KR100525879B1

KR100525879B1 - 공정 유체 가열용 가열 장치 및 올레핀의 제조 방법

Info

Publication number: KR100525879B1
Application number: KR10-1999-7011533A
Authority: KR
Inventors: 디니콜안토니오에이알; 스피서디비; 웨이브이케이
Original assignee: 엑손모빌 케미칼 패턴츠 인코포레이티드
Priority date: 1997-06-10
Filing date: 1998-06-09
Publication date: 2005-11-02
Also published as: EP0993497A1; TW387933B; CA2290540A1; PL337179A1; RU2211854C2; ES2225400T3; CN1259981A; DE69802404T2; DE69802404D1; AU737015B2; BR9811468A; JP4819205B2; KR20010013526A; DE69825494D1; CN1195823C; NO996083L; ID24474A; JP2002504170A; MY122107A; EP1136541B1

Abstract

본 발명은 튜브 금속 온도 및 코크스를 감소시키는 동시에 코크스로부터의 플러깅이 발생하지 않는 증가된 내부 열 전달 표면이 제공된 U자형 튜브를 이용하는 공정 유체를 가열하기 위한 연소 가열 장치에 관한 것이다. 연소 가열 장치는 복사 섹션 내에 다수의 U자형 튜브를 구비한 복사 섹션 폐쇄체를 포함한다. U자형 튜브는 하나 이상의 관형 단면을 연결함으로써 형성되며, 내부 종방향 핀이 제공된다. 본 발명은 또한 탄화수소 공급원료로부터 올레핀을 제조하기 위해 기술되어진 바와 같이 U자형 튜브를 구비한 연소 가열 장치를 이용하는 방법을 또한 제시하고 있다.

Description

공정 유체 가열용 가열 장치 및 올레핀의 제조 방법{PYROLYSIS FURNACE WITH AN INTERNALLY FINNED U-SHAPED RADIANT COIL}

본 발명은 예를 들어 공정 가열 장치와 같이 공정 유체를 가열하기 위한 연소 가열 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 가열 장치 내부의 튜브를 통해 유동하는 공정 유체가 바람직하게는, 버너에 의해 제공된 복사 에너지에 의해 간접 가열되는 적어도 하나의 복사 섹션을 포함하는 유형의 연소 가열 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따라 이용되는 방법 및 장치는 정상적으로 액체의 열분해, 또는 에탄, 프로판, 나프타 등의 기상 방향족 및/또는 지방족 탄화수소 공급원료의 열분해, 또는 에틸렌, 및 아세틸렌, 프로필렌, 부타디엔 등의 생성물에 의해 다른 물질을 생성하기 위한 가스 오일의 열분해에 특히 적합하며 바람직하다. 따라서, 본 발명은 탄화수소의 열분해, 특히 에틸렌을 생성하기 위한 수증기 분해(steam cracking)에 대해 기술할 것이다.

수증기 분해는 에틸렌, 프로필렌, 및 부타디엔 등의 경 올레핀(light olefin)을 생산하기 위한 주된 상업적 방법이다. 에틸렌, 프로필렌, 및 부타디엔은 고 체적의 중합체 재료의 제조에 이용되는 기본 기초 성분이며, 화학 중간생성물로 상업상 중요하다. 이러한 기본적인 기초 성분인 석유화학 제품에 대한 수요가 가까운 장래에 계속 증가할 것으로 예상된다. 증기 분해에 의해 생산되는 제품중에, 에틸렌은 수요가 가장 많으며, 분리 및 정제에 비용이 가장 많이 소요된다. 따라서, 에틸렌의 수율 또는 선택도의 개선은 상당히 바람직하다. 증기 분해는 일반적으로 연소 관형 반응기 내에서 수행되는 열 분해 반응(thermal cracking reaction)을 수반한다. 에틸렌에 대한 반응기 선택도는 짧은 체류 시간 및 낮은 탄화수소 분압에 의해 향상된다. 에탄으로부터 진공 가스 오일까지의 범위에 이르는 탄화수소 공급물이 이용되며, 희석 수증기의 존재하에서 반응이 수행된다. 복합 반응 및 관형 반응기는 공개 문헌 및 다수 특허에 광범위하게 기술되어 있다.

탄화수소의 증기 분해는 통상적으로 분해로(cracking furnace)내의 적합한 코일에 기화된 또는 실질적으로 기화된 형태인 공급원료를 상당량의 희석 수증기와 혼합하여 공급함으로써 실행되어 왔다. 고온 연소 가스가 공급물 및 희석 수증기의 온도를 상승시키는 분해로의 대류 섹션을 통과하는 다수의 평행 코일 또는 튜브를 통해 반응 혼합물이 통과하는 것이 통상적이다. 그 다음, 각각의 코일 또는 튜브는 다수의 버너가 반응물을 소정의 반응 온도로 가열하고 소정의 반응을 수행하기 위해 필요한 열을 공급하는 분해로의 복사 섹션을 통과한다.

모든 증기 분해 공정 형태에서 주 관심사는 코크스의 형성이다. 탄화수소 공급원료가 증기 분해로에 조성된 가열 조건에 노출될 때, 코크스 증착은 크래킹 코일을 형성하는 관형 부재의 내측 벽상에 형성되는 경향이 있다. 이러한 코크스 증착은 튜브 벽을 통해 반응물의 스트림 내부로의 열 흐름을 방해하며, 이는 높은 튜브 금속 온도를 초래하여, 궁극적으로 튜브 야금학적 한계에 도달한다. 부가적으로, 코크스 증착은 감소된 튜브의 횡단면적으로 인해 반응 혼합물의 유동을 방해하여 상당한 압력 강하를 초래한다.

에틸렌에 대한 선택도를 개선하기 위한 최적의 방법은 코일 체적을 감소시키는 동시에 열 전달 표면적을 유지하는 것이다. 이는 큰 직경의 나선형 코일을 큰 직경의 튜브 보다 더 큰 표면 대 체적 비를 갖는 다수의 작은 직경의 튜브로 교체함으로서 달성될 수 있다. 이러한 튜브는 대략 7.6cm(3inch)에 이르는 내경, 일반적으로 3.0cm 내지 6.4cm(1.2 내지 2.5inch) 범위의 내경을 갖는다.

짧은 체류 시간에 대한 요구에 따라 보다 짧은 코일이 사용되게 되었으며, 일반적인 길이는 시간이 경과함에 따라 45m(150ft) 내지 20m 내지 27m(60ft 내지 90ft)으로 점차 감소되어졌으며, 보다 최근에는 9m 내지 12m(30ft 내지 40ft)으로 감소되었다. 코일의 길이가 감소함에 따라, 열 플럭스와 따라서 튜브 금속 온도를 감소시키기 위한 노력의 일환으로 튜브의 직경을 감소시킬 필요가 있다. 현재의 크래킹 코일은 일반적으로 고 합금(25% Cr, 35% Ni, 첨가물 부가) 오오스테나이트(austenitic) 스테인레스강이며, 1030 내지 1150℃(1900℉ 내지 2100℉) 범위의 최대 튜브 금속 온도에서 작동된다.

분해로 설계의 상당한 발전에도 불구하고, 상기 공정은 코일의 내부에 증착되는 부산물인 코크스로 인해 여전히 제한된다. 코크스는 단열체의 역할을 하며, 코일의 튜브 금속 온도를 증가시킨다. 튜브 금속 온도가 재료의 최대 용량에 도달하면, 생산을 중단시키고 로의 코크스 제거작업이 필요하다. 이는 일반적으로 고온에서 코일을 통해 공기 및 증기를 포함하는 혼합물을 통과시킴으로서 수행된다. 코크스는 연소 및 부식/스폴링(spalling)의 조합에 의해 제거된다. 공기를 사용하지 않는 또 다른 탄소제거 기법이 관련 산업에서 또한 이용된다. 이러한 경우, 코크스는 부식/스폴링 및 기화에 의해 주로 제거된다. 이용되는 탄소제거 작업과는 관계없이, 떨어진 코크스의 일부는 큰 입자의 형태이다. 튜브 직경이 감소함에 따라, 탄소제거 이전 또는 탄소제거 중에 큰 코크스 입자가 코일을 막을 가능성이 증가한다. 탄소제거는 일반적으로 로의 설계, 분해된 공급물, 탄소제거 이전의 작동 시간, 및 분해 정도를 포함한 다양한 인자에 따라 12 내지 48시간이 소요된다.

튜브 금속 온도(및 코킹 속도)를 감소시키는 기술(또는 대안적으로 체류 시간이 보다 짧은 코일을 이용할 수 있도록 하는 기술)은 산업상 널리 이용되어 왔다. 일부 설계자는 출구 튜브 상에 열 플럭스를 감소시키기 위해 다수의 입구 레그 코일에 의존하고 있다(예를 들면, EP 0 305 799 A1 참조). 다른 설계자들은 반응기 공급물에 특정 원소를 소량 첨가함으로서 튜브 내부에 절연성 코크스 층의 형성을 방지하기 위한 시도를 하였다.

흡열 분해 반응에 대한 열전달은 식 Q = U ×A ×ΔT으로 표시될 수도 있다. 열 전달 계수 U는 튜브 내부의 가스 속도의 함수이다. 속도가 빠르면 U가 증가하며, 요구되는 ΔT(온도차)를 감소시켜, 소정 공정 유체 온도에 대한 튜브 금속 온도를 감소시킨다. 그러나, 속도가 증가함에 따라, 압력 강하는 증가하고, 코일의 평균 탄화수소 분압이 증가된다. 결국, 압력 효과는 감소된 체류 시간의 효과를 상쇄시켜, 속도의 증가는 에틸렌에 대한 반응기 선택도를 감소시킨다. 이는 최대 실용 수치가 U임을 나타낸다.

총 면적(A)은 다수의 소직경 튜브를 이용함으로서 증가될 수 있다. 이러한 경향이 산업상 추구되고 있으며, 그 결과 내경 2.5 cm 내지 3.8cm(1.0 내지 1.5 inch)의 튜브를 갖는 반응기가 제조된다. 이는 제조 한계로 인한 최소 직경을 나타내며, 이 직경 이하에서는 튜브 내부의 코크스 조성의 효과가 과도해진다.

열 전달을 개선시키기 위해 내부 표면적을 증가시키는 일반적인 원리는 통상의 열 전달 기술에 공지되어 있다. 그러나, 증기 분해와 같은 고온의 코크스 설비에 이러한 원리를 적용하는 것은 어렵다.

그럼에도 불구하고, 증기 분해로 내에서 튜브의 금속 온도를 감소시키기 위해 열 전달을 개선시키기 위한 방법이 제안되어져 왔다. 그 중, 한 실시예(미국 특허 제 4,342,242 호 참조)는 원형 튜브 횡단면내에 특별히 설계된 종방향 삽입물을 이용하고 있다. 이 삽입물은 중심체와, 코일의 내부와 접하는 외부로 연장하는 베인(vane)을 갖추고 있다. 상기 기술에서, 삽입물은 로 내부의 전체 관형 코일중 일부분에만 위치된다. 또 다른 실시예(GB 969,796)는 내부 면적을 증대시키는 내부로 라운딩된 채널 및 핀(fin)을 이용한다. 내부 프로파일은 매끈하여 응력 집중 및 유동 방해를 방지한다. 상술한 이 특정 튜브는 복사 섹션을 통과하는 4개의 통로를 형성하며, 비교적 큰[9.525cm(3.75inch)] 내경을 갖는다.

라운딩된 내부 채널 및 핀이 형성된 튜브의 프로파일의 변동은 특정 코일 설계에 산업적으로 적용되어 왔다. 미국 화학 엔지니어 협회(American Institute of Chemical Engineers Meeting)에서 소개된 논문[1988년 3월 6-10 일자, 미국 루이지애나주 뉴 오린스 소재의 1988 AlCHE SPRING NATIONAL MEETING에서 선보인 티. 에니. 웰스에 의한 "특정 로 설계 스팀 리포머 및 스팀 크래커(Specially Furnace Design Steam Reformers and Steam Crackers")]은 단일 튜브 패스 설계에 연장형 내부 표면 튜브의 이용에 대해 개시하고 있다. 보다 긴 코일의 입구 레그(EP 0 305 799 A1), 및 SRT V로 명명된[에너지 진보(progress) 제 8권, No. 3, 160-168쪽, 1988년 9월] 이러한 설계에 대한 참조 문헌은 내부로 연장된 표면을 이용하고 있다. 후자의 모든 경우에, 상업상 이용은 대략 2.5 내지 3.8cm(1.0 - 1.5 inch)의 내경을 갖는 튜브를 기초로 하고 있으며, 이러한 튜브 섹션은 라운딩된 내부 채널 및 로의 복사 섹션을 통한 단일 패스에서만 제조되는 핀을 갖는다. 또 다른 참조 문헌(1990년, 3월 미국 플로리다, 올랜도에서의 AlChE SPRING NATIONAL 미팅에서 선보인 데이비드 제이. 브라운, 존 알.브르워, 및 콜린 피. 보윈에 의한 "USC SUPER U PYROLYSIS")은 입구 레그 상에 내부 핀을 구비한 튜브의 데이터를 개시하고 있다. 이러한 참조 문헌은 출구 레그 상의 핀의 제공은 바람직하나, 출구 레그 상에 핀의 이용을 가능하게 하거나 또는 성공적으로 증명하기 위해 어떠한 작동 또는 설계 변수가 요구되는 지에 대해서는 제공하지 못하고 있다.

그러나, 당시의 연장된 내부 표면 설계는 U자 형상의 튜브로 제조된 2 패스 코일에는 실행 가능하지 않았다. 이들 2 패스 코일은 총 길이가 일반적으로 15m 내지 27m(50ft 내지 90ft)이며, 3.8cm 내지 6.4cm(1.5-2.5inch)의 내경을 갖는다. 2 패스 코일은 13m(40ft)정도로 짧을 수 있다. 하나의 문제점은 완전한 U자 형상튜브를 완성하기에 충분한 길이를 가지며 내부에 핀을 구비한 튜브를 제조할 능력이 없다는 것이다.

내부에 핀을 구비한 튜브는 출구가 아닌 로의 입구 튜브 상에서만 내부 핀, 스터드 또는 삽입물을 이용하는 EP 0 305 799A1에 기술된 바와 같이, U자 형상의 튜브의 입구 중간에만 이용될 수 있다. 상기 특허는 출구 튜브 내에 위치된 삽입물이 열분해 중에 형성된 코크스의 성장을 위한 핵으로 작용할 것으로 예상된다는 것을 개시하고 있다. 그러나, 튜브 금속의 최고 온도는 출구 단부 부근에서 발생하여, 핀을 구비한 튜브의 유리한 효과는 가장 필요한 곳에는 적용되지 않는다. 코일의 출구 단부에 핀을 구비한 튜브를 적용하는 것은 가능하나, 입구 레그로부터 코크스 조각이 떨어져 나가 핀이 형성된 부분의 개시부를 막을 위험이 있다. 결국, 만곡된 핀을 구비한 튜브 섹션은 코일의 입구 레그로부터 떨어진 코크스로 막히게 되는 경향이 있다.

증기 분해로의 열 전달에 있어서의 공지된 결함을 고려하여, 코크스 및 튜브 금속 온도를 감소시키기 위해 튜브의 내부에 열전달을 증가시키고 에틸렌 선택도를 개선시키기 위한 수단이 필요하다. 특히, 전체 길이를 통해 튜브 금속 온도를 감소시키기 위해 증가된 내부 표면적의 일부 수단을 이용하는 2 패스 코일 또는 U자 형상의 튜브에 대한 설계를 갖는 것이 상당히 바람직하다. 발명의 요약

삭제

본 발명은 U자 형상 튜브의 입구 및 출구에서 튜브 금속 온도를 감소시키기 위해 증가된 내부 열 전달 표면을 제공하는 동시에 코크스로부터 막히지 않는 공정 유체를 가열하기 위한 연소 가열 장치에 관한 것이다. 연소 가열 장치는 가열 장치 내부에 위치된 다수의 U자 형상의 튜브를 갖는 복사 섹션 폐쇄체, U자 형상의 튜브 내부로 공정 유체를 도입하기 위한 입구, U자 형상의 외부면에 복사열을 노출시키기 위한 버너, U자 형상의 튜브로부터 공정 유체를 냉각시키고 수집하기 위한 출구, 및 내부 종방향 핀이 제공된 U자 형상의 튜브의 적어도 하나의 출구 레그를 포함한다. U자 형상의 튜브는 하나 이상의 튜브 섹션을 연결함으로써 형성된다. 또 다른 실시예에서, U자 형상의 전체 레그에는 내부 종방향 핀이 제공된다.

본 발명의 전술한 특성 및 또 다른 특성 및 잇점은 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명되어질 것이다.

도 1은 증기 분해로의 전형적인 내부 배열을 도시한 사시도,

도 2는 단일 U자 형상의 로의 튜브를 도시한 도면,

도 3은 핀을 구비한 U자 형상의 로의 튜브의 횡단면을 도시한 도면.

본 발명은 공정 유체를 가열하기 위한 연소 가열 장치에 관한 것이며, 특히 가열로 인해 발생하는 화학 반응의 결과로 코크스를 형성하는 공정 유체를 가열하는 연소 가열 장치에 관한 것이다. 본 발명의 특정 실시예는 올레핀을 제조하기 위해 열분해 산업에서 이용되는 증기 분해로에 관한 것이다.

도 1을 참조하면, 공급 스트림(9)은 복사 섹션 입구 분배기(12)로 도입되기 이전에, 바람직하게는 대략 1,500℉(816℃) 내지 2,400℉(1,316℃)의 온도를 갖는 고온 연소 가스에 의해 대략 800℉(426℃) 내지 1,500℉(1,316℃)의 온도로 예열되는 하나 이상의 입구 라인(9)을 통해 대류 섹션(10)으로 도입된다. 예열된 공급물은 복사 섹션 입구 분배기(12)로부터 U자 형상의 튜브(14)(이하, U자형 튜브라 칭함)로 도입되며, 이 U자형 튜브는 당분야에 복사 박스(radiant box)로 공지되어 있는 복사 섹션 폐쇄체(16) 내부에 위치된다.

복사 섹션 폐쇄체(16)는 열 에너지를 보존하기 위해 단열 내화재로 덮혀져 있다.

복사 섹션 폐쇄체는 다수의 U자 튜브를 포함한다. U자 튜브 내부로 공정 유체를 도입하는 하나 이상의 공급 입구 분배기(12)에 연결된 U자 튜브의 단부는 입구 레그(20)로 지칭된다. 출구 레그로 지칭되는 U자 튜브(22)의 각 대향 단부는 가열되어 열분해 반응이 발생된 이후에 공정 유체를 수집하기 위해 출구 헤더(26)에 연결된다. 공정 유체의 온도는 U자 튜브의 출구 레그 외에는 대략 1,300℉(816℃) 내지 2,000℉(1,093℃)인 것이 통상적이다. 이로부터, 공정 유체는 열 크래킹 반응을 중단시키기 위해 공정 유체를 냉각시키는 급냉 열교환기(27)로 통과한다. 도 1에 도시된 것과는 다른, 또 다른 실시예에서, 각각의 U 튜브의 출구 레그는 공정 유체를 냉각시키기 위해 개별 급냉 열교환기에 직접 연결되어 있다. 각각의 급냉 열 교환기로부터의 출구는 출구 헤더에 연결된다. 이러한 배열은 밀착 결합 전달 라인 교환기로 당분야에 공지되어 있다. 도 1에 도시되지 않은 또 다른 실시예에서, 각각의 U자형 튜브의 출구 레그는 급냉 지점에 연결되어 공정 유체가 공정 유체를 냉각시키기 위해 기화하는 급냉 액체와 직접 접촉한다.

본 발명에 따라, U자 튜브는 도 2에서와 같이 2차원 도면으로 보았을 때 문자 "U"와 다소 유사한 형상을 취하고 있다. U자형 튜브의 특성은 복사 폐쇄체를 통과하는 2개의 통로를 효과적으로 형성하는 것이다. U자형 튜브는 입구 레그(20), 출구 레그(22), 및 입구 레그(20) 및 출구 레그(22)를 연결하는 만곡된 부분(21)을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 출구 레그는 하나 이상의 분기 튜브를 포함할 수 있다. 복사 폐쇄체 내에 다수의 U자 튜브을 배열하는 다수의 다양한 공지 기술이 있다. 당업자들은 배열을 선택하는데 있어서, 공간 배열, 버너의 위치, 입구 헤더 및 출구 수단의 위치, U자 튜브 자체에 작용하는 열응력을 고려할 것이다. 일부 배열에서, 개별 U자 튜브의 각각은 단일 평면 내에 놓여 있다. 다른 배열에서, U자 튜브는 평면 외부로 굽어있다. 그러한 모든 배열은 본 발명의 목적을 위한 U자형 튜브로서 예상된다.

복사 섹션 폐쇄체는 U자 형상의 튜브의 외부면을 복사열에 노출시키기 위한 다수의 버너(28)를 포함하고 있다. 공지된 다양한 형태의 버너는 비정제 가스 또는 미리혼합된 버너를 포함하여 사용될 수 있다. 최근의 설계는 환경적인 이유로 NO_X형성을 감소시키기 위해 다양한 연료 가스 재순환 기술이 부가적으로 이용된다. 연소 공기 공급원은 주위 공기, 또는 가스 터빈 배기로부터 예열된 공기로부터 취해질 수 있다.

U자형 튜브의 총 길이는 바람직하게 20m 내지 27m (60ft 내지 90ft)이다. 20 m 내지 27m(60ft 내지 90ft)의 소망 길이로 내부 핀을 갖춘 튜브를 제조하는 것이 어렵기 때문에, 적어도 하나의 중간 용접물을 이용하여 2개의 섹션이 연결될 필요가 있다. 미국 특허 제 4,827,074 호에 기술된 바와 같이, 중간 용접물은 코크스 증착을 가속하는 잠재적인 원인으로 알려져 있다. 바람직한 실시예에서, 잠재적인 코크스 증착은 U자의 만곡부의 바닥에 하나의 중간 용접물을 구비하고, 상기 용접물이 인접한 튜브의 직접 복사로부터 차폐되도록 U자형 튜브를 배열함으로써 최소화된다. 또 다른 실시예에서, 용접 영역은 단열재로 덮힌다.

내부에 핀을 갖는 튜브는 공지된 냉각 벤딩, 또는 고온 유도 벤딩 기술을 이용하여 U자형 튜브의 바닥에 요구되는 반경으로 성공적으로 굽혀질 수 있다.

U자형 튜브가 두 개 이상의 관형 섹션을 연결함으로써 형성되거나 또는 하나의 부재로 형성되건 간에, 바람직하게는 핀을 구비한 U자형 튜브에는 전체 길이에 걸쳐 내부 종방향 핀이 제공된다. 다른 실시예에서는, 출구 레그 상에만 핀을 제공하고 있다. 또 다른 실시예에서는, 핀은 U자형 튜브의 만곡부 및 출구 레그에 제공된다.

도 3은 핀이 제공된 U자형 튜브의 횡단면도를 도시하고 있다. 출구 튜브의 직경(50)은 4.4cm 내지 11.4cm(1.75inch 내지 4.5inch)의 범위, 바람직하게는 5cm 내지 7.6cm(2.0inch 내지 3.0inch)의 범위를 갖는다. 핀의 루트부(54)와 핀 팁부(56)의 상부 사이의 거리로 정의된 핀 높이(52)는 0.13cm 내지 1cm(0.05inch 내지 0.4inch)의 범위, 바람직하게는 0.25cm 내지 0.65cm(0.1inch 내지 0.25inch)의 범위를 갖는다. 튜브의 내주부 둘레의 핀의 수는 8 내지 24개, 바람직하게 10 내지 18개이다. 핀의 루트부(58)와 핀의 팁부(60)의 반경은 0.13cm 내지 1.2cm(0.05inch 내지 0.45inch)의 범위, 바람직하게는 0.25cm 내지 0.5cm(0.1inch 내지 0.2inch)의 범위이다. 일 실시예에서, 핀의 루트부의 반경 및 핀의 팁부의 반경은 동일하다. 핀의 루트부로부터 핀의 루트부까지 튜브의 중심을 통한 거리로 정의되는 내경(62)은 3.2cm 내지 7.6cm(1.25inch 내지 3.0inch)의 범위, 바람직하게는 3.8cm 내지 6.4cm(1.5inch 내지 2.5inch)의 범위, 보다 바람직하게 5 cm 내지 6.4cm(2.0inch 내지 2.inch)의 범위를 갖는다. 과도한 압력 강하를 갖지 않으며, 또한 플러깅을 발생시키지 않는 개선된 열전달을 제공하는데 필요한 핀 높이 대 내경의 비는 바람직하게는 0.05 내지 0.20의 범위이며, 보다 바람직하게는 0.07 내지 0.14의 범위이다.

종방향 핀은 U자 튜브의 길이를 따라 직선형이거나, 또는 총신(gun barrel)의 선조(rifling)와 유사한 헬리컬 형상일 수 있다. 후자인 헬리컬 형상의 종방향 핀 배열은 나선형 종방향 핀으로 또한 지칭된다.

U자형 형상의 튜브를 형성하기 위해 하나 이상의 섹션이 필요한 경우에, 핀은 핀의 에지에 코크스 입자가 붙을 가능성을 감소시키기 위해 각각의 연결부에서 정렬되는 것이 바람직하다.

예 예상된 한계가 극복될 수 있는지를 결정하기 위해 테스트 프로그램이 수행되며, 증가된 내부 표면적의 이점이 "U"자 튜브 증기 분해 로의 설계에 적용될 수 있다.

22개의 내부 핀을 갖는 U자형 튜브가 공업용 증기 분해로의 4분면 내에 설치된다(총 88개의 U자형 튜브). 공급원료 로는 천연 가스 분리 설비로부터 회수된 공업용 에탄(98% 에탄)이다. 따라서 로 내부의 U자형 튜브의 대부분은 종래의 원형 횡단면의 형상을 갖는 튜브로 유지되는 한편, 튜브의 1/4은 본 발명에 따른 직선형 종방향 핀을 갖는다. 이는 종래의 원형 횡단면 튜브와 비교하여 핀을 갖는 튜브의 성능을 직접 비교하고 있다. 도 3은 핀을 갖는 튜브 테스트 4분면내에서의 U자형 튜브의 핀 배열을 기술하는데 이용될 수 있다. U자형 튜브의 외부 직경(50)은 6.99cm (2.75 inch)이다. U자 튜브의 내경(62)은 5.0cm(2.0inch)이다. 12개의 핀이 존재한다. 핀의 높이(52)는 0.41cm(0.16inch)이다. 핀의 루트부의 반경(58) 및 핀의 팁부의 반경(60)은 모두 0.41cm(0.16inch)이다. 핀의 높이 대 내경의 비는 0.08이다.

6.5ft(20m)의 소정 길이로 내부 핀을 구비한 튜브을 제조하기는 어렵기 때문에, 하나의 중간 용접물이 요구된다. 이 중간 용접물은 U자형 튜브의 각각의 루트부에 위치되며, 인접한 튜브에 의해 직접 복사로부터 보호될 수 있다. 핀은 이 연결부에서 정렬된다.

U자형 코일의 만곡부는 종래 기술에서 제안되어진 것처럼 차단되기 쉽지 않다. 12 개월의 테스트 프로그램 중에 갑작스런 압력 강하의 증가는 관찰되지 않았다.

내부 핀을 갖는 튜브는 튜브의 금속 온도가 감소되었다. 테스트 코일은 매우 유사한 공급 원료에 대해 증기 분해로내의 종래의 원형 횡단면 튜브보다 느린 속도로 코크스 증착이 진행된다.

압력 강하(복사 입구부 - 복사 출구부)

조업일수	압력 차(ΔP, bar)
조업일수	핀이 형성되지 않은 종래의 튜브	핀이 형성된 튜브
0.5	0.28	0.28
2.5	0.43	0.36
4.5	0.52	0.38
8	0.75	0.38
11	0.83	0.38
15	0.90	0.40
21	1.48	0.50

표 1은 조업일수 즉, 최종 코크스 제거일 이후의 일수의 함수로서 U자 형상의 코일에 대한 압력 강하를 나타내고 있다. 압력 강하가 커질수록, 형성된 코크스의 두께도 커진다. 도표는 핀이 형성되지 않은 종래의 튜브와 핀이 형성된 튜브를 비교하고 있다. 데이터에 나타난 바와 같이, 핀이 형성된 튜브와 비교하여 종래의 튜브를 운용하는 동안 압력 강하게 현저히 크게 증가한다. 또한, 핀이 형성된 튜브의 현저히 낮은 압력 강하는 운용중에 플러깅이 발생하지 않음을 나타낸다.

튜브 금속 온도

조업일수	튜브 금속 온도(℃)
조업일수	핀이 형성되지 않은 종래의 튜브	핀이 형성된 튜브
0.5	1016	1004
2.5	1031	1003
4.5	1037	1007
8	1048	1016
11	1050	1022
15	1041	1018
21	1056	1028
평균	1040	1014

표 2는 조업일수의 함수로서 적외선 고온계로 측정된 최대 튜브 금속 온도를 도시하고 있다. 전술한 바와 같이, 최대 튜브 금속 온도를 감소시키는 것이 특히 중요하다. 튜브 금속 온도는 핀이 형성되지 않은 종래의 튜브와 비교하여 핀이 형성된 튜브에 대해 전체 운용 동안 현저히 낮으며, 평균 26℃(47℉)이다.

부가적으로, 내부에 핀을 구비한 튜브는 탄소를 제거하는데 종래의 원형 횡단면 튜브보다 시간이 적게 요구된다. 에탄 분해에 대해, 종래의 튜브는 탄소를 제거하는데 8 내지 10시간이 요구되나, 핀이 형성된 튜브는 4 내지 5시간이 요구된다.

특정 작업 이론에 제한되지 않고, 본 발명에 의해 기술된 핀이 형성된 U자 튜브는 각각의 핀의 위치에서 코크스 층 내에 파쇄 구역(fracture zones)이 제공되어, 코크스의 작은 조각이 탄소제거 작업중에 튜브의 내부로부터 떨어져 나오는 경향이 있다. 이는 종래의 튜브와 비교하여 매우 중요하며 예상치 않은 2가지 효과를 제공한다. 먼저, 코크스 제거 공정시 시간을 덜 소요하여 로가 보다 신속하게 최대 생산 운용에 들어갈 수 있게 함으로써, 운용자에게 상당한 경제적인 이익을 제공한다. 둘째, 파쇄 구역은 비교적 작은 코크스 입자만을 형성하도록 하여, 3.05cm 내지 6.35cm(1.2inch 내지 2.5inch) 범위의 작은 직경을 갖는 튜브 또는 2 패스 "U"자 튜브의 만곡된 "U"자 섹션에서도 튜브를 차단하지 않는 것이 밝혀졌다.

본 발명에 따른 핀이 형성된 U자 튜브를 갖는 로를 작동시키는 바람직한 수단은 작은 입자의 코크스가 떨어져 나오도록 코크스 층의 조성이 과도하지 않도록 한다는 것이다. 바람직하게, 평균 코크스 두께는 핀 높이의 대략 1.5배를 초과해서는 안된다. 작동중인 열분해로 내의 코크스의 두께는 로의 작업 데이터 및 공급 원료의 열분해 특성으로부터 당업자가 추정할 수 있다. 코크스 두께는 측정된 튜브 금속의 온도 프로파일, 복사 폐쇄체 내부의 튜브에 대한 측정된 압력 강하, 공지되거나 측정된 밀도 및 코크스의 열 도전율에 근거하여 계산된다. 당업자들은 작동중인 로내의 코크스의 두께를 추정하고 코크스 제거 작업 계획을 세우기 위해 공지된 유체 유동 및 열전달 방정식 및 전술한 측정 변수를 이용할 수 있다.

상기 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련된 당업자들은 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

공정 유체를 가열하기 위한 가열 장치에 있어서,

다수의 2 패스 튜브가 내부에 배치된 복사 폐쇄체 수단으로서, 상기 2 패스 튜브는 (a) 적어도 하나의 입구 레그, (b) 상기 적어도 하나의 입구 레그와 유체 연통하는 적어도 하나의 출구 레그, (c) 상기 입구 레그와 출구 레그 사이에 유체 연통을 제공하기 위한 만곡된 관형 수단을 포함하며, 상기 각각의 출구 레그는 대체로 종방향의 내부 핀을 구비하는, 복사 폐쇄체 수단과,

상기 공정 유체를 상기 입구 레그 내부로 도입시키기 위한 수단과,

상기 2 패스 튜브의 외부면을 열에 노출시키기 위한 수단과,

상기 출구 레그로부터의 상기 공정 유체를 냉각 및 수집하기 위한 출구 수단을 포함하는

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 입구 레그는 대체로 종방향의 내부 핀을 구비하는

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 입구 레그와 상기 출구 레그 사이에 유체 연통을 제공하기 위한 상기 만곡된 관형 수단이 대체로 종방향의 내부 핀을 구비하는

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 1 항에 있어서,

다수의 U자형 튜브가 내부에 배치된 복사 섹션 폐쇄체 수단과,

상기 U자형 튜브내로 상기 공정 유체를 도입시키기 위한 입구 수단과,

상기 U자형 튜브의 외부면을 복사열에 노출시키기 위한 수단과,

상기 U자형 튜브의 각각으로부터의 상기 공정 유체를 냉각 및 수집하기 위한 출구 수단을 더 포함하며,

상기 U자형 튜브는 그 길이를 따라 대체로 종방향의 내부 핀을 구비하는

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 U자형 튜브의 내경은 3.2cm 내지 7.6cm인

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 U자형 튜브의 내경은 3.8cm 내지 6.4cm인

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 U자형 튜브의 내경은 5cm 내지 6.4cm인

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 4 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 U자형 튜브는 일정한 직경을 갖는

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 4 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 U자형 튜브는 상기 U자형 튜브의 내주부 둘레로 이격된 8 내지 24개의 대체로 종방향의 핀을 구비하는

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 U자형 튜브는 상기 U자형 튜브의 내주부 둘레로 이격된 10 내지 18개의 대체로 종방향의 핀을 구비하는

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 4 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 U자형 튜브는 두 개 이상의 관형 섹션을 연결하여 형성되는

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 핀은 각각의 연결부에 본질적으로 정렬되는

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 U자형 튜브는 두 개의 관형 섹션과, 그리고 상기 두개의 관형 섹션을 함께 용접하는 것에 의한 단일 연결부로 형성되며, 상기 용접부는 직접 복사열로부터 실질적으로 보호되는

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 13 항에 있어서,

상기 단일의 연결부는 상기 U자형 튜브의 바닥에 본질적으로 형성되는

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 4 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 U자형 튜브의 각각의 총 길이는 13m 내지 27m인

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 15 항에 있어서,

상기 U자형 튜브의 각각의 총 길이는 15m 내지 27m인

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 핀의 높이 대 내경의 비가 0.05 내지 0.20인

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 17 항에 있어서,

상기 핀의 높이 대 내경의 비가 0.07 내지 0.14인

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 대체로 종방향의 내부 핀은 0.13cm 내지 1cm의 핀 높이를 갖는

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 대체로 종방향의 내부 핀은 0.13cm 내지 0.65cm 범위의 핀 팁 반경을 갖는

공정 유체 가열용 가열 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 대체로 종방향의 내부 핀은 상기 핀 루트부 및 핀 팁부에 대해 기본적으로 동일한 반경을 갖는

공정 유체 가열용 가열 장치.
올레핀의 제조 방법에 있어서,

탄화수소 공급원료(feedstock)를 예열시키는 단계와,

상기 예열된 공급원료를 다수의 복사 코일내로 도입시키는 단계와,

상기 탄화수소 공급원료가 열 분해되도록 다수의 버너에 의해 상기 복사 코일을 가열시키는 단계와,

상기 복사 코일로부터 상기 열 분해된 탄화수소 공급원료를 수집하는 단계와,

상기 열 분해된 탄화수소 공급원료를 냉각시키는 단계와,

상기 열 분해된 탄화수소 공급원료로부터 적어도 하나의 올레핀을 회수하는 단계를 포함하며;

상기 각각의 복사 코일은 (a) 적어도 하나의 입구 레그, (b) 상기 적어도 하나의 입구 레그와 유체 연통하는 적어도 하나의 출구 레그, (c) 상기 입구 레그와 상기 출구 레그 사이에 유체 연통을 제공하기 위한 만곡된 관형 수단을 포함하며,

상기 각각의 출구 레그는 대체로 종방향의 내부 핀을 구비하는

올레핀의 제조 방법.
제 22 항에 있어서,

상기 입구 레그는 대체로 종방향의 내부 핀을 구비하는

올레핀의 제조 방법.
제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,

상기 입구 레그와 상기 출구 레그 사이에 유체 연통을 제공하기 위한 상기 만곡된 관형 수단이 대체로 종방향의 내부 핀을 구비하는

올레핀의 제조 방법.
제 22 항에 있어서,

탄화수소 공급원료를 예열시키는 단계와,

상기 예열된 공급원료를 다수의 복사 코일내로 도입시키는 단계와,

상기 탄화수소 공급원료가 열 분해되도록 다수의 버너에 의해 상기 복사 코일을 가열시키는 단계와,

상기 복사 코일로부터 상기 열 분해된 탄화수소 공급원료를 수집하는 단계와,

상기 열 분해된 탄화수소 공급원료를 냉각시키는 단계와,

상기 열 분해된 탄화수소 공급원료로부터 적어도 하나의 올레핀을 회수하는 단계와,

상기 열 분해 반응으로 인해 상기 복사 코일 내부에 축적된 코크스를 제거하는 단계를 포함하며;

상기 복사 코일은 U자 형상을 형성하기 위해 연결된 입구 레그 및 출구 레그를 구비하고, 대체로 종방향의 내부 핀을 구비하며, 상기 복사 코일내에 축적된 상기 코크스의 두께가 큰 코크스 입자가 상기 코크스 제거 단계중에 상기 튜브의 표면으로부터 떨어져 나와 상기 복사 코일의 하류 섹션을 막기에 충분한 두께를 초과하기 전에 상기 복사 코일로부터 코크스를 제거하는 단계가 개시되는

올레핀의 제조 방법.
제 25 항에 있어서,

상기 코크스 제거 단계는 평균 코크스 두께가 상기 핀의 높이의 약 1.5배를 초과하기 전에 개시되는

올레핀의 제조 방법.
제 22 항 또는 제 25 항에 있어서,

상기 복사 코일은 제 4 항에 기재되어 있는 U자형 튜브인

올레핀의 제조 방법.
공정 유체를 가열시키기 위한 연소 가열 장치에 있어서,

다수의 U자형 튜브가 내부에 배치된 복사 섹션 폐쇄체와, 상기 U자형 튜브내로 상기 공정 유체를 도입시키기 위한 입구 헤더와, 상기 U자형 튜브의 외부면을 복사열에 노출시키기 위한 다수의 버너를 포함하며, 상기 U자형 튜브는 그 전체 길이에 걸쳐 대체로 종방향의 내부 핀을 구비하는

공정 유체 가열용 연소 가열 장치.
제 28 항에 있어서,

상기 U자형 튜브는 제 4 항에 기재되어 있는

공정 유체 가열용 연소 가열 장치.