KR0158203B1 - 탄화수소의 수증기 분해용 장치를 디코우킹하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

크기가 아주 작은 고형체 입자에 의해 탄화수소 수증기 분해장치의 내벽을 디코우킹하는 방법으로, 이 입자는 수증기 분해로(10)의 튜브(12) 및 간접 퀸치장치(16)를 통하여 흐르는 탄화수소 공급재료로 분사된다. 상기 간접 퀸치장치의 출구에서 사이클론(28)은 고형체 입자를 기상 생성물과 분리하고 고형체 입자를 액체나 가스와 혼합하고 이들의 압력이 올라간 후에 장치를 통하여 재순환하도록 한다. 본 발명은 또한 상기 방법을 실시할 수 있는 수증기 분해장치에 관한 것이기도 하다.

Description

탄화수소의 수증기 분해용 장치를 디코우킹하는 방법 및 장치

본 발명은 탄화수소를 수증기 분해하는 장치를 디코우킹하는 방법 및 이 방법을 실시하기 위한 장치를 포함하여 수증기 분해하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 수증기 분해로에 이어 분해된 가스를 냉각하기 위한 간접-퀀치 보일러로 되어 있고 탄화수소를 수증기 분해하기 위한 장치의 내벽에 축적된 코우크스를 제거하기 위하여서는 보통 공기-수증기 혼합물에 의한 산화에 근거한 화학적인 디코우킹 방법을 이용하는 것이다. 이 방법을 실시하기 위해서는 수증기 분해장치의 운전을 중단할 필요가 있고, 또 하부에 위치한 설비로부터 이 장치를 분리시킬 필요가 있다. 산화제로 수소를 선택적으로 첨가하면서 고온으로 과열한 수증기를 사용할 수도 있다. 그러면 수증기 분해장치를 분리시킬 필요는 없으나 여전히 운전을 중단해야 한다. 또한 전술한 방법에서보다 디코우킹이 더 천천히 일어난다.

이러한 두가지 방법은 수증기 분해로로부터 출구에 위치한 간접-퀀치 보일러를 완전히 디코우킹하는 데에는 적합하지 않다. 이 목적을 달성하기 위해서는 때때로 장치를 완전히 폐쇄할 필요가 있으며, 또 코우크스층을 분쇄할 수 있는 유압장치 초고압의 물분사기에 의해 퀀치 보일러를 디코우킹할 필요가 있다. 코우크스층을 분쇄하는데 도움이 되도록 하기 위하여 가압하에서 물과 함께 분사되는 비교적 큰 입자의 모래를 가지고 유압식 샌드 블래스킹 방법을 사용할 수도 있으며, 아니면 기계적인 장치를 사용할 수도 있다.

각각의 퀀치 열교환기에 의해 각각 연장되어 있는 소직경의 직선 튜브로 되어 있는 일방통과형 노를 가진 수증기 분해장치를 디코우킹하는 방법도 제안되었다. 이 방법은 수증기로 노튜브의 내벽을 화학적으로 디코우킹하는 것이며, 일부의 코우크스를 엷은 조각이나 비늘형태로 내벽으로부터 떨어지게 하므로써 열교환기의 벽에서 여기서부터 하류로 축적된 코우크스를 분쇄할 수 있게 된다. 따라서 이 방법은 노 및 간접-퀀치 장치를 동시에 디코우킹한다. 그러나 이 방법 역시 수증기 분해장치의 운전을 중단해야 할 필요가 있다.

마지막으로 고체입자를 장치로 분사하는 것으로 된 여러 방법들이 제안되었다. 첫째 방법은 대기와 연결된 노를 통하여 비교적 크기가 큰(250㎛∼2500㎛) 금속입자를 나르는 비활성 기체의 흐름을 설정하는 것이다. 다른 방법은 모래를 액체 탄화수소 공급재료로 분사하므로써 수증기 분해장치에 연속적인 샌드 블래스팅을 이용하는 것이다. 이 모래입자들(표준 모래입자의 평균직경 200㎛∼1000㎛)은 노 및 간접-퀀치 보일러를 통과하여 마지막으로 직접-퀀치 중유에 의해 트랩된다. 상기 마지막으로 방법의 결점은 입자를 분별하고 세척하기 위하여 매우 복잡하고 비싼 시스템이 장치되지 않는다면 이것을 사용할 수가 없었고, 그 속에 함유된 중타르를 기화하는 어려움을 감안하지 않고서 간접-퀀치 중유로부터 모래입자를 분리하기가 다소 불가능하며, 그 결과 실제로 모래입자를 재순환하는 것이 부적합하여 퀀치유를 연료로도 사용할 수 없게 되고, 계속하여 샌드 블래스팅하는 것은 수증기 분해의 공급재료와 생성물이 통과하는 장치의 튜브에 아주 심각한 침식을 일으키며, 마지막으로 액체 공급재료로 모래입자를 분사하는 것은 탄화수소 공급재료 증발의 마지막영역에서 단단하게 축적되는 심각한 위험을 일으키게 되는 것 등이다.

본 발명의 목적은 상술한 방법들의 결점을 없앤 탄화수소를 수증기 분해하는 장치를 디코우킹하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 장치의 운전을 중단할 필요가 없으며, 장치 자체에 아무런 손상을 일으킬 위험이 없고, 또 고체입자로 장치의 하류 부분을 오염시키지 않고서 노 및 장치의 간접-퀀치 보일러를 디코우킹할 수 있는 형태의 방법을 제공하는 것이다.

이 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 장치의 내벽, 특히 수증기 분해로내에서 및 간접-퀀치 보일러내에서 축적된 코우크스를 최소한 한 부분을 침식하여 제거하는 방법으로서, 이 침식은 벡터 가스의 고속 흐름에 의해 전달된 고체입자에 의한 것으로 된 탄화수소를 수증기 분해하는 장치를 디코우킹하는 방법을 제공하며, 이 방법은 장치를 운전하면서 디코우킹을 행하고, 평균직경이 약 150㎛ 이하인 고체입자를 포함하고 있는 벡터가스가 고체 대 기체의 비가 매우 낮은 수증기와 혼합된 탄화수소 공급재료에 의해 최소한 부분적으로 구성되어 있어서, 벡터가스 및 고체입자의 혼합물이 소량의 침식을 행하는 능력을 가진 가스로 작용하는 것을 특징으로 하고 있다.

집단적인 입자로 강한 충격을 주어 장치의 내벽에 축적된 코우크스층을 분쇄하는 대신에 본 발명에 따른 방법은 장치의 벽에 어떤 손상을 가하고 않고서 서서히 그리고 규칙적으로 내벽을 침식할 수 있게 된다.

이 방법은 수증기 분해로 및 간접-퀀치 보일러 모두를 동시에 디코우킹할 수 있게 하며, 예를 들어 간접-퀀치 보일러의 입구에서 가스흐름에 의해 전달된 고체 입자의 양은 가스가 이 보일러를 통과하는 낮은 속도를 보충하기 위하여 증가된다. 희석 수증기로 공급된 상술한 입자를 연속하여 분사하므로써 특히 마른점에서 대류구역을 디코우킹할 수도 있다.

본 발명의 명세서에서 디코우킹이라는 용어는 벽에 축적된 최소한 한 부분의 코우크스를 효과적으로 제거하는 의미로 사용된 것이다(이미 형성된 코우크스층을 감소나 제거시키는 것 또는 코우크스층이 쌓이는 속도를 줄이거나 정지시키는 것이다).

본 발명의 다른 특징에 의하면 벡터가스 및 고체입자의 혼합물은 수증기 분해로의 출구에서 약 600℃ 이하의 중간 온도로 냉각되며, 이 온도는 어떤 액체 응축을 방지하기 위하여 선택되고, 그 다음 최소한 한 부분의 고체입자가 최소한 하나의 사이클론에서 벡터가스로부터 분리되고, 사이클론에서 기체로부터 분리된 최소한 한 부분의 고체입자의 압력은 증가하며, 입자는 수증기 분해장치를 통하여 재순환된다.

좋은 상태하에서는 시리즈로 연결된 하나의 사이클론이나 두 개의 사이클론의 효율은 95%이상이거나 99%까지 되는 경우도 있으며, 이것은 사이클론을 떠나는 기상 생성물이 실제 고체입자와는 무관하다는 것을 의미한다. 또한 잔류 입자의 크기가 매우 작기 때문에 이들은 사이클론으로부터 하류에 위치한 장치 부분에는 실제 영향을 미치지 않는다.

더구나 고체입자를 분리해내는 사이클론은 그렇게 높은 온도를 거치지 않으므로 비교적 값이 싼 강철인 저합금 철로 만들어도 된다. 잔류 고체입자는 벡터가스가 사이클론의 출구에서 거치게 되는 액체주입에 의해 직접 팍칭하는 동안에 트랩된다. 따라서 분해된 가스는 압축구역에 도달하기 전에 완전히 입자가 없게 된다.

최종적으로 노출구에서 수증기 분해된 생성물을 제한 냉각하므로써 화학적인 반응비를 상당히 줄이게 되어 사이클론에서 생성물을 지나치게 분해하는 것을 방지한다.

사용된 고체입자의 평균직경은 약 5∼100㎛가 바람직하고, 고체/기체비는 10중량%이하, 바람직하게는 0.01∼10중량%이며, 일반적으로 0.1∼8중량%이다. 입자의 양은 입자가 거의 충돌하지 않고(충격없음), 따라서 혼합물이 동반베드나 유동베드와 같이가 아니라 가스와 같이 행동하도록 충분히 낮다. 아주 미세한 입자들은 휘몰아치는 강한 힘 때문에 가스의 전 체적을 통하여 분포된다. 따라서 이 체적을 통하여 미세한 입자를 포함한 가스가 얻어지며, 이 입자들은 다중의 저에너지 충격에 의해서 소량의 침식작용을 제공하는데 적합하며, 이렇게하여 큰 조각(엷은 조각)을 부수어내기보다 코우크스를 마멸시킨다. 노내에서 입자속도는 70∼480㎧이다(일반적으로 130∼480㎧이며, 특히 130∼300㎧가 바람직하다. 퀀치 보일러에서 입자속도는 40∼150㎧이다).

가장 적당한 입자의 양은 입자의 성질, 코우크스가 축적되는 속도(공급재료의 성질에 따라 다르다), 속도 및 휘몰아치는 국부적인 조건에 따라 다르다.

고체입자의 평균크기는 4 또는 5㎛에서 85㎛의 범위가 좋고, 고체/기체비는 0.1∼8중량%, 예를 들어 0.1∼3중량%이다.

사용된 고체입자는 여러 점에서, 예를 들어 수증기 분해로에서 하나 또는 그 이상의 점에서와 간접-퀀치 보일러의 입구에서 장치로 주입된다.

따라서 디코우킹은 수증기 분해로의 배열에 적합하게 될 수 있으며, 간접-퀀치 보일러의 디코우킹이 최적일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면 사이클론에서 벡터가스와 분리된 고체입자는 열분해 방향족 화합물, 예를 들어 분해될 탄화수소 공급재료의 분류가 실제 없는 물 또는 탄화수소와 혼합되며, 고체입자 및 액체의 혼합물은 덤핑에 의해 장치로 재순환된다.

입자-액체 혼합물의 유속 및 온도는 화합물을 수증기 분해장치로 주입하는데 액체의 유사-순간증발을 얻을 수 있도록 선택된다.

사이클론을 떠나는 고체입자와 상술한 액체가 서로 접촉하도록 하기 위하여 고체입자가 도달하는 구역 주위 및 아래에 위치한 습기찬 벽을 이루도록 액체는 소오스 라인으로부터 계속하여 흐르도록 한다.

이렇게 하므로써 고체입자가 상술한 벽에 축적되는 것을 방지할 수 있고, 또한 연속흐름에 의해 일소되지 않는 젖은 벽에 고체입자를 달라 붙게 하므로써 고체입자 공급관에 장애를 일으키는 액체로 된 방울을 피하게 된다. 입자-동반 및 벽-세정효과를 높이기 위해서 액체 흐름은 보르텍스(회전유발)라도 된다.

변형예로 사이클론을 떠나는 입자는 탱크에 모아 탱크를 분리해 내어 과열 수증기의 흐름에 의해 가압하에 두고, 적어도 입자 일부를 이 스팀의 흐름으로 장치를 통하여 재순환한다.

본 발명에 따른 방법에서 사용된 고체입자는 실리카나 알루미늄에 기초한 다공성 입자와 같이 가스분사에 의해 형성된 구형의 무기 또는 금속입자이다. 이들은 평균 직경이 60∼80㎛이며, 이미 접촉분해(제올라이트)용으로 사용된 촉매입자로 구성해도 된다.

결국 고체입자는 두가지 형태의 혼합물로 구성되며, 한가지 형태는 수증기 분해 조건하에서 비교적 부드러운 코우크스 접촉 금속입자이고, 나머지 한 형태는 더 단단하고 침식성이 더욱 강한 것이다. 다른 입자들(코우크스, 분쇄한 석탄, 시멘트, 광물, 주철, 강철, 카바이드, 스텔라이트, 모난입자, …)도 본 발명의 침식가스 조건에 사용가능하다.

비교적 부드러운 코우크스 접촉 금속입자들은 장치 내벽의 드러난 금속부분에 흔적을 남기기 쉬워서 이들의 접촉효과는 코우크스 보호층을 유발하여 상기 부분을 덮고 과다한 침식으로부터 이들을 보호한다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면 본 발명에 따른 방법은 수증기 분해로의 내벽에 코우크스층을 형성하는 것이며, 그 다음 이 층을 상술한 고체입자로 침식하므로써 이 코우크스층의 두께를 소정의 평균치로 유지하는 것이다. 사실상 이 코우크스층은 그 두께가 크래킹 튜브에 따라 변화하는 층이고, 이것이 형성된 후에는 그 두께가 튜브에서 소정의 코우킹 정도에 상당하는 평균치로 유지된다. 비슷한 변형예로 주입된 입자의 양을 제한하기 위하여 코우크스 증가를 완전하게 중단하지 않고 아주 감소된 코우크스 증가속도(예를 들어 코우크스 증가속도를 5나 10으로 나눈 속도)로 운전할 수 있다.

비교적 얇은 이 코우크스층(두께는 0.5∼4㎜이며, 1∼3㎜가 바람직하다)은 고온(벽에서 약 1000℃)으로 유지될 동안 발생하는 코우크스의 점진적인 소성으로 인하여 이 층이 빠르게 매우 단단해져서 분쇄하거나 침식하기가 아주 힘들기 때문에 침식으로부터 장치의 내벽을 보호하게 된다. 일단 이 코우크스층이 형성되어 단단해지면 그 두께는 이 보호층에 코우크스가 퇴적하는 것과 같은 속도로 코우크스를 계속하여 침식하므로써 일정하게 유지된다. 또한 고체입자를 이용하여 침식을 조정하는 조건은 덜 까다로우며 입자크기, 사용된 입자의 성질 및 입자가 벡터가스에서 분포되는 방법에 따라 광범위한 오차가 허용될 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 방법은 엄격한 의미에서 반드시 디코우킹을 행할 필요가 없고 오히려 코우크스가 형성됨에 따라 더 부쉬지기 쉬운 최근에 형성된 코우크스를 제거하는 것이며, 이렇게 하므로써 실제 정지상태의 코우킹이나 아주 낮은 코우킹 속도를 얻게 된다.

본 발명에서 입자가 아주 미세하여 주어진 질량에 대해 훨씬 더 수가 많은 침식성 입자의 특징적인 사용은 코우크스가 경화되기 전에 새로운 코우크스의 얇은 막을 제거하기 위하여 벽에 아주 많은 충돌을 일으키는 것이다. 입자들은 짧은 간격으로 연속적으로나 불연속적으로 분사된다.

본 발명은 또한 탄화수소 공급재료의 흐름을 전달하는 튜브가 있는 수증기 분해로, 이 노를 떠나는 기상생성물을 팍칭하기 위한 간접 퀀치장치의 출구와 연결된 액체 분사 직접 퀀치장치로 된 탄화수소를 수증기 분해하기 위한 장치를 제공하며, 이 장치는 운전 중 장치를 통하여 흐르는 기화된 탄화수소 공급재료에 고체입자를 분사하는 장치를 포함하고, 이 때 고체입자의 평균 직경은 약 150㎛이하이며, 장치내에서 고체 대 가스의 비가 아주 낮아서 가스와 입자 혼합물이 소량의 침식을 행하는 능력을 가진 가스와 같이 작용하고, 또 이 장치는 고체입자를 가스와 분리하는 사이클론과 같은 분리장치를 더 포함하며, 이 장치들은 간접 퀀치장치의 출구에 설치되는 것을 특징으로 하고 있다.

또 본 발명의 장치는 가스로부터 분리된 고체입자를 장치를 통해 재순환하는 장치 및 고체입자를 보충하는 장치도 포함하고 있다. 이것은 약 95∼99% 정도의 효율을 나타내더라도 항상 효율이 100%이하인 분리장치에서 손실된 입자의 양을 보충하는 것을 돕는다. 또한 본 발명의 장치는 마모된 입자를 제거하는 장치도 포함된다.

본 발명의 바람직한 실시형태로 본 발명의 장치는 고형체 입자를 저장하기 위한 탱크, 이 탱크를 위한 밸브와 같은 차단장치 및 입자들이 장치로 분사되는 점에서의 압력보다도 더 낮지 않는 값으로 탱크의 내부 압력을 올릴 수 있도록 상기 탱크를 가압하에서 가스의 소오스와 연결하는 장치를 포함하고 있으며, 이 탱크는 상술한 분리장치로부터 나온 고형체를 위하여 출구와 연결된 입구 및 입자들을 장치로 분사하기 위한 관과 연결된 출구를 가지고 있다.

이러한 재순환장치는 고형체 입자들이 20㎧나 그 이하의 느린 속도로 이 장치를 통과하기 때문에 비교적 침식에 대해 둔감하며, 따라서 수명이 길다. 또한 이들은 모양이 평범하며 약 600℃이하의 온도에서 작동하므로 가격이 저렴하다.

고형체 입자들은 중력 흐름에 의하거나 아니면 고속의 벡터가스 흐름을 사용할 필요없이 희석상에서 고체-기체 현탁액 형태로 분사점에 수송되므로 관침식을 줄이게 된다.

더구나 본 발명의 장치는 제2의 탱크 내부에 설치된 많은 입자들을 보유하기 위한 장치 및 이 제2의 탱크를 분리하는 밸브와 같은 장치와 함께 분리장치의 출구와 상기 제1의 탱크의 입구 사이에 있는 제2의 탱크를 포함한다.

이 제2의 탱크는 상기 제1의 탱크가 비어있는 동안 분리장치의 출구에서 회수된 고형체 입자를 모이게 한다.

따라서 분리장치의 출구에서 고형체 입자가 일시적으로 저장될 수 있으며, 벽으로부터 떨어진 코우크스의 얇은 조각과 같은 큰 입자들을 보유하도록 고형체 입자들을 여과할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면 가압하에서 가스원은 입자들을 장치로 분사하기 위한 관과 연결되어 있다. 그리고 입자들을 장치로 분사하기위하여 사용된 벡터가스의 흐름은 탱크내 압력을 증가하게 한다. 따라서 벡터가스에 의해 균형을 이룬 탱크내 압력에 의해 고형체 입자를 채우기 쉬운 과다한 압력의 위험은 피하게 된다.

벡터가스는 예를 들어 공급재료나 과열증기의 분율로 구성될 수 있다.

변형된 예로 고형체 입자들을 재순환하기 위한 장치는 회수된 고형체 입자들과 함께 상기 장치의 출구에서 가스-고형체 현탁액을 형성할 수 있도록 무거운 방향족 화합물을 포함하지 않은 가스의 흐름을 분리장치의 바닥부분으로 분사하기 위한 장치 및 장치로 분사하는 도중에 가스-고형체 현탁액을 재압축할 수 있도록 고압가스의 보조흐름으로 공급되고 상술한 분리장치의 출구와 연결된 배출기-콤프레서로 되어 있다.

입구에서 미세한 입자들을 배출기로 분사할 수 있으며, 그럼에도 불구하고 이러한 방법으로 형성된 가스-고형체 현탁액을 재압축할 수 있다는 것이 관찰되었다. 약 1.5에서 1.8의 압축비로 아주 무거운 현탁액(아주 미세한 고형체 200 또는 300중량%)을 재압축할 수 있다. 배출기는 입자들을 바꾸어 놓거나 내뿜을 뿐만 아니라 입자들의 압력을 대단히 높게 증가시키므로 디코우킹될 장치에서 헤드손실을 보상하므로써 입자들을 재순환할 수 있게 된다.

배출기는 내침식성 물질(주철이나 세라믹)로 구성하는 것이 바람직하다.

수증기 분해로가 크래킹될 탄화수소 공급재료의 흐름을 나르는 튜브에 공급하기 위한 분기관을 포함할 때 본 발명은 분기관의 입구에서나 입구로부터 기화된 탄화수소 공급재료 상류로 고형체 입자를 분사하는 장치, 고형체 입자가 분기관내에 축적되는 것을 방지하기 위하여 분기관내에서 충분한 속도로 난류를 일으키는 장치, 분기관으로 뻗어 있고 튜브의 말단에 설치된 공급 엔드 피이스를 제공하며, 각 엔드피이스는 분기관의 상류 말단 쪽으로 향한 입구부와 분기관내의 흐름방향에 수직면에 콤포넌트를 가지고 있고, 장치가 분기관의 하류 말단에서 고형체 입자들을 포획하기 위하여 설치되기도 한다.

분기관내 난류에 의하여 전 분기관을 통한 가스-입자 혼합물은 균일하다. 튜브의 분기관 말단에 설치된 엔드 피이스는 튜브의 입자 공급이 분기관내 튜브의 위치에 관계없이 규칙적이고 일정하다. 엔드 피이스의 입구부는 흐름과 부딪치는 정면 콤포넌트를 포함하고 튜브의 입구 방향에서 지나친 변화를 방지하도록 하는데 그 이유는 이러한 방향변화가 기체-입자 분리현상을 일으켜 입자분포의 분균일성을 만들기 때문이다. 또한 이러한 엔드 피이스는 분기관내에 매우 효과적인 난류를 발생하는 구실을 한다. 마지막으로 분기관의 하류 말단에 마련된 과다한 입자를 포획하기 위한 장치는 분기관내 마지막 튜브가 과다한 입자에 의해 과공급되거나 장애를 받는 것을 방지해 준다.

예를 들어 이러한 장치들은 필터, 침전챔버 및 사이클론이나 과다한 입자, 특히 무거운 입자를 제거하는데 적합한 장치로 구성하면 된다.

이러한 장치는 분기관의 바닥 발생기 라인을 따라 이동하는 비교적 무거운 입자들을 포획할 수 있도록 마지막 두 개의 튜브를 가지고 있는 분기관의 하류 말단 구역에 두는 것이 바람직하며, 이렇게 하므로써 평균치와는 아주 다르게 침식능력을 일으키는 과다한 고형체로 입자들이 마지막 튜브에 공급하는 것을 방지한다.

또한 본 발명의 장치는 분기관의 하류 말단으로부터 분기관으로 흐르는 기체 및 고형체 입자 흐름의 분류를 떼어내기 위한 장치 및 분리관 입구나 입구로부터 기체 및 고형체 입자 흐름 상류의 분리된 분류를 재순환하기 위한 장치를 포함한다.

그러면 분기관은 가스-입자 혼합물의 잔류 분류에 의해 공급된 마지막 튜브없이 무한길이의 분기관과 같이 작용한다.

각 튜브의 입구는 드로우트, 벤튜리나 상술한 엔드 피이스로부터 하류에 배치된 소구경 튜브와 같은 수축부를 가지고 있다. 이러한 수축부는 여러 튜브를 따라 흐르는 가스의 흐름을 더 규칙적이고 일정하게 한다.

코우크스가 다른 튜브에서보다 한 튜브에서 더 빨리 축적되어 코우크스가 흐름 단면적을 줄이게 되면, 튜브입구에서 수축부가 튜브를 따라 일정한 흐름속도를 유지한다고 보았을 때 로칼 흐름속도를 증가시키게 되어 튜브 내벽의 디코우킹에 바람직한 효과를 가져온다. 입구에서의 수축부로 인하여 로칼속도가 증가하므로써 튜브에 코우크스가 축적하려는 경향을 바로 잡아준다.

마지막으로 본 발명의 장치는 수증기 분해로의 튜브에서 압력이 떨어지는 것을 측정하는 장치, 분해될 탄화수소 공급재료나 희석 수증기의 흐름속도를 측정하는 장치, 압력강화를 측정한 유속의 함수로 보정하는 장치 및 장치를 통하여 재순환된 고형체 입자의 유속을 제어하므로써 압력강하를 조정하는 장치를 포함한다.

이러한 장치들은 장치의 내벽에서 소정 두께의 코우크스 보호층을 유지하도록 하고, 또 상기 보호층 두께가 크게 증가되는 것을 막아준다.

첨부된 도면을 참고로하여 본 발명을 다음과 같이 더욱 상세하게 설명하기로 하며, 다음의 설명은 본 발명을 실시하기 위한 한 예에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

제1도는 사이클론에서의 분리효능 및 고형체 입자의 침식능력의 변화를 입자크기의 함수로 나타낸 커어브이다.

제2도는 본 발명에 따른 수증기 분해장치의 도형이다.

제3도는 본 발명에 따른 다른 수증기 분해장치의 도형이다.

제4도는 고형체 입자를 재순환하기 위한 장치 일부의 도형이다.

제5도는 본 발명의 다른 실시형태를 이루는 완전한 수증기 분해장치 도형이다.

제6도는 재순환장치의 다른 실시형태의 한 부분의 개요도이다.

제7도는 고형체 입자를 분배하는 장치를 포함하는 수증기 분해장치의 단편 개요도이다.

제8도, 제9도 및 제10도는 튜브 엔드 피이스의 여러 실시형태를 나타낸 도형이다.

제11도는 본 발명의 다른 변형 실시형태를 이루는 수증기 분해장치의 한 부분의 개요도이다.

본 발명의 근간을 이루는 제1도에 대해서 먼저 설명하기로 한다.

제1도에서 인용기호(Ⅰ)는 사이클론의 분리효능 변화를 사이클론에 공급된 고형체 입자의 크기 함수로 나타낸 커이브를 나타낸다. 인용기호(Ⅱ)는 고형체 입자의 침식능력 변화를 이들 크기의 함수로 나타낸 커어브를 나타낸다.

사이클론의 분리효능은 예를 들어 분리효능이 99%인 값이 d1 이하에서 고형체 입자의 크기가 증가함에 따라 점근선으로 100%로 향하게 된다.

이 크기의 고형체 입자의 침식능력은 비교적 낮아 크기 d1의 범위를 크게 벗어난다.

고형체 입자가 d1보다도 상당히 적을 때 사이클론의 분리효능은 상당히 떨어지며, 입자의 침식능력을 실제로 영이 된다. 역으로 입자크기가 d1 이상으로 상당히 증가함에 따라 사이클론의 분리능력은 거의 100%에 가깝고, 입자의 침식능력은 아주 커져 침식이 거칠거나 불규칙적으로 되면서 샌드 블래스팅과 같게 된다.

본 발명은 입자 크기 d1, d2의 선택범위를 제공하고, 이 선택범위에 걸쳐 사이클론 분리효능이 소정의 값, 예를 들어 95%나 99%보다 더 크고 입자에 의해 발생된 침식은 적고 규칙적이다.

본 발명의 수증기 분해장치가 제2도에 개략적으로 나타나 있다.

이 장치는 분기관(14)에 의해 튜브의 말단 중 하나에서 탄화수소를 공급한 일방통행튜브(12) 및 출구 분기관(18)과 연결된 각 퀀치 보일러(16)와 맞추어져 있는 노출의 출구에 이들의 마주보는 말단을 가지고 있는 노(10)를 포함하고 있다.

기화될 탄화수소의 공급은 액체 상태로 관(20)을 거쳐 가열 및 기화되는 노의 대류구역(22)으로 전달된다. 수증기 공급관(24)은 노(10)의 이 구역(22)에서 관(20)과 연결된다. 예열관(26)은 기화된 탄화수소의 수증기 혼합물을 분기관(14)을 거쳐 수증기 분해 튜브(12)로 공급한다.

출구 분기관(18)은 사이클론(28)이나 시리즈 및/또는 평행으로 연결된 다수의 사이클론과 연결되어 있으며, 기상 생성물을 전달하기 위한 상부관(30)과 고형체 입자를 전달하기 위한 하부관(32)을 가지고 있다. 하부관(32)은 탱크(34)에 열려 있으며, 이 탱크의 바닥은 물과 같은 액체(36)로 채워져 있으나 열분해 방향족 화합물이 없는 액체 탄화수소인 것이 좋다. 탱크(34)의 하부는 펌프(38)에 의해 액체 및 고형체 입자 혼합물을 장치의 여러 지점, 특히 관(26)의 입구나 입구 분기관(14)으로 분리하는 장치와 연결된다. 또한 분사점을 노(10)의 출구와 간접-퀀치 보일러(16)의 입구 사이에 마련해도 된다.

분사는 수증기와 함께 분무하거나 순간 팽창으로 기화하므로써 바람직하게 이루어지며, 이 경우에 현탁액을 도시하지 않은 장치에 의해 분사하기 전에 예열하여야 한다. 여기에 가벼운 탄화수소의 흐름을 첨가할 수도 있다.

분무조건 및 액체유속은 분사되는 즉시(입자들이 달라붙은 것을 방지하기 위하여 즉각적으로 기화시킴) 분무된 현탁액이 완전히 기화할 수 있도록 설정되어 있다.

고형체 입자 및 액체 혼합물의 한 부분은 번호(40)로 나타낸 바와 같이 탱크(34)의 상부로 회수되어서, 액체는 탱크(34)의 내벽 전체를 덮는 연속막을 형성하고, 입자들이 관(32)를 떠남에 따라 고형체 입자들이 트래핑되므로써 액체는 작은 방울을 형성하지 않고 탱크(34)의 벽에서 소오스라인으로부터 계속하여 흐른다.

세정효과를 높이고 탱크(34)의 젖은 벽 전체에 입자를 동반시키기 위하여 액체(40)에 보르텍스 운동을 부여한다. 번호(40)에서 공급된 액체는 입자들이 없도록 하기 위하여 침전시키도록 하는 것이 좋으며, 도시하지 않은 특수한 펌프로 탱크(34)로부터 취해진다.

탱크(34)에서 사용된 탄화수소액은 분해용 탄화수소 공급재료의 분류이며, 이 분류는 관(42)에 의해 탱크의 바닥으로 전달된다. 재순환된 열분해 가솔린이 번호(44)로 나타낸 바와 같이 선택적으로 이 탄화수소 공급재료의 분류에 첨가되기도 하며, 아니면 직접 액체(36)를 구성하기도 한다.

탄화수소액 또는 물에서 고형체의 형태로 고형체 입자를 보충하기 위한 장치가 관(42)에 있는 번호(46)에 설치되어 있다.

장치의 운전은 다음과 같이 이루어진다.

분해용 탄화수소 공급재는 예열되고, 수증기와 혼합되어 노(10)의 부분(22)에서 기화되며, 그 다음에 노의 튜브(12)에서 아주 짧은 시간에 걸쳐 수증기 분해를 거치게 된다. 그리고 나서 수증기 분해의 기상 생성물은 보일러(16)에서 간접 팍칭을 거치며, 고형체 입자들이 제거되는 사이클론을 통하여 통과하여, 열분해 유를 분사하므로써 직접 팍칭용 장치로 전달된다.

비교적 많은 양의 코우크스가 관(26)과 분기관(14)의 내벽과, 무엇보다도 노의 튜브(12)와 보일러(16)의 튜브에서 형성된다.

기화된 탄화수소 공급에 의해 전달된 고형체 입자들은 장치의 벽에서 코우크스층이 형성함에 따라 이 층의 가볍고 규칙적인 침식으로 코우크스를 제거하게 한다.

그 다음 대부분의 고형체 입자들은 사이클론(28)에 의해 수증기 분해 생성물로 부터 분리되어 탱크(34)로 되돌아가 여기서 액체-고체 현탁액을 성형할 수 있도록 입자가 액체(36)와 혼합된다. 펌프(38)는 고체-액체 현탁액을 분사점에 알맞는 압력으로 재압축하므로써 장치를 통하여 이러한 입자들을 재순환하게 한다.

사이클론(28)에서 가스흐름으로부터 분리되지 않은 고형체 입자들은 직접 팍칭을 행하기 위하여 가스흐름으로 분사된 액체에 의해 계속하여 트랩된다.

일반적으로 사용된 고형체 입자들은 평균 크기는 150㎛ 이하이며, 가스흐름에서 고형체 입자의 농도가 가스에 대하여 10중량% 이하이다. 5∼85㎛, 특히 15∼60㎛ 범위의 평균 크기를 가진 입자를 사용하는 것이 바람직하고, 고형체 대 가스비는 0.1∼8%, 더욱 바람직하게는 0.1∼3%인 것이 좋다.

입자의 평균 크기란 입자 덩어리의 50%가 상기 크기보다 작은 직경을 갖는다는 것을 의미한다.

실제로 수증기 분해용으로 촉매입자(실리코-알루미네이트, 분무로 생성)가 사용되는 바와 같이 실리카-알루미나 입자인 구형인 입자가 사용될 수 있다.

이러한 분해촉매(실리카-알루미네이트, 제올라이트) 입자들은 실제 모양이 구형이고, 코우크스를 제거하는데 아주 효과적이라는 것이 증명된 반면에 시험반응기의 금속에도 해가 없었다.

변형예로 두가지 형태의 입자들을 사용하였으며, 그 한가지 형태는 철, 강철, 니켈 또는 니켈 함유 합금의 입자인 코우크스-접촉 금속입자이며, 이 입자들은 수증기 분해 조건하에서는 비교적 연한 반면 다른 형태의 입자들은 더 단단하고 침식성이 더욱 크다(예: 단단한 내화성 금속합금으로 된 입자나 분해촉매입자).

이러한 입자들은 응축 문제를 피하기 위하여 장치로 분사되기 전에 예열되며, 여기서 입자들이 수증기 분해로로 삽입된다. 예열온도는 분사점에서 로컬 이슬점보다 높은 것이 좋다.

장치는 연속식이나 불연속식으로 이러한 입자들에 의해 디코우킹된다.

두께가 0.5∼4㎜, 바람직하게는 1∼3㎜인 비교적 얇은 첫째층의 코우크스는 장치의 내벽을 형성하게 되고, 이 층은 아주 빠르게 굳어진다. 단단한 이 층은 장치의 금속벽을 효과적으로 보호해 준다. 이 보호층에 계속하여 축적되는 코우크스는 이것이 형성됨에 따라 탄화수소 공급에 의해 전달된 고형체 입자에 의한 침식에 의해 제거된다.

장치에서 고형체 입자들을 전하는 벡터가스는 노관의 내면에서 산화물(본질적으로는 산화크롬)의 층을 구성하는 중요한 역할을 하는 수증기가 풍부하다는 것도 관찰되었다. 또한 아주 단단한 이 산화물막은 본 발명의 고형체 입자에 의한 침식에 대항해 튜브의 금속을 보호해 준다고 생각된다.

따라서 이 프로세스는 다음의 세가지 다른 물리적인 현상의 장점을 가지고 있다.

코우크스는 고속으로 흐르고 함께 반응하지 않고 대량의 가스를 통하여 분포된 소량의 아주 미세한 입자로 구성된 침식가스를 이용하므로써 분열없이 균일도 높게 소량으로 침식된다.

튜브는 침식성 가스에 의해 침식에 대해 새로 형성된 코우크스보다 덜 민감한 조절된 두께의 시일드를 구성하는 경화된 코우크스의 사전층에 의해 보호된다. 사용된 아주 고운 입자들은 로컬 산화조건하에서 아주 조금 튜브의 금속을 공격한다.

기상 생성물은 일반적으로 600℃이하의 중간온도에서 사이클론을 통과하기 때문에 사이클론은 값싼 강철과 같은 저합금강철로 만들어진다. 고형체 입자들을 분리하는 사이클론의 효율은 가스의 낮은 점도 때문에 고온에서보다 더 좋다. 마지막으로 고형체 입자의 분리가 분해 반응속도가 느린 온도에서 이루어진다. 그러므로 고형체 입자들이 노(10)의 출구에서 즉시 분리되면 발생하는 제2차 과분해의 화학적 반응을 일으키지 않는다.

제3도는 본 발명에 따른 다른 수증기 분해장치를 나타낸다.

이 장치는 벤드(54)에 의해 서로 연결된 직선 길이의 튜브(52)와 맞추어진 수증기 분해로(10)가 있는 코일형이거나 여러 갈래의 튜브로 되어 있다. 분기관(56)의 노(10)의 출구에서 튜브와 연결되어 간접 퀀치 보일러(58)과 연결된다. 사이클론(28)은 퀀치 보일러를 떠나는 기상 생성물을 받아 고형체 입자들을 분리해 낸다.

입자들은 노(10)의 입구, 튜브의 마지막 직선 길이부분의 시작점, 퀀치 보일러(58)의 입구 세 지점에서 장치로 분사된다.

제4도는 고형체 입자들의 재순환장치의 다른 실시형태를 나타낸 것이다.

여기서 사이클론(28)의 바닥은 분리밸브(60)를 거쳐 가장 큰 입자들을 제거하는 오리피스(68)(맨홀)와 함께 이러한 입자들을 보유 및 분리해 내는 진동 스크린과 같은 장치(66)를 포함하고 있는 탱크(64)의 상부 입구(62)와 연결되어 있다.

마세한 고형체 입자가 모이는 탱크(64)의 바닥부분은 스크류, 로타리록 등과 같은 모터가 있는 부재(70)와 연결되어, 분리밸브(72)를 거쳐 바닥출구가 상술한 부재(70)와 밸브(72)와 동일한 모터가 있는 로타리 부재(76)와 분리밸브(78)를 포함하고 있는 다른 탱크(74)의 입구와 연결되어 있다. 탱크(74)의 출구는 밸브(78)에 의해 수증기 분해장치에서 고형체 입자를 재순환하는 관(80)과 연결되어 있다. 가압하의 가스 소오스(82)는 중간속도나 비교적 낮은 속도(예를 들어 20㎧로 이동하는 과열수증기의 흐름)에서 가스흐름과 함께 관(80)에 공급된다.

입구가 세 개인 밸브(84)는 탱크(74)를 가압하의 가스 소오스(82)나 사이클론의 출구관(30)과 연결시켜 준다. 입구가 세 개인 밸브(84)를 가압하의 가스 소오스(82)나 관(30)과 연결하는 관이 각 스톱밸브(88)로 설치되어 있다.

소정의 평균 입자 크기의 새로운 고형체 입자들로 채워진 독립 탱크(90)는 모터가 있는 로타리 부재(92)의 분리밸브(94)를 거쳐 고형체 입자들을 토핑하기 위하여 관(80)으로 분사한다. 탱크(90)의 상부는 압력의 균형을 잡아주는 관(96)을 거쳐 상기 탱크의 출구와 연결되어 있다.

로타리 부재(92)는 토핑업 입자의 유속을 조절하는 역할을 한다.

제1탱크(64)(또는 탱크(74))의 바닥은 마모된 고형체 입자의 일정량을 제거하는 정화관(98)이 설치되어 있고, 반면에 조절된 바라아지 가스의 투입을 전하는 관(100)은 탱크(64)의 상부로 열려 있다. 바라아지 가스는 무거운 방향족 화합물이 없으며 수증기일 수도 있다. 분해된 가스가 존재하는 것을 방지하므로 탱크(64) 및 스크린(66)이 코우킹되는 것을 방지하게 된다.

먼저 제1탱크(64)의 상류밸브(60)가 열려 있고, 이 탱크로부터 로타리 출구 부재(70)가 회전하지 않으며 하류 분리밸브(72)가 닫혀 있다고 하자. 사이클론(28)에서 기상 생성물로부터 분리된 고형체 입자들은 크기가 큰 입자들을 제거하는 스크린(66)에 의해 여과된 후에 탱크(64)에 모아져 저장된다. 관(100)에 의해 전달된 바라아지 가스는 입자가 관(32) 아래로 중력 낙하하는 것을 방해하지 않으면서 무거운 방향족 탱크로 들어가지 못하게 한다.

이 단계동안 먼저 상부 탱크(64)로부터 고형체 입자들로 채워진 하부 탱크(74)는 이 입자들이 관(80)으로 재주입되면서 점차 비워진다. 이렇게 하기 위해 이 탱크 아래에 있는 분리밸브(78)는 열리고, 로타리 부재(76)는 회전하며, 탱크(74)의 내부는 밸브(84)에 의해 가압하의 가스 소오스(82)와 연결되고, 한편 바닥 스톱밸브(86)는 열린다. 소오스(82)에 의해 전달된 가스는 고형체 입자들이 장치로 주입되는 점에서의 압력보다 적지 않거나 약간 높은 압력이며, 이 압력은 사이클론(28)의 출구관(30)에서의 압력보다 더 크다. 따라서 탱크(74)내 압력은 상부 탱크(64)내 압력보다 더 크며, 재순환관(80)에서의 압력과 평행이다. 소오스(82)는 5㎧∼25㎧의 비교적 느린 속도로 가스흐름, 예를 들어 10㎧∼20㎧의 속도로 흐르는 과열 수증기를 이 관으로 전달하므로서 고형체 입자들을 희석된 기상 현탁액으로 장치에서 적어도 주입지점 중 하나로 전달하게 된다. 탱크(74)가 텅비어 있거나 거의 텅빌때 로타리 부재(74)를 스위치 오프하고, 밸브(78)를 닫으며, 탱크(74)는 입구가 세개인 밸브(84)를 거쳐 사이클론의 출구관(30)과 연결된다. 그 다음 탱크(74)는 상부 탱크(64)와 같은 압력이 되고, 분리밸브(72)를 열고 로타리 부재(70)를 스위치 온하여 탱크(64)에 있는 고형체 입자들이 탱크(74)로 전달되게 하는데 충분한다.

그리고 나서 로타리 부재(70)를 스위치 오프하고, 밸브(72)를 다시 닫으며, 탱크(74)는 가압하의 가스 소오스(82)와 연결되고, 밸브는 다시 열리고 로타리 부재(76)는 다시 스위치 온되어 고형체 입자들을 관(80)으로 주입하게 된다.

필요한 때는 언제든 정화관(98)은 탱크(64)로부터 고형체 입자의 흐름을 제거할 수 있고, 이 흐름은 장치의 내벽으로부터 떨어지게 되는 코우크스 입자와 함께 장치를 통하여 흐르는 흐름에 의해 어느 정도의 마멸이 있게 되는 토핑업 탱크로부터의 마찰입자들의 혼합물에 의해 이루어진다.

제5도의 변형 실시예에서의 두 탱크(64), (74)는 사이클론(28)과 재순환관(80)의 출구 사이에서 평행하게 연결되어 있고, 이들은 교대로 사용되어 이들 중 하나는 사이클론으로부터 나오는 고형체 입자들을 저장하고, 다른 하나는 이 입자들을 관(80)으로 분사한다. 사이클론(28)의 출구에 설치된 플랩밸브(101)는 탱크 중 어느 하나에 입자들을 공급하는 역할을 한다.

다른 조작은 제4도에 나타낸 재순환장치의 것과 유사하다. 고형체 입자들은 장치를 통하여 관(26)의 입구에서, 간접-퀀치 보일러(16)의 입구에서, 그리고 노의 부분(22)의 위치로 공급재료 기화관을 깨끗하게 하는 관(24)으로 재순환된다(예를 들어 공급재료가 수증기와 혼합되기 전에 충분히 기화된다).

또한 제5도에 나타낸 장치는 각 튜브의 내벽에 형성된 코우크스층으로 인한 압력강하에 그 증가를 알기 위하여 노의 튜브(12)에서 실제 압력강하를 측정하는 장치(42)를 포함하고 있다. 노튜브에서 헤드손실을 측정하는 장치(42)는 탄화수소 공급재료의 유속을 측정하는 장치(146)와 연결된 보정회로(144)에 의해 논리제어회로(148)와 연결되어, 노의 튜브에서 실제 압력강하를 같은 노운전조건(같은 탄화수소 공급재료 및 같은 수증기 유속)하에서 깨끗한 튜브에서 상기 압력강하값의 약 110%∼300% 범위의 값으로 조절하게 한다. 노튜브에서 실제적인 압력강하(유속의 함수로 보정)는 깨끗한 튜브에서 압력강하의 약 120%∼200%, 바람직하게는 130∼180%범위의 값으로 유지하는 것이 좋다. 이렇게 하기 위해서 제어회로(148)는 다음 수단으로 작용한다.

탱크(90)에 이해 전달된 토핑업 고형체 입자들의 양, 관(98)에 의한 탱크(64)의 정화, 탱크(64) 및 (74)로부터의 고형체 입자가 재순환되는 유속 및 사이클 주파수.

노튜브에서 보정된 실제 압력강하의 조절은 튜브의 내벽에서 유지되는 코우크스층의 두께를 제어하는 것에 해당하고, 이 두께는 0.3∼6㎜, 바람직하게는 0.5∼4㎜, 더 좋게는 1∼3㎜ 범위로 하므로써 고형체 입자들에 의해 튜브가 침식되는 위험을 방지해 준다.

제4도 및 제5도를 참조로하여 설명된 본 발명의 여러 장치들은 고형체 입자들이 분리 및 회수되는 노에서 사용된 튜브의 형태에 관계없이 일반적인 탄화수소 수증기 분해장치에 적용할 수 있다.

제6도는 재순환장치의 다른 변형예를 나타낸 것이다.

여기서 사이클론(28)의 바닥 출구(32)는 고압하에서 구동가스의 흐름으로 공급되는 주변입구(106)를 가지고 있는 이젝터-콤프레서(104)의 축방향입구(102)와 연결되어 있다. 축방향 스피드(102)와 이젝터-콤프레서(104)의 외벽 사이에 있는 둥근 공간은 주변입구(106)를 거쳐 공급된 고압구동가스용 가속노즐을 구성한다. 이젝터-콤프레서의 출구는 기체-고체 현탁액을 장치로 분사하는 관과 연결되어 있다.

또한 관(108)은 사이클론(28)의 출구에서 기체-고체 현탁액을 형성하도록 사이클론(28)의 바닥부분으로 보조가스흐름 q+q′를 주입하는 역할을 한다.

이러한 조건하에 이젝터-콤프레서는 가스-고체 현탁액을 형성하기 위하여 요구되는 바와 같이 사이클론(28)으로부터 보조가스의 흐름 q을 빼낸다. 사이클론으로 주입된 보조가스의 과다한 흐름 q′은 사이클론에 대한 입구 가스흐름 Q와 함께 그 꼭대기를 통하여 사이클론을 떠난다. 따라서 사이클론에서 회수된 입자들은 분해된 가스와는 성질이 다른 보조가스의 흐름 q에 의해 모아지고, 현탁액은 이젝터-콤프레서에서 재압축되며, 재압축된 현탁액을 장치로 재순환된다.

이젝터-콤프레서(104)에 의해 행해진 가스-고체 현탁액의 재압축은 장치로의 주입점과 이젝터-콤프레서(104)로의 입구점 사이에서 헤드손실용으로 보충하게 한다.

이젝터-콤프레서로 공급된 보조가스는 수증기이거나 이 가스의 소리속도가 수증기의 소리속도보다 상당히 낮은 화학적 조성을 갖는 무거운 가스이다. 이것은 속도가 소리의 속도에 관계되는 이젝터-콤프레서를 통하여 흐름속도를 제한하기 위하여 사용되며, 따라서 이젝터-콤프레서의 침식을 제한한다. 그럼에도 불구하고 이 가스는 무거운 방향족 화합물이 재순환되는 노의 코우킹을 증가시키기 때문에 이 화합물을 가지지 않는 것으로 선택된다.

보조가스의 중요한 부분은 예를 들어 C4 범위로 끓인 분류 및 열분해 가솔린을 열처리한 후에 재순환된 열분해 생성물의 분류에 의해 구성되어진다.

변형예로 이젝터-콤프레서는 종래의 형태(중앙축 구동가스공급)로 해도 되고 마찰(세라믹이나 카바이드의 내부 라이닝)에 견디는 물질로 만들면 된다. 무거운 입자들은 이젝터-콤프레서의 입구에서 여과되는 것이 좋다.

제7도는 수증기 분해로는 튜브(12) 사이에서 고형체 입자를 분배하거나 나누는 장치의 도형이다. 이러한 튜브(12)는 그 끝이 일차 퀀치 열교환기 아래에 위치하게 되는 출구 분기관(도시하지 않음) 및 공급 분기관(14)과 연결되는 소직경의 평행 직선튜브이다.

분기관(14)은 약 550℃인 수증기와 기화된 탄화수소 공급재료가 공급되며, 소량의 크기가 작은 고형체 입자가 그 속에 분사되며, 이 입자들은 중간 탄화수소에 대하여 빛이나 물과 같이 현탁액이나 액체형태로 탱크(110)에 저장된다. 펌프(112)는 액체와 고체입자 혼합물을 탱크(110)로부터 퍼올려 분기관(14)의 상류에 있는 관(114)에서 스팀 및 기화된 탄화수소 공급재료로 분사한다.

노튜브(12)는 하나 또는 그 이상의 평행한 줄을 이루고, 이들은 일정한 간격으로 분기관(14)에 열려 있고, 분기관의 섹션은 공급재료 흐름방향에 대하여 상류 말단에서부터 하류 말단에 이르기까지 점진적으로 테이퍼되어 있어서 분기관에서 혼합물을 위한 최소의 흐름속도를 유지하게 하고, 입자가 축적되는 것을 방지한다.

분기관(14)로 열려 있는 각 튜브(12)의 끝은 분기관의 상류 말단으로 향한 입구섹션이나 오리피스(118)를 가지고 있고 분기관에서 공급재료 흐름의 평균 방향에 대하여 수직인 면으로 뻗어 있는 콤포넌트를 가지고 있으며, 분기관으로 뻗어 있는 공급 엔드 피이스(116)를 포함하고 있다. 공급 엔드 피이스(116) 바로 아래에 있는 각 튜브(12)는 튜브(12)를 따라 흐르는 가스의 흐름을 일정하고 균일하게 하도록 드로우트나 벤튜리의 형태로 수축부(120)를 가지고 있다. 소닉 벤튜리를 사용하는 것이 바람직하다.

마지막 튜브(12)의 바로 아래와 분기관(14)의 바닥에 분기관(14)의 바닥 제너레이터 라인을 따라 이동하는 무거운 입자를 모으는 침전챔버(137)가 있다.

분기관(14)의 하류 말단(122)의 적당한 크기의 관(124)에 이해 수증기와 같은 구동가스의 흐름으로 공급하는 축관(128)으로 된 이젝터-콤프레서(126)와 연결되어 있다. 밸브(130)는 구동가스의 유속을 제어한다.

이젝터-콤프레서(126)의 출구는 관(132)에 의해 분기관(14)의 상류 말단과 연결되거나 탄화수소 공급재료를 전하기 위한 관(114)과 연결된다.

구동가스의 유속을 제어하기 위한 밸브(130) 그 자체는 노의 첫째와 마지막 튜브(12)의 표피온도 사이의 차이에 대한 구동가스 유속을 서어보-제어할 수 있도록 이 온도를 검지하는 장치를 포함한 시스템(134)에 의해 조절된다. 장치는 다음과 같이 작동한다.

크기가 작은 고형체 입자들을 전달하는 수증기 및 기화된 탄화수소의 공급은 분기관(14)을 따라 매우 심한 난류로 흐른다. 분기관에서 평균 유속은 20∼120㎧의 범위, 바람직하게는 30∼80㎧의 범위이고, 약 130∼300㎧, 특히 160∼270㎧의 범위로 튜브(12)에서의 유속보다 아주 느리다. 분기관(14)에서의 이 유속은 분기관내에서 가스로부터 고형체가 분리되어 나가는 것을 방지하는데 충분하며, 따라서 바닥 제너레이터 라인을 따라 이동하는 무거운 입자들을 제외하고는 고형체 입자가 분기관내에 쌓이는 것을 방지하는데 충분하다.

분기관의 하류 말단(122)으로부터의 가스흐름과 고형체 입자의 상당한 분류를 제거하므로써 분기관은 무한길이의 분기관으로 변형되어서 분기관의 하류 말단은 분기관의 하류 말단에 대하여 가깝거나 먼 것에 관계없이 여러 튜브(12) 사이의 가스 및 입자흐름의 분포에 인식할 정도의 영향을 미치지 않는다.

구동가스(예: 수증기)의 흐름을 이젝터(126)로 공급하므로써 분기관에서 가스 및 고체흐름의 원하는 분류를 추출할 수 있고, 이 분류를 관(114)이나 분기관의 상류말단으로 분사시켜 재순환하기 위하여 재압축할 수 있다.

시스템(134)은 밸브(130)에 작용하므로써 구동가스의 유속을 제어하게 하고, 첫째 튜브에서 마지막 튜브까지의 고형체 입자공급에 영향을 미치게 하고, 따라서 이러한 튜브의 표피온도 차이로 검지된 바와 같이 분포에 불규칙을 보정하게 된다.

튜브(12)를 따라 흐르는 고형체 입자들은 이러한 튜브의 내벽에 형성하는 코우크스층을 침식한다. 튜브의 표피온도에서의 변화는 튜브에 코우크스가 달라붙는 정도를 산정하여 고형체 입자에 의해 코우크스층이 침식하는 효율을 평가하게 한다. 떼어낸 유속의 증가는 분기관에서의 평균 유속을 증가시키고, 이 증가는 상류 말단에 있는 때보다 분기관의 하류 말단에서 더 크다. 따라서 분기관 말단에서 떼어낸 유속은 여러 튜브의 상대 클로킹에 관한 정보의 함수로 조절된다. 더 간단히 말해서 그것은 적당한 값으로 조정된다.

튜브(12)의 상류 말단에 형성된 수축부(120)는 튜브내 가스의 유속을 균일하고 실제로 일정하게 하는 효과를 가지고 있다. 이것은 고형체 입자들에 의해 이러한 튜브를 자동적으로 깨끗하게 조절하는 가능성을 발생한다. 만약 코우크스가 튜브에 비정상적으로 쌓여 부분적으로 튜브에 장애를 일으키면 공급가스 유속이 수축부(120)에 의해 유지되므로, 쌓인 코우크스를 지나서의 유속을 증가할 것이고 따라서 침식효능을 증가시킬 것이다.

여러 튜브 사이의 가스 및 입자의 흐름을 적당하게 조절하고 분배하기 위하여 견본의 공급 엔드 피이스(136)가 제1튜브(12)의 상류에 배치되어 있고, 상기 견본의 엔드 피이스는 튜브의 공급 엔드 피이스(116)과 동일하다. 이러한 제1튜브(12)가 다음 튜브처럼 같은 기체 역학적인 상황에 있다는 것을 이미한다.

제8도, 제9도 및 제10도는 튜브(12)의 말단과 이들의 공급 엔드 피이스의 여러 실시형태를 나타낸 것이다.

제8도에서 엔드 피이스(116)는 제7도 나타낸 것과 동일하나 수축부(20)는 음파인 드로우트를 가진 벤튜리로 구성된다. 벤튜리는 침식에 견딜 수 있도록 텅스텐 카바이드나 실리콘 카바이드와 같이 특히 단단한 물질로 되어 있다.

제9도에서 각 튜브(12)는 챔퍼컷을 가진 챔퍼컷 엔드 피이스(138)에 의해 끝이 나고, 이렇게 하므로써 가스 및 고형체 입자를 튜브로 흐르게 하기 위한 입구 말단을 형성하게 된다.

제10도에서 각 공급 엔드 피이스는 분기관(14)의 내벽에 고정되어 있고, 그 속에 오프닝되어 있는 해당 튜브(12)의 말단을 가지고 있는 90° 벤드(140)로 구성되어 있으며, 상기 말단은 수축부(120)를 포함하고 있다.

튜브(12)는 노튜브이거나 아니면 노튜브를 공급하는 유연성 관(피그텔일)이다.

제11도는 본 발명에 따른 수증기 분해장치의 다른 실시형태를 나타낸 것이다.

이 도면에서 수증기 분해로(10)는 노의 바깥에 위치한 분기관(14)에 의해 튜브의 상류 말단에 공급되고 노(10)의 내부에 위치한 분기관(158)(선택적으로 절연된)에 의해 하류 말단에서 서로 연결된 소직경의 일련의 직선형 튜브(12)로 되어 있다. 분기관(158)은 직경이 큰 직선형 튜브(160)로 공급하고, 이 튜브의 출구 말단은 수증기 분해의 생성가스를 이용하여 간접-퀀치 보일러(160)와 노의 바깥에서 연결되어 있다. 보일러(162)의 출구는 생성가스용 직접 퀀치장치(164)와 연결되어 있다.

분사된 입자들은 도시하지 않은 장치에 의해 보일러(162)와 퀀치장치(164) 사이에서 회수된다.

이 장치에서 탄화수소와 수증기 화합물로 구성된 수증기 분해공급재료는 분기관(14)로 전달되어 작은 튜브(12)를 따라 흘러서 직경이 큰 튜브(160)를 따라 반대방향으로 흐르며, 노를 떠나 간접 퀀치 열교환기(162)를 통과하여 입자들이 회수된 후에 직접 팍칭장치(164)에 도달한다. 이 장치는 두 방향의 통과의 스플릿 코일형 장치로 알려져 있다.

작업 중에 장치를 디코우킹하기 위해서 수증기나 수증기와 수소의 혼합물을 분사하는 수증기 분사관(166)은 노(10)의 바깥에 있는 소직경의 튜브(12)의 상류 말단과 연결되어 있다. 각 관(166)은 밸브 또는 이와 유사한 다른 열림 및 잠김장치(168)를 포함하고 있고 수증기나 수증기와 수소 혼합물과 함께 공급하기 위한 장치(170)와 연결되어 있다. 이러 관(166)의 밸브(168)은 연속적인 열린 및 잠김제어장치(172)와 연결되어 있어서 단 하나의 밸브(166)나 아주 작은 수의 밸브만이 어떤 시간에 열리고, 나머지 밸브들은 닫힌다. 작은 튜브(12) 중 하나로 주입된 수증기나 수증기 및 수소 혼합물의 유속은 수증기 분해 공급재료가 들어가는 것을 방지하도록 조정된다.

또한 이 장치는 침식고형체 입자를 큰 튜브(160)의 상류 말단으로, 바람직하게는 큰 튜브에 공급하는 분기관(158)의 상류 말단에서 분사하는 장치를 포함한다. 이러한 장치들은 번호(174)로 도면에 개략적으로 나타나 있다.

도면의 우측에 도형으로 나타낸 바와 같이 소직경 튜브(12)의 상류 말단으로 아주 소량의 고형체 입자를 분사하는 장치(175)를 설치하는 것도 가능하다. 입자들을 분기관(14) 입구나 이 분기관의 상류로 분사하는 것도 있을 수 있다. 이 경우에 최초로 고형체 입자에 의해 튜브(12)를 부분적으로 디코우킹하거나 분사스팀으로 디코우킹을 중지할 수 있다.

디코우킹을 증가시키기 위하여 부가적으로 고형체 입자를 간접-퀀치 보일러(162)의 입구로 직접 분사하는 장치(176)를 설치하는 것이 바람직하다.

이 점에서, 다시 말해 보일러(162)의 입구에서 가스(178)를 분사하기 위한 준비가 이루어지며, 가스는 수증기 분해의 가스 생성물보다 더 차고, 따라서 약150℃, 예를 들어 50∼130℃의 범위로 제한된 사전 팍칭으로 생성물을 사전 팍칭하게 된다.

사전 퀀치된 가스는 분해된 에탄이나 예를 들어 벤젠 추출 후 저옥탄가의 C5나 C6 분류인 재순환된 열분해 가솔린으로 냉각되며, 수소처리하는 것이 바람직하다.

사전 팍칭은 노(10)의 출구에서 생성물의 후분해를 피하거나 제한하게 된다.

노튜브(12)로 수증기를 분사하므로써 이 튜브나 가스나 물반응에 의해 디코우킹되게 한다. 튜브의 하류 말단에서 튜브(12)를 떠나는 수증기는 분기관(158)에서 수증기 분해 공급재료와 혼합된다. 그러므로 노의 첫째 통과 튜브(12)의 연속적인 디코우킹은 특별한 수증기 소모없이 일어나는데, 그 이유는 문제의 수증기가 회수되어 노의 둘째 통과(160)에서 희석 수증기로 사용되기 때문이다. 밸브(168)는 연이어 열려지고, 각각은 소정시간동안 열려있게 된다. 침식성 고형체 입자는 분기관(158)과 보일러(162)의 입구로 동시에나 다르게 분무된다.

퀀치 보일러(162)와 직접 퀀치장치(164) 사이에 놓여 있는 사이클론은 침식성 고형체 기상 생성물의 흐름으로부터 분리해 준다.

일반적으로 본 발명에 따른 방법은 제2도 및 제10도를 참고로 설명한 바와 같이 벤드없이 소직경의 직선 튜브를 사용하는 일방 통과 분해장치에 적합하다.

제11도의 장치는 본 발명의 흐름방향의 변화에 침식 위험없이(이 점에서 입자의 양은 적거나 영이다) 둘 또는 그 이상의 통과 장치에도 잘 적용할 수 있음을 나타낸다.

마지막으로 본 발명은 특히 경화된 코우크스의 사전층을 사용하고 입자 분사를 조심스럽게 제어하므로써 꾸불꾸불한 통로나 코일을 가지고 있는 장치에도 사용할 수 있다.

따라서 본 발명은 수증기 분해 산업에서 상당히 개량된 수증기 분해장치의 디코우킹 방법 및 장치를 제공한다.

Claims (21)

1. 장치의 내벽, 특히 수증기 분해로에서 및 간접-퀀치 보일러내에서 축적된 코우크스를 최소한 한 부분 침식하여 제거하는 방법으로, 이 침식은 벡터가스의 고속흐름에 의해 전달된 고형체 입자에 의한 것으로 된 탄화수소를 수증기 분해하는 장치를 디코우킹하는 방법에 있어서, 장치를 운전하면서 디코우킹을 행하고, 평균 직경이 약 150㎛ 이하인 고형체 입자를 포함하고 있는 벡터가스가 고체 대 기체의 비가 매우 낮은 수증기와 혼합된 탄화수소 공급재료에 의해 최소한 부분적으로 구성되어 있어서, 벡터가스 및 고체입자의 혼합물이 소량의 침식을 행하는 능력을 가진 가스로 작용하는 것을 특징으로 하는 탄화수소를 수증기 분해하는 장치를 디코우킹하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 벡터가스 및 고형체 입자의 혼합물이 수증기 분해로(10)의 출구에서 약 600℃ 이하의 중간온도로 냉각되며, 이 온도는 액체 응축을 방지하기 위하여 선택되고, 그 다음 최소한 한 부분의 고체입자가 최소한 하나의 사이클론(28)에서 벡터가스로부터 분리되고, 사이클론(28)에서 기체로부터 분리된 최소한 한 부분의 고체입자의 압력은 증가하며, 입자는 수증기 분해장치를 통하여 재순환되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 또는 제2항에 있어서, 고형체 입자의 평균 직경이 5∼100㎛이고, 고형체 대 가스의 비가 약 0.01∼10중량%이며, 노를 통과하는 입자의 속도가 70∼480㎧인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 고형체 입자의 평균 직경이 5∼85㎛이고, 고형체 대 가스의 비가 0.5∼8중량%이며, 노에서 입자의 속도가 130∼300㎧인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 장치로 공급된 고형체 입자들은 대류구역에서 디코우킹을 얻을 수 있도록 이 장치의 다수의 지점, 특히 수증기 분해로(10)의 하나 또는 그 이상의 구역으로나 간접 퀀치 보일러(16,58)의 입구로나 연속적으로 희석 수증기로 분무되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제2항에 있어서, 사이클론(28)에서 벡터가스로부터 분리된 고형체 입자들은 물 또는 실제 무거운 열분해 방향족 화합물이 없는 탄화수소액(36)과 혼합되며, 상기 액체는 선택적으로 분해된 탄화수소 공급재료의 분류이고, 고형체 입자와 액체 혼합물이 펌핑에 의해 장치로 재순환되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제6항에 있어서, 액체를 사이클론(28)을 떠나는 고형체 입자와 접촉시키기 위하여 액체가 입자 도달구역 주위 및 아래에 위치한 벽에 대해 소오스 라인으로부터 계속 흐르도록 하여 젖은 벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 고형체 입자들은 가스분사에 의해 형성된 금속 또는 무기입자와 같이 실제 구형인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제8항에 있어서, 입자들은 접촉분해용 촉매의 마멸된 입자와 같이 실리카나 알루미나에 근거한 다공성 무기입자들인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제6항 또는 제7항에 있어서, 고형체 입자들이 두가지 형태의 입자를 포함한 혼합물이며, 그 한가지 형태는 수증기 분해조건에서 비교적 연한 코우크스접촉 금속입자이고 나머지 입자들은 단단하고 침식성이 큰 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제6항 또는 제7항에 있어서, 깨끗한 튜브의 압력강하보다 훨씬 더 높은 수준으로 튜브내 압력강하를 유지하므로써 장치 내벽에 코우크스층이 형성하도록 하고, 그 다음 상기 고형체 입자를 이용하여 침식하므로써 이 코우크스층의 평균 두께를 소정값으로 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 탄화수소 공급재료의 흐름을 전하는 튜브(12)가 있는 수증기 분해로(10), 이 노를 떠나는 기상 생성물을 퀀칭하기 위한 간접 퀀치장치(16,58) 및 간접 퀀치장치의 출구와 연결된 액체 분사 직접 퀀치장치로 된 탄화수소를 수증기 분해하기 위한 장치에 있어서, 운전 중 장치를 통하여 흐르는 기화된 탄화수소 공급재료에 고체입자를 분사하는 장치를 포함하고, 이 때 고형체 입자의 평균 직경은 약 150㎛이하이며, 장치내에서 고체 대 가스의 비가 아주 낮아서 가스와 입자 혼합물이 소량의 침식을 행하는 능력을 가진 가스와 같이 작용하고, 또 이 장치는 고체입자를 가스와 분리하는 사이클론(28)과 같은 분리장치를 더 포함하며, 상기 장치들은 간접 퀀치장치(16,58)와 직접 퀀치장치의 상류에 설치되는 것을 특징으로 하는 탄화수소를 수증기 분해하는 장치.
13. 제12항에 있어서, 가스와 분리된 고형체 입자를 장치를 통하여 재순환하는 장치와 고형체 입자를 보충하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제13항에 있어서, 고형체 입자들을 저장하기 위한 탱크(74)를 포함하고, 이 탱크는 상기 분리장치(28)로부터 나온 고형체용 출구(32)와 연결된 입구 및 고형체를 장치로 분사하기 위한 관(80)과 연결된 출구를 가지고 있고, 밸브와 같은 상기 탱크(74)를 위한 분리장치(72,78)를 포함하고, 입자들이 장치로 분사되는 지점에서의 압력보다 낮지 않은 값으로 탱크(74)의 내압을 올릴 수 있는 압력하에서 상기 탱크를 가스의 소오스(82)와 연결하는 장치를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제14항에 있어서, 분리장치(38)의 출구와 제1탱크(74)의 입구 사이에서나 제1탱크(74)와 평행하게 배치된 제2탱크(64), 제2탱크(74)내에 설치된 큰 입자를 보유하기 위한 장치(66)와 함께 밸브와 같은 제2탱크를 위한 분리장치(60,72)를 포함하고, 가압하의 가스소오스(82)는 입자를 장치로 분사하는 관(80)과 연결되어 있을 특징으로 하는 장치.
16. 제13항에 있어서, 고형체 입자를 재순환하기 위한 장치는 무거운 방향족 화합물이 없는 가스흐름을 분리장치(28)의 바닥부분으로 분사하는 장치(108)를 포함하여 상기 장치의 출구에서 가스-고체 현탁액을 형성하고, 가스-고체 현탁액을 장치로 재주입할 목적으로 이 현탁액을 재압축하기 위한 높은 압력에서 보조가스의 흐름으로 공급되고 상기 분리장치(28)의 출구와 연결된 이젝터-콤프레서(104)를 포함하는 것으로 특징으로 하는 장치.
17. 제12항에 있어서, 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 수증기 분해로(10)의 튜브(12)를 위한 공급분기관(14)를 포함하며, 고형체 입자를 분기관(14)의 입구에서나 입구로 부터 기화된 탄화수소 공급재료 상류로 분사하는 장치, 분기관(14)내에 고형체 입자가 축적되는 것을 방지하기 위하여 고속으로 난류를 만드는 장치, 분기관(14)으로 뻗어 있고 튜브(12)의 끝에 설치된 엔드 피이스(116)를 포함하고, 각 엔드 피이스는 분기관의 상류 말단으로 향한 입구섹션(118)을 가지고 있으며, 분기관내에서 평균 흐름방향에 대하여 수직인 면에 콘포넌트를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제17항에 있어서, 분기관의 하류 말단에 고형체 입자들을 모으는 장치(124,126,127)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제18항에 있어서, 분기관내 가스 및 고체입자 흐름의 분류를 이것의 하류 말단으로부터 집어내는 장치(124,126)와 집어낸 가스 및 고체입자 흐름의 상류 분류를 분기관의 입구에서나 입구로부터 재순환하는 장치를 포함하는 것으로 특징으로 하는 장치.
20. 제12항에서 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 수증기 분해로의 튜브내에 압력강하를 측정하는 장치(142), 분해용 공급재료의 유속을 측정하는 장치(146), 압력강하를 측정된 유속의 함수로 보정하는 장치(144) 및 장치로 재순환된 고체입자의 유속을 조절하므로써 보정된 압력강하를 조절하는 장치(148)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제12항에서 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 수증기 분해로(10)를 통하여 탄화수소 및 수증기 공급재료용 다수의 통로를 포함하고, 최소한 이들 통로 중 하나는 분기관(158)에 의해 마지막 통로를 이루는 직경이 큰 튜브(160)와 연결된 일련의 소직경의 튜브(12)에 의해 구성되고, 수증기 분사관(166)을 개폐하는 밸브와 같이 부재(168)를 포함하고 있는 소직경의 튜브(12)의 상류 말단과 연결된 상기 관, 이 부재를 조절하고 튜브로 수증기를 분사하므로서 소직경의 튜브를 차례로 디코우킹하는 장치(172) 및 소직경의 튜브를 대직경의 튜브(160)와 연결하는 분기관(158)으로 침식성 고형체 입자를 분사하는 장치(174)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.