KR101175993B1 - 열교환 방법 및 반응기 - Google Patents

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Abstract

제 2 유체와의 간접 열교환에 의한 제 1 유체의 연속 냉각을 포함하고,
- 적어도 제 1 가열 구역 및 제 2 가열 구역을 각각 한정하고 있는 적어도 2개의 중심이 동일한 U-자형 관 다발로 제 1 유체를 연속 도입하는 단계,
- U-자형 관 다발의 동체면 위로 제 2 유체를 도입하는 단계로서, 여기서 각 가열 구역은 벽에 의해 서로 부분적으로 분리되고, 제 1 가열 구역은 더 차가운 구역이고, 제 2 가열 구역은 더 뜨거운 구역이며, 더 차가운 제 1 가열 구역의 관 다발은 저합금강으로 만들어지고, 더 뜨거운 제 2 가열 구역의 관 다발은 내온 및 내부식성 합급으로 만들어지며,
- 냉각된 제 2 유체 및 가열된 제 1 유체를 회수하는 단계
를 포함하는 열교환 방법.
또한, 본 발명은 상기 방법에 사용되는 열교환기에 관한 것이다.
열교환기, 증기과열기, 합성 가스, 증기 개질, 금속 더스팅, 응력 부식

Description

열교환 방법 및 반응기{HEAT EXCHANGE PROCESS AND REACTOR}
도 1은 2개의 가열 구역을 갖는 열교환기를 나타낸다.
도 2는 열교환기를 통과한 수평 단면을 나타낸다.
도 3은 3개의 가열 구역을 갖는 열교환기를 나타낸다.
본 발명은 열교환기 및 이 열교환기가 이용되는 열교환 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 증기과열기로서 유용하며 금속 더스팅과 응력 부식에 대한 개선된 내성을 갖는 열교환기에 관한 것이다.
증기 개질은 일산화탄소가 풍부한 합성 가스의 제조에서 가장 흔한 필수 단계이다. 이 반응에서 메탄과 증기는 열 공급하에 수소, 이산화탄소, 일산화탄소, 증기 및 메탄을 포함하는 가스 조성물로 전환된다. 개질 후의 합성 가스의 온도는 750℃ 내지 1050℃인 것이 가장 흔하다. 이후 뜨거운 합성 가스는 보일러 또는 보일러 및 과열기에서 냉각된다.
개질된 가스를 위한 냉각기에 관련된 심각한 상태 중 하나는 금속 더스팅으로서 알려진 부식이다. 금속 더스팅은 철 및/또는 니켈 기제의 합금에 대한 일산 화탄소 풍부 가스의 해로운 공격이다. 금속 더스팅에 의한 염기성 반응은 환원 반응이나 Bouduard 반응에서의 일산화탄소의 분해이다. 금속 더스팅은 금속 표면 온도가 이들 반응의 평형 온도 이하일때만 일어난다. 그것은 전형적으로 750℃ 내지 850℃일 것이다. 그러나, 이 온도가 더 낮다면, 전형적으로 450℃ 이하라면 반응은 유의한 속도로는 일어나지 않을 것이다. 이것은 금속 온도 표면 중간체가 있다는 것을 의미하며, 이것은 개질된 가스 냉각기에 있는 가스와 접촉하는 것을 피해야 한다. 이들 온도 범위는 니켈 기제 고합금에 대해 450-800℃ 그리고 저합금강에 대해 400-800℃이다.
폐열 보일러의 열 전달 표면은 끓는물로의 효과적인 열 전달에 의해 냉각되며, 따라서 보통은 금속 더스팅의 상태를 피하도록 설계될 수 있다. 그러나, 과열기가 합성 가스용 냉각기로서 적용되었을 때는 금속 더스팅 공격을 받는 것을 고려해야 한다.
과열기의 설계에서 고려해야 할 다른 심각한 상태는 과열될 습한 증기로부터의 응력 부식의 가능성이다. 니켈 기제 합금은 응력 부식에 매우 민감한 한편 저합금강은 그렇지 않다. 따라서, 니켈 기제 합금은 단지 건조 증기와 접촉되어야만 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 금속 더스팅 및 응력 부식에 대한 개선된 내성을 나타내는 열교환기를 제공하는 것이다.
발명의 개요
본 발명은 제 2 유체와의 간접 열교환에 의한 제 1 유체의 연속 냉각을 포함하고,
- 적어도 제 1 가열 구역 및 제 2 가열 구역을 각각 한정하고 있는 적어도 2개의 중심이 동일한 U-자형 관 다발로 제 1 유체를 연속 도입하는 단계,
- U-자형 관 다발의 동체면 위로 제 2 유체를 도입하는 단계로서, 여기서 각 가열 구역은 벽에 의해 서로 부분적으로 분리되고, 제 1 가열 구역은 더 차가운 구역이고, 제 2 가열 구역은 더 뜨거운 구역이며, 더 차가운 제 1 가열 구역의 관 다발은 저합금강으로 만들어지고, 더 뜨거운 제 2 가열 구역의 관 다발은 내온 및 내부식성 합급으로 만들어지며,
- 냉각된 제 2 유체 및 가열된 제 1 유체를 회수하는 단계
를 포함하는 열교환 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 방법에서 사용되는 열교환기를 제공한다. 이 열교환기는 상기 열교환 방법에서 사용되며, 이것은 제 1 및 제 2 유체 사이의 열 전달을 허용하기 위한 열교환 표면이 확보되는 복수개의 U-자형 관들을 포함하며, U-자형 관들은 적어도 2개의 연속하는 중심이 동일한 관 다발로 배열되고, 관 다발은 적어도 제 1 및 제 2 가열 구역을 각각 한정하고, 각 가열 구역은 벽에 의해 서로 부분적으로 분리되며, 제 1 가열 구역은 더 차가운 구역이고, 제 2 가열 구역은 더 뜨거운 구역이며, 더 차가운 제 1 가열 구역의 관 다발은 저합금강으로 만들어지고, 더 뜨거운 제 2 가열 구역의 관 다발은 내온 및 내부식성 합금으로 만들어진다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 미리 정해진 패턴의 열교환 관 다발을 통한 가스/증기 흐름과 금속 합금 조합의 적합한 선택에 의해서 금속 더스팅 및 응력 부식을 피하도록 설계된 과열기로서 유용한 열교환기에 관한 것이다. 본 열교환기는 제 1 및 제 2 유체 사이의 열교환에 적합하다. 그러한 유체의 예는 증기(제 1 유체) 및 합성 가스(제 2 유체)이다. 증기 개질 반응기로부터의 뜨거운 합성 가스가 본 열교환기에서 증기에 의해 냉각된다.
열교환기는 두꺼운 관 시트를 갖는 U-자형 관의 형태이다. 제 1 유체의 전달을 위한 복수개의 U-자형 관은 평행 배열되고 제 2 유체를 위한 중앙 입구 및 주변 출구와 떨어져 이격되어 있다. 동체면 열교환은 원반 및 도넛 모양 격벽에 의해 증진된다. 복수개의 관은 관 다발로 배열되며, 각 관 다발은 특정한 가열 구역에 해당한다.
제 1 유체, 예를 들어 증기는 관 안으로 흐르고 제 2 유체, 예를 들어 개질된 가스는 이들 관의 주변, 즉 이들의 동체면 위를 흐름으로써 열 전달 표면을 확보하게 된다.
본 발명의 필수적 원리는 적어도 2개의 관 다발이 열교환기에 존재하며 이들이 동심 고리 안에서 하나의 관 시트에 연결되어 있다는 것이다. 각 관 다발의 구획은 벽의 중앙이나 단부에, 제 2 유체가 통과하며 제 2 유체가 한 구획에서 다른 구획으로 흐를 때 몇 개의 스트림으로 나눠지는 개구를 갖는 금속벽에 의해 분리된다.
도 1 및 3에 화살표로 나타낸 대로, 제 2 유체는 각 관 다발 구획 내에서 제 1 유체와 역류 및 동류 방식으로 흐른다.
본 발명의 열교환기는 하기 더 상세히 설명될 것이다.
도 1 및 3에서 제 1 및 제 2 유체의 흐름 방향은 곡선 모양의 화살표로 나타낸다.
도 1은 벽에 의해 분리된 2개의 가열 구역을 갖는 본 발명의 구체예에 관한 것이다. 제 1 유체, 예를 들어 증기는 입구(1)를 통해 열교환기로 들어간다. 다음에, 제 1 유체는 제 1 관 다발 내의 U-자형 관을 포함하고 제 1 가열 구역(2)을 한정하고 있는 구획으로 들어간다. 제 2 유체와 간접 열교환하면서 제 1 가열 구역의 U-자형 관을 통해 통과한 후, 제 1 유체는 제 2 관 다발 내의 U-자형 관을 포함하고 제 2 가열 구역(3)을 한정하고 있는 구획으로 들어간다.
제 2 관 다발의 U-자형 관은 제 1 관 다발의 U-자형 관에 이어서 위치된다. 도 1에서 제 2 가열 구역(3)을 한정하는 관 다발은 열교환기의 가장 안쪽에 위치되고, 제 1 가열 구역(2)을 한정하는 관 다발은 최외각에 위치되며, 이 2개의 관 다발은 벽(12)에 의해 분리된다. 벽(12)은 금속으로 만들어질 수 있으며, 이것은 한 구획에서 다른 구획으로 흐를 때 제 2 유체의 흐름이 몇 개의 스트림으로 나눠지도록 하는 개구(15 및 16)를 제공하도록 위치되고 구성된다. 제 1 유체는 제 2 유체와 간접 열교환하면서 제 2 가열 구역(3)의 U-자형 관을 통해 통과한다. 제 2 가열 구역(3)을 통과한 후 제 1 유체는 가열되고 출구(4)를 통해 열교환기를 떠난다.
제 2 유체, 예를 들어 합성 가스, 또는 냉각을 요하는 어떤 다른 뜨거운 가 스가 입구(5)를 통해 열교환기로 들어간다. 입구(5)는 가장 안쪽 관 다발의 중앙에 위치된 중앙 파이프(13)까지 이른다. 이 중앙 파이프(13)는 제 2 유체가 중앙 파이프(13)를 떠나서 제 2 가열 구역(3)을 한정하는 관 다발의 동체면 위에서 제 2 가열 구역(3)으로 들어가도록 하는 개구(14)를 가진다. 동류 흐름 및 역류 흐름을 모두 확보하기 위해서 개구(14)는 중앙 파이프(13)의 단부에는 위치하지 않는 것이 바람직하다.
제 2 유체는 개구(14)를 통해 가열 구역(3)의 중앙으로 들어가며, 이후 유체는 관 다발의 두 단부를 향한 흐름으로 나눠진다. 따라서, 제 2 유체는 외부표면, 즉 가장 안쪽 관 다발의 U-자형 관의 동체면과 접촉하고, 제 1 유체와의 간접 열교환으로 냉각된다. 그 후, 제 2 유체는 제 1 및 제 2 가열 구역(2 및 3)을 한정하는 2개의 관 다발을 분리하고 있는 벽(12)의 단부 개구들(15 및 16)을 통해 통과한다. 개구(15)는 벽(12)의 하단부에 있고 개구(16)는 벽(12)의 상단부에 있다. 다음에, 제 2 유체는 제 2 가열 구역(3)을 한정하는 가장 안쪽 다발을 둘러싸고 있는 제 1 가열 구역(2)을 한정하는 관 다발의 동체면을 가로질러서 통과한다. 다음에, 가스는 단부 개구들(15 및 16)로부터 가열 구역(2)의 중앙을 향해 관 다발 내를 흐른다. 다음에, 더 이상의 냉각된 제 2 유체는 출구(6)를 통해 제 1 가열 구역(2) 및 열교환기를 떠난다.
도 2는 열교환기에서 서로 상대적인 관 다발의 위치를 나타낸다. 벽(12)은 가열 구역을 2개의 구획으로 나누어 가열 구역(2 및 3)을 가져온다. 관 다발은 열교환기에 위치되는데, 가열 구역(2)의 관 다발은 최외각에 위치되고 가열 구역(3) 의 관 다발은 가장 안쪽에 위치된다.
본 발명의 어떤 구체예에서, 열교환기는 도 3에 나타낸 대로 3개의 가열 구역을 가질 수 있다. 이 경우 제 2의 다발을 둘러싸고 있는 제 3의 U-자형 관 다발이 있다. 또한, 제 3의 다발은 제 1 유체와 제 2 유체의 더 이상의 열교환을 허용하는 가열 구역(11)을 한정한다. 제 2 유체는 최외각 관 다발을 2개의 가장 안쪽 관 다발과 분리하고 있는 벽(18)의 중앙 개구(17)를 통해 이 가열 구역의 중앙으로 들어간다. 이로써, 벽(18)은 가열 구역(11)과 가열 구역(2 및 3)을 분리한다. 다음에, 유체는 관 다발의 두 단부를 향해 흐르는 스트림으로 나눠진다.
따라서, 구획을 분리하는 벽은 단부(15 및 16) 또는 중앙(17)에 개구를 가질 수 있다. 몇 개의 가열 구역이 존재할 때, 각 그 다음 벽에 있는 개구는 벽의 단부 또는 중앙에 있게 됨으로써 교대된다. 이것은 제 2 유체의 흐름이 각 가열 구역에서의 제 1 유체의 흐름에 대해 동류 및 역류 방식 모두이도록 확실하게 한다. 이로써 효과적인 열교환이 실현된다.
이 방식으로 제 2 유체는 2개 또는 3개의 관 다발을 통한 연속 흐름(분리된 흐름)에 의해 냉각된다. 도 1에 나타낸 대로 2개의 가열 구역이 존재할 때, 제 1 유체는 관을 통한 연속 흐름에 의해 가열되며, 가장 차갑고 최저의 온도를 갖는 최외각 다발에서 시작하여 가장 뜨겁고 최고의 온도를 갖는 가장 안쪽의 다발을 통해 흐른 후 떠난다. 따라서, 가열 구역(2)을 한정하는 최외각 관 다발은 차가운 구역(저온 구역)에 해당하고 가열 구역(3)을 한정하는 가장 안쪽 다발은 뜨거운 구역(고온 구역)에 해당한다.
도 3에 나타낸 대로 3개의 가열 구역이 존재할 때, 가열 구역(3)과 가열 구역(11) 사이의 중앙에 위치한 가열 구역(2)은 가장 뜨거운 구역(고온 구역)과 가장 차가운 구역(저온 구역)의 중간 온도를 가진다.
열 분포를 개선하기 위해서 격벽이 가열 구역에 위치될 수 있다. 본 열교환기에 특히 적합한 격벽은 원반 및 도넛 형태의 것이다. 이들은 제 2 유체가 가열 구역을 통해 지그재그 방식으로 지나가도록 하는 효과를 가지며, 추가로 이들은 U-자형 관의 위치를 정하는데 도움을 준다. 도 1에 나타낸 격벽(7, 8 및 9)은 로드에 의해서 제자리에 고정된다. 격벽(7)은 뜨겁고, 즉 고온을 경험하고, 격벽(8)은 차갑다, 즉 저온을 경험한다. 중앙 파이프에 위치한 격벽(10)은 뜨거운 격벽이다. 또한, 격벽은 도 3에 나타낸 구체예 대로 위치될 수 있다.
가열 구역(3)을 한정하는 뜨거운(고온) 관 다발은 금속 더스팅에 내성인 재료로 만들어져야 한다. 이것은, 예를 들어 오스테나이트 니켈/크롬/철 합금과 같은 고합금, 예를 들어 Inconel
Figure 112005033647428-pat00001
일 수 있다. 격벽, 로드 및 관 다발이 놓일 통로를 한정하고 있는 벽도 또한 금속 더스팅에 내성이어야 한다. 가열 구역(2)을 한정하는 차가운(저온) 관 다발은 저합금강으로 만들어질 수 있으며, 대부분의 경우 격벽 및 로드도 또한 저합금 재료로 만들어질 수 있다. 도 3에 나타낸 대로 제 3의 관 다발이 존재한다면, 중앙/중간 다발의 관들은 저합금강으로 만들어질 수 있고 로드, 격벽 및 벽/채널은 Inconel
Figure 112005033647428-pat00002
로 만들어질 수 있다. 저합금강은, 예를 들어 페라이트 철, 크롬, 몰리브덴, 탄소강일 수 있다.
본 발명의 열교환기의 특징은 U-자형 관이 재료 표면이 금속 더스팅의 위험 을 제공할 만큼 충분히 뜨거울 때 금속 더스팅에 내성인 재료로 만들어진다는 것이다. U-자형 관이 차가운 구역에 놓일 때는 값싼 저합금강으로 만들어질 수 있다. 저합금강은 습한 증기 부식에 민감하지 않다. 제 1 유체가 증기일 때, 이것은 저합금강으로 된 U-자형 관으로 들어가고, 증기는 그것이 완전히 건조되기 전에는 고합금으로 된 U-자형 관과 접촉하지 않을 것이다.
본 발명의 열교환기는 금속 더스팅 및 응력 부식에 대한 증진된 내성으로 인해 열교환 성능에서 개선을 나타낸다.
열교환기가 유용한 전형적인 공정은 하기 설명된 증기 개질 공정이다.
뜨거운 유출물, 예를 들어 개질 반응기로부터의 합성 가스와 같은 일산화탄소를 함유하는 개질된 가스가 폐열 보일러까지 지나가며, 이 때 유출물의 온도는 증기 드럼으로부터 공급된 증기를 사용하여, 예를 들어 1050℃에서 475℃까지 감소된다. 그 후, 냉각된 유출물은 본 발명의 열교환기로 보내지며, 이 때 온도는 증기와의 열교환에 의해 360℃까지 더 감소된다. 열교환기는 증기과열기로서 작용한다. 사용된 증기는 증기 드럼으로부터 공급될 수 있으며, 이로써 예를 들어 320℃의 온도에서 400℃까지 가열된다.
본 발명의 열교환기는 금속 더스팅 및 응력 부식에 대한 증진된 내성으로 인해 열교환 성능에서 개선을 나타낸다.

Claims (10)

  1. 제 1 유체와의 간접 열교환에 의한 제 2 유체의 연속적인 냉각에 있어서 상기 제 1 유체는 증기이며,
    - 적어도 제 1 가열 구역 및 제 2 가열 구역을 각각 한정하고 있는 적어도 2개의 중심이 동일한 U-자형 관 다발로 제 1 유체를 연속적으로 도입하는 단계,
    - U-자형 관 다발의 동체면 위로 제 2 유체를 도입하는 단계로서, 동류 및 역류 모두가 제 1 유체를 향해 흐름에 있어, 각 가열 구역은 벽에 의해 서로 부분적으로 분리되며, 제 1 가열 구역은 더 차가운 구역이고 제 2 가열 구역은 더 뜨거운 구역이며, 더 차가운 제 1 가열 구역의 관 다발은 저합금강으로 만들어지고 더 뜨거운 제 2 가열 구역의 관 다발은 내온 및 내부식성 합금으로 만들어지며, 상기 증기는 건조되기 전에 내온 및 내부식성 합금으로 만들어진 상기 U-자형 관 다발로 유입되어 접촉되지 않으며,
    - 냉각된 제 2 유체 및 가열된 제 1 유체를 회수하는 단계로서, 상기 제 1 유체는 과열된 증기인 것
    을 포함하는 열교환 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 유체는 개질된 가스인 것을 특징으로 하는 열교환 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 내온 및 내부식성 합금은 오스테나이트 니켈, 크롬 및 철 합금인 것을 특징으로 하는 열교환 방법.
  4. 제 1 및 제 2 유체 사이의 열 전달을 허용하기 위한 열교환 표면이 확보되는 복수개의 U-자형 관들을 포함하며, 이 U-자형 관들은 적어도 2개의 연속하는 중심이 동일한 관 다발 내에 배열되고, 관 다발은 적어도 제 1 및 제 2 가열 구역을 각각 한정하고, 각 가열 구역은 제 2 유체가 역류 또는 동류 모두로서 제 1 유체를 향해 흐르는 교차적인 단부 또는 중앙부의 개구부가 있는 벽에 의해 서로 부분적으로 분리되며, 제 1 가열 구역은 더 차가운 구역이고, 제 2 가열 구역은 더 뜨거운 구역이며, 더 차가운 제 1 가열 구역의 관 다발은 저합금강으로 만들어지고, 더 뜨거운 제 2 가열 구역의 관 다발은 내온 및 내부식성 합금으로 만들어진 제 1 항의 방법에서 사용하기 위한 열교환기.
  5. 제 4 항에 있어서, 열교환기는 3개의 관 다발을 가지며, 제 3의 다발은 제 1 및 제 2 다발 사이의 중앙에 위치된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제 4 항에 있어서, 내온 및 내부식성 합금은 오스테나이트 니켈, 크롬 및 철 합금인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제 4 항에 있어서, 열교환기는 원반 및 도넛 형태의 격벽을 가진 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제 5 항에 있어서, 중앙에 위치한 제 3 다발의 관들은 저합금강으로 만들어지고, 이 중앙 다발의 격벽과 격벽을 제자리에 고정하는 로드 그리고 벽은 내온 및 내부식성 합금으로 만들어진 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제 4 항에 있어서, 가열 구역들을 분리하고 있는 벽은 금속으로 만들어지며, 이 벽에 있는 개구들을 통해 통과함으로써 제 2 유체의 흐름이 몇 개의 스트림으로 나눠지도록 위치된 것을 특징으로 하는 열교환기.
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