KR101148333B1 - 냉각 도관내의 습식-벽 형성 방법 및 이러한 방법을 실행하는 냉각 도관 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 방법 및 장치는 탄화수소 열분해로로부터의 가스상 유출물을 냉각하기 위해 제공된 것이며, 냉각 도관 장치는, (ⅰ) 유출물과 접촉하며, 냉각 도관의 길이를 연장하는 보어를 규정하고, 보어를 따라 주변 개구부를 포함하는 내측벽과, (ⅱ) 내측벽의 외부에 위치하고 내측벽과 실질적으로 동축인 외측벽과, (ⅲ) 내측벽의 외부에 위치하고 외측벽의 적어도 일 부분을 포함하며, 주변 개구부에 유체적으로 및 격리적으로 연결되고, 내측벽의 주변부를 외부적으로 둘러싸며, 외측벽의 적어도 일 부분을 포함하는 실질적인 환형 캐비티와, (ⅳ) 내측벽의 주변부 주위에서 연장하고, 내측벽의 주변부를 따라 격리적으로 연결된 주변 개구부와 환형 캐비티를 유체적으로 연결하는 채널 유동 경로를 제공하는 주변 채널을 포함한다.

Description

냉각 도관내의 습식-벽 형성 방법 및 이러한 방법을 실행하는 냉각 도관 장치{METHOD AND APPARATUS FOR COOLING PYROLYSIS EFFLUENT}

본 발명은 나프타(naphtha) 등의 액체 공급물을 사용하는 열분해 유닛, 및 특히 경유(gas-oil) 또는 다른 중질 탄화수소 공급물 등과 같은 나프타보다 중질인 공급물을 사용하는 열분해 유닛을 포함하는 탄화수소 열분해 유닛으로부터의 가스상 유출물을 퀀칭(quenching)하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 직접 퀀칭식 또는 간접 열교환식 습식-벽 퀀칭 장치 및 방법을 사용하여 크래킹된 탄화수소 유출물(cracked hydrocarbon effluent)을 유출물의 이슬점 이하로 퀀칭하는 것에 관한 것이다.

열분해 또는 증기 크래킹을 이용하여 경유 및 원유 등의 비교적 중질의 탄화수소 공급원료(feedstock)를 크래킹함으로써 경질 올레핀(예를 들면, 에틸렌, 프로필렌 및 부텐)을 생산하는 것이 요망된다. 또한, 크래킹 반응이 제품 생성 지점을 지나서 계속되는 것을 방지하도록 크래킹된 유출물 스트림이 열분해로(pyrolysis furnace)를 빠져나온 직후에 퀀칭되거나 냉각되는 것이 요구된다. 크래킹된 중질 산화수소 공급물로부터의 유출물 스트림을 퀀칭함에 있어서, 퀀칭 장비내에 타르(tar)(타르 전구체 및 다른 중질 성분을 포함함)의 퇴적 및 그와 관련된 파울링(fouling) 문제를 방지하는 특별한 과제가 존재한다. 또한, 크래킹된 유출물 스트림으로부터 회수된 열의 재사용 및 간접 열교환에 의한 증기 크래킹 프로세스 효율을 향상시키는 것이 요망된다. 유출물 회수 열은 전형적으로 하나 이상의 트랜스퍼 라인 열교환기(transfer line exchanger; TLE) 등으로 간접 열교환에 의해 수행된다.

탄화수소 공급물은 전형적으로 증기와 만나서 크래킹중에 급속하게 가열된다. 가열 및 크래킹후에, 기화된 유출물 증기는 전형적으로 열분해로를 약 785℃(1450℉) 내지 약 930℃(1700℉)와 같은 고온으로 빠져나갈 수 있으며, 크래킹 반응을 중지시키고 유용한 제품의 열화를 방지하도록 신속하게 퀀칭되어야 한다. 올레핀의 생산에 부가하여, 또한 증기 크래킹 중질 탄화수소 공급원료(관련 방향족 성분을 갖는 공급원료를 포함함)는 고온에서 서로 결합 및 중합하는 경향이 있는 반응성 분자를 생성하여, 타르, 피치(pitch) 또는 비휘발성 물질(본원에서는 집합적으로 타르로서 지칭함)로서 공지된 고분자량 물질을 형성한다. 타르는, 일정 조건하에서 열교환 장비상에 퇴적하여 열교환 장비를 격리시키고, 막히게 하고, 파울링시킬 수 있는 비교적 높은 비등점의 점성질 활성 물질이다. 파울링 경향은 3개의 온도 구간에서 특징지어질 수 있다.

크래킹된 노 유출물의 이슬점(액체의 제 1 방울이 응축되는 온도) 초과의 온도에서, 파울링 경향은 비교적 낮다. 증기상(vapor phase) 파울링은 일반적으로 파울링 또는 중합을 일으킬 수 있는 액체 또는 응축물이 존재하지 않으므로 문제가 되지 않는다. 따라서 이러한 구간에서 작동하는 적절하게 디자인된 트랜스퍼 라인 열교환기는 유출물을 증기상으로 유지하기 위해 실행되는 냉각의 양을 제한함으로써 최소 파울링으로 퀀칭하여 열을 제거할 수 있다.

스트림 이슬점 이하에서, 증기 크래킹된 타르는 유출물 스트림으로부터 응축하여, 파울링 경향이, 특히 이슬점에 도달한 위치 및 그 바로 하류에서 비교적 높아질 수 있다. 일부 적용에 있어서, 추가적인 물질이 그 후에 응축하므로, 고분자량 타르 분자를 녹이거나 운반하기에 충분한 저점도 액체가 존재할 수도 있다. 이러한 구간에서, 스트림내에서의 가장 무거운 성분은 응축하지만, 반응성을 유지하여, 보다 높은 분자량 타르 분자를 바람직하지 않게 형성하는 탈수소 반응 및 중합 반응을 지속하기에 충분한 고온 상태를 유지한다. 타르 응축물은 TLE내에서와 같이 프로세스 장비의 내측면에 부착하는 경향이 있다. 또한, 이러한 물질은 표면에 부착하여, 계속해서 중합, 탈수소, 열적 열화 및 경화되어서, 제거하기 어려워진다.

타르가 완전히 응축되는 온도 이하에서, 액체상으로 유동하도록 타르를 유지하기 위해 용매로서 작용하는 충분한 응축물이 존재하고, 열적 활성도가 억제되므로, 파울링 경향이 비교적 낮다. 이러한 구간에서, 응축된 물질은 여전히 프로세스의 조건들에서 쉽게 유동하기에 충분히 고온이고 및 유동성을 갖지만, 파울링이 일반적으로 심각한 문제가 아니다. 올레핀 제품을 포함하는 보다 유용한 기화된 유출물로부터 타르 및 액체를 분리하는 상 분리 및 분류(fractionation)가 이러한 단계에서의 주요 목적이 된다.

응축과 관련된 파울링 및 장비 축적(build-up)의 관점에서, 일부 크래킹된 나프타 유출물 스트림을 포함하는 크래킹된 중질 탄화수소 유출물 스트림 및 크래킹된 경유는 응축성 타르 성분의 존재로 인해 소망의 온도 범위, 예를 들어 230℃ 내지 약 300℃(450℉ 내지 570℉)까지 직접적으로 쉽게 냉각될 수 없다. 타르 퇴적을 경감하고 파울링을 방지하기 위해, 냉각용 직접 퀀칭 유체의 직접적인 도입을 위한 퀀칭 유체 분사를 고온 유출물 스트림내에 및/또는 유출물 통과 보어상에 직접적으로 제공하는 것이 공지되어 있다. 직접적인 퀀칭은, 통상 유출물 통과 보어내로, 전형적으로 유출물 통과 보어 벽상에 및 유출물 스트림내에 직접 퀀칭 유체를 도입함으로써 수행되며, 도입 동안에 중력, 유체 전단(fluid shear) 및/또는 기계적 분산을 통해 분산된다. 또한, 직접적인 퀀칭은 통상적으로 직접 퀀칭 유체를 보어 벽상에 직접적으로 분산함으로써 실행된다. 직접 퀀칭 냉각 프로세스는, 주로 유출물과의 직접 퀀칭 유체의 직접적인 혼합 및 접촉에 의해 냉각하여, 직접 퀀칭 유체가 고온 유출물로부터 열을 흡수하며, 보어 벽으로부터 및 스트림 유동 경로내로부터의 퀀칭 유체 기화를 추가적으로 포함할 수 있다. 유출물을 냉각함에 따라, 그 내의 일부 성분은 응축하여 기화된 퀀칭 유체의 일부를 대체할 수 있다. 이러한 직접 퀀칭 프로세스는 주로 퀀칭 유체로의 열 전달 및 퀀칭 유체의 적어도 부분적인 기화에 의해 온도를 낮추는 작용을 한다. 충분한 양의 퀀칭 유체가 도입된다면, 일부의 유체는 물론 직접 퀀칭 유체의 최종 비등점에 따라서 액체 상태로 유지될 수 있고, 직접 퀀칭 유체는 응축된 성분을 위한 캐리어(carrier)로서 작용하고, 동시에 퀀칭 액체로 퀀칭 열교환기의 내측면을 코팅하거나 적셔서, 장비 표면상의 석출물, 파울링 타르 및 코크스의 축적을 방지할 수 있다.

이러한 직접 퀀칭 시스템의 커다란 결점은 직접 퀀칭 유체의 분사 용량이 큰 것이 요구되고, 그에 대응하여 분리 및 처리의 용량 및 비용이 높아진다는 것이다. 이러한 시스템이 처리 유출물의 질량 단위당 3 내지 4 질량 단위의 퀀칭 유체를 초과하여 도입하는 것이 통상적이다. 따라서, 상용 크기의 크래커(cracker)에서는, 순환 펌프가 바람직하기 않게 커지고, 파이프 작업, 비용 및 에너지 소비가 바람직하지 않게 많아질 수 있다. 또한, 크래킹된 유출물 스트림 및 장비 프로세스 표면내에서의 분사된 퀀칭 유체의 물리적 분산을 제어하는 것이 어렵기 때문에, 다량의 퀀칭 유체가 사용될 뿐만 아니라, 도입 시스템은 관성 분산, 분무, 또는 일부 다른 타입의 강력한 대용량의 도입 방법을 이용하여 크래킹된 유출물 스트림을 직접 퀀칭하기에 적절한 분산 및 혼합을 시도할 수도 있다. 분산 부속물(fitting)로 인한 추가적이고 심각한 작동 문제는 노즐의 소형 개구부가 폴리머 및 코크스 입자로 막히는 경향이 있다는 것이다.

직접 유체 퀀칭과 별개로, 고온 유출물을 퀀칭하는 다른 수단은 전형적으로 벽-적심 퀀칭 유체막의 특별한 생성 없이, 직접 퀀칭 분사를 수반하거나 또는 수반하지 않고서 TLE와 같은 간접 열교환기를 구비한다. 본 기술분야에서는, 습식-벽 간접 열교환기 퀀칭 방법을 제공하는 것이 요망되지만, 상업적으로 유효하고 효율적인 방법 또는 장치를 달성하는 것은 실제로 어렵다. 전술한 직접 퀀칭 장치에 있어서, 습식-벽막이 유출물 스트림을 퀀칭하는데 적어도 부분적으로 기여하는 반면에, 간접 열교환 장치에서의 습식-벽 퀀칭막의 역할은, 유출물 도관과는 관계없는 냉각 재킷(cooling jacket)내의 간접 냉각 매체로 유출물 스트림으로부터의 열을 전달하는 매체로서 작용하면서 주로 파울링을 경감하는 것이다. 간접 열교환 방법에 있어서, 최고 냉각 영역은 보어 벽에 근접하여 있고, 그러한 곳에서 부착물(foulant)이 냉각 벽상에 축적하는 경향이 있다. 습식 표면막은 주로 부착물 퇴적의 방해물로서 작용하고, 또한 유출물 스트림내에서의 응축으로 인해 응출물 또는 타르 전구체를 형성할 수도 있는 시스템, 또는 비교적 냉각되어진 유출물 보어 벽에의 유출물 인접부로부터 응축물 및 타르 전구체를 제거하기 위한 캐리어로서 작용하는 것이 요망된다. 그러나, 전단된 고온 가스상 유출물 유동의 존재하에서 열교환기의 전체 원주 및 길이에 걸쳐서 포괄적인 열교환기 벽막의 커버리지(coverage)를 실행하기 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 어려울 뿐만 아니라, 효율적으로 그것을 실행하는 것은 훨씬더 어렵다. 습식-벽 프로세스를 이용하도록 시도한 공지의 간접 열교환 퀀칭 시스템은 비효율적이고 의도된 목적에 상업적으로 불충분하여서, 바람직하지 않은 과잉량의 퀀칭 유체를 도입할 필요가 있다.

1994년 4월 아틀란타에서 개최된 AIChE 스프링 내셔널 미팅(Spring National Meeting)에서의 발표를 위해 준비된 논문 #23c["에틸렌 플랜트를 위한 트랜스퍼 라인 열교환기 디자인의 최근 개발(Latest Developments in Transfer Line Exchanger Design for Ethylene Plants)" H. Herrmann & W. Burghardt, Schmidt'sche Heissdampf-Gesellschaft]에는 에틸렌 노 퀀칭 시스템에서의 이슬점 파울링 기구, 뿐만 아니라 고압 증기를 발생하는 열교환기, 예를 들어 퀀칭 유체 분사 부속물에 의해 이어진 퀀칭 열교환기의 사용이 개시되어 있다. 그러나, 방법 및 장비의 개량에 대한 요구가 남아 있다.

미국 특허 제 4,107,226 호, 제 3,593,968 호, 제 3,907,661 호, 제 3,647,907 호, 제 4,444,697 호, 제 3,959,420 호, 제 4,121,908 호 및 6,626,424 호, 및 영국 특허 출원 제 1,233,795 호에는, 다양한 건식-벽(dry wall), 순차적인 건식-벽, 및 직접 퀀칭, 및 환형 도입 부속물을 포함하는 퀀칭 유체 직접 분사 부속물 및 그 적용예가 개시되어 있다. 또한, 이들 문헌에는 환형 퀀칭 부속물에서 세정 액체를 분포시키는 다양한 방법이 개시되어 있다. 미국 특허 제 3,593,968 호에는, 다른 매체로의 열 회수 없이 직접 오일 퀀칭 포인트를 위한 방법 및 장치가 개시되어 있다. 또한, 실제 작동 조건 및 제조 편차하에서, 다양한 구성요소의 심한 온도차, 열 응력, 및 반복적인 가열 및 냉각 사이클은 균일한 막 커버리지 및 두께를 생성 및 유지하는데 어려움을 초래한다. 이러한 부족의 결과, 작동 유효성을 유지하기 위해 과잉량의 퀀칭 유체를 사용하게 한다. 본 기술분야에서 다른 개량의 시도가 이어졌다. 미국 특허 제 3,959,420 호에는, 동일 발명자가 퀀칭 유체의 유동을 제어하도록 스필오버(spill-over) 또는 댐(weir) 장치와 유사한 방법 및 장치를 제공하는 상기 미국 특허 제 3,593,968 호와 비교하여 퀀칭 유체 배출 성분의 일부의 위치를 반대로 한 개량된 환형 퀀칭 부속물을 제공하였다. 이러한 디자인의 작동 유효성은 장비 얼라인먼트(alignment) 및 제조 편차에 종속되는 경향이 있고, 또한 이러한 부족을 극복하기 위해 과잉의 퀀칭 유체 유량이 필요하게 된다. 또한, 상기 미국 특허 제 3,959,420 호의 디자인은 배플(baffle)과 같은 추가 구성요소 및 복잡한 부품과, 퍼지 가스(purge gas) 챔버내에의 불활성 가스의 도입을 필요로 한다. 분사기의 인접 섹션(abutting section) 사이의 차등 이동 및 변형은 퀀칭 오일 분사 패턴에 악영향을 미칠 수 있고, 약 2.0 미만의 퀀칭 대 공급물 질량비에 대해 효과가 없다. 본 기술분야에서는 추가적인 개량이 계속해서 시도되었다.

미국 특허 제 4,121,908 호는 퀀칭 보어의 전 표면상에 원주방향으로 직접 퀀칭 유체를 분산하도록 관성 에너지를 이용하려는 시도로서 액체 퀀칭 유체의 접선방향 도입의 사용을 개시하고 있다. 그러나, 이러한 방법은, 또한 액체 퀀칭 유체가 가스상 유출물을 이송하는 보어내로 직접 퀀칭 유체와 함께 동일 보어내로 도입되므로, 비효율적으로 많은 양의 혼합된 퀀칭 유체의 사용을 필요로 한다. 도한, 상기 미국 특허 제 4,121,908 호의 장치는 액체 퀀칭 유체의 도입 위치에 대향하는 튜브 영역을 포함하는, 파울링 타르 축적을 받는 퀀칭 튜브 보어를 따른 영역을 갖는다. 또한, 상기 미국 특허 제 4,121,908 호의 장치는 소망의 낮은 퀀칭 유체 속도 및 비율로 균일한 액체 퀀칭막을 생성할 수 없다.

미국 특허 제 4,444,697 호는 직접 퀀칭 부속물을 개시하고, 또한 충분한 퀀칭 유체막 커버리지와 동시에 직접 퀀칭을 위한 소산(dissipation)을 제공하려는 시도로서 복수의 개구부를 사용하여, 직접 퀀칭 유체의 유출물 통과 보어내로의 직접적인 접선방향 도입의 사용을 개시하고 있다. 그러나, 접선방향 퀀칭 오일 분배 및 도입은 환형 캐비티(cavity)에서 수행되며, 이러한 환형 캐비티는 이 캐비티내에서의 분배 및 통과 보어내로의 직접적인 도입을 수행한다. 이러한 구성에 따르면, 캐비티내로의 퀀칭 유체의 각 도입 지점에 가장 근접한 슬롯으로부터 유출물 통과 보어내로 즉시 퀀칭 유체의 상당 부분이 지향된다. 도입된 퀀칭 유체의 유체압 제어가 불충분하다. 퀀칭 유체를 다른 슬롯으로 분배하기 위해서는, 비효율적인 양의 퀀칭 유체의 도입, 및 보어 원주부상에의 퀀칭 유체의 분균형적인 분배가 필요해진다. 복수의 환형 도입 슬롯 구성은, 환형 캐비티의 길이를 통한 소산 비율로 퀀칭 유체 소스의 가장 근접부에서 과잉 도입을 허용함으로써, 환형 캐비티의 전체 길이 주위에 퀀칭 유체의 분배를 적절하게 제어할 수는 없다. 또한, 복수의 이전 디자인과 같이, 접선방향 퀀칭 유체 도입 포트는 또한 비효율적으로 구성되어서, 부착물 형성의 영역이 되는 보어내로의 불연속적인 유체 도입을 초래한다. 또한, 유체 입구 포트는 몇 개의 입구 슬롯에 직접적으로 퀀칭 유체를 지향시키도록 위치설정되어, 또한 비효율적인 성능의 원인이 된다. 여전히 추가적인 개량이 요구되고 있다.

미국 특허 제 6,626,424 호는, 퀀칭 유체가 도관의 내측면 주위에서 원주방향으로 유동하도록 하기에 충분한 관성 및 모멘텀(momentum)으로 퀸칭 유체를 고온 가스 스트림내로 직접적으로 접선방향으로 분사함으로써 고온 유출물 스트림을 퀀칭하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 단일 지점 또는 복수의 개별 지점으로부터 유출물 도관내로 직접적으로 퀀칭 유체를 도입하는 상기 미국 특허 제 6,626,424 호 및 전술한 다른 문헌에 개시된 바와 같은 퀀칭 유체 도입 시스템은 비효율적인 양의 퀀칭 유체를 필요로 한다. 또한, 컴퓨터 모델링을 통해서, 퀀칭 유체의 양이 소망의 효율적인 레벨로 감소됨에 따라 분리된 상의 유동 패턴 또는 형태가 유동 경로를 따라 설정되는 경향이 있어, TLE의 전체 길이에 걸쳐서 적절한 표면 커버리지를 얻기 위해 비효율적인 양의 유체의 사용을 필요로 한다는 것이 입증되었다. 또한, 퀀칭 도입 부속물은 목표 유동 범위 정도에서 작동하도록 크기 설정되는 경향이 있으며, 유출물 유동이 이러한 유동 범위밖으로 발산하면, 상기 부속물은 비효율적으로 크게 설정되거나 또는 작게 설정된다. 이러한 문제를 회피하기 위해서, 이러한 시스템은 불균일성 및 분산의 비효율성을 극복하도록 과잉량의 퀀칭 유체의 도입을 필요로 하는 경향이 있다. 또한, 퀀칭 유체의 상당 부분은 고속의 크래킹된 유출물 스트림과 직접적으로 또한 횡단방향으로 만나는 방식으로 도입되어, 유동 스트림내에서 격하게 분산하고 튜브 프로세스 표면과의 상호작용이 줄어들게 된다. 이에 의해, 비효율적으로 도입된 퀀칭 유체의 상단 부분이 내측 프로세스 벽과 만나지 못하여 그것을 보호하지 못하게 되는 경향이 있다. 격한 분산 영향을 경감하기 위해서, 과잉량의 퀀칭 유체가 표면 커버리지 효율을 개선하도록 도입된다. 또한, 이러한 것은 프로세스 장비의 용량 증대를 필요로 한다.

종래기술은, 공지의 퀀칭 부속물 및 프로세스를 통해 벽-적심 퀀칭 유체를 도입하는 방법 및 장치가 효율면에서 단점을 갖고 종종 최적의 퀀칭 산물보다 적게 생산한다는 것을 보여주고 있다. 종래기술은, 퀀칭 튜브의 프로세스 표면상에의 타르 축적을 경감하면서 타르-함유(tar-bearing) 크래킹 유출물을 퀀칭하는 퀀칭 시스템에서 소망의 작동 효율성 및 유효성을 달성하기 위한 추가적인 방법 및 장비 개량에 대한 여지를 남겨놓고 있다.

유출물 통과 보어를 따라 효율적인 양의 퀀칭 유체를 보다 효율적이고, 균일하고 또한 에너지 절약적으로 분배하는 개량된 퀀칭 유체 도입 방법 및 장치를 제공하는 것에 대한 요구가 있다. 직접 퀀칭 시스템 및/또는 간접 열교환 시스템과 함께 사용가능하고, 또한 타르 축적을 방지하는데 종래기술 시스템보다 실질적으로 적은 퀀칭 유체를 효과적으로 사용하는 습식-벽 퀀칭 시스템을 제공하는 것이 요망된다. 또한, 퀀칭 장치의 유출물 통과 보어 표면을 효과적으로 코팅하는데 요구되는 퀀칭 유체의 양을 저감하는 것이 바람직하다. 종래기술 방법에 의해 요구되는 것보다 적은 퀀칭 유체를 사용하는 효과적이고 포괄적인 습식-벽 퀀칭 유체막을 제공하는 것이 요구된다.

본 발명은 간접 퀀칭 부속물 및/또는 간접 열교환기 라인과 같은 유출물-접촉 표면상에 퇴적할 수 있는 응축성 성분을 함유하는 가스상 열분해 유출물을 냉각하는 방법 및 연관 장치에 관한 것이다. 본 발명의 방법 및 장치는 습식-벽 직접 퀀칭 시스템 및 트랜스퍼 라인 열교환기(TLE)와 같은 습식-벽 간접 열교환 시스템에 대한 적용을 포함한다. 본 발명은 1차, 2차 및/또는 3차 퀀칭 시스템에 유용할 수 있다. 본 발명은 특히 경유, 나프타 등의 액체 탄화수소 공급물 또는 방향족 함량이 큰 공급물을 크래킹하여 생길 수 있는 것과 같은 응축성 타르 전구체를 함유하는 고온의 크래킹된 가스상 유출물을 퀀칭하는데 사용되는 장비 및 방법에 대한 적용을 포함한다. 액체 퀀칭 유체를 환형 퀀칭 유체 캐비티내로 도입하고 캐비티내에서 유체를 분배하는 동작을, 퀀칭 유체를 캐비티로부터 유출물 통과 보어 벽상으로 이동 또는 도입하는 동작과 분리하는 방법 및 장치를 제공함으로써 적어도 부분적으로 실현되는 시스템 효율성 및 성능의 상당한 개선이 제공된다.

본 발명의 장치 및 방법은 퀀칭 유체 도입 프로세스를 수력학적 별개 단계로 나누는데, 퀀칭 유체를 가스상 유출물 벽상으로 도입하는 단계와는 수력학적으로(hydraulically) 별개인 습식-벽 형성 액체 퀀칭 유체를 환형 캐비티내로 도입하는 단계를 포함한다. 본 발명은 종래기술과 비교하여, 바람직하지 않은 과잉의 액체 퀀칭 유체를 필요로 하지 않고 균일한 액체 퀀칭막을 효율적이고 효과적으로 제공하는 방법 및 수단을 제공한다. 본 발명의 방법 및 장치는 액체 퀀칭 유체, 바람직하게는 액체 퀀칭 오일을 TLE 등의 간접 열교환기내로 또는 직접 퀀칭 부속물내로 직접적으로 도입하는 효율적이고 효과적인 방법 및 수단을 제공한다. 이러한 방법은 유출물 통과 보어와 수력학적으로 제어 연통하는(예를 들면, 유출물 통과 보어로부터 격리 또는 제한되는) 환형 캐비티의 존재 때문에 적어도 부분적으로 가능해진다. 또한, 본 발명의 방법은 환형 캐비티내로의 퀀칭 유체의 도입 방법에 의해 적어도 부분적으로 가능해진다. 더욱이, 본 발명의 방법은, 환형 캐비티와 유출물 관통 보어 사이의 제어된 수력학적 저항을 생성하여, 연속적인 공정에 있어서 유출물 통과 보어상으로의 퀀칭막의 균일한 이동전에 환형 캐비티내에서의 유체 압력 및 퀀칭 유체의 순간적인 정체 및 분배를 용이하게 하도록 작용하는 주변 채널의 존재 때문에 적어도 부분적으로 가능해진다.

하나의 태양에 있어서, 본 발명은, 탄화수소 열분해로로부터의 가스상 유출물을 냉각하는 방법을 포함하며, 상기 방법은, (a) 가스상 유출물을 냉각 도관내로 도입하는 단계로서, 상기 냉각 도관은, (ⅰ) 유출물과 접촉하며, 냉각 도관의 길이를 연장하는 보어를 규정하고, 보어를 따라 주변 개구부를 포함하는 내측벽과, (ⅱ) 내측벽의 외부에 위치하고 내측벽과 실질적으로 동축인 외측벽과, (ⅲ) 내측벽의 외부에 위치하고 외측벽의 적어도 일 부분을 포함하며, 주변 개구부에 유체적으로 및 격리적으로(remotely) 연결되고, 내측벽의 주변부를 외부적으로 둘러싸며, 외측벽의 적어도 일 부분을 포함하는 실질적인 환형 캐비티와, (ⅳ) 내측벽의 주변부 주위에서 연장하고, 내측벽의 주변부를 따라 주변 개구부와 환형 캐비티를 유체적으로 연결하는 주변 채널(본 명세서에서 "채널"로서 지칭됨)을 포함하는, 상기 가스상 유출물 도입 단계와, (b) 액체 퀀칭 유체 도입 포트를 통해 실질적으로 외측벽의 제 1 부분을 따라 환형 캐비티내로 접선방향으로 액체 퀀칭 유체를 도입하는 단계로서, 도입된 액체 퀀칭 유체가 환형 캐비티를 충전하는, 상기 액체 퀀칭 유체 도입 단계와, (c) 도입된 액체 퀀칭 유체를 환형 캐비티로부터 채널을 통해 주변 개구부로 채널 유동 경로를 따라 통과시키는 단계와, (d) 내측벽의 길이의 적어도 일부를 따라 액체 퀀칭 유체를 퀀칭 유체막으로서 분배하기 위해 액체 퀀칭 유체를 주변 개구부로부터 내측벽상으로 통과시키는 동시에, 퀀칭된 가스상 유출물 스트림을 생성하도록 가스상 유출물을 냉각 도관의 보어를 따라 통과시키는 단계를 포함한다.

다른 실시예에 있어서, 본 발명은 가스상 유출물이 보어를 따라 통과되는 동안 가스상 유출물을 최초 이슬점 이하로 냉각하고, 냉각된 가스상 유출물 제품을 회수하는 단계를 더 포함한다. 하나의 실시예에 있어서, 채널은 도관 통과 보어의 주변부의 일부 또는 부분들 주위에서, 예를 들어 연속적으로 또는 불연속적으로 원주방향으로 연장할 수 있다. 기계적인 디자인에 따라서, 채널은 채널 개구부의 다른 바람직한 연속성을 방해하지 않는 기계적인 지지 부재와 같은 것에 의해 불연속적으로 될 수 있다. 채널은 냉각 도관의 벽에 있어서의 연속적인 채널로서, 도관 통과 보어의 전체 원주부 주위에서 차단되지 않고 원주방향으로 연장하는 것이 가장 바람직하다. 또한, 보어 및 환형 캐비티는 각각 유동 방향을 따른 단면에서 보아 실질적으로 원형인 것이 바람직하다.
또다른 실시예에 있어서, 본 발명은 액체 퀀칭 유체 도입 포트와 별개인 직접 퀀칭 부속물을 통해 유출물 스트림을 직접 퀀칭하도록 직접 퀀칭 유체를 도입하는 단계를 더 포함한다. 또한, 상기 액체 퀀칭 유체 도입 단계는 가스상 유출물을 직접 퀀칭에 의해 냉각하도록 액체 퀀칭 유체를 직접 퀀칭 유체로서 도입하는 단계를 포함한다. 이러한 경우에, 직접 퀀칭 유체는 약 0.5 내지 약 4.0의 직접 퀀칭 유체대 노 공급물 중량비로 가스상 유출물 스트림내로 도입될 수 있다. 다른 예에서, 액체 퀀칭 유체는 약 0.1 내지 약 1.0의 액체 퀀칭 유체대 노 공급물 중량비로 내측벽상으로 통과시킬 수도 있다.

다른 실시예에 있어서, 본 발명은 내측벽의 외부에서 액체 퀀칭 유체용 통과 보어에 대한 주변 개구부의 하류에 형성된 열교환 유체 환형부내의 간접 열교환 유체를 사용하여 가스상 유출물 스트림을 퀀칭하는 단계를 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 냉각 도관은 내측벽의 외측면과 접촉 상태로 간접 열교환 유체를 유지하는 열교환 유체 재킷을 더 포함하며, 상기 재킷은 재킷 환형부를 통한 유체 순환을 위한 열교환 유체 입구 및 열교환 유체 출구를 포함한다.

본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 퀀칭된 가스상 유출물 혼합물은 유출물 스트림의 이슬점 이하인 온도로 냉각 도관 유출물 출구로부터 회수된다. 냉각 또는 퀀칭은 습식-벽을 제공하도록 작용하는 직접 퀀칭 프로세스, 및/또는 본 발명의 습식-벽 프로세스로 보충되는 간접 열교환 냉각 프로세스와 함께, 본 발명의 습식-벽 프로세스로 보충되는 직접 퀀칭 부속물 퀀칭 방법에 의해 실행될 수 있다. 다른 태양에 있어서, 본 발명은 습식-벽 액체막을 사용하여, 탄화수소 열분해로로부터의 가스상 유출물을 냉각하는 방법을 포함하며, 상기 방법은, (a) 가스상 유출물을 퀀칭 열교환기내로 도입하는 단계로서, 상기 퀀칭 열교환기는, (ⅰ) 유출물과 접촉하며, 냉각 도관의 길이를 연장하는 보어를 규정하고, 보어를 따라 주변 개구부를 포함하는 내측벽과, (ⅱ) 내측벽과 실질적으로 동축인 외측벽과, (ⅲ) 내측벽의 외부에 위치하며, 주변 개구부에 유체적으로 및 격리적으로 연결되고, 내측벽의 주변부를 외부적으로 둘러싸며, 외측벽의 적어도 제 1 부분을 포함하는 실질적인 환형 캐비티와, (ⅳ) 내측벽의 주변부 주위에서 연장하고, 내측벽의 주변부를 따라 주변 개구부와 환형 캐비티를 유체적으로 연결하고, 외측벽의 다른 부분을 포함하는 주변 채널을 포함하는, 상기 가스상 유출물 도입 단계와, (b) 액체 퀀칭 유체 도입 포트를 통해 실질적으로 외측벽의 제 1 부분을 따라 환형 캐비티내로 접선방향으로 액체 퀀칭 유체를 도입하는 단계로서, 도입된 액체 퀀칭 유체가 환형 캐비티를 충전하는, 상기 액체 퀀칭 유체 도입 단계와, (c) 보어를 통한 유출물 유동 방향에 실질적으로 평행한 제 1 지향 요소 및 외측벽으로부터 내측벽을 향해서 반경방향 내측인 다른 지향 요소를 갖는 채널 유동 경로를 따라 환형 캐비티로부터 채널을 통해 도입된 액체 퀀칭 유체를 통과시키는 단계와, (d) 내측벽의 길이의 적어도 일부를 따라 액체 퀀칭 유체를 퀀칭 유체막으로서 분배하기 위해 액체 퀀칭 유체를 주변 개구부로부터 내측벽상으로 통과시키는 동시에, 가스상 유출물을 냉각 도관의 보어를 따라 통과시키는 단계와, (e) 열교환 유체 입구를 통해 퀀칭 열교환기 튜브와 이 퀀칭 열교환기 튜브의 외부에 위치된 열교환 유체 재킷 사이의 퀀칭 환형부내로 열교환 유체를 도입하는 단계로서, 열교환 유체 재킷은 퀀칭 열교환기 튜브의 외측면와 접촉 상태로 열교환 유체를 유지하는, 상기 열교환 유체 도입 단계를 포함한다. 열교환 재킷은 쉘 및 튜브 타입 열교환기에서와 같은 2개 이상의 유출물 도관을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 액체 퀀칭 유체를 이동하는 단계는 액체 퀀칭 유체를 환형 캐비티로부터 보어 유동 경로를 향해 퀀칭 열교환 튜브의 내부 프로세스 표면상으로 반경방향 내측으로 이동하는 단계를 추가로 포함한다.

또다른 태양에 있어서, 본 발명은 탄화수소 열분해로로부터의 가스상 유출물을 냉각하는데 유용한 장치를 사용하여 본 발명의 방법을 실행하는 냉각 도관 장치를 포함하며, 상기 냉각 도관 장치는, 습식-벽 퀀칭 장치를 형성하는 것으로, (ⅰ) 가스상 유출물과 접촉하며, 냉각 도관의 길이를 연장하는 보어를 규정하고, 보어를 따라 주변 개구부를 포함하는 내측벽과, (ⅱ) 내측벽의 외부에 위치하고 내측벽과 실질적으로 동축인 외측벽과, (ⅲ) 내측벽의 외부에 위치하고 외측벽의 적어도 일 부분을 포함하며, 주변 개구부에 유체적으로 및 격리적으로 연결되고, 내측벽의 주변부를 외부적으로 둘러싸며, 외측벽의 적어도 제 1 부분을 포함하는 실질적인 환형 캐비티와, (ⅳ) 내측벽의 주변부 주위에서 연장하고, 내측벽의 주변부를 따라 격리적으로 연결된 주변 개구부와 환형 캐비티를 유체적으로 연결하는 채널 유동 경로를 제공하는 주변 채널과, (ⅴ) 액체 퀀칭 유체를 환형 캐비티내로 도입하기 위한 액체 퀀칭 유체 도입 포트를 포함한다.

또한, 냉각 도관은 간접 열교환 유체를 내측벽의 외측면과 접촉 상태로 유지하기 위한 간접 열교환 유체 재킷을 포함할 수 있으며, 상기 재킷은 간접 열교환 유체 입구 및 간접 열교환 유체 출구를 포함한다. 상기 냉각 도관 장치는 1차, 2차 또는 3차 퀀칭 열교환기로서 사용될 수도 있다.
또, 냉각 도관 장치는 가스상 유출물을 퀀칭하도록 직접 퀀칭 유체를 가스상 유출물내로 도입하기 위한 직접 퀀칭 유체 도입 포트를 포함할 수도 있으며, 이러한 직접 퀀칭 유체 도입 포트는 액체 퀀칭 유체를 갖는 액체 퀀칭 유체 도입 포트를 포함한다. 상기 채널은 보어의 중심을 따른 중심선 축에 대해 최대 직경을 갖는 환형 캐비티의 부분에서 환형 캐비티와 연결되어, 채널의 적어도 일부가 환형 캐비티의 외경과 실질적으로 동일한 외경을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 환형 캐비티로부터 주변 개구부로의 채널의 수력학적 전도도는, 소정의 작동 조건, 퀀칭 유체 유동 특성 및 가스상 유출물 스트림 특성에 근거하여, 약 0.1 내지 약 4.0의 범위내의 액체 퀀칭 유체대 노 공급물 중량비를 제공하도록 설정되는 것이 바람직하다. 바람직하게, 채널 유동 경로의 적어도 일부는 액체 퀀칭 유체 도입 포트의 보어축을 포함하는 평면에 대해 오프셋되어 있다. 또, 채널 유동 경로는 적어도 약 45°의 유동 방향 각도 변화를 포함할 수 있다. 더욱이, 채널은 환형 캐비티와 주변 개구부 사이의 수력학적 저항을 포함할 수도 있으며, 채널은 약 0.5 내지 약 4.0의 직접 퀀칭 유체대 노 공급물 중량비로 직접 퀀칭 유체를 가스상 유출물내로 제공하여도 좋다.

도 1은 본 발명의 일례에 따른, 열분해 크래킹으로부터의 가스상 유출물을 처리하는 간접 열교환 방식의 퀀칭 열교환기의 매니폴드형 뱅크를 도시하는 사시도,
도 2는 도 1의 간접 퀀칭 열교환기 뱅크와 함께 사용될 수 있는 것과 같은, 본 발명의 일 실시예에 따른 습식-벽의 간접 열교환 냉각 도관의 단순화된 종단면도,
도 3은 화살표 3-3에서의 도 2의 냉각 도관의 단면도.

본 발명은 열교환기 파울링을 경감하고 열 회수 및 재사용을 허용하면서 탄화수소 열분해 반응기로부터의 가스상 유출물 스트림을 냉각하는 방법 및 장치를 제공한다. 냉각된 유출물은 올레핀 및/또는 방향족 제품 등의 소망의 열분해 제품의 분리 및 회수를 위해 추가로 처리될 수도 있다. 본 발명의 습식-벽 냉각(퀀칭) 방법은 유출물 스트림내로 과잉의 액체 퀀칭 유체를 바람직하지 않게 분산하지 않고, 냉각 도관 또는 퀀칭 열교환기의 내측벽에 퀀칭 유체를 도포하는 프로세스에 따라, 습식-벽을 형성하는 액체 퀀칭 유체를 유출물 통과 보어 벽 표면상에 도입하는 신규한 방법 및 장치를 제공한다. 가장 기본적인 형태에 있어서, 본 발명의 방법은 유출물 보어의 원주부 주위에의 액체 퀀칭 유체의 균일한 분배를 달성하는 방식으로 액체 퀀칭 유체를 환형 캐비티내로 도입하는 단계를 제공한다. 환형 캐비티는 유출물 통과 보어로부터 수력학적으로 제한, 즉 수력학적으로 분리되거나 격리되어 있지만, 여전히 유출물 통과 보어와 유체 연통되어 있다. 바람직하게, 액체 퀀칭 유체는 유출물 통과 보어의 주변부 주위에서 환형 캐비티내에서의 완전하고 균일한 원주방향 분배 및 가압을 용이하게 하는 관성 에너지에 의해 환형 캐비티내로 도입된다. 이어서, 본 발명의 장치 및 방법은 환형 캐비티로부터 유출물 통과 보어로 연결 채널(channel) 또는 슬롯을 거쳐서 액체 퀀칭 유체를 이송하며, 이 연결 채널 또는 슬롯은 환형 캐비티로부터 빠져나오는 유체에 수력학적 방해 또는 저항을 제공하도록 작용하여서, 환형 캐비티의 전체 용적을, 물론 유체 역학에 기인하는 압력 차이 및 구배를 고려하여, 퀀칭 유체로 가득 찬 상태 및 환형 캐비티의 전체 코스 주위에 실질적으로 동등한 가압 상태로 유지한다. 그에 의해, 유체 전단 또는 다른 분산으로 인해 퀀칭 유체를 고온의 빠른 유출물 스트림의 코너내로 분산하거나 손실하는 것을 회피하기에 충분히 낮은 에너지 레벨로, 퀀칭 유체의 균일하고 제어된 공급물이 주변 개구부에서 유출물 통과 보어로 도입된다. 다음에, 액체 퀀칭 유체는 유출물 통과 보어의 내측벽을 따라 주변 개구부로부터 효율적이고 균일하게 분배되어서, 효과적이고 효율적이며 균일한 퀀칭막을 제공할 수 있다. 본 발명의 방법 및 장치는, 습식-벽 1차 직접 퀀칭 부속물, 또는 습식-벽 2차 및/또는 3차 간접 열교환 퀀칭 열교환기와 같은, 유출물 통과 보어 벽상에 도입된 퀀칭 유체막을 이용하는 실질적인 모든 퀀칭 프로세스와 함께 적용가능할 수도 있다.

다른 기재가 없다면, 모든 백분율(percentage), 부분(part), 비율 등은 중량에 의한 것이다. 다른 기재가 없다면, 화합물 또는 성분에 대한 기호는 화합물 또는 성분 자체를 포함할 뿐만 아니라, 화합물의 혼합물과 같은 다른 화합물 또는 성분과 결합한 화합물 또는 성분을 포함한다. 또한, 양, 농도 또는 다른 값 또는 파라미터가 바람직한 상한값 및 하한값의 리스트로서 주어지는 경우, 바람직한 상한값과 바람직한 하한값의 임의의 쌍으로 이루어지는 모든 범위를, 그 범위가 별도로 기재되었는지 유무와 무관하게, 구체적으로 기재한 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 사용하기 위해 특히 적용가능할 수 있는 예시적인 탄화수소 열분해 공급원료는, 전형적으로 나프타, 경유, 등유(kerosene), 가열 오일, 디젤, 수소화 분해물(hydrocrackate), 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 액체, 증류액(distillate), 중질 경유, 증기 크래킹된 경유 및 그 잔사유, 원유, 원유 유분, 대기 파이프스틸 바텀(atmospheric pipestill bottom), 바텀을 포함하는 진공 파이프스틸 스트림, 정제장치로부터의 비순수(non-virgin) 중질 탄화수소 스트림, 진공 경유, 저유황 중질유(low sulfur waxy residue), 중질 왁스(heavy wax), 상압 잔사유(atmospheric residue), 및 중질 잔사유(heavy residue)와 같은 하나 이상의 액체 탄화수소 공급원료를 포함하며, 추가적으로 염(salt) 및/또는 입자상 물질을 포함한다.

본 발명의 방법이 실질적으로 모든 크래킹된 탄화수소 공급원료에 의해 생성되는 유출물 스트림을 퀀칭하는데 사용될 수 있지만, 특히 적합한 탄화수소 공급원료는 전형적으로 적어도 약 90℃ 이상 또는 훨씬 더 바람직하게는 약 180℃ 이상의 온도 범위에서 최종 비등점을 갖는 공급물을 포함한다. 특히 전형적인 공급물은 경질 나프타보다 중질인 액체 탄화수소, 또는 비교적 높은 방향족 함유량을 가져서 상당한 타르 전구체 산출을 야기하는 공급물을 포함할 수 있다. 예시적인 공급물은 약 90℃ 내지 약 650℃(약 200℉ 내지 약 1200℉), 이를테면 약 200℃ 내지 약 510℃(약 400℉ 내지 약 950℉)의 범위에서 비등하는 것을 포함할 수도 있다. 열분해 반응기로부터의 출구에서의 가스상 유출물의 온도는 전형적으로 약 760℃ 내지 약 930℃의 범위에 있고, 본 발명은 유출물 스트림내에서 응축물이 생성되는 온도까지 유출물을 궁극적으로 냉각하는 방법을 제공한다.

본 출원은 미국 특허 공개 공보 제 2007/0007169 A1 호의 전체 명세서를 참고로 명백하게 인용하고 한다.

본 발명은, 특히 습식-벽 퀀칭 장치를 사용하여 액체 탄화수소 열적 크래킹 유닛, 바람직하게 증기 크래킹 유닛으로부터의 가스상 유출물을 직접 및/또는 간접적으로 퀀칭하는 방법에 관한 것이다. 예시적인 냉각 방법은 전형적으로 간접 열교환(1차 TLE)을 이용하는 1차 열교환기 또는 1차 퀀칭 부속물과 같은 적어도 하나의 1차 냉각 유닛을 통해 유출물을 통과시켜, 유출물로부터 열을 회수하여서, 소망의 온도, 예를 들어 응축 및 파울링이 개시하는 온도 바로 아래의 온도까지 유출물을 냉각하는 단계를 포함한다. 대안적으로, 1차 퀀칭 프로세스는 본 발명의 습식-벽 프로세스 및 선택적으로 직접 오일 퀀칭 분사 부속물을 포함할 수 있으며, 대부분의 냉각이 직접 퀀칭 분사에 의해 제공되고 습식-벽은 응축 파울링을 방지한다.

또한, 본 발명의 방법에 대한 적용은 예를 들어 유출물의 이슬점 바로 위 또는 아래의 온도까지 1차 퀀칭 부속물 또는 TLE에서 가스상 유출물을 냉각할 수 있으며, 또한 2차 및/또는 3차 퀀칭을 이용하여 유출물의 이슬점 아래로 유출물을 추가로 냉각할 수도 있다. 종래의 간접 열교환기, 예를 들어 이중 튜브의 튜브내-튜브(tube-in-tube) 타입 TLE 열교환기, 쉘 및 튜브(shell and tube) 열교환기, 팬-냉각식 또는 다른 간접 열교환기가 간접 열교환 적용에 사용될 수 있다. 예를 들면, 1차 열교환기는, 간접 냉각 매체로서 표준 보일러 급수 및 증기를 사용하여, 약 4240kPag(600psig) 내지 약 13,800kPag(2000psig)의 압력에서 약 340℃ 내지 약 650℃(645℉ 내지 1200℉)의 온도, 예컨대 약 370℃(700℉)의 온도까지 프로세스 스트림을 냉각할 수 있다. 다른 적용에 있어서, 1차 퀀칭은 간접 열교환을 실질적으로 이용하지 않는 본 발명에 따라 형성된 습식-벽과 함께 직접 퀀칭 부속물에 의해 실행될 수도 있다. 추가적인 냉각은 간접 열교환을 이용하는 2차 및/또는 3차 열교환기에서 제공될 수 있으며, 또한 본 발명의 방법 및 장치에 따라 실행되는 습식-벽 프로세스를 사용할 수도 있다.

1차 열교환기를 빠져나갈 때, 1차 냉각된 가스상 유출물은 여전히 유출물의 탄화수소 이슬점(최초의 액체 방울이 응축하는 온도) 이하의 온도일 수 있다. 특정 크래킹 조건하에서의 전형적인 중질 공급물에 대해서, 유출물 증기의 탄화수소 이슬점은 약 340℃ 내지 약 650℃(650℉ 내지 1200℉), 이를테면 약 400℃ 내지 약 600℃(750℉ 내지 1100℉)의 범위일 수 있다. 탄화수소 이슬점 이상에서, 파울링 경향이 비교적 낮고, 즉 증기상 파울링이 일반적으로 심하지 않으며, 전형적으로 파울링을 초래할 수 있는 액체가 조금밖에 존재하지 않는다. 타르(타르 전구체를 포함함)는 통상적으로 약 200℃ 내지 약 350℃(400℉ 내지 650℉), 이를테면 약 230℃ 내지 약 315℃(450℉ 내지 600℉) 범위의 온도, 예를 들어 약 290℃(550℉)에서 중질 공급물로부터 실질적으로 완전히 응축된다. 1차 열교환기(통상 이중 튜브의 건식-벽 퀀칭 교환기)는 예를 들어 미국 특허 제 4,279,734 호에 개시된 타입의 고압 증기 과열기(superheater)로서 작용할 수도 있다. 대안적으로, 건식-벽 퀀칭 열교환기는 고압 증기 발생기일 수 있다.

본 발명의 방법의 일 태양에 따르면, 1차 열교환기를 빠져나온 후에, 가스상 유출물은 예를 들어 이슬점 이하의 온도까지 가스상 유출물을 냉각시키는 적어도 하나의 2차 열교환기를 통과하는 것이 바람직하다. 본 발명의 방법은 내측벽상에의 응축된 타르 화합물의 퇴적을 방지 또는 경감하는 습식 냉각 도관 벽을 포함한다. 통과 보어 벽은 본 발명에 따른 액체 퀀칭 유체의 직접적인 도입에 의해 도입되는 액체막으로 적셔진다. 일부 방법에 있어서, 원위치 액체 생성에 의해, 예를 들어 직접 퀀칭 유체의 직접 분사에 의해, 및/또는 직접 분사 퀀칭 및/또는 간접 퀀칭 유체 냉각중 하나 또는 모두에 의해 응축된 퀀칭된 유출물 스트림의 성분들의 응축에 의해 젖음성(wetting)이 보강 또는 보충될 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 습식-벽 열교환기는, 유출물 스트림을 추가적으로 냉각하기 위해, 보충 냉각 및 간접 열 회수를 위한 간접 열교환 수단, 예를 들어 환형 냉각 재킷, 예컨대 이중 튜브 타입 열교환기, 쉘 및 튜브 열교환기, 트랜스퍼 라인 열교환기(TLE) 또는 다른 간접 열교환기 장치를 포함할 수도 있다. 간접 열교환에 의한 습식-벽 TLE에 대해서, 퀀칭 유체막은 파울링을 방지하는 세정 용매로서 작용하고, 추가적으로 유출물 스트림으로부터 퀀칭 유체를 통해, 열교환기 튜브를 가로질러, 증기 또는 물과 같은 간접 퀀칭 매체내로 열 전달을 용이하게 하는 열 전달 매체로서 작용할 수 있다.

유출물 스트림내로의 도입시 퀀칭 유체의 온도는 수반되는 타르 성분이 완전히 응축되는 온도 이하, 전형적으로 약 200℃ 내지 약 290℃(400℉ 내지 550℉), 예를 들어 약 260℃인 것이 바람직하다. 이에 의해, 타르 전구체 응축은 유출물이 열교환기를 빠져나가기 전에 열교환기 통과 보어내에서 실질적으로 완료된다. 타르 전구체 응축은 열교환기를 빠져나가기 전에 완전히 완료되어야 하거나, 또는 장치는 파울링될 수 있다. 바람직하게, 퀀칭 유체막은 유출물 스트림이 통과 보어를 따라 냉각될 때 열교환기 표면을 퀀칭 유체로 젖은 상태로 효과적으로 유지하며, 그에 따라 열교환 프로세스 표면상에의 타르 퇴적 및 파울링을 방지한다. 습식 열교환기는 타르가 생성되는 온도 이하까지 유출물 스트림을 냉각하여야 한다. 이러한 시점전에 냉각이 중단되면, 프로세스 스트림이 여전히 파울링 상태에 있으므로 파울링이 더 하류에서 발생할 수도 있다.

직접 퀀칭 시스템과 함께 사용하는 것에 부가하여, 워터 재킷과 같은 간접 열교환이 본 발명의 습식-벽 퀀칭 열교환기 및 방법과 함께 사용될 수 있다. 간접 열교환은 고압 증기 발생기 또는 고압 보일러 급수 예열기에 공급하는 열 회수 매체로서 물 또는 증기를 사용하여 유출물 열을 회수하여 재사용하는데 이용될 수 있다. 퀀칭 시스템에 고압 보일러 급수 예열기를 사용함으로써, 에너지를 287℃(550℉) 이하의 온도로 회수할 수 있고, 그에 따라 유용한 고압 증기의 발생에 간접적으로 기여한다.

전형적으로, 종래기술의 직접 퀀칭 부속물 또는 방법은, 소망의 냉각 효과를 얻는데 요구되는 열 효율(heat duty)에 따라서, 적어도 1.0, 일반적으로는 2.0 초과, 훨씬더 일반적으로는 4.0 초과의 직접 퀀칭 유체대 노 공급물의 중량비로 작동한다. (용어 "노 공급물"은 어떠한 증기도 첨가되지 않은, 노의 복사 섹션(radiant section)에 공급되는 탄화수소 공급 성분을 지칭한다.) 전형적으로, 약 2.0 미만의 퀀칭 유체대 노 공급물 비율은 종래기술의 상용 적용에 사용되지는 않으며, 이것은 그러한 비율이 효과적인 습식-벽을 효율적으로 생성할 수 없다고 알려져 있기 때문이다. 그러나, 심지어 비교적 높은 퀀칭 유체량에서도, 불충분한 부착물 보호 및 제거로 인해 때때로 파울링이 직접 퀀칭 장치에 여전히 발생할 수 있다. 가장 효율적인 공지의 종래기술 습식-벽 직접 퀀칭 시스템은 전형적으로 막 커버리지를 신뢰성 있게 실행하기 위해서 약 2.0 내지 약 4.0의 벽-적심 액체 퀀칭 유체대 노 공급물 비율을 필요로 했다. 직접 퀀칭 프로세스에서의 습식-벽막의 기능은 (ⅰ) 부착물 축적의 방지 및 제거, 및 (ⅱ) 직접 접촉에 의한 가스상 유출물 스트림의 냉각이다. 결합된 직접 및 벽-적심 퀀칭 유체량이 많으면, 유출물 스트림내에 과잉량의 전체 퀀칭 유체가 발생되었다. 따라서, 종래기술의 직접 퀀칭 시스템은 효율성의 개선이 요구된다.

유사하게, 종래기술의 간접 열교환 퀀칭 시스템도 또한 비교적 냉각되어진 유출물 통과 보어 벽상에의 부착물 축적을 경감하고 제거하기 위해 습식-벽을 효율적으로 제공하는 방법에 대한 요구가 있었다. 그러나, 실제로는, 습식-벽 간접 열교환 시스템에 대한 상업적인 성공, 심지어 비효율적인 양을 갖는 것도 알려져 있지 않다. 전형적으로, 간접 열교환 시스템에 있어서의 유출물 통과 보어의 직경은 직접 퀀칭 시스템의 유출물 통과 보어보다 훨씬 작아서, 직접 열교환 시스템에 도입된 임의의 유체에 의해 초래되는 역학적 영향이 증가하게 된다. 직접 퀀칭 시스템은 예를 들어 약 8인치 내지 10인치의 내경을 갖는 유출물 통과 보어를 제공할 수 있고, 간접 열교환 퀀칭 시스템은 전형적으로 예를 들어 약 2인치 내지 4인치의 내경을 갖는 유출물 통과 보어를 구비할 수 있다. 결과적으로, 간접 열교환 시스템내에 벽-적심 액체 퀀칭 유체의 많은 로딩(loading)에 대해 이용가능한 용량이 작으며, 간접 열교환 퀀칭 시스템은, 특히 습식-벽 시스템이 약 1.0 초과의 비율, 예를 들어 약 1.0 내지 약 3.0의 비율로 액체 퀀칭 유체를 추가하는 경우, 증가된 유체 로딩에 대해 훨씬더 민감해진다. 따라서, 습식-벽 퀀칭 시스템에서의 효율성 및 성능의 개선은, 특히 간접 열교환 시스템과 함께 사용하는 것에 대해서, 전반적인 퀀칭 시스템에 매우 유리한 효과를 제공할 수 있다.

본 발명은 직접 퀀칭 및/또는 간접 열교환 타입의 퀀칭 시스템과 함께 사용하기 위한 효과적인 습식-벽을 생성하는 훨씬더 효율적인 방법 및 장치를 제공한다. 따라서, 본 발명은, 원한다면 약 0.1 내지 약 1.0의 액체 퀀칭 유체대 노 공급물의 중량비를 갖는, (ⅰ) 독립형의 퀀칭 또는 습식-벽 시스템, (ⅱ) 직접 퀀칭 시스템의 보완, (ⅲ) 직접 퀀칭 시스템, 및/또는 (ⅳ) 간접 열교환 시스템과 함께 사용에 적합하다. 또한, 본 발명의 시스템은, 예를 들어 보다 많은 양의 직접 퀀칭 유체를 요구하는 직접 퀀칭 시스템과 함께 사용하기 위해, 보다 높은 퀀칭 유체대 탄화수소 공급물 비율, 원한다면 예컨대 1.0 초과의 비율을 운반하는데 사용될 수도 있다. 열 밸런스를 달성하는데 요구되는 유체를 포함하여, 벽을 적시는데 요구되는 양 이상의 임의의 추가적인 퀀칭 유체가 별도로 또는 본 발명의 장치 및 방법과 연관하여 도입될 수도 있다. 많은 적용에 있어서, 본 발명의 습식-벽 시스템은 약 0.2 내지 약 0.5의 액체 퀀칭 유체대 노 공급물 중량비로 효과적이고, 균일하며 포괄적인 습식-벽 액체 퀀칭 유체막을 제공할 수 있다. 이것은 전체 퀀칭 시스템의 효율성 및 성능의 상당한 개선을 나타낸다. 보다 적은 퀀칭 유체량, 특히 1.0 미만의 비율로 유출물 통과 보어 또는 퀀칭 튜브의 전체 외주부 주위에 균일하고 포괄적인 퀀칭막을 분배하는 것이 특히 문제이고 중요한 것이며, 본 발명은 이러한 개선된 성능을 제공할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명은 이전에 습식-벽 퀀칭 유체의 매우 많은 도입량을 필요로 하는 문제를 해결하고, 실질적으로 균일한 퀀칭막 두께 또는 밀도를 운반하는 프로세스 및 수단을 제공하여, 유출물 퀀칭 시스템의 전체 영역에 걸쳐서 타르 또는 타르 전구체 퇴적을 방지하기 적절한 보호 및 제거를 제공한다. 본 발명의 방법 및 장치의 이점은 이전에 가능하였던 것보다 훨씬 낮은 퀀칭 유체대 노 공급물 비율로 작동하는 효과적인 습식-벽 퀀칭 열교환기를 제공하는 것이다.

하나의 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명은 냉각 도관, 특히 퀀칭 열교환기 타입의 냉각 도관내로 가스상 유출물을 도입함으로써 열분해로로부터의 가스상 유출물 스트림을 냉각하는 방법을 포함한다. 본 발명은 유출물 유동 스트림의 전체 주변부에 걸쳐서 냉각 도관을 통해 퀀칭 유체의 실질적으로 균일한 도입 속도 및 양을 제공하는 프로세스에 의해 액체 퀀칭 유체를 냉각 도관의 내측면상에 도입하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 퀀칭 유체를 도입 채널에 공급하도록 냉각 도관의 주변부 주위에서 연장하는 주변 퀀칭 유체 저장소(reservoir) 또는 환형 캐비티로부터 실질적으로 균일한 유체 이동에 의해 퀀칭 유체가 유출물 통과 보어로 도입된다.

본 발명의 일 태양에 있어서, 열분해로로부터의 가스상 유출물은 냉각 도관의 길이를 연장하는 보어를 통해 유동한다. 보어의 대응 부분은 전형적으로 주변 개구부와 도관 출구 사이의 부분, 또는 간접 열교환을 받는 보어의 부분이다. 보어가 실질적으로 원형 단면을 갖고 실질적으로 관형 통과 보어를 형성하도록 유동 경로를 따라 축방향으로 연장하는 것이 바람직하지만, 냉각 도관은 실질적으로 임의의 단면 형상, 예를 들어 타원형, 직사각형, 물결형 등을 가질 수 있다. 또한, 냉각 도관 통과 보어가 유출물 유동 경로를 따라 실질적으로 종방향 직선형인 것이 바람직하다. 그러나, 도관 또는 퀀칭 열교환기 보어는 대안적으로 U자 형상과 같은 곡선형상을 포함할 수도 있다는 것이 예상된다. 따라서, 냉각 도관 통과 보어는 실질적으로 임의의 적절한 크기 및 형상을 가질 수 있지만, 복잡한 기하학적 형상은 적심 퀀칭 액체가 주변 개구부로부터 이동된 후에 균일하게 적셔지는 것이 더 어려워질 수 있으므로, 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이 선형 또는 직선형이고 지표면 레벨(ground level)에 대해 직립 또는 수직 방향으로 배향된다.

본 발명의 방법은 냉각 도관 내측벽의 주변부상에 퀀칭 유체 주변 개구부와, 퀀칭 유체를 환형 캐비티로부터 유출물 보어로 이송하는 연결 채널을 제공한다. 바람직하게, 퀀칭 유체 채널은 유출물 스트림내 및 내측벽의 전체 주변부상으로의 균일하고 차단되지 않는 퀀칭 유체 도입을 제공하도록 내측벽의 전체 원주부 주위에 연속하여 있다. 그러나, 일분 퀀칭 부속물 형상이 채널을 양분하는 지지 부재를 포함하여서, 약간 불연속적인 채널이 있을 수 있다는 것이 이해될 것이다.

환형 캐비티는 퀀칭 유체를 수용하여 분배하기 위해 유출물 통과 보어의 주변부 외측에 그 둘레에서 원주방향으로 제공된다. 환형 캐비티는 유출물 통과 보어의 주변부 주위에서 퀀칭 유체의 압력 및 퀀칭 유체의 실질적으로 충분하고 균일한 분배를 허용하도록 크기 설정되며, 유출물 통과 보어의 주변부에 대해 환형 캐비티로부터 퀀칭 유체의 손실 또는 불균일하거나 과잉인 농도의 영역을 회피하여야 한다. 또한, 채널의 형상 및 크기는 환형 캐비티내에서 실질적으로 균일하게 또는 양호하게 분배된 압력, 및 퀀칭 유체를 수용하는 환형 캐비티와 유출물 통과 보어 사이의 적은 수력학적 저항 또는 압력 강하를 발생하도록 결정되어야 한다. 용어 "수력학적 저항(hydraulic resistance)"은 실질적으로 모든 수력학적 방해, 압력 강하, 저항, 또는 다른 유동의 늦춤 또는 제어 요소를 포함하는 것으로 광범위하게 정의되도록 의도된 것이다. 이러한 수력학적 저항은 환형 캐비티와 주변 개구부 사이의 "수력학적 저항" 또는 격리(remoteness)를 형성함으로써 환형 캐비티를 작동중에 실질적으로 완전히 충전된 상태로 유지하기 용이하게 한다. 그러나, 유출물 스트림내로의 퀀칭 유체의 분무 또는 다른 분산된 운반을 바람직하지 않게 생성하는 주변부 개구에서의 압력 강하를 초래하지 않도록, 퀀칭 유체 채널은 내측벽 주변 개구부에 충분한 전체 유동 영역을 제공하기에 충분한 폭 또는 갭 크기를 포함하는 것이 또한 바람직하다. 퀀칭 유체는 내측벽에서 채널 개구부(주변 개구부)로부터 균일하게 유동하여, 액체 퀀칭 유체로 유출물 유동 방향으로 벽을 코팅하기 용이하게 하여야 한다.

바람직하게, 액체 퀀칭 유체는 퀀칭 장치의 벽을 통해 액체 퀀칭 유체 도입 포트로부터 환형 캐비티로, 보다 바람직하게는 도관 통과 보어에 대해 접선방향으로 유입된다. 하나의 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명의 장치 및 방법은 퀀칭 유체를 환형 캐비티내로 도입하는 2개의 유체 도입 포트를 사용하는 것을 포함한다. 2개의 유체 도입 포트 각각은 서로 약 180° 이격되어 위치설정되고 다른 각 도입 포트와 동일한 방향으로 퀀칭 유체를 접선방향으로 운반하도록 배향되어 있다. 이에 의해, 유체는 유출물 통과 보어를 중심으로 공통 회전 방향으로 환형 캐비티내로 도입된다. 다른 실시예는 통과 보어의 주변부 주위에 이격된 추가적인 퀀칭 유체 도입 포트를 사용하는 것이 고려될 수 있지만, 본 발명의 장치가 1개 또는 2개의 대향 유체 도입 포트에 의해 적절하게 유체를 분배하도록 설명하고 모델링하였으므로, 이러한 추가 포트는 불필요할 수도 있다.

본 발명의 방법 및 장치가 유출물 통과 보어 벽의 전체 주변부상에의 퀀칭 유체 및 압력의 실질적으로 균일한 분배를 제공하기 때문에, 보어 벽이 언젠가 파울링을 시작하더라도, 보어 벽내로의 퀀칭 유체의 유량을 단지 증가시킴으로써 보어 벽으로부터 부착물을 제거할 수 있다. 예를 들면, 퀀칭 유체 유량은 보어가 청결해진 것으로 고려될 때까지 약 10% 내지 약 100%, 예컨대 약 50% 정도로 증대될 수 있다. 유사하게, 정상적인 퀀칭 유체 유량은 유출물 유량, 유출물 배출 온도, 및/또는 간접 퀀칭 유체 온도 등의 작동 파라미터에 반응하여 조정될 수도 있다. 본 발명의 장치는 통상 종래기술의 퀀칭 장비에서 파울링을 억제하기 위해 실행된 것과 같이, 증기-공기 디코킹(decoking) 또는 다른 격렬한 열적 간섭(thermal intervention)을 필요로 하지 않는다.

도 1은 습식-벽 장치와 결합하여, 증기 크래킹에 의해 생성된 것과 같은 가스상 유출물을 냉각하기 위한 간접 열교환 타입 냉각 도관의 매니폴드식 뱅크를 포함하는 본 발명의 일 실시예의 사시도를 제공한다. 도 2는 가스상 유출물을 냉각하기 위해 간접 열교환을 포함하는 예시적이고 단순화된 액체 세정식(습식-벽) 열교환기의 일 실시예의 단면도를 제공한다. 탄화수소 열분해로(도시하지 않음)로부터의 가스상 타르 전구체 함유 유출물(100)은 예를 들어 이슬점 이상의 온도인 가스상 유출물을 퀀칭 열교환기 냉각 도관(102)내로 도입함으로써 냉각된다. 하나의 태양에 있어서, 본 발명의 방법은 가스상 유출물(100)을 냉각 도관 보어(107)내로 도입하고, 다음에 액체 퀀칭 유체(120)를 도관 내측벽(106)을 따라 균일하게 도입하는 단계를 포함한다. 냉각 도관(102)은 (ⅰ) 유출물(100)과 접촉하고 도관(102)의 종방향 길이를 연장하는 보어(107)를 규정하고, 보어를 따라 주변 개구부(109)를 포함하고 바람직하게 보어(107)의 전체 주변부 주위를 차단없이 연장되는 내측벽(106)과, (ⅱ) 내측벽(106)에 실질적으로 동축인 외측벽(209, 210)과, (ⅲ) 내측벽의 외측에 있고 외측벽의 적어도 제 1 부분(209)을 포함하며, 주변 개구부(109)에 유체적으로 및 격리적으로 연결되고 내측벽의 주변부를 외부적으로 둘러싸고, 외측벽(209, 210)의 적어도 일 부분(209)을 포함하는 실질적인 환형 캐비티(206)와, (ⅳ) 내측벽(106)의 주변부 주위에서 연장하고, 환형 캐비티(206)와 내측벽(106)의 주변 개구부(109)를 유체적으로 연결하고, 바람직하게 외측벽(209, 210)의 다른 부분(210)을 포함하는 주변 채널(212)을 포함한다. 또한, 상기 방법은 (b) 실질적으로 외측벽의 제 1 부분(209)을 따라 냉각 도관(102)의 환형 캐비티(206)내로 접선방향으로 액체 퀀칭 유체(120)를 도입하여, 퀀칭 유체(120)를 캐비티(206)에 충전하여 가압하는 단계와, (c) 도입된 액체 퀀칭 유체를 환형 캐비티로부터 채널(212)을 통해 주변 개구부로 채널 유동 경로(212)를 따라 통과시키는 단계와, (d) 액체 퀀칭 유체(120)를 주변 개구부(109)로부터 내측벽(106)상으로 통과시켜서 퀀칭 유체막으로서 퀀칭 유체(120)를 내측벽(106)의 길이의 적어도 일부를 따라 분배하는 동시에, 가스상 유출물(100)을 냉각 도관(102)의 보어(107)를 따라 통과시켜 퀀칭된 가스상 유출물 스트림을 생성하는 단계를 포함한다. 채널(212)은 실질적으로 임의의 형상을 가질 수 있지만, 바람직하게는 주변 갭 또는 슬롯 타입의 개구부이거나, 또는 외측벽(209)으로부터 주변 개구부(109)로의 반경방향 내측 방향에 대해서 균일하게 테이퍼지거나 또는 비교적 일정한 갭 폭을 갖는다. 채널(212)은 환형 캐비티(106)로부터 주변 개구부(109)로의 액체 퀀칭 유체의 유동에 대한 적어도 일부의 수력학적 저항 또는 방해를 제공한다. 수력학적 저항의 크기는 클 필요는 없지만, 환형 캐비티로부터 유출물 통과 보어내로의 액체 퀀칭 유체의 조기 손실 또는 불균일한 손실을 저지하기에 충분하기는 하여야 한다. 수력학적 저항은 환형 캐비티(206)의 전체 길이내에서 액체 퀀칭 유체 압력의 균일한 분배 및 실질적으로 균일한 가압 및 그 이후의 환형 캐비티(206)로부터 채널(212)을 통해 내측벽(106)상으로의 액체 퀀칭 유체(120)의 실질적으로 균일한 방출을 용이하게 하기에 충분한 방해를 제공할 필요가 있다. 환형 캐비티(206)로부터 주변 개구부(109)로의 주변 채널(212)의 정확한 형상 또는 유동 경로 방향은 중요한 것이 아니며, 실질적으로 곡선형, 평탄형(flat), 선형이거나, 또는 도 2에 도시된 실질적으로 직각인 유동 경로와 같은 경사진 유동 경로를 포함할 수도 있다. 제 1 및 제 2 유동 성분의 합은 캐비티(206)로부터 주변 개구부(109)까지 실질적으로 선형이거나, 또는 유동 경로가 테이퍼지거나 그렇지 않다면 길이를 따라 수력학적으로 편차를 가지는 경우 곡선형인 합성 수력학적 유동 경로로 되는 것이 바람직하다.

또한, 퀀칭 유체는 유체 에너지가 외측벽 표면(209)을 따라서 소산되도록 환형 캐비티(206)내로 실질적으로 접선방향으로 도입되어, 원심적으로 캐비티(206)를 충전한다. 환형 캐비티내에 액체 퀀칭 유체를 수용하는 것에 부가하여, 외측벽(209 및 210)은 채널을 통해 내측벽(106)상으로의 액체 퀀칭 유체의 가압된 이동을 용이하게 하는 작용을 한다. 바람직하게, 주변 채널(212)은 외측벽 표면(209)과 실질적으로 평행한 캐비티(206)의 부분으로부터 발산되어서, 외측벽의 제 1 부분(209)이 외측벽(209, 210)의 다른 부분(210)과 실질적으로 평행하거나 동일 높이를 가지며, 예를 들어 외측벽(209 및 210)은 유출물 통과 보어 중심선에 대해 동일한 외경을 갖는다. 이에 의해, 환형 캐비티(206)를 빠져나온 유체는 유출물 통과 보어 중심선을 향해 약간 반경방향 내측으로 이동함으로써 캐비티(206)내로 접선방향으로 도입되는 퀀칭 유체의 원심력을 극복할 필요는 없으며, 단지 직접적으로 외측벽의 제 1 부분(209)을 따라 채널(212)내로, 외측벽의 다른 부분(210)을 따라 이동될 수 있다. 그러나, 채널(212)은 또한 환형 캐비티(206)의 다른 부분, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 캐비티(206)의 중간 부분으로부터 발산될 수도 있다.

바람직하게, 캐비티(206)는 도입 포트(204)의 단면적보다 큰 캐비티 단면적을 포함하여, 퀀칭 유체(120)가 도입 포트(204)를 통해 환형 캐비티(206)내로 가속되어서 환형 캐비티(206)내에서 외측벽의 제 1 부분(209)을 따라 퀀칭 유체를 균일하게 분배하는데 필요한 에너지를 제공하는 한편, 환형 캐비티내에서의 원주방향 분배 동안에 도입 에너지의 일부를 소산하기 위한 환형 캐비티내의 용적을 제공할 수 있다. 또한, 주변 채널(212)의 수력학적 유효 개구 단면적은 환형 캐비티(206)와 주변 개구부(109) 사이의 수력학적 방해 또는 격리를 제공하도록 환형 캐비티(206)의 수력학적 유효 단면적보다 작다. 이에 의해, 주변 채널(212)은 환형 캐비티(206)내에서의 액체 퀀칭 유체(120)에 대해 유동 저항 또는 압력 강하를 제공하여, 환형 캐비티(206)로부터 채널(212) 또는 보어(107)내로의 퀀칭 유체(120)의 과잉 손실 또는 불균일한 손실 없이, 환형 캐비티(206)내에서의 압력 및 액체 퀀칭 유체(120)의 실질적으로 균일한 분배를 용이하게 할 수 있다. 다르게 말하면, 환형 캐비티(206)는 주변 개구부(109) 또는 보어(107)에 대해 수력학적으로 "격리(remote)"되어 있다. 이러한 격리 또는 분리는 채널(212)을 통해 생성된 수력학적 저항과 실질적으로 동일한 의미를 갖는 한편 적어도 부분적으로 그에 의해 기인한 것이고, 또한 환형 캐비티(206)의 부근이 주변 개구부(109) 또는 보어(107)로부터 분리되어 있다는 것에 부분적으로 기인한다. 채널 크기 및 디자인과, 환형 캐비티내에서의 유체 압력 및 요구되는 수력학적 저항의 크기는 많은 시스템 인자, 예를 들어 열분해로 및 퀀칭 시스템 작동 조건 및 속도, 퀀칭 시스템의 디자인 및 타입, 순차적인 퀀칭 단계의 수, 소망의 퀀칭 효율, 유체 특성, 공급물 특성 등에 따라 달라진다. 전형적으로, 채널을 통한 수력학적 저항 또는 환형 캐비티내의 평균 압력과 유출물 통과 보어내의 압력 사이의 압력차는 10분의 수 psig 내지 50psig의 범위내에 있다. 그러나, 전형적으로 환형 캐비티내의 압력은 단지 주변 개구부에서의 유출물 스트림의 압력보다 10분의 수 psig 내지 약 20psig 커질 필요가 있을 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 액체 퀀칭 유체(120)는 하나의 도입 포트(204)를 통해 환형 캐비티(206)내로 도입될 수 있는 한편, 일부 바람직한 실시예에서는, 퀀칭 유체(120)는 2개의 도입 포트(204)를 통해 환형 캐비티(206)내로 도입될 수도 있으며, 이들 도입 포트(204)는 각각 보어(107)의 대향 양측상에 배치되고 환형 캐비티(206)내에서의 균일한 유체 유동 방향을 제공하기 위해 다른 도입 포트(204)와 동일한 방향으로 퀀칭 유체(120)를 접선방향으로 도입하도록 배향되어 있다. 다른 대안적인 실시예에 있어서, 유체는 3개 이상의 도입 포트를 통해 환형 캐비티(206)내로 도입될 수도 있다. 컴퓨터 모델링 연구를 통해서, 서로 각각 실질적으로 180°로 대향 배치되고 퀀칭 유체를 균일하게 접선방향으로 도입하도록 배향된 한쌍의 도입 포트(204)가 효율적이고 효과적이며 바람직한 조립체를 제공할 수 있다는 것이 입증되었다.

주변 채널(212)을 통한 퀀칭 유체의 이동은 내측벽(106)상으로 통과 보어의 전체 주변부 주위에서의 속도 및 유출에 있어서 실질적으로 균일한 것이 바람직하다. 퀀칭 유체를 반경방향으로 이동시키는 단계는 중력 및 유출물의 유체-전단력의 조합에 의해 통과 보어 내부 프로세스 표면의 축방향 길이를 따라 퀀칭 유체막을 분배하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 바람직하게, 통과 보어는 보통 지표 평면에 대해 수직 또는 직교하는 유동 방향으로 배향된다. 바람직하게, 각 냉각 도관(102)은 지표면 레벨에 대해 실질적으로 수직 및 직교로 배향되며, 탄화수소 열분해로부터의 유출물은 보어(107)를 통해 바람직하게 하방으로 통과한다. 가스상 유출물(100)은 보어(107)를 따른 가스상 유출물의 유동 스트림에 대해서 채널(212)의 상류에 위치된 유출물 입구(110)로부터 채널(212)의 하류에 위치된 퀀칭된 유출물 출구로 통과된다.

전술한 바와 같이, 주변 채널(212)이 환형 캐비티(206)와 유출물 통과 보어(107)를 유체적으로 연결하는 역할을 하는 한편, 본 발명에 따른 주변 채널(212)은 또한 도입 포트(204)를 통해 캐비티(206)내로 접선방향으로 도입되는 유체(120)의 역학적 관성 에너지를, 주변 개구부(109)를 통해 그리고 내측벽(106) 표면상으로 최종적으로 도입되는 유체의 낮은 역학적 에너지로부터 유체적으로 격리하는 역할도 하는 것이 바람직하다. 환형 캐비티(206)에 있어서의 관성 분사 에너지는 유체를 환형 캐비티 주위로 분배하고 환형 캐비티(206)내의 압력을 유지하는데 대부분 한정되고 소비되고, 주로 환형 캐비티내의 압력 에너지는 액체 퀀칭 유체를 채널(212)을 통해 이동할 때 소비된다.

본 발명의 퀀칭 부속물(102)의 환형 캐비티(206)에 접선방향으로 유입된 후에, 퀀칭 유체는 캐비티(206)의 전체 용적을 따라 분산하여, 외측벽(210)을 따라 원심력 에너지를 소산한다. 다음에, 퀀칭 유체는 환형 캐비티(206)내에서의 유동 방향을 측방향으로 변경하여, 유출물 통과 보어(107) 중심축(C/L)에 실질적으로 평행한 지향 요소로 이동하기 시작한다. 바람직하게, 채널은, 특히 유출물(100)이 수직 배향 도관(102)을 통해 하방으로 유동할 때, 액체 퀀칭 유체를 통과 보어(107)를 따른 유출물 유동 방향과 반대 방향으로 지향시킨다. 유출물이 수직 배향 도관(102)에 대해 상방으로 유동하는 예에 있어서, 채널은 바람직하게 액체 퀀칭 유체를 유출물(100) 유동 방향과 동일한 방향으로 지향시킬 수 있다. 이에 의해, 채널은 항상 액체 퀀칭 유체를 채널(212)을 통한 유동 경로의 적어도 일부분에 대해 상방으로 지향시키는 것이 바람직하다. 도 2에 도시된 바와 같은 실시예에 따르면, 유출물이 상방 지향 요소로 주변 채널(212)로 유입되고 주변 채널을 횡단하므로,[보어(107)의 중심선에 평행하든지 또는 보어(107)의 중심선에 대해 각도를 이루거나 만곡되는 유동 경로의 지향 요소이든지 간에,] 채널을 따른 유출물 유동 경로는, 유출물이 주변 개구부(109)에서 개구된 채널(212)을 최종적으로 횡단할 때까지, 유출물 통과 보어의 중심축을 향해 반경방향 내측인 지향 요소로 유동하기 시작하도록 방향을 변경할 수 있다. 이러한 특징의 조합은 퀀칭 유체를 통과 보어 주위에 분배하는 단계를 유출물을 통과 보어내로 도입하는 단계와 분리하는 역할을 한다. 분리 또는 수력학적 격리는 종래기술에 비해서 퀀칭 유체의 분배를 향상시키고, 퀀칭 유체막 두께의 균일성을 향상시키며, 퀀칭 유체막 형성의 효율성을 향상시킬 수 있다. 상기 방법은 종래기술에 비해서 적은 퀀칭 유체량의 사용을 가능하게 하여 내측벽(106) 표면을 따른 효과적인 퀀칭 유체막 커버리지를 실행할 수 있다.

도 1에 도시된 다중 간접 열교환 냉각 도관 또는 퀀칭 열교환기(102) 각각은 고온 유출물과 접촉하는 내부 프로세스 벽(106) 및 간접 열교환 및 열 회수를 위한 열교환 유체와 접촉하는 외부 쉘 측면(108)(또한, 도 2 참조)을 포함한다. 또한, 냉각 도관은 유출물 입구(110) 및 냉각된 탄화수소 유출물이 회수되는 퀀칭된 유출물 출구(112)를 포함한다. 일부 태양에서, 냉각된 유출물은 타르 전구체를 응축하는 것보다 낮은 온도로 된다. 퀀칭 유체 도입 포트(204)는 액체 퀀칭 유체, 바람직하게는 증류 오일, 및 보다 바람직하게는 방향족-함유 증류 오일을 환형 캐비티(206) 및 채널(212)내로 도입한다. 습식-벽 액체 퀀칭 유체막을 내측벽(106)상에 생성하는데 특히 유용할 수 있는 바람직한 액체 퀀칭 유체(120)는 방향족 오일 등의 액체 퀀칭 오일을 포함할 수 있다. 바람직한 방향족 오일은 적어도 약 400℃(750℉)의 최종 비등점을 가질 수 있다. 다른 특히 유용한 액체 퀀칭 유체는 방향족 증류액, 예를 들어 냉각된 가스상 유출물 스트림(100)으로부터 회수된 증류액을 포함할 수도 있다. 또한, 바람직한 액체 퀀칭 유체는 실질적으로 타르 전구체가 없을 수 있다. 바람직하게, 액체 퀀칭 유체(120)는 (ⅰ) 탄화수소 공급물이 크래킹 노 복사 섹션에 공급되는 속도, 및/또는 (ⅱ) 냉각 도관 출구(112)로부터의 냉각된 가스상 유출물의 온도중 적어도 하나의 함수로서 환형 캐비티(206)내로 도입될 수 있다.

바람직하게, 도 2에 도시된 바와 같이, 액체 퀀칭 유체 도입 포트(204)는 유출물 입구(110)의 축방향 하류에 위치된다. 바람직하게, 도 3에 도시된 바와 같이, 도입 포트(204)는 환형 캐비티(206)의 원주방향 주변부에 대해서 액체 퀀칭 유체를 환형 캐비티(206)내로 접선방향으로 도입하여, 퀀칭 유체(120)를 채널(212)내로 직접적으로 지향시키지 않고, 환형 캐비티(206)의 전체 원주부 또는 주변 길이 주위에 원주방향으로 실질적으로 균일하게 퀀칭 유체를 분배한다. 용어 "접선방향(tangential)"은 바람직하게는 접점으로부터 유출물 통과 보어의 중심선까지의 반경에 대해 실질적으로 직각인 방향을 의미하지만, 접점에서 보다 둔각 또는 보다 예각인 다른 각도, 예를 들어 직각에 대해 ±15°를 포함할 수도 있다. 일반적으로, 도입 포트(204)는 액체 퀀칭 유체(102)를 환형 캐비티(206) 주위의 원형 유체 경로내로 지향시키는 것이 바람직하고, 또한 냉각 도관(102)은 도 3에 도시된 바와 같이 2개의 접선방향 도입 포트(204)를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 도 3은 환형 캐비티(206)의 단면에 대하여 실질적으로 중앙에 위치설정된 채널(212)을 도시하고 있다. 그러나, 일부 실시예에 있어서, 환형 캐비티(206)내의 외측벽의 제 1 부분(209)은 환형 캐비티(206)에 실질적으로 인접하는 채널(212)의 제 1 부분내의 외측벽의 제 2 부분(210)과 실질적으로 동일 높이에 있는 것이 바람직할 수도 있다. 이에 의해, 채널(212)은 유출물 통과 보어(107)의 중심을 따른 중심선 축에 대해 최대 직경을 갖는 환형 캐비티(206)의 부분에서 환형 캐비티(206)와 연결되며, 그에 따라 채널 유동 경로의 적어도 일부분이 환형 캐비티(206)의 외경과 실질적으로 동일한 외경을 포함한다.

환형 캐비티(206)는, 노 유출물 가스 스트림(100)의 전단 작용과 관계없이, 채널(212)내의 퀀칭 유체의 균일한 분배 및 가압을 용이하게 하는 분배 챔버(206)로서 작용하도록 크기 설정되는 것이 바람직하다. 내측벽(106)상에의 균일하고 제어된 유체 분배 및 막 형성은 본 발명에 의해 가능해지는 것과 같은 낮은 퀀칭 유체대 공급물 비율로 작동할 때 중요하다. 바람직하게, 퀀칭 유체가 채널(212)을 빠져나갈 때, 퀀칭 유체의 접선방향 소용돌이(swirl) 성분의 상당 부분이 환형 캐비티(206) 및 채널(212)내에서의 스킨(skin) 마찰 효과로 인해 상실되며, 유체(120)가 주변 개구부(109)로부터 방출될 때 유체는 내측벽(106)상에 실질적으로 종방향으로 도입된다. 일부 실시예에 있어서, 액체 퀀칭 유체는 도 2에 도시된 바와 같이 최종 90° 굽힘을 통해 주변 개구부(109)로 향해지며, 유동하는 노 유출물(100)과 평행하게 내측벽(106)을 따라 종방향으로 방출된다.

일부 바람직한 실시예에 있어서, 환형 캐비티(206)는 채널(212)의 용적 용량과 적어도 동일한 정도의 용량 및 바람직하게는 적어도 2배 정도의 용량을 제공하며, 환형 캐비티(206)는 내측벽(106)의 전체 원주부 주위에서 최소 압력차를 갖도록 퀀칭 유체를 퀀칭 유체 채널(212)에 균일하게 제공하는 퀀칭 유체 공급 저장소를 제공한다. 또한, 환형 캐비티(206)의 용적 용량은 환형 캐비티(206)내에 도입된 퀀칭 유체(120)로부터 모든 관성 도입 에너지를 소산하기 위한 용량을 제공하며, 환형 캐비티(206)내로의 퀀칭 유체의 접선방향, 둔각 또는 수직 도입이 실행가능하지만, 접선방향 도입이 환형 캐비티(206)의 균일한 충전을 용이하게 하기에 바람직하다. 이에 의해, 퀀칭 유체(120)는 퀀칭 유체를 보어(107)내로 분무하거나 달리 분산하는 것을 회피하는 제어된 실질적으로 균일한 방식으로 채널(212)을 통해 내측벽(106)상으로 도입될 수 있다. 또한, 환형 캐비티(206)는 퀀칭 유체를 도입 포트(204) 또는 지점으로부터 보어(107)의 전체 주변부 주위에 원주방향으로 대체로 균일하게 분배 및 공급하는 것을 용이하게 할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 환형 캐비티(206)가 실질적으로 도넛형 채널, 노치 또는 슬롯으로 형성되는 것이 바람직하다. 환형 캐비티(206)의 단면 형상은 일반적으로 중요하지 않지만, 퀀칭 유체(120)가 캐비티 전체에 걸쳐서 용이하게 분산되기만 하면, 예를 들어 둥근 형상이거나, 실질적으로 편평한 벽을 포함하거나, 또는 기다란 슬롯 형상일 수도 있다. 바람직한 방법은 환형 캐비티(206)의 원형 코스를 통해 액체 퀀칭 유체의 회전 또는 소용돌이를 발생시키도록 유체 도입 부속물(202) 및 포트(204)를 통한 액체 퀀칭 유체(120)의 강력한 도입을 포함한다. 그러나, 일부 대안적인 실시예에 있어서, 환형 캐비티(206)는 채널(212)과 실질적으로 동일한 구성요소일 수 있거나, 또는 채널(212)과 본질적으로 동일 또는 유사한 크기 및 형상 또는 기하학적 형상일 수도 있고, 그에 따라 캐비티가 끝나고 채널(212)이 시작하는 곳을 구분하는 것이 어렵다. 이러한 모든 실시예는 본 발명의 실시예인 것으로 고려된다.

바람직하게, 퀀칭 유체 도입 포트(204)는 채널(212)을 포함하는 평면의 축방향 위치와 적어도 약간 오프셋되고 일렬로 있지 않는, 통과 보어(107)에 대한 축방향 위치에서 퀀칭 유체(120)를 환형 캐비티(206)내로 도입하여, 도입 포트(204)로부터 보어(107)내로 또는 직접적으로 채널(212)내로 퀀칭 유체의 직접 관성 분사를 회피하고, 그에 의해 내측벽(106) 주위에 원주방향으로 퀀칭 유체의 불균일한 분배를 회피한다. 도입된 퀀칭 유체(106)는 벽-적심 액체 퀀칭 유체 및/또는 유출물(100)을 직접 냉각하는 직접 퀀칭 유체로서 작용할 수 있다. 전형적으로, 직접 퀀칭 적용에 있어서의 퀀칭 유체 도입량은, 적당한 열 밸런스를 달성하는 것이 요구되므로, 직접 퀀칭을 갖지 않는 간접 열교환과 같은 일부 다른 적용에 있어서의 퀀칭 유체 도입량보다 실질적으로 많을 수 있다. 환형 캐비티(206)의 주변부 주위에서의 퀀칭 유체(120)의 실질적으로 균일한 분배를 용이하게 하거나 돕기 위해서, 본 발명에 따른 일부 공정은 다중 퀀칭 유체 도입 포트(204) 및 다중 퀀칭 유체 부속물(202)을 이용할 수도 있다. 일부 바람직한 실시예는 2개의 퀀칭 유체 도입 포트를 이용하고, 각 도입 포트는 냉각 도관의 한쪽 측면 및 반대 측면상에 위치된다. 오프셋 양은 중요하지는 않지만, 바람직하게는 환형 캐비티(206)와 주변 개구부 사이의 오프셋은 액체 퀀칭 유체 도입 포트(204)의 적어도 가장 작은 내경의 오프셋 변위를 포함하여, 도입 포트(204)는 전술한 바와 같이 액체 퀀칭 유체(120)를 채널(212)내로 직접적으로 분명하게 공급하지 않도록 한다. 채널(212) 형상 또는 채널 유동 경로 배향에 관하여, 채널(212) 유동 경로는 단지 환형 캐비티로부터 주변 개구부로 선형 또는 직접 유동 경로를 제공하지 않도록 만곡되거나 각진 구성을 포함할 수 있고, 이에 의해 방향 변경이 채널을 통한 수력학적 저항의 적어도 일부를 제공할 수 있는 것이 바람직하다. 그러나, 채널 유동 경로는 환형 캐비티에 실질적으로 인접한 채널(212) 유동 경로의 제 1 부분과 주변 개구부(109)에 실질적으로 인접한 제 2 부분 사이에서의 유동 방향의 변경, 예를 들어 적어도 약 45°의 각도 변경을 포함하는 것이 또한 바람직하다. 또다른 실시예에 있어서, 채널 유동 경로는, 도 2에 도시된 바와 같이, 환형 캐비티에 인접한 채널(212)의 제 1 부분과 주변 개구부(109)에 인접한 제 2 부분 사이에서의 유동 방향의 보다 상당한 변경, 예를 들어 적어도 약 90°의 각도 변경을 포함하는 것이 바람직할 수도 있다.

액체 퀀칭 유체를 도입 포트(204)로부터 채널(212)내로 직접적으로 도입하는 방향을 피하기 위해서, 도입 포트(204)로부터 환형 캐비티(206)내로의 유체 도입 방향과 채널(212)의 유동 경로의 제 1 부분 사이에서와 같이, 환형 캐비티(206)내에 각도 오프셋을 제공하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 일부 실시예에서는, 환형 캐비티(206)에 인접한 채널(212) 유동 경로의 최초 부분이 유출물 통과 보어와 실질적으로 평행한 방향으로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 다른 예에서, 채널(212)용 유동 경로의 전체 길의의 적어도 1/4이 유출물 통과 보어(107)의 중심선 축과 실질적으로 평행한 것이 바람직할 수도 있다. 이러한 구성은, 다른 예에 의해, 특정의 평행 유동을 포함할 뿐만 아니라, 유출물 통과 보어(107)의 중심선에 대해 소정 각도를 갖는 유동 경로의 지향 요소의 그러한 부분을 포함할 수도 있다. 하나의 바람직한 배향에 있어서, 채널의 그러한 평행 부분은 대체로 상향으로 배향되고, 구체적으로 채널(212)의 전체 길이의 약 1/4 이상에 대해 유출물 통과 보어(107)에 평행하게 배향될 수 있으며, 이에 의해 액체 퀀칭 유체(120)는 환형 캐비티(206)로부터 이동되어, 채널의 일부(전체 길이의 적어도 1/4)를 통해 대체로 상향[또는 상향 각도와 같은 적어도 상향 지향 요소)으로 이동하여야 하며, 다음에 주변 개구부(109)를 향해 반경방향 내측 방향으로 실질적인 직각 방향으로 이동한다.

일부 바람직한 실시예에 있어서, 냉각 도관 또는 퀀칭 열교환기(102)는 또한 퀀칭을 향상시키고 간접 열 회수 및 재활용을 용이하게 하기 위해 도 2에 도시된 바와 같은 이중 튜브 퀀칭 열교환기와 같은 간접 열교환기를 포함한다. 바람직한 실시예는 외측 퀀칭 튜브(104) 외부에 동축으로 열교환 유체 재킷(122)을 포함할 수 있다. 냉각 도관(102)은 동축의 열교환 재킷(122)과 열교환 유체 환형부(125)를 형성하는 외부 쉘 측면(108)을 제공하는 열 전달 튜브로서 퀀칭 열교환기를 포함할 수 있다. 바람직하게, 열교환 환형부(125)는 열교환 유체(124), 예를 들어 물 또는 증기를 퀀칭 튜브(104)의 외부 쉘 측면(108)과 접촉시키도록 퀀칭 유체 채널(212)의 축방향 하류에 위치된다. 바람직하게, 열교환 유체 재킷(122)은 대략 증기의 포화 온도까지 내측벽(106)상의 퀀칭 유체막의 가열을 허용하도록 환형의 퀀칭 유체 도입 포트(204) 및 채널(212)의 충분히 하류에 위치된다. 바람직하게, 재킷(122)은 퀀칭 튜브(104)와 실질적으로 동축이며, 유출물 온도보다 낮은 온도를 갖는 열교환 유체(124)를 제공하는 열교환 유체 입구(126)를 추가로 포함한다. 바람직하게, 열교환 유체 입구(126)는 열교환 유체 입구 매니폴드(127)에 의해 열교환 유체(124)를 공급하며, 열교환 유체 출구(128)는 가열된 열교환 유체(130), 예를 들어 가열된 액체 물 또는 증기를 열교환 유체 출구 포트(228)로부터 열교환 유체 출구 매니폴드(132)를 거쳐서 제거한다. 열교환 유체 입구 및 출구는 원한다면 서로 전환될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 열교환 유체는 간접 열교환 유체 입구 포트(224)를 통해 유체 재킷(125)으로 들어가고, 간접 열교환 유체 출구 포트(228)를 통해 유체 재킷으로부터 빠져나갈 수 있다.

바람직하게, 퀀칭 열교환기(102)는 노 유출물(100) 및 퀀칭 유체(120)가 통과 보어(107)를 따라 하방으로 유동하는 한편, 포화된 고압 보일러 급수/증기가 냉각 튜브를 둘러싸는 환형부(125)내에서 상방으로 유동하도록 작동할 수 있지만, 다른 열교환기 형상이 또한 적합할 수도 있다. 1994년 4월 아틀란타에서 개최된 AIChE 스프링 내셔널 미팅에서의 발표를 위해 준비된 논문 #23c인 "에틸렌 플랜트를 위한 트랜스퍼 라인 열교환기 디자인의 최근 개발"(H. Herrmann & W. Burghardt, Schmidt'sche Heissdampf-Gesellschaft)에 개시된 바와 같이, 보일러 급수/증기 회로는, 에틸렌 노에서는 통상적인 것과 같이, 승온된 증기 드럼(steam drum)으로부터 작동하는 자연 열사이펀(natural thermosyphon)으로서 구성되는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이, 일부 실시예 또는 프로세스에 있어서, 퀀칭 유체 도입 채널(212)과 열교환 환형부(125) 사이에 짧은 거리의 피복되지 않은(unjacket)(간접 냉각되지 않은) 통과 보어를 제공하는 것이 바람직할 수도 있다. 예를 들면, 간접 열교환으로부터 고압 증기를 생성할 때, 비간접 냉각식 통과 보어의 길이는, 퀀칭 유체막이 열교환기 튜브(104)의 피복된(냉각된) 부분(122)으로 들어가기 전에, 내측벽(106)상의 퀀칭 유체막이 대략 증기의 포화 온도까지 가열되도록 선택되어야 한다. 또한, 액체 퀀칭 유체막이 가열될 때, 액체 퀀칭 유체막은 가스상 열분해 유출물내의 중질 성분을 냉각시켜 응축시키며, 그에 따라 특히 직접 퀀칭 프로세스에 대해서, 기화된 퀀칭 유체의 적어도 일부를 제위치에 생성된 막형성 액체로 치환한다. 이에 의해, 심지어 퀀칭 유체의 부분들이 기화될 때에도, 퀀칭 유체막은 또한 튜브 내측벽(106)을 따라 유지된다. 노 유출물의 최초의 가장 중질 성분이 응축되는 순간 또는 온도로부터 실질적으로 모든 응축성 타르 전구체가 응축될 때까지 내측벽(106)을 따른 액체 퀀칭 유체 유동을 적절하게 하는 속도로 퀀칭 유체가 채널(212)로부터 운반되어, 파울링을 최소화거나 방지한다.

다시 도 1을 참조하면, 퀀칭 유체(120)는 퀀칭 유체 입구 튜브(116)를 제공하는 매니폴드에 의해 퀀칭 열교환기 뱅크에, 바람직하게는 도면에 도시된 바와 같이 접선방향으로 공급될 수 있다. 냉각된 가스상 유출물, 가열된 액체 퀀칭 유체, 및 냉각된 증기내에 수반된 냉각된 타르 전구체의 혼합물(136)을 제거하기 위한 출구(134)가 제공된다. 유출물 출구(134) 및 냉각 도관(102)의 바닥부상의 일소 포트(clean out port)는 냉각 도관(102)의 가스상 유출물 출구(112) 단부 근방에 위치되는 것이 바람직하다. 다중 출구(134)는 공통 매니폴드내로 함께 다기관 연결될 수도 있다.

액체 퀀칭 유체(120)는 퀀칭 유체 도입 포트(204)를 통해 환형 캐비티(206)로 도입된다. 본 발명의 일 태양에 있어서, 도입 포트(204)는 도 1에 도시된 바와 같이 매니폴드식 퀀칭 열교환기 뱅크에 있어서의 모든 분사기에 양호한 퀀칭 유체 분배를 발생하기에 충분한 배압(back-pressure)을 제공하도록 크기 설정될 수 있다. 하나의 바람직한 실시예에 따르면, 냉각 도관(102)은 가스상 유출물을 퀀칭하기 위해 직접 퀀칭 유체를 가스상 유출물 스트림내로 도입하는 직접 퀀칭 유체 도입 포트를 포함한다. 이러한 직접 퀀칭 유체 도입 포트는 습식-벽막을 형성하는 액체 퀀칭 유체를 도입하는데 사용되는 포트와 별개인 포트일 수 있다. 그러나, 다른 바람직한 실시예에 있어서, 직접 퀀칭 유체 도입 포트(들)는 습식-벽막을 형성하는 액체 퀀칭 유체를 도입하는데 사용되는 것과 동일한 포트(들)이다. 이러한 실시예에 있어서, 직접 퀀칭 유체 도입 포트는 액체 퀀칭 유체 도입 포트이거나 또는 그것을 포함하며, 직접 퀀칭 유체는 액체 퀀칭 유체이거나 또는 그것을 포함한다. 그에 따라, 직접 퀀칭 유체는 환형 캐비티, 채널 및 주변 개구부를 통과한다.

도 2에 도시된 일반화된 냉각 도관은 보어(107)의 전체 축방향 길이에 걸쳐서 실질적으로 일정한 내경을 갖는 실질적인 동일면의 유출물 통과 보어(107)를 예시하고 있다. 그러나, 일부 실시예에 있어서, 통과 보어(107)는 내경의 변이를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 주변 개구부(109) 상류의 보어(107)의 내경은 주변 개구부(109) 하류의 보어(107)의 내경보다 작은 내경을 가질 수도 있다. 이에 의해, 이러한 배관은 예를 들어 직접 퀀칭 프로세스를 위해 도입된 퀀칭 유체(120)를 위한 추가적인 용량을 제공한다. 주변 개구부(109) 하류의 배관과 주변 개구부(109) 상류의 배관 사이의 열 팽창 또는 변위에 대비하기 위해 내경 변화는 주변 개구부에 또는 그 근방에 제공될 수도 있다. 일부 실시예에 있어서, 채널(212)은 주변 개구부에서의 퀀칭 유체 유동 경로의 방향 변경을 포함하여, 주변 개구부(109)가 대체로 유출물 관통 보어를 따라 보어 벽(106)과 평행하게 향하도록 할 수도 있다. 이에 의해, 퀀칭 유체(120)는 보어(107)내에서 유동하는 유출물 스트림(100)에 의해 초래되는 전단 영향에의 노출을 저감하면서 보어 벽(106)에만 직접적으로 방출될 수 있다.

본 발명의 습식-벽 냉각 도관 또는 퀀칭 열교환기 방법 및 장치의 일 실시예의 컴퓨터 모델링을 통해서, 약 0.2보다 적고, 일부 예에서는 약 0.1보다 적은 퀀칭대 노 공급물 비율액체 퀀칭 유체 질량 유량이 효과적인 습식-벽막을 위해 제공될 수 있다는 것이 예상된다. 작동가능한 습식-벽 액체 퀀칭 공급 비율 범위는, 예를 들어 직접 퀀칭 적용과 함께, 약 0.1의 비율보다 크고 적어도 약 5.0 또는 원한다면 훨씬 이상까지의 비율일 수도 있다. 습식-벽 액체 퀀칭 유체 도입을 위한 예상된 호적의 작동 범위는 약 0.1 내지 약 4.0의 범위내의 질량비를 가질 수 있다. 직접 퀀칭에 실질적으로 의존하지 않는 간접 열교환 적용을 위한 호적의 예상 작동 범위는 약 0.2 내지 약 0.5의 비율을 가질 수 있다. 습식-벽 직접 퀀칭 유체 도입을 위한 예상된 호적의 작동 범위는, 주로 요구 열 효율에 따라서, 약 0.5 내지 4.0의 범위내의 질량비를 가질 수 있다. 명확하게, 본 발명의 분사기의 상이한 작동 특징, 디자인 특징 및 기하학적 특징은 습식-벽 퀀칭 시스템 성능을, 심지어 낮은 액체 퀀칭 유체대 노 공급물 비율 작동에서도, 크게 향상시키고 있다. 일부 전형적인 적용에서, 본 발명의 방법 및 장치를 이용하여, 약 0.1 내지 약 2.0의 범위의 액체 퀀칭 유체대 노 공급물 중량비로 액체 퀀칭 유체를 내측벽상에 도입하는 것이 바람직할 수 있다. 다른 적용에 있어서, 약 0.2 내지 약 1.5의 범위의 액체 퀀칭 유체대 노 공급물 중량비로 액체 퀀칭 유체를 내측벽상에 도입하는 것이 바람직할 수도 있다. 본 발명은, 예를 들어 소망의 퀀칭 유체량 또는 비율을 공급하도록 장치의 디자인 파라미터 및/또는 작동 조건을 변경함으로써, 채널 및/또는 포트가 퀀칭 유체를 약 0.1로부터 4.0까지 및 심지어 4.0 초과의 비율로 운반하도록 설계된 장치를 제공함으로써, 임의의 많은 퀀칭 적용에 적합하도록 구성될 수 있다.

본 발명은 그 태양이 보다 충분히 이해되고 인식될 수 있도록 바람직한 특정 실시예와 관련하여 기재되었지만, 이러한 기재는 이들 특정 실시예에만 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 도리어, 본 명세서는 예시적인 것이고, 첨부된 특허청구범위에 의해 일반적으로 또는 특별히 기재, 설명 및 정의된 바와 같은 본 발명의 범위내에 포함될 수 있는 모든 변형, 변경 및 등가물을 내포하고자 한다.

100 : 유출물 102 : 냉각 도관
106 : 내측벽 107 : 보어
109 : 주변 개구부 120 : 액체 퀀칭 유체
206 : 환형 캐비티 209, 210 : 외측벽
212 : 주변 채널

Claims (25)

1. 탄화수소 열분해로로부터의 가스상 유출물을 퀀칭하는데 사용하기 위한 냉각 도관내의 습식-벽을 형성하는 방법에 있어서,
   (a) 냉각 도관내로 상기 가스상 유출물을 도입하는 단계로서, 상기 냉각 도관은,
   (ⅰ) 상기 유출물과 접촉하며, 상기 냉각 도관의 길이를 연장하는 보어를 규정하고, 상기 보어를 따라 주변 개구부를 포함하는 내측벽과,
   (ⅱ) 상기 내측벽의 외부에 위치하고 상기 내측벽과 동축인 외측벽과,
   (ⅲ) 상기 내측벽의 외부에 위치하고 상기 외측벽의 적어도 제 1 부분을 포함하며, 상기 주변 개구부에 유체적으로 및 격리적으로 연결되고, 상기 내측벽의 주변부를 외부적으로 둘러싸는, 환형 캐비티와,
   (ⅳ) 상기 내측벽의 주변부 주위에서 연장하고, 상기 내측벽의 주변부를 따라 상기 주변 개구부와 상기 환형 캐비티를 유체적으로 연결하는 주변 채널을 포함하는, 상기 가스상 유출물 도입 단계와,
   (b) 액체 퀀칭 유체 도입 포트를 통해 상기 외측벽의 상기 제 1 부분을 따라 상기 환형 캐비티내로 접선방향으로 액체 퀀칭 유체를 도입하는 단계로서, 도입된 액체 퀀칭 유체가 상기 환형 캐비티를 충전하는, 상기 액체 퀀칭 유체 도입 단계와,
   (c) 상기 도입된 액체 퀀칭 유체를 상기 환형 캐비티로부터 상기 채널을 통해 상기 주변 개구부로 채널 유동 경로를 따라 통과시키는 단계와,
   (d) 상기 내측벽의 길이의 적어도 일부를 따라 상기 액체 퀀칭 유체를 퀀칭 유체막으로서 분배하기 위해 상기 액체 퀀칭 유체를 상기 주변 개구부로부터 상기 내측벽상으로 통과시키는 동시에, 퀀칭된 가스상 유출물 스트림을 생성하도록 상기 가스상 유출물을 상기 냉각 도관의 보어를 따라 통과시키는 단계를 포함하는
   냉각 도관내의 습식-벽 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 액체 퀀칭 유체 도입 단계는 상기 가스상 유출물을 직접 퀀칭에 의해 냉각하도록 상기 액체 퀀칭 유체를 직접 퀀칭 유체로서 도입하는 단계를 포함하는
   냉각 도관내의 습식-벽 형성 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 채널 유동 경로의 적어도 일부는 상기 액체 퀀칭 유체 도입 포트의 보어축에 대해 오프셋되어 있는
   냉각 도관내의 습식-벽 형성 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 주변 채널을 통해 상기 환형 캐비티와 상기 주변 개구부 사이에 수력학적 저항을 형성하는 단계를 더 포함하는
   냉각 도관내의 습식-벽 형성 방법.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 주변 개구부의 하류에서 상기 내측벽의 외부에 형성된 열교환 유체 환형부내의 간접 열교환 유체를 사용하여 상기 가스상 유출물 스트림을 퀀칭하는 단계를 더 포함하는
   냉각 도관내의 습식-벽 형성 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   지표면에 대하여 수직인 유동 방향으로 상기 냉각 도관 보어를 배향시키는 단계를 더 포함하며, 상기 가스상 유출물은 상기 지표면에 대해 상기 보어를 따라 수직으로 유동하는
   냉각 도관내의 습식-벽 형성 방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 탄화수소 열분해로에 탄화수소 공급물이 공급되는 속도 및 상기 냉각 도관으로부터의 냉각된 상기 가스상 유출물의 온도 중 적어도 하나의 함수로서 상기 액체 퀀칭 유체 유량을 제어하는 단계를 더 포함하는
   냉각 도관내의 습식-벽 형성 방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 액체 퀀칭 유체는 적어도 400℃의 최종 비등점을 갖는 방향족 오일을 포함하는
   냉각 도관내의 습식-벽 형성 방법.
10. 제 1 항 내지 제 4 항 또는 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 냉각 도관내의 습식-벽 형성 방법을 실행하는 것으로서, 탄화수소 열분해로로부터의 가스상 유출물을 냉각하는데 사용되는 냉각 도관 장치에 있어서,
    (ⅰ) 상기 유출물과 접촉하며, 상기 냉각 도관의 길이를 연장하는 보어를 규정하고, 상기 보어를 따라 주변 개구부를 포함하는 내측벽과,
    (ⅱ) 상기 내측벽의 외부에 위치하고 상기 내측벽과 동축인 외측벽과,
    (ⅲ) 상기 내측벽의 외부에 위치하고 상기 외측벽의 적어도 일 부분을 포함하며, 상기 주변 개구부에 유체적으로 및 격리적으로 연결되고, 상기 내측벽의 주변부를 외부적으로 둘러싸는, 환형 캐비티와,
    (ⅳ) 상기 내측벽의 주변부 주위에서 연장하고, 상기 내측벽의 주변부를 따라 격리적으로 연결된 상기 주변 개구부와 상기 환형 캐비티를 유체적으로 연결하는 채널 유동 경로를 제공하는 주변 채널과,
    (ⅴ) 상기 액체 퀀칭 유체를 상기 환형 캐비티내로 도입하기 위한 액체 퀀칭 유체 도입 포트를 포함하는
    냉각 도관 장치.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 환형 캐비티내로 액체 퀀칭 유체를 접선방향으로 도입하기 위한 접선방향으로 배향된 액체 퀀칭 유체 도입 포트를 더 포함하는
    냉각 도관 장치.
12. 제 10 항에 있어서,
    간접 열교환 유체를 상기 내측벽의 외측면과 접촉 상태로 유지하기 위한 열교환 유체 재킷을 더 포함하며, 상기 재킷은 열교환 유체 입구 및 열교환 유체 출구를 포함하는
    냉각 도관 장치.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 냉각 도관 장치는 이중 튜브 타입 열교환기, 트랜스퍼 라인 열교환기, 및 쉘 및 튜브 타입 열교환기 중 적어도 하나를 포함하는
    냉각 도관 장치.
14. 제 10 항에 있어서,
    적어도 2개의 액체 퀀칭 유체 도입 포트를 더 포함하며, 상기 액체 퀀칭 유체 도입 포트 각각은 상기 적어도 2개의 액체 퀀칭 유체 도입 포트 중 다른 도입 포트의 위치에 대해서 상기 보어의 원주부 주위에 균등하게 이격되어 있는
    냉각 도관 장치.
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