KR100438847B1 - 탄화수소 열분해용 튜브형 화로에 코크스 용착 억제자 용액을 주입하는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 코크스 용착 억제자 용액을 탄화수소 열분해용 튜브형 화로에 주입하기 위한 주입장치는, 원자재 공급용 주입 파이프(4)를 구비한 직선 코일 런(1), 억제자 분무장치, 상기 분무장치에 억제자를 공급하기 위한 튜브(6) 및 상기 분무장치를 감싸면서 상기 튜브와 동축을 이루는 또 다른 튜브(7)를 포함한다. 억제자 용액이 주입되는 영역 내에서 코일의 직선 런(1) 내에 동심원 형태로 놓여지는 하나의 보텍스 게이트를 주입장치내에 설치함으로써 억제자 용액이 주입되는 영역내에 코일이 타는 현상(coil burns-outs)을 제거할 수 있다. 바람직한 보텍스 게이트는 상기 또 다른 튜브(7)에 대칭적으로 부착되어 있는 방사형 플레이트들(9)과, 상기 또 다른 튜브(7)와 동축형태로 상기 방사형 플레이트(9)에 부착되어 있으며, 원자재의 흐름 방향으로 점진적으로 확장되는 내부 통로를 형성하는 실린더형 링들(10, 11, 12, 13)로 이루어진다.

Description

탄화수소 열분해용 튜브형 화로에 코크스 용착 억제자 용액을 주입하는 장치{Unit for injecting a coke-deposition inhibitor solution into tubular furnaces for Hydrocarbon Pyrolysis}

현재 전 세계적으로 에틸렌과 프로필렌을 생산하는 방법은 튜브형 코일(tubular coil)을 가진 화로(furnace)내에 스팀(steam)을 주입시켜 탄화수소 원자재를 열분해시킴으로써 이루어진다. 원자재로는 에탄(ethane), 프로판-부탄 혼합물(propane-butane mixes), 나프타(naphtha), 소량의 경유(gas oil)가 사용된다. 통상적인 열분해용 화로는 두 개의 부분 즉, 대류부(convection section)와 복사부(radiant section)로 이루어진다. 원자재는 대류부의 코일을 통과함에 따라 증발되며, 증기와 혼합되어 550℃ 내지 650℃로 예열된다. 상기 혼합물은 다음 복사부에서 750℃ 내지 950℃로 가열되어 열분해 됨으로TJ 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌(butylene) 그리고 몇몇 부산물을 생성하게 된다. 그러나 상기 방법의 가장 큰 문제점은 상기 복사부 내에 있는 코일 벽면(coil wall)상에 코크스가 형성된다는 것이다. 대부분의 화로에서는 상기 증착된 코크스를 제거하기 위해 스팀과 산소를 주입한 상태에서 태워버린다.

일부 튜브형 열분해 화로에서는 알칼리 금속 화합물(alkaline-metal compound)과 같은 억제자(inhibitor)를 프로세스 중에 주입함으로써 상기 코크스 용착을 억제시킨다. 상기 억제자는 대부분 수용액(aqueous solution)이나 현탁액(suspension)상태로서, 코일의 대류부와 복사부의 경계지역 부근에 삽입된 주입장치를 통해 뜨거운 원자재에 주입된다. 상기 억제자 용액이 주입된 부분의 벽면은 타거나 때로는 구멍이 형성(perforation)된다. 이와 같이 타는 현상은 억제자가 주입되는 부위 근처에 있는 뜨거운 벽면에 억제자 용액 방울이 부딪힘으로써 발생하게 되는데, 이로 인해 복수의 사이클을 갖는 온도변화가 생겨 열적 금속 약화(thermal metal fatigue)를 유발케 하고 결국 화로 고장의 원인이 된다.

유럽 특허번호 EP 0617112 A2 는 탄화수소 열분해를 위해 튜브형 반응기내에 액체 코크스 억제용 용액을 주입하기 위한 주입 장치에 대해 개시하였다. 상기 주입장치는 원자재 공급용 주입 파이프를 구비한 직선 코일 런(straight run)과, 억제자 분무장치(inhibitor atomizer)와, 상기 분무장치에 억제자를 공급하기 위한 하나의 튜브와, 상기 분무장치를 감싸면서 상기 튜브와 동축을 이루는 또 다른 튜브로 이루어진다. 상기 분무장치를 감싸는 튜브는 코일 벽면을 액체 억제자 용액의 충돌로부터 막아주는 가리개(shroud) 역할을 한다. 그러나 이 튜브 자체는 액체 억제자 용액과 충돌하게 된다.

유럽 특허번호 EP 0606898 B1 는 탄화수소 열분해를 위해 튜브형 반응기내에 액체 코크스 억제용 용액을 주입하기 위한 주입 장치에 대해 개시하였다. 상기 주입장치는 원자재 공급용 주입 파이프를 구비한 직선 코일 런과, 억제자를 분무화 하기 위한 주입 노즐과, 상기 주입 노즐에 억제자를 공급하기 위한 하나의 튜브로 이루어진다. 상기 튜브는 개스 상태의 원자재 흐름방향과 평행하며 축 방향을 따라 제거가 가능하다. 동작 위치에서는 상기 노즐이 상기 직선 코일 런 직경의 약 1 내지 3배 되는 거리만큼 상기 기체 흐름 속으로 이동한다.

미국특허번호 5435904 는 탄화수소 열분해를 위해 튜브형 반응기내에 액체 코크스 억제용 용액을 주입하기 위한 주입 장치에 대해 개시하였다. 상기 주입장치는 원자재 공급용 주입 파이프를 구비한 직선 코일 런과, 억제자 분무장치와, 상기 분무장치에 억제자를 공급하기 위한 하나의 튜브와, 상기 분무장치를 감싸면서 상기 튜브와 동축을 이루는 또 다른 튜브로 이루어진다. 상기 장치를 통해 액체를 분산(disperse)시키기 위해서는 상기 두 튜브 사이에 형성된 고리형태의 통로를 통해 상기 분무장치에 공급되는 압축기체가 사용된다.

미국특허번호 4708787 는 기체상태의 스트림(gaseous stream) 전체에 걸쳐 액체를 분산시키는 장치에 대해 개시하였다. 상기 장치는 개스를 공급하기 위해 벤츄리 튜브(Venturi tube) 형태의 주입부를 갖는 주입 도관(inlet conduit)을 갖춘 직선 파이프 런(straight pipe run)과, 액체 분무장치와, 액체를 상기 분무장치에 공급하기 위한 하나의 튜브로 이루어진다. 상기 튜브는 상기 직선 파이프 런 내에 동축 형태로 위치하며 상기 분무장치는 상기 벤츄리 튜브의 목(throat) 내에 동심원 형태로 놓여진다.

미국특허 3812029 는 고온으로 예열된 용기 내에서 코크스 형성이 되기 쉬운 액체를 주입하는 장치에 대해 개시하였다. 상기 장치는 주입된 액체를 공급하기 위한 내부 튜브와, 상기 내부튜브를 감싸며 물이 공급되는 가리개로 구성된다. 상기 내부 튜브와 가리개는 가열된 용기내에 주입용액과 물이 공급되기 전에 주입용액과 물이 혼합되는 하나의 공통 노즐내에서 끝난다.

러시아 발명자증(USSR Inventor's Certificate) 번호 1661189 A1 는 공기 스트림(air stream)에 의해 실린더형 분기 파이프(branch pipe)의 내부 면을 청소(purge)하는 장치에 대해 개시하였다. 상기 장치는 상기 분기 파이프와 동심원 형태를 가지며 압축공기를 제공하는 튜브와, 상기 튜브상에 고정되어 형성되며 비어있는 콘(hollow cone) 모양을 갖는 공기 스트림을 형성하는 환형 노즐(annular nozzle)을 포함한다.

러시아 발명자증 번호 633892 는 탄화수소 열분해용 튜브형 화로내에 코크스 형성 억제자를 주입하는 장치에 대해 개시하였다. 상기 장치는 서로 동심원 형태로 형성된 내부 및 외부 튜브를 포함한다. 예열된 탄화수소 원자재는 상기 내부 튜브를 통해 흐른다. 개스 형태의 코크스 억제자는 상기 두 튜브 사이에 형성된 통로를 따라 흐르는 원자재에 주입된다.

본 발명은 석유화학 산업에 관련된 것으로, 원재료(feedstock)인 탄화수소(hydrocarbon)를 열 분해(thermal cracking ; pyrolysis)하여 에틸렌(ethylene)과 프로필렌(propylene)을 생산하는 제조설비에 사용하기 위한 것이다.

첨부된 도면을 통해 본 발명을 예시하였다.

도 1 은 본 발명에 의한 주입장치의 전체적인 모습을 나타낸 도면.

도 2 는 보텍스 게이트의 단면도를 나타낸 도면.

본 발명은 억제자 용액이 주입된 영역에서 코일이 타는 것을 없애는 것을 목적으로 한다.

이 문제를 해결하기 위해, 원자재 공급용 주입 파이프를 구비한 직선 코일 런과, 억제자 분무장치와, 상기 분무장치에 억제자를 공급하기 위한 하나의 튜브와, 상기 분무장치를 감싸면서 상기 튜브와 동축을 이루는 또 다른 튜브를 포함하며, 코크스 형성 억제자 용액을 탄화수소 열분해용 튜브형 화로내에 주입하기 위한주입장치를 주입 지점으로부터 아래쪽으로의 난류(turbulence downstream)를 줄이기 위한 하나의 보텍스 게이트(vortex gate)와 함께 제공하였다. 상기 보텍스 게이트는 동심원 형태로 억제자 주입 영역내에 있는 직선른 코일 런내에 놓인다.

상기 보텍스 게이트는 일종의 공기역학적 그리드(aerodynamic grid)로서, 흐름(flow)을 상기 코일의 축방향과 평행한 방향을 갖는 개개의 스트림(stream)들로 나눈다. 직선 런 내에 있는 코일의 직경과 관련있는 특정 거리 내에서는 상기 보텍스 게이트로부터의 아래쪽 난류는 추가(addition)의 방사형 드리프트 비율(radial drift rate)의 감소에 따라 줄어든다.

상기 흐름 스트림 코아(flow stream core)로부터 상기 코일의 벽면층까지의 억제자 용액 방울에 대한 상기 방사형 드리프트 비율은 감소하며, 상기 방울은 상기 벽면층에 도달하기 전에 증발된다. 이와 같은 이유로 인해 코일 벽이 타는 위험을 방지할 수 있다.

바람직한 분무장치는 소용돌이기(swirler)이다. 상기 소용돌이기의 장점은 상기 보텍스 게이트의 출구(outlet)에서 원자재 흐름 난류도를 최소화 하기 위한 분무화된 액체콘(atomized liquid cone)이 축상으로 대칭 형태를 이루고 있다는 점이다.

본 발명에 있어 바람직한 형태는 다음과 같다.

- 상기 보텍스 게이트는 방사형 플레이트들(plates)과 실린더형 링들로 이루어진다.

- 상기 방사형 플레이트들은 상기 또 다른 튜브에 대칭적으로 부착되어 있다.

- 상기 실린더형 링들은 상기 또 다른 튜브와 동축형태로 상기 방사형 플레이트에 부착되어 있으며, 원자재의 흐름 방향으로 확장되는 내부 통로를 형성한다.

- 상기 보텍스 게이트는 3 내지 5 개의 링들을 포함하며, 링들의 폭(width)은 흐름 방향에 따라 점진적으로 증가하되 직선 런 내에 있는 코일의 내부 직경에 대해 0.25부터 0.9 배 까지 증가한다.

- 상기 플레이트의 위쪽 방향 가장자리(upstream edge)로부터 원자재 공급용 주입 분기 파이프의 가장 가까운 연결지점까지의 거리는 직선 런 내에 있는 코일의 내부 직경의 두 배보다는 작아야한다.

본 발명에 의한 주입장치는 코일의 직선 런(1)과, 플렌지(2)와, 주입 분기 파이프(3, 4), 그리고 후면 플렌지(5)를 포함하는 삽입 에셈블리, 억제자 공급 튜브(6), 별도 튜브(7), 소용돌이기(8), 방사형 플레이트에 의해 형성되는 보텍스 게이트(9), 실린더형 링(10, 11, 12, 13)으로 이루어진다. 상기 삽입 어셈블리는 플렌지(2)와 방사형 플레이트(9)의 사출(projections)에 의해 코일의 직선 런(1)내 중심에 놓여진다. 상기 실린더형 링(10, 11, 12, 13)은 상기 방사형 플레이트(9)에 상기 별도 튜브(7)와 동일한 축으로 부착되고, 흐름(flow)의 방향으로 뻗은 내부 통로를 형성한다.

상기 주입 장치는 다음과 같은 방법으로 작동한다. 상기 분기 파이프(3, 4)를 통해 원자재 흐름이 화로의 대류부(도면에 미도시)로부터 유입되어 화로의 복사부의 직선 코일 런(1)으로 들어온다. 코크스 형성 억제자인 수용액이 억제자 공급 튜브(6)를 통해 소용돌이기(8)로 외부 공급원(도면에 미도시)으로부터의 압력으로 공급되어 원자재 흐름에 주입된다. 상기 실린더형 링(10, 11, 12, 13)과 방사형 플레이트(9)는 보텍스 게이트를 형성하여 원자재 흐름을 직선 코일 런의 축과 평행한 방향으로 나누게 된다.

상기 원자재 흐름에 대한 보텍스 게이트의 영향으로 상기 직선 런 내 코일 직경의 5 내지 10배에 상응하는 거리 내에서 흐름의 난류(turbulence)가 하향 흐름(downstream)을 줄여주게 된다. 상기 영역 내에서는 첨가제(additives)의 방사형 드리프트 비율(the rate of radial drift)도 감소하게 된다. 결론적으로 억제자 용액 방울의 비율은 원자재 흐름의 코아로부터 코일의 벽면까지 감소하게 되어 결국 상기 원자재 방울은 상기 벽면에 도달하기 전에 증발된다. 원자재 용액 방울의 증발 후에 형성된 억제자 입자는 접촉에 의한 코일 벽면에 나쁜 영향을 주지 않게 된다.

상기 보텍스 게이트는 4개의 실린더형 링(10, 11, 12, 13)을 포함한다. 상기 링들의 폭(width)은 상기 직선 런 내 코일의 내부 직경에 비례하여 증가하는데 링(10)이 0.25 가 되고, 링(13)이 0.9 가 되도록 증가한다. 상기 링들의 직경은 실험 데이터로부터 도출되었다. 상기 링들의 수는 다음과 같은 기본 사실에 입각하여 선택되는데, 3개보다 작은 개수의 링을 가지면 보텍스 게이트의 효용이 급격히 감소하지만 5개 이상의 링을 갖는 보텍스 게이트의 경우에도 코일의 흐름 단면에서 제한(restriction)이 발생하므로 바람직하지 못하다.

플레이트(9)의 상향 경계(upstream edge)로부터 원자재 공급 라인(4)의 가장 가까운 지점까지의 거리는 코일의 내부 직경의 두 배보다 작지 않은 것이 바람직하다. 상기 거리에서의 상기 주입장치의 효용성은 추가에 의해 증가되는 반면, 억제자 주입 지점에서 흐름 난류 강도(flow turbulence)는 감소하게 된다.

본 발명은 억제자 용액을 뜨거운 프로세스 스트림 내로 주입함으로써 코크스 형성을 방지할 수 있는 탄화수소 열분해용 튜브형 화로에 적용할 수 있다. 본 발명에 의한 주입장치를 만드는 경우 600℃ 내지 650℃ 의 온도 범위에 놓여질 때 열적 파손(thermal brittleness)이 없이 수만 시간동안 동작이 가능한 물질을 사용하는 것이 필요하다. 장시간 열에 노출되어도 구조적 변화가 없는 안정된 오스테나이트 구조(austenite structure)를 갖는 스틸(steel)을 주로 사용하여야 하며, 예를 들어 18-8 혹은 18-12 타입의 스틸은 티타늄(titanium) 또는 니오비움(niobium)에 의해 안정화 된다.

본 발명에서는 12개의 부분으로 이루어진 장치를 만들었다. 상기 주입장치를 6개의 통상의 열분해용 화로에서 테스트한 결과 매우 만족할 만한 결론을 얻을 수 있었다. 2년 이상동안 주입 영역 내에서는 화로 코일의 고장이 발생하지 않았다.

Claims (5)

1. 원자재(a feedstock) 공급용 주입 파이프(inlet pipe)를 구비한 직선 코일 런(a straight run of a coil), 억제자 분무장치(an inhibitor atomizer), 상기 분무장치에 억제자를 공급하기 위한 튜브, 상기 분무장치를 감싸면서 상기 튜브와 동축을 이루는 또 다른 튜브를 포함하는, 코크스 용착 억제자 용액(a coke-deposition inhibitor solution)을 탄화수소 열분해용 튜브형 화로에 주입하기 위한 장치에 있어서,

   상기 장치는 난류(turbulence)의 감소를 위해 방사형 플레이트들(radial plates)과 실린더형 링들(cylindrical rings)에 의해 형성되는 보텍스 게이트(a vortex gate)를 구비하며, 상기 실린더형 링들은 주입점으로부터 아랫방향으로의 난류를 줄이기 위해 억제자 용액(inhibitor solution)을 주입하는 영역 내에 있는 코일의 직선 코일 런 내에 동심원 형태로 놓여지는 것을 특징으로 하는, 코크스 용착 억제자 용액 주입장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 분무장치는 소용돌이기(swirler)인 것을 특징으로 하는, 코크스 용착 억제자 용액 주입장치.
3. 제 1 항에 있어서, 방사형 플레이트들은 상기 또 다른 튜브에 대칭적으로(symmetrically) 부착되며, 상기 실린더형 링(cylindrical rings)들은 상기 또 다른 튜브와 동축으로 상기 방사형 플레이트들에 부착되고 원자재의 흐름 방향으로 단계적으로 확장되는 내부 통로(an inner passage)를 형성하는 것을 특징으로 하는, 코크스 용착 억제자 용액 주입장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 보텍스 게이트는, 3 내지 5 개의 실린더형 링들을 포함하며, 상기 링들의 폭(width)은 첫 번째 링에서 마지막 링까지 상기 직선 런 내 코일의 내부 직경의 0.25 내지 0.9배로 원자재의 흐름 방향으로 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는, 코크스 용착 억제자 용액 주입장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트의 위쪽 방향 가장자리로부터 가장 가까운 원자재 공급용 주입 분기 파이프(inlet branch pipe)의 가장 가까운 연결지점(point of junction)까지의 거리는 코일 직선 런의 내부 직경의 두 배보다 작지 않은 것을 특징으로 하는, 코크스 용착 억제자 용액 주입장치.