KR100191691B1 - 열 분해로와 켄치쿨러의 연결장치 - Google Patents

Abstract

열분해로부터의 유출물을 켄칭하는 켄치 쿨러 또는 전달라인 열교환기는열분해로의 튜브와, 흐름을 복수로 분기하는 켄치쿨러의 튜브 사이에 입구연결장치를 가진다. 이 흐름통로는 초기에는 가스를 감속시키고 나중에는 재가속시킬 수 있도록 구성된다. 이것은 원추형 발산 디퓨저부와 테이퍼지고 분기되는 수렴부를 포함한다. 이행부는 완만하며 데드 공간을 회피시키고 압력손실을 최소화시킨다.

Description

열분해로와 켄치쿨러의 연결장치

본 발명은 탄화수소 열분해로(hydrocarbon cracking furnace)로부터의 유출물을 켄칭하는 신규의 열교환기 또는 켄치 쿨러(quench cooler)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 열분해로 튜브와 켄치쿨러 또는 전달라인 교환기 튜브사이의 연결장치에 관한 것이다.

스팀이 존재하는 상태에서 탄화수소공급원료의 열분해에 의한 경올레핀(light oldfin)(에틸렌, 프로필렌, 부타디엔 및 부틸렌)과 관련 방향족(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌 및 스티렌)의 제조에 있어서, 열분해 반응은 열분해로 유출물을 급냉 즉 켄칭함으로써 정지된다. 켄칭시간은 밀리초로 측정되며 연속되는 2차 반응에 의해 올레핀 수율이 떨어지는 것을 방지하기 위해 순간적으로 노의 출구 조성물을 동결시키기 위한 것이다. 많은 상이한 켄치 쿨러의 설계가 냉각될 열분해 가스의 양, 발생되는 노유출물의 오염 경향 및 발생될 스팀의 압력/온도 조건에 따라 시판되고 있다. 이들 설계는 종래의 고정 튜브시트 셀과 튜브 열 교환기로부터 2중 파이프 설계까지 다양하게 있다.

임의의 주어진 열분해로의 동작상태에서, 가능한 한 빨리 열분해로로부터 나오는 가스의 온도를 감소시킴으로써 올레핀의 수율이 최대로 되고 켄처 오염은 최소로 되게 할 수 있다는 것이 잘 알려져 있다. 이것은 켄치 쿨러가 열분해로 출구에 가능한 근접하여 위치될 것, 켄치 쿨러의 입구부의 체적이 최소로 될 것과 냉각부에서 표면 대 체적 비가 최대로 될 것을 요구한다. 후자의 요구조건은 다수의 작은 켄치튜브가 단일의 큰 직경의 장치보다 양호함을 의미한다.

SHG 전달라인 교환기(SHG transferline exchanger; Schmidt'sche Heissdampf-Gesellschaft mbH제)로서 알려진 종래의 켄치 쿨러중 한 종류는 각 켄치튜브는 병행하는 다수의 이중튜브 장치를 사용하고, 여기서 물-증기 혼합물을 이동시키는 동심의 외측 튜브에 의해 둘러 싸인 내측 튜브와 외측 튜브사이의 환형공간에는 수평의 타원형 헤더를 통해 보일러의 물이 공급된다. 이에 대해서는 독일 특허 제 2551195호를 참조하라. 외측 튜브용 타원형 헤드와 상기 이중 튜브장치를 사용하는 또 다른 종래 특허가 미국 특허 제 4,457,364호이다. 이 특허에는 노(爐)로부터 가스 입구와, 노와 켄치 쿨러 사이의 이행부에 대해 Y자형 또는 3부분을 형성하는 2 또는 3개의 발산되는 분기통로를 가진 디스트리뷰터에 대해 개시 되어 있다. 상기한 것과 같이, 냉각이 아직 시작되지 않은 상기 이행부는 연속 반응 및 바람직하지 않은 코크스 부착을 최소화하는데 중요하다. 상기 미국 특허 제 4,457,364호에서, 연결기를 통한 유동 단면적은 디스트리뷰터 전체에 걸쳐 일정한 가스속도를 달성할 수 있도록 거의 균일한다. 디스트리뷰터는 분기통로의 단면적의 합 대 입구 단면적의 비가 2:1이 되는 지점까지 단면적이 커져도 된다.

제1도는 본 발명에 사용하는 켄치쿨러를 부분 단면도로 도시한 측면도.

제2도는 선 2-2을 따라 절취한 제1도의 켄치쿨러의 단면도.

제3도는 타원형 헤더까지 및 타원형 헤더를 지나는 튜브 연결기의 사시도.

제4도는 제1도의 켄치 쿨러의 끝부분을 나타낸 단면도.

노의 출구와 켄치 쿨러 튜브에 연결되는 입구 사이의 켄치 쿨러용 입구부 또는 연결기는 흐름을 복수로 분기시키며 입구부의 체류 시간을 최소로 감소시킬 수 있도록 설계된다. 가스를 복수의 일렬로 배열된 켄치 튜브에 균일하게 분배하기 위하여, 흐름 통로는 먼저 노로부터 빠져 나오는 가스를 효과적으로 감속시키고 이후 가스를 켄처 쿨링 튜브속도로 재가속시키도록 구성된다. 특히, 연결부의 원추형 발산 디퓨저부는 가스를 감속시키고 이후 가스가 켄치 쿨러튜브에 공급될때 테이퍼지고 분기된 수렴부는 가스를 재가속한다. 이행부 단면적은 유동 방향(공기 역학의)에서 단조로운 면적변화를 가지므로 완만하고 동적압력이 회복되고, 데드(dead)공간, 즉, 흐름분리 영역이 회피되고 압력손실이 최소로 되게 된다.

제1도를 참조하면, 켄치쿨러(10)는 외측 튜브(16)로 둘러싸이고 열분해로의 유출물 가스를 이동시키는 내측 튜브(14)를 또한 포함하는 복수의 이중 튜브 열교환 소자(12)를 포함한다. 2개의 튜브 사이의 환형 공간은 냉각제인 물/증기 혼합물을 이동시킨다. 튜브(14, 16)의 하단부는 타원형 헤더(18)에 연결되며 한편 상단부는 타원형 헤더(20)에 연결된다.

타원형 헤더로의 튜브 연결기가 제3도에 상세히 도시되어 있다. 내측 튜브(14)는 헤더를 완전히 통과하며 한편 외측 튜브(16)는 헤더에서 끝나며 헤더 내부로 개방되어 있다. 제1도에 도시된 것과 같이, 냉각제 입구 연결장치(22, 24)를 통해 하부헤더(18)에 공급되는 냉각수는 하부헤더를 통해 튜브사이의 환형공간으로 흐르며 상부헤더(20)를 향해 위쪽으로 흘러간다. 가열된 증기/물 혼합물인 냉각제는 헤더(20)로부터 출구 연결부(26, 28)를 통해 흘러나간다. 내측 튜브(14)를 통해 흘러올라간 냉각된 가스는 상부출구 챔버(30)로 흘러 들어가서 출구(32)를 통해 배출된다.

다른 장치가 사용될 수 있지만, 본 발명은 제2도에 가장 잘 도시한 것과 같이 16개의 튜브 배열을 사용하여 도시되어 있다. 상기 도면은 각 헤더에 연결된 8개의 튜브 조합을 갖는 2개의 타원형 헤더(18)를 보여주고 있다. 또한, 각 타원형 헤더상의 물이 들어오는 2개의 입구연결부가 부호 22, 22a, 24, 24a 로 도시되어 있다. 2개의 헤더(18)은 서로 결합되어 있으며 용접등에 의해 주변 플레이트(34)에 결합된다. 플레이트(34) 외주 주위에는 이후에 설명하는 입구 연결기를 장착하기위한 플랜지(36)가 있다. 상부 타원형 헤더(20)는 상부 출구 챔버(30)상에 플랜지(40)를 부착하기 위한 플랜지(38)를 가지고 유사하게 장착된다.

본 발명의 켄치 쿨러는 비교적 많은수의 저용량 열분해 코일을 사용하는 열분해로(도시안함)에 가장 유리하게 응용될 수 있다. 예를 들어, 상기 노느 단일 10cm(4inch) 내경의 외측 튜브에 내장되는 4개의 5cm(2inch) 내경의 튜브로 각각 형성되는 높이가 각각 12m(40feet)인 24개의 코일을 가진다. 4개의 이와 같은 코일로부터의 유출물은 본 발명의 단일 켄치 쿨러에서 켄칭될 수 있다. 도시된 본 발명의 실시예는 유출물을 각 노의 코일과 출구 튜브(4개의 노 입구튜브)로부터 4개의 켄치튜브로 공급한다. 켄치 쿨러는 16개의켄치튜브를 가지므로 4개의 노 코일(16개의 노 입구 튜브)을 다룰 수 있다.

켄치 쿨러 하단부에 있는 입구챔버(42)는 압력 경계를 형성하는 컨테이너 또는튜브(44)를 포함한다. 입구 챔버 컨테이너의 엣지 주위의 플랜지(46)는 볼트(48)에 의해 플랜지(36)에 부착된다. 컨테이너는 내부에 형성된 본 발명의 특이하게 성형된 내부가스통로(52, 54, 56, 58)를 가지는 고온 내화재(50)로 채워진다. 이들 가스통로는 내화물질이 설치된 후 제거되는 적당히 놓여진 코어에 의해 형성된다. 예를 들어, 코어는 녹거나 내열성을 잃고 불에 탄다. 다른 방법으로서는, 가스 통로는 제 4도에 부호(53)으로 도시된 것과 같은 높은 니켈 크롬합금 등의 주조 또는 성형 금속으로 형성될 수 있다. 그 경우에, 내화물질은 형성된 통로 주위에 단순하게 부어진다.

도시된 본 발명의 실시예에 있어서, 각각의 가스통로(52, 54, 56, 58)는 4개의 분기통로(60, 62, 64, 66)로 포크형으로 갈라지거나 분기된다. 각 분기통로는 내측 튜브(14)에 연결된다. 각각의 가스 통로는 분기통로를 구비하는 수렴부(70)가 이어지는 제 1 발산 원추형 디퓨저부분(68)을 포함한다. 제 1발산 원추형 디퓨저부분(68)은 제1도 및 제4도에 도시된 2개의 도면에서 볼 수 있다. 수렴부는 일평면에서(제1도) 발산을 시작하여 분기통로를 형성하지만 다른 평면에서(제4도)에서 수렴하기 때문에 쉽게 인식할 수 없다. 하나의 평면에서 발산하고 다른 평면에서 수렴하는 조합은 완만하고 단조롭게 수렴하는 유동영역을 있게 하는 효과가 있다. 소용돌이 및 코크스를 생성하는 불연속이 회피된다. 그러므로, 가스는 우선 원추형 디퓨저에서 감속되고 이후 켄처 튜브 속도까지 재가속된다. 이 원활한 재가속은 흐름 분리를 회피하도록 작용하여 데드 영역(dead area)에서의 코크스 형성을 최소로 되게 하고 한편 균일한 흐름 분포를 각각의 켄처 튜브에 제공한다. 특정실시예로서, 각 입구 튜브의 내경은 10.16cm(4in)이고, 디퓨저 출구의 내경은 2.25의 유동면적의 비를 가지도록 15.24(6in)로 한다. 15.24cm(6in)의 최대직경은 이후 0.56의 유동면적 비를 가지도록 5.7cm(2.25in)의 4개의 튜브로 수렴한다.

흐름은 데드 영역 없이 재가속되기 때문에, 각 튜브 입구에서의 코크스 부착이 최소로 된다. 코크스가 튜브에 부착될 때에도, 균일한 흐름 분포로부터 벗어나는 것이 크게 감소된다. 이것은 미국 특허 제 4,457,364호에 도시된 것과 같은 종래의 전달 라인 교환기 입구 또는 일정 면적 또는 발산하는 분기 대신에 공기역학적으로 효과적으로 발산/수렴하는 통로를 사용하는 것의 이점이다. 후자의 경우, 전달라인 교환기 튜브로의 불균형 분배와 Y자형 또는 3부분으로의 흐름 분리가 있을 수 있다. 본 발명의 발산/수렴 통로를 응용한 결과는 균일한 분배, 코크스 형성 경향의 감소가 있어 수율을 향상시키고 수명을 증가시킨다.

Claims (5)

1. 열분해로의 코일로부터 켄치쿨러의 열교환 튜브속으로 열분해된 가스를 공급하는 열분해로와 켄치쿨러의 연결장치에 있어서, 상기 연결장치는 복수의 흐름 통로를 포함하고, 각각의 흐름 통로는 상기 열교환 튜브중 하나에 각각 연결되도록 된 출구통로를 갖춘 복수의 개별 출구 통로로 분기되는 출구부가 연결되는 발산 원추형 입구 디퓨저통로를 포함하며, 상기 출구부는 유동단면적이 균일하게 유동방향으로 감소함으로써 수렴 출구부를 형성하도록 된 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 열분해로와 켄치쿨러의 연결장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 출구부는 4개 이상의 출구통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 열분해로와 켄치쿨러의 연결장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 연결 장치는 세라믹 절연 재료를 포함하고 상기 출구 통로는 상기 세라믹 재료내에 형성되는 것을 특징으로 하는 열분해로와 켄치쿨러의 연결장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 세라믹 재료내의 출구 통로는 금속으로 라이닝되어 있는 것을 특징으로 하는 열분해로와 켄치쿨러의 연결장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 입구 통로의 직경 대 상기 출구 통로 중 하나의 직경 비는 2:1인 것을 특징으로 하는 열분해로와 켄치쿨러의 연결장치.