KR101023668B1 - 탄화수소들을 열적으로 개열하는 방법 및 리브붙이 튜브 - Google Patents

Abstract

증기의 존재 하에 탄화수소들의 열적 크래킹을 위한 공정에서, 충전 혼합물은 나선형 내측 핀들을 갖는 외부 가열된 튜브들을 통해 통과하고, 튜브 벽 내 및 튜브 단면 상의 온도를 보다 균일하게 하기 위해서 뿐만 아니라, 튜브 내측 벽 상의 열개열 코크스의 침착을 제거하기 위해, 소용돌이 흐름이 가스 혼합물 내에서 발생되고, 핀들로부터 증가하는 방사상 거리에서 지배적인 축상 흐름을 갖는 코어 지대 내로 점진적으로 융합된다.

Description

탄화수소들을 열적으로 개열하는 방법 및 리브붙이 튜브 {METHOD AND RIBBED TUBE FOR THERMALLY CLEAVING HYDROCARBONS}

본 발명은 증기의 존재 하에 탄화수소들의 열적 크래킹을 위한 프로세스 및 핀붙이 튜브(finned tube)에 관한 것으로, 여기서 충전 혼합물이 나선형 내측 핀들을 갖는 외부 가열된 튜브들을 통해 통과된다.

탄화수소/증기 혼합물이 750℃ 이상의 온도에서 개별 또는 구불구불한 튜브들(크래킹 튜브 코일들)을 통해 통과하고, 산화 또는 스케일링에 대한 내성이 크고 탄화에 대한 내성이 큰 내열성 크롬-니켈-강철 합금들로 제조된 튜브 퍼네이스들은 탄화수소들(조악한 오일 유도체들)의 고온 열개열에 적절한 것으로 입증되었다. 튜브 코일들은 U자 형상의 튜브 벤드들을 통해 상호 접속되거나 또는 상호 병렬로 배열된 수직으로 작동하는 곧은 튜브 단면들을 포함하고; 이들은 통상적으로 측벽 버너들의 원조로, 또한 일부 경우들에서는 바닥 버너들의 원조로 가열되고, 따라서 버너들에 대향하는 밝은 측면으로서 공지된 것 및 그에 관하여 90°로 오프셋되고, 즉 튜브들의 행들의 방향으로 작동하는 어두운 측면으로서 공지된 것을 갖는다. 평균 튜브 메탈 온도들(TMT)은 일부 경우들에서 1000℃ 이상이다.

크래킹 튜브들의 서비스 수명은 크리프 저항 및 탄화 저항, 및 또한 튜브 재 료의 코우킹 속도에 매우 현저한 정도로 의존한다. 코우킹 속도, 즉, 튜브 내측 벽 상의 탄소 침착물들의 층(열개열 코크스)의 성장에 대한 중요 인자는 사용된 탄화수소들의 유형 외에, 내측 벽의 영역 내의 크래킹 가스 온도 및 에틸렌 수율에 대한 튜브 시스템에서 시스템 압력의 영향 및 체류 시간을 숨기는 오퍼레이팅 심도로서 공지된 것이다. 오퍼레이팅 심도는 크래킹 가스들의 평균 출구 온도(예, 850℃)에 기초하여 설정된다. 튜브 내측 벽 근처의 가스 온도가 이러한 온도 이상으로 높을수록, 열개열 코크스층의 성장 정도가 더 커지고, 이러한 층의 절연 작용은 튜브 금속 온도가 훨씬 더 증가하게 허용한다. 튜브 재료로서 사용되는 탄소 0.4%, 크롬 25% 이상 및 니켈 20% 이상, 예를 들면 크롬 35%, 니켈 45% 및 적절하게는 니오븀 1%를 함유하는 크롬-니켈-강철 합금들은 탄화에 대해 큰 내성을 갖지만, 산화층 내의 결함들에서 튜브 벽 내로 확산되고, 이는 0.5 내지 3mm의 벽 깊이에서 1% 내지 3%의 탄소 함량에 상당할 수 있는 상당한 탄화를 유도한다. 이는 변동있는 열적 부하들의 경우에 크랙 형성의 위험이 있고, 특히 퍼네이스가 발동되고, 운전 정지될 때, 튜브 재료의 상당히 부서지기 쉬운 성질과 연관된다.

튜브 내측 벽 상의 탄소 침착물들(코우킹)을 파괴하기 위해, 크래킹 오퍼레이션은 때때로 중단될 필요가 있고, 열개열 코크스는 증기/공기 혼합물의 원조 하에 연소될 필요가 있다. 이는 36 시간에 이르는 시간 동안 오퍼레이션이 중지될 것을 요하고, 따라서 공정의 경제성에 대해 상당한 부작용을 미친다.

영국 특허 제GB969 796호로부터 내측 핀들을 갖는 크래킹 튜브들을 사용하는 것 역시 공지되어 있다. 이러한 유형의 내측 핀들은 양호한 몇 퍼센트, 예를 들면 10% 이상인 내부 표면적을 초래하더라도, 이들은 또한 확대된 튜브 내측 표면에서의 마찰 때문에 평활 튜브에 비해 상당히 증가된 압력 손실의 결점과 연관된다. 압력 손실이 보다 클수록 보다 큰 시스템 압력을 필요로 하고, 이는 체류 시간을 불가피하게 변화시키고, 수율에 대한 부작용을 갖는다. 추가의 인자는 큰 탄소 및 크롬 함량을 갖는 공지된 튜브 물질들이 냉간 가공, 예를 들면 냉간 인발에 의해 더 이상 프로필될 수 없다는 것이다. 이들은 고온 강도가 증가함에 따라 이들의 변형 가능성이 크게 감소한다는 결점을 갖는다. 이는 예를 들면 1050℃에 이르는 높은 튜브 금속 온도를 유도하고, 이는 에틸렌 수율에 관하여 바람직하고, 원심성 주조 튜브들의 사용을 필요로 한다. 그러나, 원심성 주조 튜브들은 단지 원통형 벽으로 생산될 수 있기 때문에, 특수 성형 프로세스들, 예를 들면 전기 개열 기계 가공에 의한 물질의 제거 또는 내부적으로 핀붙이 튜브들이 생산되어야 하는 경우의 성형 용접 프로세스가 요구된다.

이러한 기술적 배경의 관점에서, 본 발명은 나선형 내측 핀들을 갖는 외부적으로 가열된 튜브들에 의해 관상 퍼네이스들 내에서 탄화수소의 열적 크래킹의 경제를 개선시키는 문제에 기초한다.

이러한 목적은 소용돌이 흐름이 바람직하게는 원심성 주조 튜브의 핀들 바로 근처에서 발생되고, 이러한 소용돌이 흐름이 핀들로부터 증가하는 방사상 거리에서 우세한 축상 흐름을 갖는 코어 지대로 변환되는 프로세스에 의해 달성된다. 소용돌이 흐름을 갖는 외부 지대와 우세한 축상 흐름을 갖는 코어 지대 사이의 전이는 점진적이고, 예를 들면 포물선 모양이다.

본 발명에 따른 프로세스에서, 소용돌이 흐름은 핀 플랭크들에서 분리되는 소용돌이 흐름을 취함으로써, 이 소용돌이 흐름은 핀 밸리들 내로 연속적으로 순환하는 흐름의 형태로 지엽적으로 재순환되지 않는다. 명백히 보다 긴 거리들이 나선형 경로들을 통해 입자들에 의해 커버됨에도 불구하고, 평균 체류 시간은 평활 튜브에서보다 적고, 더욱이, 단면에 걸쳐 보다 균일하다(도 7 참조). 이는 곧은 핀들을 갖는 튜브(프로필 2)에 비해, 소용돌이 흐름을 갖도록 프로필된 튜브(튜브 3)에서 보다 큰 전체 속도에 의해 확인된다. 이는 특히 핀들의 영역 또는 핀들 내의 소용돌이 흐름이 튜브 축에 관하여 20°내지 40°의 각도, 예를 들면 30°, 바람직하게는 25 내지 32.5°각도로 흐르는 경우에 보장된다.

본 발명에 따른 프로세스에서, 밝은 측면과 어두운 측면 사이의 튜브 원주 상으로 불가피하게 상이한 열원은 튜브 벽 및 튜브 내부에 대해 보상하고, 열은 코어 지대 내부로 신속히 소산된다. 이는 열개열 코크스의 결과적인 형성에 의해 튜브 벽에서 공정 가스가 국소적으로 과열할 위험성이 감소되는 것과 연관된다. 더욱이, 튜브 물질 상의 열적 로딩은 밝은 측면과 어두운 측면 사이의 온도 보상 때문에 낮아지고, 이는 서비스 수명을 연장시킨다. 마지막으로, 본 발명에 따른 공정에서, 온도는 튜브 단면적 상으로 보다 균일해지고, 개선된 올레핀 수율을 초래한다. 이에 대한 이유는 튜브 내부에서 본 발명에 따른 방사상 온도 보상 없이, 과도한 크래킹이 고온 튜브 벽에서 발생할 수 있고 크래킹 생성물들의 재조합이 튜브 중심에서 발생할 수 있다는 것이다.

더욱이, 크게 감소된 열 전달에 의해 소용돌이 흐름들의 특성인 층류 층이 평활 튜브의 경우에 형성되고, 핀들에 의해 5% 이상, 예를 들면 10% 이상 증가된 내부 원주를 갖는 핀 프로필들의 경우에 보다 큰 정도까지 형성된다. 이러한 층류는 불량한 열적 전도성에 의해서와 마찬가지로 열개열 코크스의 증가된 형성을 유도한다. 2개의 층들은 함께 보다 많은 열의 도입 또는 보다 큰 버너 용량을 필요로 한다. 이는 튜브 금속 온도(TMT)를 증가시키고, 서비스 수명을 상응하게 단축시킨다.

본 발명은 프로필의 내부 원주가 핀 밸리들에 닿는 엔벨로프 서클의 원주에 관하여 고작 5%, 예를 들면 4% 또는 심지어 3.5% 근처에 상당하는 양이라는 사실 덕택에 이를 피할 수 있다. 그러나, 내부 원주는 엔벨로프 서클보다 2% 만큼 작을 수 있다. 다시 말하자면, 상대적인 프로필 원주는 고작해야 엔벨로프 서클 원주의 1.05 내지 0.98%일 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따른 프로필 튜브의 영역의 차이, 즉, 엔벨로프 서클 직경을 갖는 평활 튜브에 관하여 그의 레이드-아웃 내부 표면적은 기껏해야 평활 튜브의 영역의 +5% 내지 -2% 또는 1.05 내지 0.98배에 상당하는 양이다.

본 발명에 따른 튜브 프로필은 이 프로필의 내부 원주가 엔벨로프 서클의 원주보다 적어도 10% 큰 핀붙이 튜브에 비해 보다 낮은 튜브 중량(kg/m)을 허용한다. 이는 동일한 수력 직경 및 그에 따라 동일한 압력 손실 및 동일한 열적 결과를 갖는 2개의 튜브들 사이의 비교로 나타낸다.

엔벨로프 서클 원주에 관하여 본 발명에 따른 프로필 원주(상대적 프로필 원 주)의 추가의 장점은 감소된 튜브 금속 온도에서 충전 가스의 보다 신속한 가열이다.

본 발명에 따른 소용돌이 흐름은 층류 층의 정도를 상당히 감소시키고; 더욱이, 이는 튜브의 중심 쪽으로 지향된 속도 벡터와 연관되고, 이는 고온 튜브 벽에서 크래킹 라디칼들 및(또는) 크래킹 생성물들, 및 열개열 코크스를 형성하는 화합물 및 그의 촉매 조성물의 체류 시간을 감소시킨다.

또한, 큰 핀들을 갖는 내부로 프로필된 튜브들의 경우에 미미하지 않은 핀 밸리들과 핀들 간의 온도 차이들은 본 발명에 따른 소용돌이 흐름에 의해 보상된다. 이는 필요한 2개의 코크스-제거 오퍼레이션들 사이의 시간을 증가시킨다. 본 발명에 따른 소용돌이 흐름 없이, 미미하지 않은 온도 차이는 핀의 피크들과 핀 밸리들의 베이스 사이에서 초래된다. 코크스를 만드는 경향이 있는 크래킹 제품들의 체류 시간은 나선형 내측 핀들을 구비한 크래킹 튜브들의 경우에 단축된다. 이는 개별적인 상황들에서 핀들의 특성에 의존한다.

도면에서:

상위 곡선은 다음을 나타낸다: 프로필 6: 16°피치

중간 곡선은 다음을 나타낸다: 프로필 3: 30°피치

하위 곡선은 다음을 나타낸다: 프로필 4: 30°피치를 갖는 3 핀들

곡선들은 4.8mm 높이 핀들을 갖는 프로필 6의 보다 큰 원주 속도가 핀 밸리들 내에서 소비되는 반면에, 단지 2mm의 핀 높이를 갖는 본 발명에 따른 프로필의 원주 속도는 흐름의 코어 내로 침투하는 것을 분명히 보여준다. 바로 3개의 핀들 을 갖는 프로필 4의 원주 속도는 대략적으로 높지만, 이는 코어 흐름의 임의의 나선형 가속화에 영향을 미치지 않는다.

도 2에 나타낸 도면에 나타낸 곡선들에 따라, 본 발명에 따른 프로필은 튜브 단면의 광범위한 영역을 커버하고, 따라서 튜브 내의 온도를 균질화시킬 책임이 있는 핀 밸리들 (곡선의 상위 브랜치) 내의 나선형 가속화에 영향을 미친다. 더욱이, 핀 피크들 (곡선의 하위 브랜치)에서 보다 낮은 원주 속도는 어떠한 소용돌이 흐름 및 역-흐름도 발생하지 않는다는 것을 보장한다.

도 3은 3개의 시험관들을 단면으로, 이들의 데이터를 포함하여 예시하고; 이들 시험관들은 본 발명에 따른 프로필(3)을 포함한다. 각각의 도면들은 어두운 측면 및 밝은 측면 상의 튜브 반경을 가로질러 온도 프로필을 지시한다. 도면들을 비교함으로써 튜브 벽과 튜브 중심 사이의 보다 낮은 온도차 및 본 발명에 따른 프로필(3)의 경우에 튜브 벽에서 보다 낮은 가스 온도를 나타낸다.

본 발명에 따른 소용돌이 흐름은 튜브의 원주 상으로, 즉 밝은 측면과 어두운 측면 사이의 내측-벽에서의 소용돌이 흐름의 온도는 12℃ 미만임을 보장하고, 심지어 튜브 퍼네이스의 병렬인 행들로 통상적으로 배열된 튜브 코일들이 반대 측면들 상에서만 측벽 버너들의 원조로 연소 가스들에 의해 가열되거나 또는 그에 대해 작용하고, 따라서 튜브들 각각이 버너들에 대향하는 밝은 측면 및 그에 관하여 90°로 오프셋된 어두운 측면을 갖는다. 평균 튜브 금속 온도, 즉, 밝은 측면 및 어두운 측면 상의 튜브 금속 온도에서의 차이는 내부 스트레스들을 유도하고, 따라서 튜브들의 서비스 수명을 결정한다. 따라서, 30°의 피치, 38.8mm의 튜브 내부 직경 및 50.8mm의 튜브 외부 직경, 즉, 동일한 직경의 평활 튜브에 비해 11°의 2mm의 핀 밸리들과 핀 피크 사이의 높이 차를 갖고, 5년의 평균 서비스 수명에 기초하는 본 발명에 따른 튜브의 평균 금속 온도의 감소는 (도 4에 나타낸 도면으로부터 알 수 있으며), 1050℃의 작동 온도에서 대략 8년에 이르는 서비스 수명의 산출된 증가를 초래한다.

도 3에 나타낸 3개의 프로필들에 대한 밝은 측면과 어두운 측면 사이의 온도 분포는 도 5에 나타낸 도면에서 밝혀져야 한다. 평활 튜브(프로필 0)에 비해 프로필 3에 대한 온도 곡선의 하위 레벨 및 프로필 1에 비교한 프로필 3 곡선에 대한 상당히 좁은 변동 범위가 인지될 수 있다.

특히 적절한 온도 분포는 등온선들이 튜브 내측 벽으로부터 흐름의 코어로 나선형 형상으로 진행되는 경우에 확립된다.

단면 상으로 온도의 보다 균일한 분포는 특히 원주 속도가 2 내지 3m 내에서 조성되고, 다음으로 튜브의 전체 길이 상으로 일정하게 유지되는 경우를 초래한다.

비교적 짧은 튜브 길이로 높은 올레핀 수율을 달성하는 관점에서, 본 발명에 따른 프로세스는 단면 상의 온도 균일성 인자 및 수력 직경을 참조한 온도 균일성 인자가 평활 튜브의 균일성 인자(H_Ge)에 관련하여 1 이상인 방식으로 오퍼레이팅되어야 한다. 이러한 맥락에서, 균일성 인자는 다음과 같이 정의된다:

코어 흐름 및 소용돌이 흐름을 포함하는 본 발명에 따른 흐름 구성은 각각의 경우에 튜브 단면의 길이 상으로 연속적인 핀들의 플랭크 각도, 즉, 핀 플랭크들과 튜브의 반경 사이의 외부 각도가 16°내지 25°, 바람직하게는 19°내지 21°인 핀붙이 튜브에 의해 달성될 수 있다. 이러한 유형의 플랭크 각, 특히 20°내지 40°, 예를 들면 22.5°내지 32.5°의 핀 피치와 조합된 플랭크 각은 핀 밸리들을 초래하는 것이 핀 플랭크들 뒤의 핀 밸리들로 복귀하고, 핀 밸리들 내의 바람직하지 못한 "트위스터들"의 형성을 유도하는 다소 연속적인 소용돌이 흐름은 아님을 보장한다. 오히려, 핀 밸리들에 형성된 소용돌이 흐름은 핀 플랭크들로부터 분리되고, 소용돌이 흐름에 의해 취해진다. 핀들에 의해 유도된 소용돌이 에너지는 가스 입자들을 가속화시키고, 보다 큰 전체적인 속도를 유도한다. 이는 튜브 금속 온도의 감소를 유도하고, 또한 튜브 금속 온도를 보다 균일하게 할 뿐만 아니라, 튜브 단면을 가로질러 온도 및 체류 시간을 보다 균일하게 만든다.

본 발명에 따른 핀붙이 튜브의 특성은 도 6의 튜브 세그먼트의 예시 및 연관된 특징 파라메터들로부터 알 수 있다.

- mm로 수력 직경 Dh, Ri≤Dh/2

- 플랭크된 각도 β

- 핀 높이 H

- 엔벨로프 서클 반경 Ra = Ri + H 및 Da = 2 × Ra

- 중심각 α

- 곡률 반경 R=Ra(sin α/ 2 sin β+ sin α)

- 엔벨로프 서클 원주 : 2ΠRa

- 사선 각도의 삼각형의 각 γ= 180-(α+β)

- 내부 반경 Ri=2R (sin γ/sin α)-R

- 핀 높이 H = Ra - Ri

- 프로필 원주 U_P = 2 × 핀들의 수 x ΠR/180(2β+α)

- 핀 표면적 F_R

- 엔벨로프 서클의 면적 Fa = ΠDa²/4

- 내측 서클의 면적 F_i = ΠㆍDi

- 엔벨로프 서클 내의 프로필 면적 F_P = F_R ㆍ핀들의 수

- 프로필 원주 U_P = (1.05 내지 0.98) ㆍ2ΠRa

핀들 및 이 핀들 사이에 위치한 핀 밸리들은 단면이 거울-대칭성 디자인이고 상호 인접할 수 있거나, 또는 각각의 경우에 동일한 곡률 반경을 갖는 파형 라인을 형성할 수 있다. 이어서, 플랭크 각은 접촉 지점에서 2개의 곡률 반경과 튜브 반경의 탄젠트 값들 사이에서 초래된다. 이러한 경우에, 핀들은 비교적 얕고, 핀 높이 및 플랭크 각은 비율 4 x 분명한 단면/프로필 원주로부터 수력 직경이 프로필의 내측 서클 이상인 방식으로 상호 매치된다. 따라서, 수력 직경은 프로필 높이의 내부 삼분의 일이다. 결과적으로, 직경이 커짐에 따라 핀 높이 및 핀들의 수가 증가함으로써, 소용돌이 흐름은 프로필의 작용에 필요한 방향 및 세기로 유지된다.

보다 큰 흐름 속도(도 2)가 핀들 사이에서 또는 핀 밸리들 내에서 초래되오, 자기-정제 효과, 즉 침착되는 열개열 코크스 양의 감소를 유도한다.

핀들이 조립 용접에 의해 또는 원심성 주조 튜브를 사용하는 오버레이 용접에 의해 생산되는 경우, 개별 핀들 사이의 튜브 벽은 실질적으로 변화 없이 남겨짐으로써, 핀 밸리들은 원심성 주조 튜브의 내부 원주에 대응하는 공통 서클 상에 놓인다.

시험들은 튜브들의 내부 직경과 무관하게 전체 6 내지 12개의 핀들이 본 발명에 따른 흐름 구성을 달성하기에 충분한 것임을 보여준다.

본 발명에 따른 핀붙이 튜브의 경우에, 유사한 법칙들을 적용하고 관찰하고, 나프타/증기 혼합물에 대해 주어진 레이놀즈(Reynolds) 수들을 사용하여 수분 테스트에서 압력 손실의 몫(ΔP_R/ΔP₀)에 대한 열전달 계수들의 몫(Q_R/Q₀)의 비율은 1.4 내지 1.5인 것이 바람직하고, 여기서, R은 핀붙이 튜브를 나타내고, 0은 평활 튜브를 나타낸다. 또한, 핀 단면의 곡률 반경(R)은 3.5 내지 20mm이고, 1.25 내지 3mm의 핀 높이(H)를 갖으며, 프로필 원주(Up) 내의 선명한 단면은 엔벨로프 서클(Fa)의 면적의 85 내지 95%에 해당하고, 프로필 면적(Fp)은 엔벨로프 서클과 내측 서클 사이의 환상 면적의 40 내지 50%에 해당합니다.

핀 밸리들 및 핀 피크들 사이의 방사상 거리가 4.8mm인 것들 중에서, 평활 튜브(프로필 0) 및 8개의 병렬 핀들을 갖는 핀붙이 튜브(프로필 1)에 비해 본 발명에 따른 핀붙이 튜브(프로필 3)의 우수성은 아래 표에 나타낸 데이터로 예시한다. 핀붙이 튜브들 모두는 8개의 핀들 및 동일한 엔벨로프 서클을 갖는다.

프로필	0	1	3
중심에서 9950mm에서 유체 온도 Tm[℃]	843.6	848.1	843.0
에지에서 9950mm에서 유체 온도 Tr[℃]	888.9	894	874.8
9950mm에서 온도 범위 ΔT = Tr-Tm[℃]	45.3	45.9	31.8
평활 튜브 H에 대한 균일성 인자 Ht = ΔTg/ΔTt	1	0.9869281	1.4245283
수력 직경 dh [m]	0.0380	0.0256	0.0344
평활 튜브에 기초한 수력 직경을 참조한 균일성 인자 Ht0:Ht0=ΔT0ㆍdx/ΔTxㆍd0	1	0.8477193	1.3420556
Hi의 분류	2	2	1

이러한 맥락에서, 수력 직경은 다음과 같이 정의된다:

D_hydr = 4 x (분명한 단면적)/내부 원주;

이는 필적하는 평활 튜브의 내부 직경에 대응하는 것이 바람직하고, 1.425의 균일성 인자를 초래한다.

수압 시험에서, 본 발명에 따른 핀붙이 튜브는 평활 튜브보다 2.56의 인자 만큼 더 큰 열 전달(Qr)을 제공하고, 단 압력 손실(ΔP_R)은 단지 1.76의 인자만큼 더 크다.

도 7은 각각의 경우 평활한 내부 벽을 갖는 튜브(평활 튜브)의 30°의 피치를 갖는 8개의 핀들을 갖는 본 발명에 따른 튜브를 포함하는 3개의 상이한 프로필 튜브들을 비교한다. 수력 직경, 축상 속도, 체류 시간 및 압력 손실이 각각의 단면에 대해 주어진다.

사용된 시작 데이터는 38mm의 내부 직경을 갖는 작동성 평활 튜브에서 정량적인 처리량들이었고, 이는 수력 직경과 동일하다. 유사한 법칙들(동일한 레이놀즈 수들)을 사용함으로써, 이들 데이터는 온수에 대한 산출에 의해 변환되었고 시험들을 위한 기초로 사용되었다 (열전달에 대한 몫 및 물에 의한 시험들에 대한 압 력 손실 및 가스들을 사용하는 산출에 대해 참조된 균일성 인자 참조).

상이한 속도 프로필들은 상이한 수력 직경들에서 동일한 정략적 처리량들을 초래한다(상호 관계).

단면이 동일한 프로필 2 및 프로필 3에 대한 속도들의 비교는 본 발명에 따른 튜브(프로필 3)들에 의해 개선된 속도, 가속화 및 체류 시간을 예시한다. 동일한 수력 직경에 대해, 핀들에 의해 유도된 소용돌이 흐름에 의해 유발되는 원주 방향의 속도 성분은 튜브 벽으로부터 흐름이 분리되게 하고, 전체 단면 상으로 나선형으로증가하는 속도를 유발한다.

지향된 나선형 흐름은 튜브 벽으로부터 흐름 내로 열을 도입하고, 따라서 통상의 지향되지않은 소용돌이 흐름(평활 튜브, 프로필 1 및 2)에서보다 균일하게 이를 분포시킨다. 입자들에 대한 체류 시간에 동일하게 적용된다. 나선형 지향된 흐름은 단면 상으로 입자들을 보다 균일하게 분포시키는 한편, 프로필 플랭크들에서 가속화는 평균 체류 시간을 감소시킨다. 프로필 3에 의해 보다 큰 압력 손실은 원주 속도를 초래한다. 프로필 1의 경우에, 그 원인은 프로필의 큰 내부 표면적에서 마찰 감소 및 흐름의 상당한 수축이다.

재료에 따라, 본 발명에 따른 핀붙이 튜브들은 상호 회전되는 축상으로 병렬인 핀들을 갖는 튜브의 단부들에 의해, 또는 프로파일링 툴에 의해, 예를 들면 튜브의 내부 프로필에 대응하는 외부 프로필을 갖는 플라잉 맨드렐 또는 맨드렐 막대에 의해, 고온 단조, 고온 인발 또는 냉간 가공에 의해 원심성 주조 튜브의 변형에 의해 생산되고 있는 내측 프로필에 의해 원심성 주조 튜브로부터 생산될 수 있다.

튜브들의 내부 프로파일링을 위한 절삭 기계들의 많은 변종들은 예를 들면 독일 특허 제195 23 280호에 공지되어 있다. 이들 기계들은 또한 본 발명에 따른 핀붙이 튜브의 생산에 적절하다.

고온-형성의 경우에, 변형 온도는 마이크로구조적 입자가 내부 표면 영역에서 부분적으로 파괴되고, 따라서 오퍼레이팅 온도의 영향 하에 이후의 스테이지에서 재결정되는 방식으로 설정되어야 한다. 이의 결과는 진정한 매트릭스를 통해 튜브의 내측 표면으로 크롬, 규소 및(또는) 알루미늄의 신속한 확산을 허용하는 미세-입자의 마이크로 구조이고, 여기서 산화 보호층이 다음으로 신속히 조립된다.

본 발명에 따른 핀들은 또한 조립 용접에 의해 생산될 수도 있고, 이러한 경우에, 개별 핀들 사이에 만곡된 핀 베이스를 형성할 수 없고, 오히려 튜브의 내측 벽의 원시 프로필이 실질적으로 그곳에 유지된다. 또한, 본 발명에 따른 핀들은 물질의 전해질 제거에 의해 생산될 수도 있다.

본 발명에 따른 튜브의 내측 표면은 가능한 한 가장 적은 강도를 가져야 하고; 따라서, 이는 평활될 수 있고, 예를 들면 기계적으로 연마되거나 또는 전기 개열에 의해 균등해진다.

에틸렌 공장들에서 사용하기 적절한 튜브 물질들은 탄소 0.1% 내지 0.5%, 크롬 20 내지 35%, 니켈 20 내지 70%, 실리콘 3% 이하, 니오븀 1% 이하, 텅스텐 5% 이하 및 각각의 경우 하프늄, 티탄, 희토류들 또는 지르코늄의 부가물들 0.5% 이하 및 알루미늄 6%를 함유하는 철 합금, 니켈 합금, 또는 이들 모두의 합금들이다. 바람직하게, 합금은 개별적으로 또는 서로 조합하여 적어도 실리콘 0.02%, 니오븀 0.1%, 텅스텐 0.3% 및 알루미늄 1.5%를 함유한다.

Claims (36)

1. 증기의 존재 하의 탄화수소의 열적 크래킹을 위한 핀붙이 튜브로서, 충전 혼합물이 복수개의 나선형으로 작동하는 내측 핀들을 갖는 외부 가열된 튜브를 통해 통과하고, 상기 핀의 플랭크 각도는 16°내지 25°이며 상기 핀은 튜브 축에 관하여 20°내지 40°각도의 경사를 갖는 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
2. 제1항에 있어서, 상기 핀은 튜브 축에 관하여 22.5°내지 32.5°각도의 경사를 갖는 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
3. 제1항에 있어서, 튜브 프로필 원주(Up)가 핀 밸리들에 닿는 엔벨로프 서클의 +5 내지 -2%에 해당하는 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 핀 및 상기 핀 사이에 위치한 밸리는 단면이 거울-대칭이 되도록 설계된 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 핀의 피크 및 상기 핀 밸리는 각 경우에 서로 접하는 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 핀 및 상기 핀 밸리가 동일한 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 핀은 용접되고 상기 핀 밸리는 공통 서클 상에 놓인 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
8. 제1항 또는 제3항에 있어서, 전체 6 내지 12개의 핀으로 구성된 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
9. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 핀붙이 튜브의 수력 직경은 내측 서클(Ri)의 직경과 적어도 동일한 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
10. 제1항 또는 제3항에 있어서, 수압 시험에서 압력 손실의 몫(ΔP_R/ΔP₀)에 대한 열전달 계수들의 몫(Q_R/Q₀)의 비율은 1.4 내지 1.5이고, 여기서 R은 핀붙이 튜브를 나타내고, 0은 평활 튜브를 나타내는 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
11. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 핀 단면의 곡률 반경(R)은 3.5 내지 20mm인 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
12. 제1항 또는 제3항에 있어서, 1.25 내지 3mm의 핀 높이(H)를 갖는 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
13. 제3항에 있어서, 상기 프로필 원주(Up) 내의 선명한 단면은 상기 엔벨로프 서클(Fa)의 면적의 85 내지 95%에 해당하는 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
14. 제1항 또는 제3항에 있어서, 프로필 면적(Fp)은 엔벨로프 서클과 내측 서클 사이의 환상 영역의 40 내지 50%에 해당하는 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
15. 제1항 또는 제3항에 있어서, 원심성 주조 튜브가 탄소 0.1 내지 0.5%, 크롬 20 내지 35%, 니켈 20 내지 70%, 실리콘 3% 이하, 니오븀 1% 이하, 텅스텐 5% 이하 및 각각의 경우 하프늄, 티탄, 희토류들, 지르코늄 0.5% 이하, 및 알루미늄 6%를 함유하는 니켈 합금으로 구성된 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
16. 제15항에 있어서, 상기 합금이 개별적으로 또는 서로 조합하여 적어도 실리콘 0.02%, 니오븀 0.1%, 텅스텐 0.3% 및 알루미늄 1.5%를 함유하는 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
17. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 핀붙이 튜브는 원심성 주조 튜브로부터 형성되고, 축상으로 병렬인 핀들을 갖는 튜브의 단부들이 서로에 관하여 회전되는 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
18. 제1항 또는 제3항에 있어서, 내측 프로필이 프로파일링 툴을 사용한 변형에 의해 생산되는 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
19. 제1항 또는 제3항에 있어서, 내측 프로필이 조립 용접에 의해 생산되는 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
20. 제1항 또는 제3항에 있어서, 내측 프로필이 물질의 전해질 제거에 의해 생산되는 것을 특징으로 하는 핀붙이 튜브.
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