KR100941358B1 - 프로세스 히터 내에서 프로세스 튜브상에 열 흐름을 재분배하는 방법 및 프로세스 튜브를 포함하는 프로세스 히터 - Google Patents

프로세스 히터 내에서 프로세스 튜브상에 열 흐름을 재분배하는 방법 및 프로세스 튜브를 포함하는 프로세스 히터 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 가열 공정 히터(fired process heater) (12)의 프로세스 튜브(14)에 그의 외주 표면 영역(exterior circumferential surface region)에 더욱 균등한 열 흐름 분배가 제공된다. 보다 상세하게, 본 발명에 따르면, 상기 프로세스 튜브(14)의 외주 표면 영역의 하나 이상의 원주 세그먼트 상에, 선택된 열 방사율(thermal emissivity) 및/또는 열전도도를 가지는 재료의 코팅(22)이 제공되며, 상기 재료는 프로세스 튜브(14)의 외주 표면의 다른 원주상 세그먼트의 열 방사율 및/또는 열전도도와는 다르다. 이러한 방식에 의해, 상기 코팅이 없는 열 흐름 분배장치에 비해, 프로세스 튜브(14)의 외주 표면 영역 전체에서 보다 균등한 열분배를 구축할 수 있다.
열 흐름, 재분배, 프로세스 히터

Description

프로세스 히터 내에서 프로세스 튜브상에 열 흐름을 재분배하는 방법 및 프로세스 튜브를 포함하는 프로세스 히터 {PROCESSES FOR REDISTRIBUTING HEAT FLUX ON PROCESS TUBES WITHIN PROCESS HEATERS, AND PROCESS HEATERS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 프로세스 히터 내 프로세스 튜브 상의 열 흐름이 원주상으로 보다 균등하게 될 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 특히, 석유 정제 산업에서 사용되는, 코크 민감성 가열로(coke sensitive fired heater), 예를 들어, 코커 유닛(coker unit), 진공 유닛(vacuum unit), 크루드 유닛(crude unit) 등에서 사용하기에 적합하다.
대부분의 코크 민감성 히터 또는 로(furnace), 예를 들어 코커 히터(coker heater), 진공 히터 및 크루드 히터(crude heater)는 대체로 동심원적으로 배열된 프로세스 튜브의 연소 공급원을 사용한다. 이러한 프로세스 튜브는 전형적으로 히터의 내화벽(refactory wall)에 가까이 인접하여 위치하므로 원주상 열 흐름 분배가 불균일하게 된다. 즉, 히터의 연소 부재에 인접한 튜브의 원주상 세그먼트(circumferential segment)는 일반적으로 프로세스 장치의 내화벽에 인접한 원주상 세그먼트보다 더 뜨겁다.
튜브 중 보다 뜨거운 가열면 상의 이러한 열 흐름에 의해, 튜브의 내화벽에 비교할 때, 튜브 금속의 온도가 보다 높아진다. 이처럼 뷸균등한 원주상의 열 흐름 침적(heat flux deposition)으로 인해, 보다 뜨거운 가열면에서의 튜브 내부 코크 침적속도가 보다 빨라지게 된다. 내부 원주 상 이처럼 불균등한 코크 현상(coking)때문에 튜브를 통해 불리하게 높은 조기 압력 강하 및/또는 튜브의 외부 표면의 불리하게 높은 온도가 발생한다. (즉, 내부튜브 표면 상에 코킹이 절연체로서의 역할을 하게 된다) 결과적으로, 가열로의 작동 운전 길이(operational run length)가 감소된다. 예를 들어, 전형적인 코커 단위는 매 6 내지 9개월 마다 탈코크(decoking) 작업을 필요로 하는 반면, 어떤 코커의 경우, 탈코크 작업이 매 3개월마다 필요하다.
또한, 프로세스 히터 자체에 내재된 불균등한 열 흐름이 있으며, 이 때문에 하나의 튜브 섹션으로부터 다른 섹션으로 비교적 불균일한 코크 현상이 일어난다. 즉, 임의의 튜브 또는 튜브 섹션은 프로세스 히트 내에서 다른 튜브 또는 튜브 섹션과 비교할 때 연소 공급원에 보다 가까울 수 있다. 심지어 원주상 세그먼트(circumferential segment)를 연소 공급원에 의해 발생된 열과 대향하게 배향시키더라도, 연소 공급원으로부터 보다 멀리 떨어진 튜브 (즉, 연소 공급원이 히터 저부에 위치할 경우, 히터의 최상부에 가까이 있는 튜브)는 연소 공급원에 보다 가까운 튜브의 유사한 원주상 세그먼트와 비교하여 더 작은 열 흐름을 나타내는 원주상 세그먼트를 가질 수 있다.
따라서, 만일 가열 용기(fired vessel) 내에 프로세스 튜브 또는 튜브 세그 먼트에 보다 균일한 원주상 열 흐름 분배를 부여할 수 있도록 하는 것은 매우 바람직한 일이다. 또한, 상이하지만 위치적으로 균등한 소정의(predetermined) 원주상 열 흐름 분배를 가진 상이한 튜브 및/또는 튜브 섹션을 제공함에 의해 프로세스 히터내의 열 흐름이 보다 균등하게 재분배 될 수 있도록 하는 것은 매우 바람직한 일이다. 따라서, 본 발명은 이러한 요구를 충족시키기 위한 것이다.
본 발명은, 프로세스 히터 내에 프로세스 튜브의 하나 이상의 섹션의 외주면에 보다 균등한 열 흐름 분배를 제공하기 위한 방법 및, 보다 균등한 열흐름 분배가 부여된 프로세스 튜브에 관한 것이다. 더 상세히, 본 발명에 따르면, 프로세스 튜브의 외주면의 하나 이상의 원주상 세그먼트 상에, 프로세스 튜브의 동일한 외주면의 다른 원주상 세그먼트의 열 방사율 및/또는 열전도도와 다른, 선택된 열 방사율(thermal emissivity) 및/또는 열전도도(thermal conductivity)를 가지는 재료의 코팅이 제공된다. 이로써, 상기 코팅이 없는 열 흐름 분배장치와 비교할 때, 프로세스 튜브의 외주면 전체에서 보다 균등한 열분배를 구축할 수 있으며, 이로써 튜브 섹션 상에 원주상 보다 균등한 열 흐름 분배가 가능해진다.
본 발명에 따른 이러한 특징 및 다른 측면과 장점들은, 후술하는 바람직한 구현예의 상세한 설명 및 도면에 의해 명백하게 이해될 수 있다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하며, 유사한 도면 상 참조번호는 유 사한 구조 요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 프로세스 튜브를 구비한 단일 가열 코커유닛(fired coker unit)의 모식적 단면도이고;
도 2A 내지 2D는, 본 발명에 따라 보다 균등한 원주상 열분배를 프로세스 파이프에 부여하기 위한, 하나의 바람직한 구현예의 확대된 모식적 단면도이다.
도 1은 단일 가열 코커 유니트와 같은, 프로세스 가열로(fired process heater: 10)를 도시한 것이다. 이와 관련하여, 상기 히터(10)는 용기(vessel)로부터의 열 손실을 최소화하기 위해 내화벽(12)를 포함하고, 다수개의 프로세스 튜브들(이들 중 몇개는 참조번호 14로 구별됨)이 상기 벽(12)에 인접하여 배열되어 있다. 히터 단위(heater unit: 16)는, 불꽃(16a)에 의해 모식적으로 나타낸 바와 같은, 열 공급원을 제공하기 위해 제공된 것이다. 따라서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 불꽃(16a)에 직접 노출되어 있는 일부 튜브(14)들은 내화벽(12)에 바로 인접하여 있는 일부 튜브(14)와 비교하여 더 뜨겁고, 이때문에 전술한 바와 같은 문제점이 야기된다.
수반되는 도 2A 내지 2D는 본 발명에 따라, 튜브(14)에 보다 균등한 원주상 열흐름 분배를 구현하기 위한 바람직한 수단을 모식적으로 나타낸 것이다. 도 2A에 나타낸 바와 같이, 대표적인 프로세스 튜브(14)가 외부 표면에 원주상 스케일 침적(20)을 가진 것으로 도시되어 있다. 상기 스케일(20)은 그 자체로 감소된 열 흐름을 제공한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 내화벽 (12)에 인접한 튜브(14)로부터 스 케일 침적(20)의 외주영역 (점선 및 참조번호 (20)으로 표시되어 있음)이 제거될 수 있다. 스케일 침적(20)의 제거는 모든 적절한 수단에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 공동출원으로 계류 중인 미국특허 출원 제 10/219943호 (상기 문헌에 개시된 내용은 그 전체가 본 명세서에 참조로써 포함됨)에 기술된 샌드 블라스팅 기술을 적용하여 스케일 침적(20a)의 외주영역을 선택적으로 제거하여 그 아래의 튜브(14)의 비피복 금속(bare metal)을 노출시킬 수 있다.
원주상 영역의 스케일 침적(20a)이 제거됨과 함께, 도 2B에 나타낸 바와 같이, 코팅(22)이 적용될 수 있다. 이와 관련하여, 코팅(22)은, 그의 방사율 및/또는 열 전도 특성이, 튜브(14)의 원주상 표면 영역에 관하여 소망하는 열 컨덕턴스 (즉, 튜브 벽을 통한 단위 면적당의 열 전달)를 얻을 수 있도록 선택된 재료이다.
본 명세서에서, 재료의 방사율(E)은 0 (전체 에너지 반사) 내지 1.0 (모든 에너지를 흡수하고 재 방사하는 완전 "흑체")의 척도로 측정되는 단위 없는 숫자를 나타낸다. 본 발명에 따르면, 상대적으로 높은 방사율(E)은 대략 0.80 이상, 통상은 대략 0.90 내지 0.98의 방사율을 가진 코팅 재료를 지칭하기 위한 것이다. 따라서 상대적으로 낮은 방사율은 대략 0.80 미만의 방사율, 통상은 대략 0.75 미만 (즉, 대략 0.15 내지 0.75)의 방사율을 가진 코팅재료를 지칭하기 위한 것이다. 대략 0.45 내지 대략 0.75의 낮은 방사율을 채용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시에서 적용될 수 있는 코팅 재료의 방사율 범위는 대략 0.15 내지 0.98일 수 있으며, 이는 특정 프로세스 용기에 요구되는 특정 요구조건에 달려있다.
이해될 수 있는 바와 같이, 스케일 침적(20)은 비교적 낮은 열 전도도를 가지지만 비교적 높은 방사율을 나타낸다. 따라서, 코팅(22)은, 반드시 튜브(14)의 전체 외주에 보다 균등한 열 흐름을 제공할 수 있도록 선택된다. 따라서, 다른 영역 (즉, 스케일 침적(20)과 코팅(22)의 영역 사이)과 비교할 때의 상기 튜브(14) 원주상 한 영역의 방사율 및/또는 열 전도도에서의 차이는, 한 영역이 다른 영역과 비교하여 사용중 더 뜨겁다는 점(즉, 사용 시, 상이한 열적 조건 하에 놓인다는 점)을 참작하여, 전체 원주상 열 흐름(열 컨덕턴스)이 평균적으로 더 균일하게 되도록 한다. 실제, 튜브(14)의 원주상 한 영역의 방사율 차이는 튜브의 다른 원주상 영역과 비교할 때 대략 5% 이상, 전형적으로는 적어도 대략 10% 이상(즉, 대략 15% 내지 대략 50% 의 열 전도도 차이)인 것이 바람직하다.
튜브(14)의 전체 원주에 보다 균등한 열 흐름을 구현하고/하거나 프로세스 히터 환경 그 자체 내에서 보다 균등한 열 흐름을 제공하기 위한, 소망하는 목표 하에서, 다양한 기술들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 2C에 나타낸 바와 같이, 코팅(22)에 인접한 내화벽 (12)에, 비교적 높은-E 또는 낮은-E 코팅(24)을 적용할 수 있다. 추가로 (또는 대안으로서) 스케일(20)을 제거할 수 있고, 바람직한 방사율 및/또는 전도 특성을 가진 코팅(26)을 도 2D에 나타낸 바와 같이 튜브(14)의 뜨거운 측면(hot side)에 적용할 수 있다.
프로세스 히터(10)의 환경 내에서, 히터(10) 내의 하나 이상의 다른 튜브 및/또는 튜브 섹션과 비교하여 상이한 열 흐름을 나타내는 하나 이상의 튜브 및/또는 세로방향 튜브 섹션을 제공할 필요가 있을 수 있다. 그러나, 가장 바람직하게는, 이러한 튜브 및/또는 튜브 섹션 각각은, 개별적으로, 전술한 바와 같이 본 발명에 따라, 실질적으로 균등한 열 흐름을 나타낸다. 개별적으로는 여전히 실질적으로 균등하면서, 상이한 원주상 열 흐름의 튜브들 및/또는 튜브 섹션들을 제공함에 의해 히터(10)의 환경 내에서 열 흐름이 더욱 균일하게 재분배된다.
튜브상의 코팅 두께는 중대한 것은 아니며, 소망하는 최종 열 흐름 및/또는 코팅을 형성하는 특정 재료에 따라 변화시킬 수 있다. 따라서, 대략 1 내지 60 밀리의 코팅 두께가 주어진 튜브 응용을 위해 적절할 수 있으며, 코팅 밀도는 전형적으로 대략 75%, 특별히는 95% 이상일 수 있다.
현재 가장 실용적이고 바람직한 구현예라고 생각되는 것을 중심으로 본 발명을 기술하였으나, 본 발명은 개시된 구현예에 한정되는 것은 아니며, 오히려, 다양한 변경 및 첨부된 청구범위 내에 포함되는 균등 배열을 포함하는 것이다.

Claims (22)

  1. 가열 프로세스 용기(fired process vessel) 내의 프로세스 튜브(process tube)의 외주면 영역(exterior circumferential surface region)에 보다 균등한 열흐름 분배를 제공하기 위한 방법으로서,
    프로세스 튜브의 외주면 영역의 하나 이상의 원주상 세그먼트(circumferential segment) 위에, 상기 프로세스 튜브의 외주면 영역의 다른 원주상 세그먼트의 열 방사율 및/또는 열전도도와 다른, 선택된 열 방사율(thermal emissivity) 및/또는 열전도도를 가지는 재료의 코팅을 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 코팅이 제공됨으로써, 코팅이 없는 경우의 열 흐름 분배와 비교할 때, 상기 프로세스 튜브의 외주면 전체에 보다 균등한 열 흐름 분배가 부여되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 원주상 세그먼트와 상기 다른 원주상 세그먼트 간의 방사율 차이가 5% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 방사율 차이가 약 10% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 원주상 세그먼트가 약 0.80 이상의 높은 방사율을 나타내는 코팅을 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 원주상 세그먼트는 약 0.80 미만의 낮은 방사율을 나타내는 코팅을 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 원주상 표면 및 다른 원주상 표면이 약 0.15 내지 약 0.98의 방사율을 가지는 별개의 재료로 코팅되며, 상기 별개의 코팅 재료의 방사율은 약 5% 이상 차이가 나는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 방사율 차이는 약 10% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 원주상 세그먼트는 약 0.80 이상의 비교적 높은 방사율을 가지는 재료로 코팅되고, 상기 다른 원주상 세그먼트는 약 0.80 미만의 비교적 낮은 방사율을 가지는 재료로 코팅되며, 상기 비교적 높은 방사율 및 낮은 방사율은 약 5% 차이가 나는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 비교적 높은 방사율 및 낮은 방사율은 약 10% 차이가 나는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해, 대략 균등한 원주상 열 흐름을 가진, 프로세스 히터에 사용되기 위한 프로세스 튜브.
  11. 외주면 영역에서 보다 균등한 열 흐름 분배를 나타내기 위한 프로세스 히터용 프로세스 튜브로서,
    프로세스 튜브의 외주면 영역의 하나 이상의 원주상 세그먼트 위에, 상기 프로세스 튜브의 외주면 영역의 다른 원주상 세그먼트의 열 방사율 및/또는 열전도도와 다른, 선택된 열 방사율 및/또는 열전도도를 가지는 재료의 코팅을 포함하며,
    상기 코팅이 제공됨으로써, 코팅이 없는 경우의 열 흐름 분배와 비교할 때, 상기 프로세스 튜브의 외주면 영역 전체에 보다 균등한 열 흐름이 부여되는 것을 특징으로 하는 프로세스 튜브.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 원주상 세그먼트와 다른 원주상 세그먼트간의 방사율 차이는 5% 이상인 것을 특징으로 하는 프로세스 튜브.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 방사율 차이는 약 10% 이상인 것을 특징으로 하는 프로세스 튜브.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 원주상 세그먼트는 약 0.80 이상의 높은 방사율을 나타내는 코팅을 구비하는 것을 특징으로 하는 프로세스 튜브.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 원주상 세그먼트는 약 0.80 미만의 낮은 방사율을 나타내는 코팅을 구비하는 것을 특징으로 하는 프로세스 튜브.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 원주상 표면 및 다른 원주상 표면이 약 0.15 내지 약 0.98의 방사율을 가지는 별개의 재료로 코팅되며, 상기 별개의 코팅 재료의 방사율은 약 5% 이상 차이가 나는 것을 특징으로 하는 프로세스 튜브.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 방사율 차이는 약 10% 이상인 것을 특징으로 하는 프로세스 튜브.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 원주상 세그먼트는 약 0.80 이상의 비교적 높은 방사율을 가지는 재료로 코팅되고, 상기 다른 원주상 세그먼트는 약 0.80 미만의 비교적 낮은 방사율을 가지는 재료로 코팅되며, 상기 비교적 높은 방사율 및 낮은 방사율은 약 5% 차이가 나는 것을 특징으로 하는 프로세스 튜브.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 비교적 높은 방사율 및 낮은 방사율은 약 10% 차이가 나는 것을 특징으로 하는 프로세스 튜브.
  20. 제11항 내지 제19항 중 어느 한 항의 프로세스 튜브를 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스 히터.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 하나 이상의 프로세스 튜브와는 상이한 원주상 열 흐름을 갖는 추가의 프로세스 튜브를 포함하며, 상기 추가의 프로세스 튜브는 실질적으로 일정한 원주상 열 흐름을 갖는 것을 특징으로 하는 프로세스 히터.
  22. 제 20항에 있어서, 내화벽 및 상기 내화벽 상에 소정의 열 방사율 및/또는 열 전도도를 가지는 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스 히터.
KR1020057002644A 2002-08-16 2003-07-30 프로세스 히터 내에서 프로세스 튜브상에 열 흐름을 재분배하는 방법 및 프로세스 튜브를 포함하는 프로세스 히터 KR100941358B1 (ko)

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