシートを通過する穴をあける（図２ｂ参
照）。次に、径ｎを有する、より小さい穴を、軸ｙに沿
ってチューブシートの残部を通過する穴をあける。径ｎ
は、交換管２が穴を通して挿入されることができるくら
い十分に大きい。交換管を次に、交換管軸ｘおよびチュ
ーブシートの穴の軸ｙとが一致するように、チューブシ
ートに挿入する。交換管２はチューブシートの穴に、チ
ューブシートの下面から距離ｐだけ挿入される。距離ｐ
は、径ｎを有するチューブシートの穴の長さに等しい。
距離ｐは、管をチューブシートに接合するために十分な
面積を与える任意の長さであることができる。典型的に
は、距離ｐは、チューブシートの厚さの２分の１より小
さく、好ましくは、チューブシートの厚さの３分の１よ
り小さい。管をチューブシートに挿入したら、任意の慣
用の手段によって、管とチューブシートとの間にフルペ
ネトレーション接合部が形成される。径ｍおよびｎを有
するチューブシートの穴が、１つ以上の穴あけ工程で作
ることができることを、当業者は認識するであろう。

【００４３】本発明のダウンホール接合部は典型的に
は、熱処理される。そのような熱処理においては、接合
部および取り囲む金属領域が加熱される。使用される熱
処理の方法は、接合される特定の金属に適したものであ
る。そのような熱処理法は、当業者によく知られてい
る。

【００４４】反応器要素はまた、使用される種々の化学
的プロセスから生じる、破壊的な熱的、化学的および物
理的作用物に出合う。熱交換管は特にそのような作用物
にさらされる。例えば、シアン化水素の製造において、
製造されて生じるシアン化水素気体は、分解を最小にす
るために急冷されなければならない。そのような反応器
において、熱交換器ユニットは、できるだけ触媒および
反応帯域に近く置かれる。かくして熱交換管の上部、す
なわち触媒および反応帯域に最も近い部分は連続的に、
還元、浸炭および／または窒化環境を有する反応性で高
温の流出気体にさらされる。任意の耐火材、例えばセラ
ミックが、チューブシートの上表面、すなわち触媒およ
び反応帯域に最も近いところに置かれる。そのような任
意の耐火材は、反応の熱からチューブシートを断熱す
る。しかしながら、そのような任意の耐火材は典型的に
は、反応器によって生成される熱および化学種にさらさ
れる熱交換管を覆わない。

【００４５】そのような苛酷な環境にさらされる熱交換
器の有効寿命を増加する１つのアプローチは、典型的に
は、チューブシートを通して熱交換管の上端へとセラミ
ックフェルールを置くことによって熱交換管を断熱する
ことである。そのようなフェルールは典型的には、管を
熱から保護するだけで、必然的に化学的かつ物理的作用
物からは保護しない。例えば、シリカ、アルミナおよび
ジルコニアのセラミックフェルールは、熱的保護を与え
ることが知られている。しかし、そのようなフェルール
は、シアン化水素反応器、硝酸廃棄物回収交換器および
アクリロニトリル反応器、管側燃焼ボイラー（ｔｕｂｅ
−ｓｉｄｅ ｆｉｒｅｄ ｂｏｉｌｅｒ）、管側燃焼交
換器または触媒分解炉（ｃｒａｃｋｅｒ）の苛酷な環境
下での化学的および物理的作用物に対する適切な保護を
与えることはない。これらの環境下では、典型的に使用
されるフェルール（公知のセラミックフェルールを含
む）は犠牲的であり、それらが劣化し、かつ定期的に監
視し、交換されなければならないことを意味する。

【００４６】そのような苛酷な環境にさらされる熱交換
管の有効寿命を増加させる別のアプローチは、反応器の
環境に抵抗性の合金、例えばニッケル‐クロム合金から
熱交換管を作ることである。しかし、そのようなニッケ
ル‐クロム合金から作られた熱交換管はなお、金属ダス
ティングのような問題を受けやすい。

【００４７】驚くべきことに、ニッケル‐クロム合金ま
たは窒化ケイ素を含むフェルールを使用することによっ
て、シェルアンドチューブ熱交換器、特にシアン化水素
の製造で使用される熱交換器の有効寿命を非常に延ばす
ことがわかった。本発明において有用なフェルールが窒
化ケイ素を含むのが好ましい。

【００４８】本発明のフェルールに使用するための適当
なニッケル‐クロム合金としては、米国特許第５，３５
４，５４３号に開示されたものまたは任意の他の市販の
入手可能な合金が挙げられる。本発明において有用なニ
ッケル‐クロム合金が、４０〜８０％のニッケルおよび
１２〜２８％のクロムを含むのが好ましい。ニッケル‐
クロム合金は任意的に、１種以上の他の成分、例えば炭
素、ケイ素、マンガン、銅、硫黄、コバルト、アルミニ
ウム、鉄、チタン、ホウ素、リン、モリブデンまたはニ
オブを含むことができる。本発明において有用な適当な
市販の入手可能なニッケル‐クロム合金としては、スペ
シャル メタルズ コーポレーション（Ｓｐｅｃｉａｌ
Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（ニューハ
ートフォード、ニューヨーク）から入手可能なＩＮＣＯ
ＮＥＬの商標で販売されているものが挙げられる。本発
明において有用な、適当なＩＮＣＯＮＥＬ合金として
は、ＩＮＣＯＮＥＬ ６００、ＩＮＣＯＮＥＬ ６０
１、ＩＮＣＯＮＥＬ ６１７、ＩＮＣＯＮＥＬ ６２
５、ＩＮＣＯＮＥＬ ７１８、ＩＮＣＯＮＥＬ Ｘ−７
５０、ＩＮＣＯＮＥＬ ７５１およびＩＮＣＯＮＥＬ
ＭＡ ７５４が挙げられるが、これらに限定されない。
ニッケル‐クロム合金が、７１〜７５％のニッケル、１
５〜１７％のクロム、７〜１１％の鉄、０．２〜０．３
５％のマンガン、０．２〜０．３５％のケイ素、０．１
〜０．３％の銅、０．００３〜０．０４％の炭素および
０．００１〜０．０１％の硫黄を含むのが好ましい。適
当な好ましいニッケル‐クロム合金としては、ＩＮＣＯ
ＮＥＬ ６００が挙げられる。

【００４９】本発明において有用な窒化ケイ素フェルー
ルは、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）または窒化ケイ素合金
を含む任意のものである。本発明のフェルールにおいて
有用な、適当な窒化ケイ素材料としては、窒化ケイ素、
窒化ケイ素ホイスカーを含むセラミックまたは窒化ケイ
素合金が挙げられるが、これらに限定されない。窒化ケ
イ素ホイスカーを含む適当なセラミックとしては、アル
ミナ、ジルコニア等が挙げられるが、これらに限定され
ない。任意の窒化ケイ素合金が、本発明において使用す
るのに適当である。そのような窒化ケイ素合金として
は、５％までの炭素を含むもの、例えば米国特許第４，
０３６，６５３号に開示されたものが挙げられる（その
ような窒化ケイ素合金の製造を教示する記載の範囲は本
明細書において参照される）。窒化ケイ素フェルール
が、少なくとも９５％の窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含
むのが好ましく、より好ましくは少なくとも９７％の窒
化ケイ素、最も好ましくは少なくとも９９％の窒化ケイ
素を含むものである。窒化ケイ素が、製造中にホットプ
レス（ｈｏｔ ｐｒｅｓｓ）されるのがさらに好まし
い。

【００５０】本発明のフェルールは、シェルアンドチュ
ーブ熱交換器の熱交換管に適合する任意の形であること
ができる。よって当業者は、フェルールの外径が熱交換
管の内径より小さいことを認識するであろう。フェルー
ルの外径は、ぴったり合うように交換管の内径と実質的
に同じ大きさから、非常に緩く合うように交換管の内径
より有意に小さい大きさまで、どんな大きさであっても
よい。当業者は、与えられた熱交換管デザインのために
必要なフェルールの外径を容易に決定できる。実質的に
同じとは、フェルールまたはその一部と交換管またはチ
ューブシート穴との間に有効な封止を与えつつ、フェル
ールまたはその任意の一部の外径が、交換管またはチュ
ーブシート穴の中に適合するのに十分小さいことを意味
する。本発明のフェルールは典型的には、０．５〜２イ
ンチ（１．２〜５ｃｍ）、好ましくは０．７５〜１．７
５インチ（１．９〜４．４ｃｍ）の範囲の公称径を有す
る。

【００５１】本発明のフェルールは、フェルールの入口
端の上表面、すなわち反応器の反応帯域に最も近い端
が、入口チューブシートの上表面と少なくとも同じ高さ
であるように、熱交換管中に挿入される。本発明のフェ
ルールの入口端が、チューブシートの上表面の上に伸び
るのが好ましい。フェルールの入口端が、任意の耐火材
層の上に伸びるのがさらに好ましい。使用するときは、
そのような耐火材層は典型的には、１〜２４インチ
（２．５〜６０ｃｍ）の厚さである。フェルールを任意
の耐火材層の上に伸ばすことによって、高温の流出物に
よる任意の耐火材層の浸食が減らされる。このように、
フェルールの長さは、熱交換器デザインならびに、使用
するなら、耐火材の量およびタイプに依存する。

【００５２】フェルールが、管を下にずっとすべる、す
なわちフェルールが提供する保護が必要なところからす
べっていってしまうのを防ぐような方法で、フェルール
を交換管中に据え付ける、または挿入すべきことを、当
業者は認識するであろう。本発明のフェルールの入口
端、すなわち反応器の反応帯域に最も近い端は、フェル
ールを適所に保持するための手段を有する。適当な保持
手段としては、リップ（ｌｉｐ）、リム（ｒｉｍ）、隆
起（ｒｉｄｇｅ）、フランジ（ｆｌａｎｇｅ）、じょう
ご形にする（ｆｌａｒｉｎｇ）、クランプ（ｃｌａｍ
ｐ）等が挙げられるが、これらに限定されない。本発明
のフェルールがリップまたはじょうご形にされたもしく
は円錐状の入口端を有するのが好ましく、より好ましく
はじょうご形にされたもしくは円錐状の入口端を有す
る。

【００５３】本発明のフェルールは、熱交換器で使用さ
れる入口チューブシートの厚さと少なくとも等しい長さ
を持たなければならない。その他の点では、フェルール
の長さは重要ではない。フェルールが犠牲的なフェルー
ル（それが、使用中にすりへらされることが期待されて
いることを意味する）なら、フェルールは、フェルール
を取り換えなければならなくなる前に、反応器の運転時
間をのばすように、必要なよりも長いのが好ましい。実
際のフェルールの長さは、反応器中の個々の流出気体な
らびに熱交換器のデザインに依存し、そのようなこと
は、当業者の裁量の範囲内である。本発明のフェルール
が、チューブシートの下に伸びるのに十分な長さを有す
るのが好ましい。冷却媒体が効率的であればあるほど、
チューブシートの下に伸びるフェルールの長さを短くで
きることが認識される。フェルールが、チューブシート
の下に０．５〜４インチ（１．２〜１０ｃｍ）伸びるの
が好ましい。典型的には、本発明において有用なフェル
ールは、１〜３０インチ（２．５〜７６ｃｍ）、好まし
くは２〜２０インチ（５〜５０ｃｍ）の範囲の全長を有
する。

【００５４】本発明のフェルールは、そのままで使用さ
れるか、またはさらなる断熱層でラップ（ｗｒａｐ）さ
れることができる。低い熱伝導度を有する任意の繊維タ
イプの材料が、ラッピング（ｒａｐｐｉｎｇ）断熱材と
して使用するのに適当である。適当な断熱材としては、
アルミナ、ジルコニア、シリカ等が挙げられるが、これ
らに限定されない。そのような断熱材は、ブランケット
（ｂｌａｎｋｅｔ）、ゲージ（ｇａｕｚｅ）、テープ
（ｔａｐｅ）等の形状であることができる。例えば、適
当な断熱材としては、シリカ紙、Ｆｉｂｅｒｆｒａｘ
（登録商標）−Ｄｕｒａｂｌａｎｋｅｔ（ニューヨーク
のユニフラックス コーポレーション オブナイヤガラ
フォール（Ｕｎｉｆｒａｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
ｏｆ Ｎｉａｇａｒａ Ｆａｌｌｓ）により製造）お
よびＡｌｔｒａ（登録商標） Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ
Ｂｌａｎｋｅｔ（ウィルミントン、デラウェアのラス
パーフォーマンス ファイバーズ、 インコーポレーテ
ッド（Ｒａｔｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｆｉｂｅｒ
ｓ， Ｉｎｃ．）から）等が挙げられる。

【００５５】適当なフェルールデザインを図４〜７に示
す。これらのフェルールは、各図において同じ番号によ
って同一にされている次の要素を有する：入口端１３、
出口端１４、高温のプロセス気体の入口１５および、冷
却されたプロセス気体の出口１６。矢印は気体流の方向
を示す。

【００５６】本発明において使用するのに適したフェル
ールは、断熱デザインを有するものを含む。そのような
断熱フェルールは、入口端および出口端を有し；入口端
は、パイプ部分へと円錐形に先細になった開口を有し、
入口端の外径は熱交換管の内径より大きく；パイプ部分
は、熱交換管の内径の９９％以下の外径を有し；パイプ
部分は、熱交換管の内径と実質的に同じ外径を有する広
がった領域を有する。

【００５７】断熱フェルールの他の実施態様の例を図４
ａおよび４ｂに示す。図４ａおよび４ｂのフェルール
は、外径ｑ（一般に、熱交換管または対応するチューブ
シート穴の内径より大きく、よってフェルールを適所に
保持する）を有する円錐形の入口端１３を有する。図４
ａおよび４ｂのフェルールは、長さｔおよび外径ｒ（熱
交換管の内径の９９％までである）を有するパイプ部分
を有する。図４ａにおいて、広がった領域は出口端１４
であり、外径ｓを有し、この外径は、熱交換管に置かれ
たときにフェルールのまわりに有効な封止を形成するよ
うに、熱交換管の内径と実質的に同じである。図４ｂに
おいて、フェルールは、パイプ部分と出口端１４との間
に配置された、広がった領域３８を有する。広がった領
域３８は外径ｓを有し、この外径は、熱交換管に置かれ
たときにフェルールのまわりに有効な封止を形成するよ
うに、熱交換管の内径と実質的に同じである。図４ｂに
おいて、出口端１４は、広がった領域から距離ｄであ
る。そのような距離ｄは重要ではない。

【００５８】本発明の断熱フェルールの広がった領域
が、フェルールの長さに沿ってどこにでも配置できるこ
とを当業者は認識するであろう。広がった領域が入口端
に近ければ近いほど、断熱層は短くなる。１つより多い
広がった領域を、フェルールの長さに沿って配置するこ
とができる。本発明の断熱フェルールの広がった領域
は、球根状の突起（ｂｕｌｂｏｕｓ ｐｒｏｊｅｃｔｉ
ｏｎ）、隆起、リップ、フランジ、じょうご形にする等
であることができる。広がった領域が出口端にないとき
は、端は、図４ｂに示したように少し中へ曲がっている
のが好ましい。そのような中へ曲がっている端が、２フ
ェルール系において、外側のフェルールとして特に有用
である。そのような広がった領域は、フェルールと一体
であることができるか、または、熱交換管に置かれる前
に、例えばセメントによる接着によって、その後フェル
ールに付けられる別々の要素であることができる。

【００５９】本発明の断熱フェルールは、フェルール外
側のパイプ部分および内側の管壁によって規定される環
状空間に気体をトラップする利点を有する。そのような
トラップされた気体は、熱交換管および、あるいはチュ
ーブシート穴および接合部をプロセス気体の熱から保護
するための断熱層を提供する。環状空間の幅は、フェル
ールのパイプ部分の外径ｒと熱交換管の内径との間の差
に等しい。本発明の断熱フェルールのパイプ部分が、熱
交換管の内径の８５〜９９％の範囲の外径を有するのが
好ましく、より好ましくは９０〜９８％の範囲である。
本発明の断熱フェルールは、バイメタル（ｂｉｍｅｔａ
ｌｌｉｃ）を含む任意の金属、セラミックまたはセラミ
ッククラッドメタル（ｃｅｒａｍｉｃ ｃｌａｄ ｍｅ
ｔａｌ）であることができる。適当な金属またはセラミ
ックとしては、ニッケル‐モリブデン合金、ニッケル‐
クロム合金、窒化ケイ素、ジルコニア、アルミナ、炭素
鋼、３００シリーズ ステンレス鋼、４００シリーズ
ステンレス鋼、モネル（ｍｏｎｅｌ）等が挙げられる
が、これらに限定されない。好ましい金属またはセラミ
ックとしては、窒化ケイ素、炭素鋼またはニッケル‐ク
ロム合金が挙げられる。本発明のフェルールの外表面
が、収束／発散形（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ／ｄｉｖｅｒ
ｇｉｎｇ ｓｈａｐｅ）を有するなら、これらはまた、
図４ａおよび４ｂに示されているのと同等の、トラップ
された気体のための断熱環状空間を提供することができ
る。

【００６０】別の実施態様においては、図４ａおよび４
ｂのフェルールは、パイプ部分ｔに沿って断熱物でラッ
プされることができる。上記したようなフェルールのた
めの断熱物として適当な任意の繊維タイプの材料が使用
できる。そのようなラッピングは、フェルールの断熱能
力を増加させることができる。

【００６１】図５のフェルールは、外径ｑ（一般に、熱
交換管または対応するチューブシート穴の内径より大き
く、よってフェルールを適所に保持する）を有する円錐
形の入口端１３を有する。フェルールのパイプ部分は、
外径ｓ（熱交換管の内径と実質的に同じである）を有す
る出口端１４と同じ径を有する。パイプ部分の内径ｕ
は、パイプ部分の長さに沿って均一である。本発明にお
いて有用な、図５に示された一般的形状を有する窒化ケ
イ素フェルールは一般に、サンドブラスティング（ｓａ
ｎｄ ｂｌａｓｔｉｎｇ）のためのノズルとして、例え
ばセラダイン インコーポレーテッド（Ｃｅｒａｄｙｎ
ｅ Ｉｎｃ．）（コスタ メサ、カリフォルニア）から
市販されていて入手可能である。

【００６２】図６は、外径ｑ（一般に、熱交換管または
対応するチューブシート穴の内径より大きく、よってフ
ェルールを適所に保持する）を有する円錐形入口端１３
を有するベンチュリ管形のフェルールの１つの実施態様
を示す。フェルールのパイプ部分は、外径ｓ（熱交換管
の内径と実質的に同じである）を有する出口端１４と同
じ外径を有する。パイプ部分の内径は、円錐形の入口端
の基部から出口端１４へ徐々に増加する。本発明のベン
チュリ管形のフェルールの内側の構造は、収束／発散ノ
ズルのものである。これらのベンチュリ管形のフェルー
ルにおいては、入口端は、円錐形またはトランペット形
であることができ、円錐形が好ましい。円錐形の端を有
するベンチュリ管形のフェルールにおいては、錐面の角
度は典型的には、１９〜２３度である。本発明のベンチ
ュリ管形のフェルールにおける発散角は典型的には、３
０度未満である。発散角は好ましくは５〜７度である。
そのようなベンチュリ管形のフェルールは、熱交換管に
入る流出気体および／または液体の乱流を減じることに
よって、ならびにフェルール全体で圧力低下が小さいこ
とによって、管壁の浸食を最小にするという利点を有す
る。本発明のベンチュリ管形のフェルールは、バイメタ
ルを含む任意の金属、セラミックまたはセラミッククラ
ッドメタルから作られることができる。適当な金属また
はセラミックとしては、ニッケル‐モリブデン合金、ニ
ッケル‐クロム合金、窒化ケイ素、ジルコニア、アルミ
ナ、炭素鋼、３００シリーズ ステンレス鋼、４００シ
リーズステンレス鋼、モネル等が挙げられるが、これら
に限定されない。好ましい金属またはセラミックとして
は、窒化ケイ素、炭素鋼またはニッケル‐クロム合金が
挙げられる。

【００６３】図７は、真直ぐな内腔および外側のリップ
（ｌｉｐ）３５を有するフェルールを示す。入口端１３
および出口端１４の内径は、実質的に同じである。フェ
ルールの内径は、その長さに沿って実質的に均一であ
る。外側のリップ３５は、フェルールを、チューブシー
トの上部または耐火材層の上部の適所に保持するための
手段を提供する。よって、そのような外側のリップ３５
は、使用される熱交換管の内径より大きい外径を有す
る。外側のリップ３５が、フェルールの長さに沿った任
意の場所に置かれることができることが認識される。し
かし、そのようなフェルールデザインは、熱的衝撃、例
えばシアン化水素反応器において遭遇するような熱的衝
撃に供されるとき、破砕を受ける。

【００６４】本発明のニッケル‐クロム合金および窒化
ケイ素のフェルールは、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケ
ル合金、ニッケル‐クロム合金、ニッケル‐モリブデン
合金等から作られたチューブシートおよび管と共に有効
に使用することができる。本発明のニッケル‐クロム合
金のフェルールが、ニッケル‐クロム合金のチューブシ
ートおよび熱交換管を有する熱交換器に使用されるのが
好ましい。本発明のニッケル‐クロム合金のフェルール
は、管に、化学的、物理的かつ熱的保護を与えるのに有
効である。窒化ケイ素のフェルールは、すべての環境に
おいて、実質的に少しの劣化もなしに、チューブシー
ト、接合部および交換管に熱的保護ならびに化学的およ
び物理的保護を与えるのに非常に有効である。本発明の
窒化ケイ素のフェルールは、還元、浸炭および／または
窒化の環境において、例えばシアン化水素反応器におい
て、化学的および物理的劣化からチューブシート、管お
よび接合部を保護するのに特に有効である。

【００６５】別の実施態様においては、タービュレータ
ー（ｔｕｒｂｕｌａｔｏｒ）（また、ねじられたテープ
（ｔｗｉｓｔｅｄ ｔａｐｅ）と呼ばれる）を本発明の
フェルール（長手方向の断面がベンチュリ管の形でな
い）に加えることができる。そのようなタービュレータ
ーは典型的には、本発明のフェルール中にすべってい
く、または、さもなければ挿入される別々の要素であ
り、フェルールの出口を通りすぎて管へと伸びることが
できる。そのようなタービュレーターは、らせん状の流
れパターン（ｃｏｒｋｓｃｒｅｗ ｆｌｏｗ ｐａｔｔ
ｅｒｎ）を、熱交換器へ入る流出気体に与える。そのよ
うな流れパターンは、管壁での気体の停滞した境界層の
形成を減じ、よって、熱交換管の全体に亘る熱移動を改
善する。このようにして、プロセス気体は、より急速に
クエンチされる。適当なタービュレーターとしては、ら
せん形および二重らせん形インサート（ｉｎｓｅｒｔ）
が挙げられる。そのようなインサートは、金属、例えば
炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金、ニッケル‐モリ
ブデン合金およびニッケル‐クロム合金から作られるこ
とができる。

【００６６】なお別の実施態様においては、本発明のフ
ェルールは、施条をつけられる（ｒｉｆｌｅｄ）ことが
できる。施条をつける（ｒｉｆｌｉｎｇ）とは、らせん
形の溝、隆起（ｒｉｄｇｅ）または他の突出物をフェル
ールの内部に加えることを意味する。そのような隆起
は、らせん状の流れパターンを、熱交換器へ入る流出気
体に与えるという利点を有する。そのような施条は典型
的には、らせんまたは二重らせんの形状である。そのよ
うな施条は、本発明のフェルールの内壁を摩滅させる、
溝をつける等によって達成することができる。あるい
は、フェルールの鋳込（ｃａｓｔｉｎｇ）中に隆起を形
成することができる。

【００６７】なお別の実施態様においては、フェルール
を熱交換管中に挿入する前に、フェルールをスリーブ
（ｓｌｅｅｖｅ）内に置く。本発明のフェルールと共に
使用するためのスリーブは典型的には、短い中空の筒、
例えば交換管の一部である。そのようなスリーブは、任
意の鋳込可能な耐火材を取り付ける間、フェルールをチ
ューブシートの上の特定の高さに保持するという利点を
有する。このことは、フェルールが、チューブシートの
上部に置かれた任意の耐火材の上部に、またはその上に
伸びることを可能にする。フェルールスリーブが使用さ
れるときは、フェルールの出口端がチューブシートの少
なくとも底まで伸びるように、フェルールの長さは、チ
ューブシートの上のフェルールの長さを考慮して、伸ば
されなければならない。スリーブは、耐火材が適所に置
かれるまでフェルールを支持することができる任意の物
質でできていることができる。かくして、フェルールス
リーブは、セラミック、例えばアルミナ、シリカ、ジル
コニア、窒化ケイ素および、窒化ケイ素ホイスカーで強
化されたセラミック；金属、例えば炭素鋼、ステンレス
鋼、ニッケル合金、ニッケル‐クロム合金およびニッケ
ル‐モリブデン合金；ろう；プラスチック、紙、厚紙等
であることができる。スリーブが、セラミックまたは金
属であるのが好ましく、より好ましくは窒化ケイ素また
はニッケル‐クロム合金である。そのようなスリーブ
は、耐火材がチューブシートの上部に加えられるまでフ
ェルールを支持する必要しかない。プレキャスト（ｐｒ
ｅ−ｃａｓｔ）耐火材が使用されるときは、フェルール
スリーブは必要とされない。

【００６８】ある種の用途または反応器デザインにおい
ては、多フェルール系、例えば２フェルール系を使用す
るのが望ましいことがある。２フェルール系は、内部フ
ェルール（典型的には、その断熱能力および／または耐
薬品性のために選択される）、および外部フェルール
（第１に、その耐久性のために選択される）を含む。適
当な内部フェルールとしては、セラミック、例えばアル
ミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、窒化ケイ素ホイスカー
で強化されたアルミナ、窒化ケイ素ウィスカーで強化さ
れたジルコニア等が挙げられる。内部フェルールが窒化
ケイ素であるのが好ましい。外部フェルールは、任意の
物質でできていることができる。適当な外部フェルール
材料としては、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、ニッ
ケル‐クロム合金、ニッケル‐モリブデン合金、窒化ケ
イ素等が挙げられるが、これらに限定されない。外部フ
ェルールが、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル‐クロム
合金および窒化ケイ素であるのが好ましい。外部フェル
ールが、本発明の断熱フェルールであるのが好ましい。

【００６９】図９は、広がった領域４６を有する断熱外
部フェルール４２内に配置された内部フェルール４０を
有する２フェルール系を示す。２フェルール系は、フェ
ルールスリーブ３１によって支持され、耐火材層４４の
開口中にある。２フェルール系は、入口チューブシート
４の開口を通過し、交換管２の入口端へ入る。交換管２
は、入口チューブシート４の上表面に、慣用の接合部３
によって取り付けられている。

【００７０】窒化ケイ素フェルールの利点は、それら
が、多くの化学反応器において流出気体の雰囲気と化学
的に相溶性であることである。さらに、本発明の窒化ケ
イ素フェルールは、流出気体が熱交換管中で触媒金属に
されされることによって分解される系において、例えば
ある種のシアン化水素反応器において使用することがで
きる。本発明の窒化ケイ素フェルールは、１種以上の次
の流出気体を含むことがある反応器において特に有用で
ある：水素、窒素、窒素酸化物、酸素、一酸化炭素、二
酸化炭素、アンモニア、メタンおよび他の気体状炭化水
素。

【００７１】このように、本発明のフェルールおよび／
またはダウンホール接合部は、シアン化水素反応器、例
えばアンドルッソー（Ａｎｄｒｕｓｓｏｗ）またはデグ
ッサ（Ｄｅｇｕｓｓａ） Ｂ−Ｍ−Ａプロセス、硝酸廃
棄物熱回収交換器、アクリロニトリル反応器、二酸化チ
タン反応系、アンモニア反応および／またはボイラー
系、リン酸反応系、硫酸反応系、エチレンクエンチ交換
器、管側燃焼ボイラー、管側燃焼交換器、廃棄物焼却炉
または触媒分解炉において使用されるシェルアンドチュ
ーブ熱交換器の有効寿命を延ばすのに好ましく使用され
る。本発明は、シアン化水素反応器、硝酸廃棄物熱回収
交換器、およびアクリロニトリル反応器におけるシェル
アンドチューブ熱交換器の有効寿命を延ばすのに使用さ
れるのがより好ましく、最も好ましくはシアン化水素反
応器である。このように、本発明は、炭化水素、アンモ
ニアおよび任意的に酸素含有気体を、白金含有触媒の存
在下で反応させることによりシアン化水素を製造する反
応器によく適合される。

【００７２】１つの実施態様においては、本発明は、
（ａ）入口チューブシート部分および出口チューブシー
ト部分を有するシェルであって、各チューブシートは複
数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のための少なくとも
１つの入口および少なくとも１つの出口を有する、シェ
ル；（ｂ）シェル内に配置された複数の管であって、管
の軸と入口および出口のチューブシートの穴の軸とが一
致するように、各管の入口端が入口チューブシートに付
けられ、かつ各管の出口端が出口チューブシートに付け
られていて、各管の入口端はダウンホール接合部によっ
て入口チューブシートに付けられている、複数の管；な
らびに（ｃ）複数のフェルールであって、各フェルール
は、入口端および出口端を有し、フェルールは入口チュ
ーブシートの穴を通って管内に達し、出口端は入口チュ
ーブシートの下方に位置し、フェルールは窒化ケイ素ま
たはニッケル‐クロム合金を含む、複数のフェルールを
含む、延ばされた有効寿命を有する熱交換装置を提供す
る。熱交換管がニッケル‐クロム合金を含むのが好まし
い。フェルールが窒化ケイ素を含むのがさらに好まし
い。

【００７３】別の実施態様においては、本発明は、
（ａ）入口チューブシート部分および出口チューブシー
ト部分を有するシェルであって、各チューブシートは複
数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のための少なくとも
１つの入口および少なくとも１つの出口を有する、シェ
ル；（ｂ）シェル内に配置された複数の管であって、管
の軸と入口および出口のチューブシートの穴の軸とが一
致するように、各管の入口端が入口チューブシートに付
けられ、かつ各管の出口端が出口チューブシートに付け
られていて、各管の入口端はダウンホール接合部によっ
て入口チューブシートに付けられている、複数の管；な
らびに（ｃ）複数のフェルールであって、各フェルール
は、入口端および出口端を有し、フェルールは入口チュ
ーブシートの穴を通って管内に達し、出口端は入口チュ
ーブシートの下方に位置し、フェルールは、長手方向の
断面がベンチュリ管であるデザインを有し、かつ窒化ケ
イ素またはニッケル‐クロム合金を含む、複数のフェル
ールを含む、延ばされた有効寿命を有する熱交換装置を
提供する。熱交換管がニッケル‐クロム合金を含むのが
好ましい。フェルールが窒化ケイ素を含むのがさらに好
ましい。

【００７４】なお別の実施態様においては、本発明は、
（ａ）入口チューブシート部分および出口チューブシー
ト部分を有するシェルであって、各チューブシートは複
数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のための少なくとも
１つの入口および少なくとも１つの出口を有する、シェ
ル；（ｂ）シェル内に配置された複数の管であって、管
の軸と入口および出口のチューブシートの穴の軸とが一
致するように、各管の入口端が入口チューブシートに付
けられ、かつ各管の出口端が出口チューブシートに付け
られていて、各管の入口端はダウンホール接合部によっ
て入口チューブシートに付けられている、複数の管；な
らびに（ｃ）複数のフェルールであって、各フェルール
は、入口端および出口端を有し、フェルールは入口チュ
ーブシートの穴を通って管内に達し、出口端は入口チュ
ーブシートの下方に位置し、フェルールが、入口端およ
び出口端を有し；入口端は、パイプ部分へと円錐形にま
たはトランペット形に先細になった開口を有し、入口端
の外径は熱交換管の内径より大きく；パイプ部分は、熱
交換管の内径の９９％までの外径を有し；フェルールの
出口端は、熱交換管の内径と実質的に同じ外径を有し；
かつフェルールは窒化ケイ素またはニッケル‐クロム合
金を含む、複数のフェルールを含む、延ばされた有効寿
命を有する熱交換装置を提供する。フェルールが窒化ケ
イ素を含むのが好ましい。フェルールが、断熱材でラッ
プされているのがまた好ましい。熱交換管がニッケル‐
クロム合金を含むのがさらに好ましい。

【００７５】シアン化水素を製造するための典型的な系
においては、炭化水素、例えばメタン、エタン、メタノ
ール等、アンモニアおよび任意的に酸素含有気体を含む
反応気体が反応器に供給され、触媒、例えば白金含有触
媒の存在下で、約１０００〜１４００℃の範囲の温度に
て反応される。反応が、酸素含有気体を含むときには、
触媒は、アンモキシデーション触媒であるのが好まし
い。反応体は一般に、触媒の存在下で反応温度に加熱さ
れる。高温の流出気体、すなわち生成物気体は、シアン
化水素生成物を含む。しかし、上記したように、シアン
化水素の分解を減らすために、流出気体をクエンチして
約６００℃より下の温度にしなければならない。これ
は、反応帯域から出た流出気体を、熱交換帯域の交換管
と連絡している１つ以上のフェルールによって、熱交換
帯域へと送ることによってなされる。熱交換帯域におい
ては、流出物の熱は、交換管の材料、次いで交換管の外
表面を取り巻く熱交換媒体に移され、それによって流出
流体を適当な温度に下げ、系の熱エネルギーを、反応器
において、または操作の別の場所でさらに使用するため
に回収する。

【００７６】このプロセスを図８（反応体１７が反応帯
域１８に入ることを示す）に示す。反応帯域１８におい
て、反応体は、触媒１９、例えば、１つ以上の層の触媒
担体（ここでは、層２０および３４）に担持された、加
熱された白金金属ゲージ触媒と接触する。触媒担体は、
例えば隆起を有するもしくは有さないハチの巣形または
隆起を有するもしくは有さない気泡体であることができ
る。適当な触媒担体材料としては、金属担体スクリー
ン、プレキャスト（ｐｒｅ−ｃａｓｔ）セラミックもし
くは耐火材、現場鋳込（ｃａｓｔ−ｉｎ−ｐｌａｃｅ）
耐火材、セラミックフォーム、セラミックパッキン（ｐ
ａｃｋｉｎｇ）、二酸化ケイ素（シリカ‐ＳｉＯ_２）、
炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、ホ
ウ化ケイ素、ホウ窒化ケイ素、酸化アルミニウム（アル
ミナ‐Ａｌ_２Ｏ_３）、アルミノシリケート（ムライト
（ｍｕｌｌｉｔｅ）‐３Ａｌ_２Ｏ_３‐２ＳｉＯ_２）、ア
ルミノボロシリケート、炭素繊維、耐火繊維、酸化ジル
コニウム（ＺｒＯ_２）、酸化イットリウム（Ｙ
_２Ｏ_３）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウ
ム（ＭｇＯ）、コルダイト（Ｃｏｒｄｉｔｅ）（ＭｇＯ
‐Ａｌ_２Ｏ_３‐ＳｉＯ_２）またはこれらの組み合せが挙
げられるが、これらに限定されない。シアン化水素を含
む高温で反応性の流出物は反応帯域１８を出て、フェル
ール２２を通って熱交換帯域２１に入る。高温の反応性
流出物は、フェルール２２を通過して、熱交換媒体２４
に取り囲まれている熱交換管２へと送られる。交換管２
を通過しながら、流出気体は、約１０００〜約１４００
℃の範囲の温度から約６００℃より下の温度へと急速に
冷却される。冷却された流出気体２３は次に、熱交換帯
域２１を出て、交換管２の出口端を通過し、シアン化水
素生成物は、慣用の手段（示さず）によって流出ストリ
ームから分離される。

【００７７】図８にさらに示されるように、熱交換帯域
２１は、そこを通って広がる開口を有する耐火材層２７
からなることができ、その開口は、入口チューブシート
４の開口と共に整列している。チューブシート４は、熱
交換媒体２４を含む熱交換容器２６の壁を形成する。熱
交換媒体２４は好ましくは、水または水と蒸気の混合物
であるが、先に記載したような、加熱された交換管２か
ら移動したエネルギーを吸収するのに適当な他の流体で
あることができる。フェルール２２は、耐火材層２７の
開口にあり、入口チューブシート４の開口を通過し、交
換管２の入口端に入る。好ましくは、耐火材層２７の開
口は、フェルール２２の外形を補足するように形作られ
る。

【００７８】フェルール２２は好ましくは、フェルール
２２の長手方向の軸に沿って配置された、分離可能なま
たは一体のフェルールスリーブ３１に取り囲まれてい
る。「一体の」とは、スリーブが、フェルールを有す
る、またはフェルールに固定して付けられた普通の材料
の単一部品として形成されることができることを意味す
る。材料中に望まない応力を生じることなく、例えば運
転中の膨張のちがい（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｅｘ
ｐａｎｓｉｏｎ）のために、フェルールスリーブ３１
が、フェルール２２の任意の動きをフェルールスリーブ
３１に適応させるような、別々の要素であるのが好まし
い。フェルールスリーブ３１は、フェルール２２と取り
巻く耐火材層２７の内部との間の物理的緩衝物として働
く。フェルールスリーブ３１はまた、フェルール２２
を、交換管２の入口端の上で所望の配向に配置するため
に働くことができる。取り付けにあたって、フェルール
２２の外側およびフェルールスリーブ３１の内側は、後
のフェルールの除去を助けるために、ろうの薄層でコー
ティングされることができる。

【００７９】本発明の範囲内に含まれる慣用の配置にお
いて、交換管２の入口端は、入口チューブシート４を通
って反応容器３３へと伸びる。図８に示したこの実施態
様においては、交換管２は、交換管２の外側と入口チュ
ーブシート４の上表面との間に形成される接合部によっ
て付けられている。

【００８０】以下の実施例は、さらに種々の本発明の態
様を示すために与えられているが、いかなる解釈におい
ても、本発明の範囲を限定することを意図しない。

【００８１】実施例１ シアン化水素反応器を、シェルアンドチューブ熱交換器
を用いて構成した。熱交換器の入口チューブシートおよ
び交換管を、ニッケル‐クロム合金（ＩＮＣＯＮＥＬ６
００）から製造した。交換管の入口端は、入口チューブ
シートの上表面または、入口チューブシートの上表面の
わずかに越えて伸びた管の端と同じ高さであった。交換
管を、入口チューブシートの上表面に接合した。窒化ケ
イ素フェルールおよびニッケル‐クロム合金（ＩＮＣＯ
ＮＥＬ６００）フェルールを、ニッケル‐クロム合金
（ＩＮＣＯＮＥＬ６００）フェルールスリーブ中に置
き、次にフェルールを交換管の入口端に挿入した。１５
回の運転サイクル（熱衝撃である）および数回の高温
（＞１２００℃）運転期間での約４ヶ月（約２７００時
間）の運転後、１つの窒化ケイ素フェルールおよび１つ
のニッケル‐クロム合金フェルールを取り出し、摩滅に
ついて検査した。各運転サイクルは、ライト‐オフ（ｌ
ｉｇｈｔ−ｏｆｆ）中に約１５０〜５００℃から約１２
００〜１４００℃までに、約１分間でフェルールを加熱
することおよび、後の、約１０００〜１４００℃から約
２５℃までのフェルールの窒素クエンチの期間からなっ
ていた。

【００８２】ニッケル‐クロムフェルールは、交換管か
ら除去するのが困難であり、もとの長さから約２分の１
インチ（１．２７ｃｍ）のかなりの長さ損失を示した。
また、このフェルールの表面上に大量の炭素／窒素堆積
物があった。このフェルールは、フェルールスリーブ内
に物理的に捕捉された。このフェルールはまた、炭素／
窒素を吸収して膨潤し、よってフェルールの内径を収縮
させた。

【００８３】窒化ケイ素フェルールは、交換管から容易
に取り出され、長さの損失を示さなかった。いくらかの
金属シアン化物堆積物が、フェルールの出口端の外側に
みられた。目に見える内部の摩滅も、窒化ケイ素フェル
ールの内側の膨潤もなかった。よって、窒化ケイ素フェ
ルールの内径は変化しなかった。

【００８４】このように、ニッケル‐クロムフェルール
または窒化ケイ素フェルールのいずれも、シェルアンド
チューブ熱交換器の交換管を、高温の反応性の流出気体
から、特にシアン化水素反応器における流出気体から保
護することがわかる。

【００８５】実施例２ 実施例１のシアン化水素反応器を、さらに５ヶ月運転し
た。再び、１つの窒化ケイ素フェルールおよび１つの隣
接するニッケル‐クロム合金フェルールを反応器から除
去し、評価した。

【００８６】ニッケル‐クロムフェルールは、交換管か
ら除去するのが困難であり、もとの長さから約１インチ
（２．５４ｃｍ）のかなりの長さ損失を示した。また、
このフェルールの表面上に多量の炭素／窒素堆積物があ
った。このフェルールは、スリーブ内に物理的に捕捉さ
れた。このフェルールはまた、炭素／窒素を吸収するこ
とにより膨潤し、よってフェルールの内径を収縮させ
た。また、フェルールの内部に浸食パターン（壁が薄く
なる）が見られた。

【００８７】窒化ケイ素フェルールは、交換管から容易
に取り出され、長さの損失を示さなかった。いくらかの
腐食堆積物、例えば金属シアン化物の堆積物が、フェル
ールの外側にみられた。黒ずんだ炭素堆積物が、フェル
ールの出口部分の外側にみられた。フェルールの入口の
隆起に少しの浸食が生じた。目に見える内部の摩滅また
は、窒化ケイ素フェルールの内側の膨潤はなかった。よ
って、窒化ケイ素フェルールの内径は変化しなかった。
このように、ニッケル‐クロムフェルールまたは窒化ケ
イ素フェルールのいずれも、シェルアンドチューブ熱交
換器の交換管を、高温で反応性の流出気体から、特にシ
アン化水素反応器における流出気体から保護することが
わかる。

【００８８】実施例３ 実施例１および２からのフェルールを、重量損失および
体積変化について分析した。これらの結果を以下の表に
示す。示したパーセントは、実施例１および２からのフ
ェルールの重量および体積を、対応する新しいフェルー
ルと比べることによって評価したものである。

【００８９】

【表１】

【００９０】このように、本発明の窒化ケイ素フェルー
ルは、フェルールの寸法にいかなる有意の変化もなし
に、熱交換管を長期間保護することにおいて、非常に有
効であることがわかる。

【００９１】実施例４‐比較例 実施例１のシアン化水素反応器において、図５に示した
デザインを有する４つの酸化アルミニウムのフェルール
を、窒化ケイ素フェルールまたはニッケル‐クロム合金
フェルールの代わりに使用した。フェルールのうちの２
つは、純度９５％を有し、他の２つは純度９７％を有し
ていた。運転４〜５ヶ月後、４つのアルミナフェルール
の全てを取り出し、検査した。各場合において、フェル
ールは、ネック（ｎｅｃｋ）領域、すなわちじょうご形
に開いた入口端がパイプ部分と出合うところでひび割
れ、または破壊された。いくつかの場合には、パイプ部
分は、フェルールのじょうご形に開いた部分から完全に
分離した。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１ａは、誇張された環状の空間を有するシ
アン化水素反応器において使用される、典型的な交換管
からチューブシート接合部への概略的断面を示す。図１
ｂは、誇張された環状の空間を有する、ローリングされ
た（ｒｏｌｌｅｄ）交換管からチューブシート接合部へ
の概略的断面を示す。

【図２】 図２ａは、誇張された環状の空間を有するダ
ウンホール接合部によって付けられたチューブシートお
よび交換管の概略的断面を示す。図２ｂは、誇張された
環状の空間を有するダウンホール接合部のために位置を
定められたチューブシートおよび交換管の概略的断面を
示す。

【図３】 図３ａ〜３ｅは、シアン化水素反応器の熱交
換器のデザインの概略的断面を示す。

【図４】 図４ａは、断熱気体空間を与えるフェルール
の概略的断面を示す。図４ｂは、円錐形の入口端および
パイプの１つの部分で広がった径を有するフェルールの
概略的断面を示す。

【図５】 図５は、円錐形の入口端および真直ぐな出口
端を有するフェルールの概略的断面を示す。

【図６】 図６は、収束／発散デザインを有するフェル
ールの概略的断面を示す。

【図７】 図７は、真直ぐな内腔を有するフェルールの
概略的断面を示す。

【図８】 図８は、フェルールおよびフェルールスリー
ブを含む、シェルアンドチューブ熱交換器の概略的断面
を示す。

【図９】 図９は、熱交換管にフェルールスリーブを有
する、２フェルール系の概略的断面を示す。

【符号の説明】

１ プロセス気体入口 ２ 熱交換管 ３ 接合部 ４ チューブシート ５ 環状空間 ６ プロセス気体出口 ７ 交換器冷却水入口 ８ 交換器冷却水出口 ９ ベント １０ 熱交換容器 １１ 反応容器 １２ 耐火材 １３ 入口端 １４ 出口端 １５ プロセス気体の入口 １６ プロセス気体の出口 １７ 反応体 １８ 反応帯域 １９ 触媒 ２０ 触媒担体層 ２２ フェルール ２４ 熱交換媒体 ２６ 熱交換容器 ２７ 耐火材層 ３１ フェルールスリーブ ３３ 反応容器 ３４ 触媒担体層 ３５ リップ ３８ 広がった領域 ４０ 内部フェルール ４２ 外部フェルール ４４ 耐火材層 ４６ 広がった領域 ４８ 接合部

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２８Ｆ 21/08 Ｆ２８Ｆ 21/08 Ｆ (72)発明者 マイケル・スタンレー・デコーシー アメリカ合衆国テキサス州77059，ヒュー ストン，ヘザーベンド・コート・16414

Claims (30)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）入口チューブシート部分および出
   口チューブシート部分を有するシェルであって、各チュ
   ーブシートは複数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のた
   めの少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口
   を有する、シェル；（ｂ）シェル内に配置された複数の
   管であって、管の軸と入口および出口のチューブシート
   の穴の軸とが一致するように、各管の入口端が入口チュ
   ーブシートに付けられ、かつ各管の出口端が出口チュー
   ブシートに付けられている、複数の管；ならびに（ｃ）
   複数のフェルールであって、各フェルールは、入口端お
   よび出口端を有し、フェルールは入口チューブシートの
   穴を通って管内に達し、出口端は入口チューブシートの
   下方に位置し、フェルールは窒化ケイ素を含む、複数の
   フェルールを含む、還元、浸炭および／または窒化の環
   境で使用するための熱交換装置。
2. 【請求項２】 管が、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル
   合金、ニッケル‐クロム合金またはニッケル‐モリブデ
   ン合金を含む請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】 管が、炭素鋼またはニッケル‐クロム合
   金を含む請求項２記載の装置。
4. 【請求項４】 ニッケル‐クロム合金が、４０〜８０％
   のニッケルおよび１２〜２８％のクロムを含む請求項２
   記載の装置。
5. 【請求項５】 フェルールが、長手方向の断面に収束／
   発散デザインを有する請求項１記載の装置。
6. 【請求項６】 （ａ）入口チューブシート部分および出
   口チューブシート部分を有するシェルであって、各チュ
   ーブシートは複数の穴を有し、シェルは熱交換媒体のた
   めの少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口
   を有する、シェル；（ｂ）シェル内に配置された複数の
   管であって、管の軸と入口および出口のチューブシート
   の穴の軸とが一致するように、各管の入口端が入口チュ
   ーブシートに付けられ、かつ各管の出口端が出口チュー
   ブシートに付けられていて、各管は、ニッケル‐クロム
   合金を含む金属で形成されている、複数の管；ならびに
   （ｃ）複数のフェルールであって、各フェルールは、入
   口端および出口端を有し、フェルールは入口チューブシ
   ートの穴を通って管内に達し、出口端は入口チューブシ
   ートの下方に位置し、該フェルールがニッケル‐クロム
   合金を含む、複数のフェルールを含む、熱交換装置。
7. 【請求項７】 フェルールのニッケル‐クロム合金が、
   ４０〜８０％のニッケルおよび１２〜２８％のクロムを
   含む請求項６記載の装置。
8. 【請求項８】 フェルールが入口端および出口端を有
   し；入口端はパイプ部分へと円錐形に先細になった開口
   を有し、入口端の外径は熱交換管の内径より大きく；パ
   イプ部分は熱交換管の内径の９９％までの外径を有し；
   フェルールの出口端は、熱交換管の内径と実質的に同じ
   外径を有する請求項６記載の装置。
9. 【請求項９】 熱交換管において使用するためのフェル
   ールであって、フェルールが入口端および出口端を有
   し、入口端はパイプ部分へと円錐形に先細になった開口
   を有し；入口端の外径は熱交換管の内径より大きく；パ
   イプ部分は熱交換管の内径の９９％以下の外径を有し；
   パイプ部分は、熱交換管の内径と実質的に同じ外径を有
   する広がった領域を有する、フェルール。
10. 【請求項１０】 フェルールが、窒化ケイ素またはニッ
    ケル‐クロム合金を含む請求項９記載のフェルール。
11. 【請求項１１】 フェルールが、窒化ケイ素を含む請求
    項１０記載のフェルール。
12. 【請求項１２】 ニッケル‐クロム合金が、４０〜８０
    ％のニッケルおよび１２〜２８％のクロムを含む請求項
    １０記載のフェルール。
13. 【請求項１３】 熱交換管において使用するためのフェ
    ルールであって、該フェルールが入口端および出口端を
    有し；入口端はパイプ部分へと円錐形またはトランペッ
    ト形に先細になった開口を有し、入口端の外径は熱交換
    管の内径より大きく；パイプ部分は、熱交換管の内径と
    実質的に同じ外径を有し；さらに、フェルールが、長手
    方向の断面に収束／発散のデザインを有する、フェルー
    ル。
14. 【請求項１４】 フェルールが、セラミック、炭素鋼、
    ステンレス鋼、ニッケル合金、ニッケル‐モリブデン合
    金またはニッケル‐クロム合金を含む請求項１３記載の
    フェルール。
15. 【請求項１５】 フェルールが、窒化ケイ素、ニッケル
    ‐クロム合金、炭素鋼またはステンレス鋼を含む請求項
    １３記載のフェルール。
16. 【請求項１６】 ニッケル‐クロム合金が、４０〜８０
    ％のニッケルおよび１２〜２８％のクロムを含む請求項
    １４記載のフェルール。
17. 【請求項１７】 （ａ）入口チューブシート部分および
    出口チューブシート部分を有するシェルであって、各チ
    ューブシートは複数の穴を有し、シェルは熱交換媒体の
    ための少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出
    口を有する、シェル；ならびに（ｂ）シェル内に配置さ
    れた複数の管であって、管の軸と入口および出口のチュ
    ーブシートの穴の軸とが一致するように、各管の入口端
    が入口チューブシートに付けられ、かつ各管の出口端が
    出口チューブシートに付けられていて、各管の入口端
    は、ダウンホール接合部によって入口チューブシートに
    付けられている、複数の管を含む、シアン化水素反応器
    において使用するための熱交換装置。
18. 【請求項１８】 管が、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケ
    ル合金、ニッケル‐クロム合金またはニッケル‐モリブ
    デン合金を含む請求項１７記載の装置。
19. 【請求項１９】 管が、炭素鋼またはニッケル‐クロム
    合金を含む請求項１８記載の装置。
20. 【請求項２０】 ニッケル‐クロム合金が、４０〜８０
    ％のニッケルおよび１２〜２８％のクロムを含む請求項
    １８記載の装置。
21. 【請求項２１】 ダウンホール接合部が熱処理されてい
    る請求項１７記載の装置。
22. 【請求項２２】 複数のフェルールをさらに含み、各フ
    ェルールは、入口端および出口端を有し、フェルールは
    入口チューブシート穴を通って管内に達し、出口端は入
    口チューブシートの下に位置する請求項１７記載の装
    置。
23. 【請求項２３】 フェルールが、窒化ケイ素またはニッ
    ケル‐クロム合金を含む請求項２２記載の装置。
24. 【請求項２４】 ニッケル‐クロム合金が、４０〜８０
    ％のニッケルおよび１２〜２８％のクロムを含む請求項
    ２３記載の装置。
25. 【請求項２５】 炭化水素、アンモニアおよび任意に酸
    素含有気体を、白金含有触媒の存在下で、１０００〜１
    ４００℃の範囲の温度にて反応させることによってシア
    ン化水素を製造するための装置であって、反応帯域、任
    意に耐火帯域ならびに、（ａ）入口チューブシート部分
    および出口チューブシート部分を有するシェルであっ
    て、各チューブシートは複数の穴を有し、シェルは熱交
    換媒体のための少なくとも１つの入口および少なくとも
    １つの出口を有する、シェル；（ｂ）シェル内に配置さ
    れた複数の管であって、管の軸と入口および出口のチュ
    ーブシートの穴の軸とが一致するように、各管の入口端
    が入口チューブシートに付けられ、かつ各管の出口端が
    出口チューブシートに付けられている、複数の管；なら
    びに（ｃ）複数のフェルールであって、各フェルール
    は、入口端および出口端を有し、フェルールは入口チュ
    ーブシートの穴を通って管内に達する、出口端は入口チ
    ューブシートの下方に位置し、該フェルールが窒化ケイ
    素を含む、複数のフェルールを含む熱交換帯域を有する
    装置。
26. 【請求項２６】 管が、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケ
    ル合金、ニッケル‐クロム合金またはニッケル‐モリブ
    デン合金を含む請求項２５記載の装置。
27. 【請求項２７】 管が、炭素鋼またはニッケル‐クロム
    合金を含む請求項２６記載の装置。
28. 【請求項２８】 ニッケル‐クロム合金が、４０〜８０
    ％のニッケルおよび１２〜２８％のクロムを含む請求項
    ２７記載の装置。
29. 【請求項２９】 各入口管の端が、ダウンホール接合部
    によって入口チューブシートに付けられている請求項２
    ５記載の装置。
30. 【請求項３０】 炭化水素、アンモニアおよび任意に酸
    素含有気体を含む反応気体を反応器に供給すること；反
    応気体を、触媒の存在下で反応させて生成物気体を与え
    ること；生成物気体を、（ａ）入口チューブシート部分
    および出口チューブシート部分を有するシェルであっ
    て、各チューブシートは複数の穴を有し、シェルは熱交
    換媒体のための少なくとも１つの入口および少なくとも
    １つの出口を有する、シェル；（ｂ）シェル内に配置さ
    れた複数の管であって、管の軸と入口および出口のチュ
    ーブシートの穴の軸とが一致するように、各管の入口端
    が入口チューブシートに付けられ、かつ各管の出口端が
    出口チューブシートに付けられている、複数の管；およ
    び（ｃ）複数のフェルールであって、各フェルールは、
    入口端および出口端を有し、フェルールは入口チューブ
    シートの穴を通って管内に達し、出口端は入口チューブ
    シートの下方に位置し、該フェルールは窒化ケイ素を含
    む、複数のフェルールを有する熱交換装置で冷却するこ
    と；ならびに冷却した生成物気体からシアン化水素を回
    収することを含む、シアン化水素を製造するための方
    法。