KR101228392B1 - 연료의 연소 및 공정 유체의 가열을 위한 다중튜브형 열전달 시스템 및 그 용도 - Google Patents

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Abstract

연료 연소 및 연료 연소로부터 방출되는 열의 공정 유체로의 전달을 위한 4-튜브 가열 시스템. 가열 시스템은 연료 도입 영역, 연소 영역, 옥시던트 도입 영역, 및 공정 유체 영역을 포함하며, 연료 도입 영역은 연료 도입 수단의 외부에서 연료 도입 수단을 둘러싸는 반응 튜브에 의해 한정되는 연소 영역으로 연료를 도입하기 위한 연료 도입 수단에 의해 한정되고, 옥시던트 도입 영역은 반응 튜브의 외부에서 반응 튜브를 둘러싸는 옥시던트 도입 튜브에 의해 한정되며, 공정 유체 영역은 옥시던트 튜브 외부에서 옥시던트 튜브를 둘러싸는 공정 튜브에 의해 한정된다.

Description

연료의 연소 및 공정 유체의 가열을 위한 다중튜브형 열 전달 시스템 및 그 용도{A MULTI-TUBE HEAT TRANSFER SYSTEM FOR THE COMBUSTION OF A FUEL AND HEATING OF A PROCESS FLUID AND THE USE THEREOF}
본 발명은 연료의 연소 및 공정 유체의 가열을 위한 열 전달 시스템에 관한 것이다. 또 다른 양태에서는, 본 발명은 공정에 사용될 공정 유체를 직접 가열하는 연료의 무화염 연소를 위한 열 전달 시스템의 용도에 관한 것이다.
미국특허 제 4,692,306 호는 연소기 챔버를 둘러싸는 대류 챔버를 둘러싸는 환상 반응 챔버를 포함하는 동심 튜브형 촉매 반응 장치를 개시한다. 연소기 챔버내에는, 반응 챔버로의 전달을 위해 열을 방출하기 위한 방출 열원을 제공하는 연소기 조립체가 있다.
제 EP 0 450 872 B1 호는 여러 타입의 반응 장치를 개시하며, 이 반응 장치들 중 하나는 길이부를 따라 이격되어 있는 구멍을 갖는 연료 튜브를 둘러싸는 연소 튜브를 포함한다. 연료는 연료 튜브 및 연료 튜브의 구멍을 통해 연료 튜브와 연소 튜브 사이의 환형부 (annulus) 로 공급되며, 연료는 연소 튜브를 둘러싸는 촉매층을 가열하는데 사용되는 열을 방출하기 위해 공기와 혼합되어 발화한다.
미국특허 제 5,255,742 호는 무화염 연소 장치를 사용하여 지하층 (subterranean formation) 을 가열하는 방법을 개시한다. 상기 장치는 복수의 오리피스를 포함하는 연료 가스 도관을 포함한다. 연료 가스 도관은 연소 공기 도관 내로 집중되어, 연료 가스 도관과 연소 공기 도관 사이에 제 1 환형부를 형성한다. 오리피스는 연료 가스 도관과 제 1 환형부 사이에 유체 연통을 제공한다. 연소 공기 도관은 웰보 (wellbore) 케이스 내에 집중되어, 연소 공기 도관과 웰보 케이스 사이에 제 2 환형부를 형성한다. 연료 가스는 연료 가스 도관의 오리피스를 통해 제 1 환형부로 도입되어, 공기와 혼합되고 제 1 환형부 내에서 연소한다. 연소 공기 도관에 의해 형성된 제 1 환형부는 연소 공기 도관과 웰보 케이스 사이의 제 2 환형부와 유체 연통한다. 이 유체 연통은 제 2 환형부에 도입되어 제 2 환형부의 표면까지 이동할 연소 가스를 위한 유동 경로를 제공하여, 지하층에 전달되는 열을 제공한다.
미국공보 제 2003/0182858 호는 무화염 분포형 연소 장치를 이용하여 공정 유체에 제어된 열을 제공하는 방법을 개시한다. 상기 장치는 길이부를 따라 분포되는 복수의 연료 노즐을 포함하는 연료 도관 및 주위의 산화 챔버를 포함한다. 연료 도관을 둘러싸는 도관이 산화 챔버를 형성한다. 상기 장치는 산화 챔버를 둘러싸는 공정 챔버를 더 포함한다. 연료 노즐은 연료 도관 내로부터 산화 챔버까지 연통을 제공하며, 산화 챔버에서는 옥시던트와 연료가 혼합되고, 연료가 연소한다. 연소로부터 방출된 열은 공정 챔버에 전달된다.
본 발명의 목적은 연료의 연소 및 연소로부터 방출되는 열을 공정 유체로 직접 전달하는 단계를 제공하는 것이다.
따라서, 연료 도입 영역, 연소 영역, 옥시던트 도입 영역, 및 공정 유체 영역을 동심 관계로 포함하는 공정 시스템이 제공되며, 상기 연료 도입 영역은 연료 도입 수단 외부에서 연료 도입 수단을 둘러싸는 반응 튜브에 의해 한정되는 상기 연소 영역으로 연료를 도입하기 위한 연료 도입 수단에 의해 한정되고, 상기 옥시던트 도입 영역은 상기 반응 튜브 외부에서 반응 튜브를 둘러싸는 옥시던트 튜브에 의해 한정되며, 상기 공정 유체 영역은 상기 옥시던트 튜브 외부에서 옥시던트 튜브를 둘러싸는 공정 튜브에 의해 한정된다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 연료 도입 영역을 한정하는 연료 튜브 길이부 및 연료 튜브 벽을 가지는 연료 튜브로서, 연료를 상기 연료 도입 영역으로 도입하기 위한 연료 입구 단부 및 말단부를 포함하며, 상기 연료 튜브 길이부를 따라 상기 튜브 벽에 복수의 이격된 구멍이 있는 연료 튜브; 반응 튜브 길이부를 가지며 상기 연료 튜브의 외부에 위치되어 연료 튜브를 둘러쌈으로써 상기 연료 튜브 길이부를 따라 연소 영역을 한정하는 반응 튜브로서, 예열된 옥시던트를 상기 연소 영역에 수용하기 위한 반응 튜브 입구 단부 및 상기 연소 영역으로부터 연소 배기가스를 배출하기 위한 배출 단부를 구비하며, 상기 복수의 이격된 구멍이 상기 연료 도입 영역과 상기 연소 영역 사이에 유체 연통을 제공하는 반응 튜브; 옥시던트 도입 튜브 길이부를 가지며 상기 반응 튜브 외부에 위치되어 반응 튜브를 둘러쌈으로써 상기 반응 튜브 길이부를 따라 옥시던트 도입 영역을 한정하는 옥시던트 도입 튜브로서, 상기 옥시던트 도입 영역에 옥시던트를 도입하기 위한 옥시던트 도입 튜브 입구 단부 및 상기 반응 튜브 입구 단부와 유체 연통상태에 있는 상기 옥시던트 도입 튜브 출구 단부를 통해 상기 옥시던트 도입 영역으로부터 상기 연소 영역으로 상기 예열된 옥시던트를 배출하기 위한 옥시던트 도입 튜브 출구 단부를 구비하며, 상기 옥시던트 도입 영역은 상기 연소 영역과 열 교환 관계에 있는 옥시던트 도입 튜브; 및 상기 옥시던트 도입 튜브 외측에 위치되어 옥시던트 도입 튜브를 둘러쌈으로써 상기 옥시던트 도입 튜브를 따라 공정 유체 영역을 한정하는 공정 튜브로서, 상기 공정 유체 영역으로 공정 유체를 도입시키기 위한 공정 유체 입구 단부 및 상기 공정 유체 영역으로부터 가열된 공정 유체를 배출하기 위한 공정 유체 출구 단부를 구비하며, 상기 공정 유체 영역은 상기 연소 영역과 열 교환 관계에 있는 공정 튜브를 포함하는 공정 시스템을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는, 연료 도입 영역을 한정하는 연료 튜브 길이부 및 연료 튜브 벽을 가지는 연료 튜브로서, 연료를 상기 연료 도입 영역으로 도입하기 위한 연료 입구 단부 및 말단부를 포함하며, 상기 길이부를 따라 상기 튜브 벽에 복수의 이격된 구멍이 있는 연료 튜브에 연료를 도입시키는 단계; 반응 튜브 길이부를 가지며 상기 연료 튜브의 외부에 위치되어 연료 튜브를 둘러쌈으로써 상기 연료 튜브 길이부를 따라 연소 영역을 한정하는 반응 튜브로서, 예열된 옥시던트를 상기 연소 영역에 수용하기 위한 반응 튜브 입구 단부 및 상기 연소 영역으로부터 연소 배기가스를 배출하기 위한 배출 단부를 구비하며, 상기 복수의 이격된 구멍이 상기 연료 도입 영역과 상기 연소 영역 사이에 유체 연통을 제공하는 반응 튜브에 예열된 옥시던트를 도입하는 단계; 옥시던트 도입 튜브 길이부를 가지며 상기 반응 튜브 외부에 위치되어 반응 튜브를 둘러쌈으로써 상기 반응 튜브 길이부를 따라 옥시던트 도입 영역을 한정하는 옥시던트 도입 튜브로서, 상기 옥시던트 도입 영역에 옥시던트를 도입하기 위한 옥시던트 도입 튜브 입구 단부 및 상기 반응 튜브 입구 단부와 유체 연통상태에 있는 상기 옥시던트 도입 튜브 출구 단부를 통해 상기 옥시던트 도입 영역으로부터 상기 연소 영역으로 상기 예열된 옥시던트를 배출하기 위한 옥시던트 도입 튜브 출구 단부를 구비하며, 상기 옥시던트 도입 영역은 상기 연소 영역과 열 교환 관계에 있는 옥시던트 도입 튜브에 옥시던트를 도입하는 단계; 상기 옥시던트 도입 튜브 외측에 위치되어 옥시던트 도입 튜브를 둘러쌈으로써 상기 옥시던트 도입 튜브를 따라 공정 유체 영역을 한정하는 공정 튜브로서, 상기 공정 유체 영역으로 공정 유체를 도입시키기 위한 공정 유체 입구 단부 및 상기 공정 유체 영역으로부터 가열된 공정 유체를 배출하기 위한 공정 유체 출구 단부를 구비하며, 상기 공정 유체 영역은 상기 연소 영역과 열 교환 관계에 있는 공정 튜브에 공정 유체를 도입하는 단계; 상기 공정 유체 영역으로부터 상기 가열된 공정 유체를 배출하는 단계; 및 상기 연소 영역으로부터 상기 연소 배기가스를 배출하는 단계를 포함하는 방법을 포함한다.
도 1 은 연료의 연소 및 공정 유체의 가열을 위한 열 전달 시스템의 요소들의 단면도이다.
도 2 는 연료의 연소 및 공정 유체의 가열을 위한 열 전달 시스템의 실시예의 단면도이다.
본 발명은 연료의 연소, 바람직하게는 무화염 연소에 의해 방출되는 열 에너지를 공정 유체에 직접 전달하는데 사용될 수 있는 열 전달 시스템 또는 장치를 제공한다. 열 전달 시스템은 많은 가능한 용도 및 적용성을 갖지만, 특히 본 원에 상세하게 설명하고 있는 것과 같은 직접 가열 시스템의 용도는 스티렌 생성물을 얻기 위한 에틸벤젠의 탈수소를 위한 공정 등과 같은 흡열 탈수소 공정에 특히 바람직할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 직접 가열 시스템은 연료 튜브를 따라 연료가 균일하게 연소되도록, 연료 튜브를 통한 연소 영역으로의 제어된 연료 도입률을 제공할 수 있다. 이러한 균일한 연소는 연료 튜브를 따라 균일한 온도 프로파일을 제공할 수 있다. 이 연소는 연소 영역에 제어된 온도 프로파일을 제공할 수 있다. 실현될 수 있는 이점은 증기 사용량 감소, 더 많은 처리량으로 작동, 수율 및 선택성 증가, 코크 (coke) 발생 감소, 및 작동 압력 증가 (이들로 제한되는 것은 아님) 를 포함한다.
직접 가열 시스템은 공정 유체에 전달될 방출 열로 이른바 연료의 무화염 연소를 제공할 수도 있다. 연료의 무화염 연소와 관련되는 화염이 없기 때문에, 종래의 화염형 가열기에서 나타나는 것들과 같은 종래의 연소 및 열 전달 장치에서 관찰되는 화염 온도에 비해 비교적 낮은 온도로 산화 반응 (즉, 무화염 연소) 이 일어난다. 연료의 무화염 산화 온도는 연소되는 연료에 따라 변할 수 있지만, 전형적으로 1650℃ 를 초과할 수 있는 종래의 연료 연소에서 관찰되는 화염 온도와는 대조적으로, 전형적으로 약 600℃ ~ 약 1100℃ 또는 약 750℃ ~ 약 1050℃ 의 범위에 있을 수 있다.
본 발명의 직접 가열 시스템은 종래의 가열 시스템의 열 전달 효율을 초과하는 열 전달 효율을 제공하도록, 가열될 공정 스트림에 열 전달을 제공할 수도 있다. 본 발명의 특징 중 한가지는, 공정 유체가 연료 연소가 일어나는 반응 튜브의 외면과 밀폐 관계에 있는 공정 스트림의 직접 가열을 제공한다는 것이다. 반응 튜브를 둘러싸는 옥시던트 도입 튜브를 둘러싸서 공정 유체 영역을 제공하는 공정 슬리브, 도관, 또는 튜브에 공정 스트림이 포함된다. 공정 유체 영역은 옥시던트 도입 튜브를 둘러싸는 공정 튜브로 형성되는 공정 환형부일 수 있다. 반응 튜브면 또는 옥시던트 도입 튜브면의 열 방출에 대해 제 2 열 방출면을 제공하는 공정 슬리브를 이용하여 대류 및 복사 열 전달을 모두 제공함으로써, 공정 유체로의 열 전달이 최대화된다.
도 1 에는 열 전달 시스템 (10) 의 요소들의 단면도가 도시되어 있다. 열 전달 시스템 (10) 은 연료 또는 연료 도입 튜브 (12), 연료 도입 튜브 (12) 외부에서 연료 도입 튜브를 둘러싸는 반응 튜브 (14), 반응 튜브 (14) 외부에서 반응 튜브를 둘러싸는 옥시던트 또는 옥시던트 도입 튜브 (16), 및 옥시던트 도입 튜브 (16) 외부에서 옥시던트 도입 튜브를 둘러싸는 공정 튜브 (18) 를 포함하는 4-튜브 시스템이다. 4-튜브 시스템의 튜브들은 도관을 제공하는 어떤 적당한 형상을 가질 수 있다. 전형적인 실시예에서, 열 전달 시스템 (10) 의 튜브들은 상업적으로 이용가능한 어떤 적당한 파이프 스톡 또는 정사각형이나 직사각형의 튜브 스톡으로 구성될 수 있다. 예컨대, 튜브는 ANSI/ASME B36.10M 표준, 유럽 DIN 2448 표준, 또는 어떤 다른 표준에 따른 표준 파이프일 수 있다. 이러한 적당한 표준 파이프의 비제한적인 예는, 연료 도입 튜브 (12) 용으로 사용될 수 있는 ANSI/ASME B36.10M 표준에서 규정하는 3/4in 의 스케쥴 40 파이프 (DIN 2448 표준에서 규정하는 DIN 20), 반응 튜브 (14) 로 사용될 수 있는 ANSI/ASME B36.10M 표준에서 규정하는 3.5in 의 스케쥴 40 파이프 (DIN 2448 표준에서 규정하는 DN 90), 및 옥시던트 튜브 (16) 로 사용될 수 있는 ANSI/ASME B36.10M 표준에서 규정하는 5in 의 스케쥴 40 파이프 (DIN 2448 표준에서 규정하는 DN 125) 를 포함한다. 공정 튜브 (18) 는 옥시던트 튜브 (16) 를 둘러싸는 공정 슬리브의 역할을 하는 파이프일 수 있으며, 또는 쉘 (shell) (비도시) 이 연료 튜브 (12), 반응 튜브 (14), 및 옥시던트 튜브 (16) 인 복수의 세 개의 튜브를 조합한 조립체 또는 번들 (bundle) 을 둘러싸는데 사용될 수 있다.
상기의 표준 파이프를 예로서 나타내고 있지만, 스케쥴 80 및 더 높거나 낮은 스케쥴의 파이프를 포함하는 어떤 적당한 파이프를 열 전달 시스템 (10) 의 튜브로 사용할 수 있다. 적절하게 사용될 수 있는 파이프의 크기는 13mm(1/2in) ~ 300mm(12in) 이며, 번들의 경우, 공정 쉘은 305cm(10ft), 460cm(15ft), 610cm(20ft), 또는 그 이상의 직경을 가질 수 있다.
연료 튜브 (12) 는 연료 입구 단부 (20) 로부터 그 말단부 (22) 에 이르는 연료 튜브 길이부를 가지며, 연료 튜브 (12) 는 연료 튜브 벽 (24) 을 더 구비한다. 연료 튜브 벽 (24) 과 연료 튜브 길이부는 연료 튜브 (12) 의 연료 튜브 길이부의 적어도 일부를 통해 이어지는 연료 도입 영역 (26) 을 한정한다. 연 료 튜브 (12) 는 연소 영역 (30) 에 연료를 도입시키기 위한 수단을 더 제공한다. 연료는 연료 도입 영역 (26) 으로 연료를 도입하기 위한 수단을 제공하는 연료 입구 단부 (20) 를 통해 연료 도입 영역 (26) 으로 도입된다. 연소 영역 (30) 은 연료 튜브 (12) 와 반응 튜브 (14) 사이에 형성되며, 연료 튜브 (12) 외부에 위치되고 연료 튜브를 둘러싸는 반응 튜브 (14) 에 의해 한정되는 도관이다. 연료 튜브 (12) 는 연료 튜브 벽 (24) 에 의해 한정되는 복수의 구멍 (32) 을 더 포함할 수 있다.
구멍 (32) 은 연료 튜브 (12) 의 길이부의 일부를 따라 축방향으로 이격되어 있으며, 연료 도입 영역 (26) 과 연소 영역 (30) 사이에 유체 연통을 제공한다. 열 전달 시스템 (10) 이 사용중일 때, 구멍 (32) 은 연료 도입 영역 (26) 내로부터 연소 영역 (30) 을 통해 지나가는 예열된 옥시던트에 도입될 연료용 도관을 제공하는 역할을 한다.
구멍의 이격, 배향, 및 크기는 연료 도입량이 연료 도입 영역 (26) 으로부터 연소 영역 (30) 으로 증가하도록, 그리고 예열된 옥시던트와 연료가 이러한 증가율로 신속하고 완전하게 혼합되도록 정해진다. 신속하고 완전한 혼합으로 인해, 예열된 옥시던트와 연료 사이의 산화 반응은 혼합율에 의해 제한되지 않는다. 따라서, 일반적으로는, 연료 튜브 (12) 에 의해 한정되는 연료 도입 영역 (26) 형상, 및 반응 튜브 (14) 에 의해 한정되는 연소 영역 (30) 형상에 의해, 원하는 신속함 및 완전함으로 두 유체를 혼합시키는 예열된 옥시던트 속도 및 연료 속도가 제공된다. 연료 도입 영역 (26) 형상은 연료 튜브 길이부, 연료 튜브 직경, 및 연료 튜브 (12) 의 구멍의 수, 이격, 배향, 및 크기와 같은 특징을 포함한다. 연소 영역 (30) 형상은 반응 튜브의 직경 및 길이와 같은 특징을 포함한다.
상기와 같이, 구멍 (32) 은 연료 튜브 (12) 의 길이부를 따라 축 방향으로 이격되어 있으며, 구멍 (32) 은 연료 튜브 (12) 의 길이부를 따라 상이하게 배향된 각각의 반경방향 평면에 위치될 수 있다. 예컨대, 구멍 (32) 의 위치는 연료 튜브 (12) 의 길이부를 따라 반경방향 평면에서 180°바뀔 수 있으며, 또는 120°, 또는 90°등으로 바뀔 수 있다. 그러므로, 연료 튜브 (12) 에서의 구멍의 위치는 반경방향 평면에서의 구멍의 배향이 연료 튜브 (12) 의 길이부를 따라 0°~ 360°또는 30°~ 180°로 바뀌도록 정해질 수 있다. 그러나, 구멍의 배향은 연료 튜브 (12) 의 길이부를 따라 약 60°~ 120°로 바뀌는 것이 바람직하다.
반응 튜브 (14) 는 반응 튜브 길이부를 가지며, 상기와 같이 연료 튜브 (12) 의 길이부를 따라 이어지는 연소 영역 (30) 을 한정하도록 연료 튜브 (12) 외부에 위치되어 연료 튜브를 둘러싼다. 반응 튜브 (14) 의 반응 튜브 길이부는 반응 튜브 입구 단부 (34) 로부터 배출 단부 (36) 까지 이어진다. 옥시던트 튜브 (16) 는 옥시던트 튜브 길이부를 구비하며, 반응 튜브 (14) 의 길이부를 따라 옥시던트 도입 영역 (40) 을 한정하도록 반응 튜브 (14) 의 외부에 위치되어 반응 튜브를 둘러싼다. 옥시던트 도입 영역 (40) 은 반응 튜브 (14) 와 옥시던트 튜브 (16) 사이에 형성되며, 반응 튜브 (14) 외부에 위치되어 반응 튜브를 둘러싸는 상기와 같이 위치되는 옥시던트 튜브 (16) 에 의해 한정되는 도관이다. 옥시던트 튜브 길이부는 옥시던트 도입 튜브 입구 단부 (42) 로부터 옥시던트 도입 튜브 출 구 단부 (44) 까지 이어진다.
열 전달 시스템 (10) 은 옥시던트 도입 영역 (40) 이 옥시던트 도입 영역 (40) 과 연소 영역 (30) 사이에 열 교환 관계를 제공하도록 구성되는 것이 특징이다. 열 전달 시스템 (10) 의 작동에서, 옥시던트는 옥시던트 도입 영역 (40) 으로의 옥시던트의 도입을 위한 수단을 제공하는 옥시던트 도입 튜브 입구 단부 (42) 를 통해 옥시던트 도입 영역 (40) 으로 도입된다. 옥시던트는 옥시던트 도입 영역 (40) 을 통해 지나가며, 연소 영역 (30) 으로부터의 열 전달에 의한 열 에너지를 흡수하여, 예열된 옥시던트를 제공한다. 구불구불한 화살표 (46) 는 연소 영역 (30) 으로부터 옥시던트 도입 영역 (40) 을 통해 지나가는 옥시던트로 열 에너지가 전달되는 것을 나타낸다. 예열된 옥시던트는 옥시던트 도입 튜브 출구 단부 (44) 를 통해 옥시던트 도입 영역 (40) 으로부터 배출되어, 반응 튜브 입구 단부 (34) 를 통해 연소 영역 (30) 으로 도입된다. 옥시던트 도입 튜브 출구 단부 (44) 는 예열된 옥시던트를 반응 튜브 입구 단부 (34) 와 유체 연통되어 있는 옥시던트 도입 튜브 출구 단부 (44) 를 통해 옥시던트 도입 영역 (40) 으로부터 연소 영역 (30) 으로 배출하기 위한 수단을 제공한다. 반응 튜브 입구 단부 (34) 는 예열된 옥시던트를 연소 영역 (30) 에 수용하기 위한 수단을 제공한다. 열 전달 시스템 (10) 에서 옥시던트 및/또는 연료를 예열함으로써, 주요 비용을 줄일 수 있다. 하나 이상의 분류로부터 열을 회수하거나, 열 전달 시스템 (10) 의 외부에 있는 하나 이상의 분류에 열을 제공하는데 필요할 수 있는 추가의 열 교환기가 더 낮은 비용의 재료를 사용하여 별도로 설계될 수 있거나, 또는 필요하지 않을 수 있다.
구멍 (32) 을 통해 연소 영역 (30) 으로 도입되는 연료의 증분과 예열된 옥시던트는 연소 영역 (30) 내에서 친밀하게 혼합되어 연소 혼합물을 형성한다. 나아가, 연소 영역 (30) 내에서, 연소 혼합물이 연소하여, 열이 방출된다. 연소 혼합물의 자동점화 온도를 초과하는 연소 혼합물 온도를 갖는 연소 혼합물을 형성하는 예열된 옥시던트의 혼합에 의해 연소 영역 (30) 내에서 연료의 무화염 연소가 달성된다. 이와 같이, 열 전달 시스템 (10) 은 연소 영역 (30) 과 옥시던트 도입 영역 (40) 사이의 열 교환 관계가 연소 혼합물의 자동점화 온도를 초과하는 전술한 연소 혼합물 온도를 제공할 만큼 충분히 높은 예열된 옥시던트 온도를 갖는 예열된 옥시던트를 제공하도록 구성된다.
일반적으로, 열 전달 시스템 (10) 의 작동에 사용될 연료가 선택되며, 이 연료를 포함하는 연소 혼합물의 자동점화 온도는 400℃(752℉) ~ 1500℃(2732℉), 또는 500℃(932℉) ~ 1400℃(2552℉) 이지만, 더 일반적으로는 600℃(1112℉) ~ 1350℃(2462℉), 및 가장 일반적으로는 700℃(1292℉) ~ 1300℃(2372℉) 이다.
옥시던트 및 연료가 열 전달 시스템 (10) 에 도입되는 온도는 대기 온도에 가까운 온도를 포함하는 넓은 범위의 온도일 수 있다. 옥시던트 및 연료가 열 전달 시스템으로 도입되기 이전에, 그들을 대기 온도 이상으로 가열할 수도 있다. 따라서, 옥시던트 도입 튜브 입구 단부 (42) 를 통해 열 전달 시스템 (10) 으로 도입될 옥시던트의 온도는 약 -30℃(-22℉) ~ 약 2000℃(3632℉), 약 -10℃(14℉) ~ 약 1200℃(2192℉), 또는 약 -10℃(14℉) ~ 약 400℃(752℉) 에 있을 수 있 다. 열 전달 시스템에 도입된 옥시던트의 온도는 -30℃ 이상, -20℃ 이상, -10℃ 이상, 또는 0℃ 이상일 수 있다. 열 전달 시스템에 도입된 옥시던트의 온도는 3000℃ 이하, 2000℃ 이하, 1200℃ 이하, 또는 1000℃ 이하일 수 있다. 어떤 실시예에서는, 옥시던트가 열 전달 시스템 (10) 의 옥시던트 도입 영역 단부 (40) 에 도입되기 이전에 옥시던트를 예열할 수 있다.
옥시던트 도입 영역 (40) 및 연료 도입 영역 (26) 의 형상은, 연소 혼합물의 연소시에 화염의 형성이 방지되는 속도로 예열된 옥시던트 및 연료가 연소 영역 (30) 으로 통과해 들어가도록 정해진다. 연소 배출 가스는 연소 영역 (30) 으로부터의 연소 배출 가스의 배출을 위한 수단을 제공하는 배출 단부 (36) 를 통해 연소 영역 (30) 에서 나간다.
공정 튜브 (18) 는 옥시던트 튜브 (16) 의 외부에 위치되어 옥시던트 튜브를 둘러싸서, 옥시던트 도입 튜브 (16) 의 길이부 중 적어도 일부를 따라 공정 유체 영역 (50) 을 한정한다. 공정 튜브 (18) 는 공정 유체 입구 단부 (52) 로부터 공정 유체 출구 단부 (54) 까지 이어지는 길이부를 갖는다. 공정 유체 입구 단부 (52) 는 공정 유체 영역 (50) 으로 공정 유체를 도입하기 위한 수단을 제공하며, 공정 유체 출구 단부 (54) 는 가열된 공정 유체를 공정 유체 영역 (50) 으로부터 배출하기 위한 수단을 제공한다.
공정 유체 영역 (50) 에 대한 독창적인 열 전달 시스템 (10) 의 양태는, 공정 유체 영역이 연소 영역 (30) 과 열 교환 관계에 있거나, 또는 공정 유체 영역 (50) 이 옥시던트 도입 영역 (40) 과 열 교환 관계에 있으므로 해서 연소 영역 (30) 과 열 교환 관계에 있도록 구성된다는 것이다. 이 열 교환 관계는 열 에너지가 공정 유체 영역 (50) 에 전달되게 하여, 공정 유체 영역 (50) 을 지나는 공정 유체를 가열한다. 구불구불한 화살표 (46) 는 연소 영역 (30), 옥시던트 도입 영역 (40), 또는 연소 영역 (30) 과 옥시던트 도입 영역 (40) 모두에서 공정 유체 영역 (50) 을 통해 지나가는 공정 유체로 열 에너지가 흐르는 것을 나타낸다.
옥시던트 도입 튜브 출구 단부 (44) 에는 옥시던트 도입 영역 (40), 연소 영역 (30), 및 연료 도입 영역 (26) 으로부터 공정 유체 영역 (50) 을 유체에 대해 고립시키기 위한 수단을 제공하는 밀폐부 (56) 가 제공되어 있다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 연료 튜브 (12) 의 말단부 (22) 는 이 말단부가 고정되게 부착되는 밀폐부 (56) 까지 이어진다. 그러나, 이는 열 전달 시스템의 선택적인 특징이다. 연료 튜브 (12) 의 말단부 (22) 는 반응 튜브 (14) 에 의해 한정되는 연소 영역 (30) 내로부터 밀폐부 (56) 사이의 어떤 지점까지 이어져 그 지점에서 끝날 수 있다. 반응 튜브 입구 단부 (34) 는 옥시던트 도입 튜브 출구 단부 (44) 와 반응 튜브 입구 단부 (34) 사이에서 유체가 연통하도록, 밀폐부 (56) 로부터 떨어져 있는 지점에서 끝난다.
도 2 는 연료 튜브 (12) 의 말단부 (22) 가 밀폐부 (56) 까지 이어지지 않는 열 전달 시스템 (10) 의 실시예를 나타낸다. 도 2 에 있어서, 연료 튜브 (12) 의 말단부 (22) 는 옥시던트 도입 영역 (40) 내의 지점까지 이어져 그 지점에서 끝난다. 밀폐부 (56) 에 고정되지 않은 연료 튜브는 다른 어떤 튜브에도 해로운 기계적인 영향을 주는 일 없이, 열 팽창에 의해 팽창 및/또는 수축될 수 있을 것이 다. 게다가, 옥시던트 도입 튜브 (16) 는 연료 튜브에 해로운 기계적인 영향을 주는 일 없이, 열 팽창에 의해 팽창 및/또는 수축될 수 있을 것이다.
열 전달 시스템 (10) 은 본 원에 상세하게 기재된 4-튜브 가열 장치의 사용을 통해 공정 유체를 직접 가열하는 이점을 이용할 수 있는 어떤 용도로도 설계될 수 있다. 이러한 한가지 용도는 가열된 공정 유체가 탈수소 공정 조건하에서 탈수소 촉매와 접촉하여 탈수소 생성물을 산출하는 탈수소 공정의 공정 유체를 가열하는 것이다. 열 전달 시스템의 이점을 생산적으로 또는 적절하게 이용할 수 있는 다른 공정은 증기 개질 및 올레핀 열분해를 포함할 수 있다.
예컨대, 옥시던트 도입 영역 (40) 으로 도입되는 옥시던트의 온도, 공정 유체 영역 (50) 으로 도입되는 공정 유체의 온도, 가열된 공정 유체의 원하는 온도, 및 연료 도입 영역 (26) 으로 도입되는 연료의 조성을 포함하는 많은 요소가 열 전달 시스템 (10) 의 설계에 큰 영향을 줄 수 있다.
산소 또는 공기 등과 같은 옥시던트의 존재 하에서 연소가능한 어떤 적절한 연료를 열 전달 시스템 (10) 의 작동에 사용할 수 있다. 이러한 연료의 예는 수소 및 탄화수소를 포함한다. 연료로 사용될 수 있는 탄화수소는 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 프로핀, 부탄, 부틸렌, 및 부틴을 포함하는 한 개 내지 여섯 개의 탄소 원자를 갖는 탄화수소를 포함한다. 바람직한 연료는 수소, 메탄, 에탄, 및 이들의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택된 것을 포함한다. 코크의 형성을 방지 또는 억제하기 위해, 증기를 연료에 첨가할 수 있다.
열 전달 시스템 (10) 의 사용으로 가열될 공정 유체는 임의의 목적으로 가열 될 어떠한 공정 유체일 수도 있다. 그러나, 열 전달 시스템은 화학적 반응물 공급 원료인 공정 유체의 가열에 사용될 때 특히 바람직하다. 그리고, 구체적으로는, 본 발명의 열 전달 시스템은 특히 스티렌의 제조를 위한 에틸벤젠 탈수소 공정 등의 탈수소 공정에 적용된다. 이러한 적용에 있어서, 열 전달 시스템 (10) 의 이용으로 가열될 공정 유체는 에틸벤젠을 포함한다. 공정 유체는 증기를 더 포함할 수 있으며, 탈수소 반응기 공급원료의 다른 전형적인 구성요소 및 스티렌을 더 포함할 수 있다. 탈수소용에 대해, 공정 유체 입구 단부 (52) 를 통해 공정 유체 영역 (50) 에 도입되는 공정 유체의 온도는 전형적으로 260℃(500℉) ~ 704℃(1300℉), 더 전형적으로는 315℃(600℉) ~ 677℃(1250℉), 및 가장 전형적으로는 427℃(800℉) ~ 649℃(1200℉) 이다.
열 전달 시스템 (10) 의 사용으로 가열된 공정 유체의 전형적인 온도 증가는 10℃ ~ 500℃ 이지만, 더 적형적으로는 50℃ ~ 400℃ 이고, 가장 전형적으로는 100℃ ~ 350℃ 이다.
열 전달 시스템 (10) 의 적용의 일례는 에틸벤젠을 포함하는 탈수소 공정 공급원료를 가열하기 위한 용도이다. 이러한 적용에 있어서, 열 전달 시스템 (10) 의 복수의 개별 유닛들은 함께 모여서 번들을 형성할 수 있다. 번들의 열 전달 시스템 (10) 유닛 각각은 공급원료 유량을 약 800kg/hr(1800lbs/hr) ~ 약 1450kg/hr(3200lbs/hr) 에서, 도입된 공급원료의 온도는 약 500℃ ~ 600℃ 에서, 그리고 열 전달 시스템 (10) 에 의한 공급원료 온도의 증가는 약 50℃ ~ 약 150℃ 에서 처리하도록 설계될 수 있다. 이 설계에 대해서, 연료 튜브 (12) 는 약 4.5m(15ft) ~ 약 12.2m(40ft) 의 연료 튜브 길이부를 갖는다. 구멍 (32) 은 연료 튜브 (12) 의 전체 길이부를 따라 약 15cm(0.5ft) ~ 61cm(2ft) 의 거리로 이격되어 있어, 연료 튜브의 길이부를 따라 적게는 7 또는 8 개의 구멍 내지 많게는 80 개 이상의 구멍을 제공한다. 또한, 구멍은 0°, 120°, 및 240°의 배향으로 각각의 반경방향 평면에 각각 배향될 수 있다. 구멍 (32) 의 직경은 약 0.7mm(0.03in) ~ 5.1mm(0.2in) 일 수 있다. 바람직한 연료는 수소, 메탄, 에탄, 프로판, 및 이들의 혼합물로 구성되는 군 중에서 선택된 것들이다. 연료는 약 0.14m3/min(5scfm) ~ 약 1.1m3/min(40scfm) 의 연료 유량으로 연료 입구 단부 (20) 를 통해 연료 도입 영역 (26) 으로 도입된다. 바람직한 옥시던트는 약 0.4m3/min(15scfm) ~ 약 4.2m3/min(150scfm) 의 유량으로 옥시던트 도입 튜브 입구 단부 (42) 를 통해 옥시던트 도입 영역 (40) 으로 도입되는 공기이다.

Claims (12)

  1. 연료 도입 영역을 한정하는 연료 튜브 길이부 및 연료 튜브 벽을 가지는 연료 튜브로서, 연료를 상기 연료 도입 영역으로 도입하기 위한 연료 입구 단부 및 말단부를 포함하며, 상기 연료 튜브 길이부를 따라 상기 튜브 벽에 복수의 이격된 구멍이 있는 연료 튜브;
    반응 튜브 길이부를 가지며 상기 연료 튜브의 외부에 위치되어 연료 튜브를 둘러쌈으로써 상기 연료 튜브 길이부를 따라 연소 영역을 한정하는 반응 튜브로서, 예열된 옥시던트를 상기 연소 영역에 수용하기 위한 반응 튜브 입구 단부 및 상기 연소 영역으로부터 연소 배기가스를 배출하기 위한 배출 단부를 구비하며, 상기 복수의 이격된 구멍이 상기 연료 도입 영역과 상기 연소 영역 사이에 유체 연통을 제공하는 반응 튜브;
    옥시던트 도입 튜브 길이부를 가지며 상기 반응 튜브 외부에 위치되어 반응 튜브를 둘러쌈으로써 상기 반응 튜브 길이부를 따라 옥시던트 도입 영역을 한정하는 옥시던트 도입 튜브로서, 상기 옥시던트 도입 영역에 옥시던트를 도입하기 위한 옥시던트 도입 튜브 입구 단부 및 상기 반응 튜브 입구 단부와 유체 연통상태에 있는 상기 옥시던트 도입 튜브 출구 단부를 통해 상기 옥시던트 도입 영역으로부터 상기 연소 영역으로 상기 예열된 옥시던트를 배출하기 위한 옥시던트 도입 튜브 출구 단부를 구비하며, 상기 옥시던트 도입 영역은 상기 연소 영역과 열 교환 관계에 있는 옥시던트 도입 튜브; 및
    상기 옥시던트 도입 튜브 외측에 위치되어 옥시던트 도입 튜브를 둘러쌈으로써 상기 옥시던트 도입 튜브를 따라 공정 유체 영역을 한정하는 공정 튜브로서, 상기 공정 유체 영역으로 공정 유체를 도입시키기 위한 공정 유체 입구 단부 및 상기 공정 유체 영역으로부터 가열된 공정 유체를 배출하기 위한 공정 유체 출구 단부를 구비하며, 상기 공정 유체 영역은 상기 연소 영역과 열 교환 관계에 있는 공정 튜브를 포함하는 공정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 이격된 구멍들 중 상기 구멍은 상기 연료 튜브 길이부를 따라 이격되며, 상기 연료의 증분이 상기 연소 영역 내의 상기 예열된 옥시던트에 도입되도록 크기가 정해져, 상기 연료의 상기 증분이 상기 예열된 옥시던트와 혼합될 때, 혼합률에 의해 제한되지 않는 연소가 일어나도록 연소 혼합물이 형성되는 것을 특징으로 하는 공정 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 옥시던트 도입 영역과 상기 연소 영역 사이의 열 교환 관계는 상기 옥시던트의 가열을 제공하여 상기 예열된 옥시던트를 산출하는 것을 특징으로 하는 공정 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공정 유체 영역과 상기 연소 영역 사이의 상기 열 교환 관계는 상기 공정 유체의 가열을 제공하여 상기 가열된 공정 유체를 산출하는 것을 특징으로 하는 공정 시스템.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 옥시던트 도입 영역과 상기 연소 영역 사이의 열 교환 관계는, 상기 연소 혼합물이 상기 연소 혼합물의 자발화 온도를 초과하는 연소 혼합물 온도를 갖도록, 상기 예열된 옥시던트의 예열된 옥시던트 온도를 더 제공하는 것을 특징으로 하는 공정 시스템.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 옥시던트 도입 영역은 옥시던트 도입 영역 형상에 의해 더 특징 지워지고, 상기 연료 도입 영역은 연료 도입 형상에 의해 더 특징 지워지고, 상기 연료 도입 형상 및 상기 옥시던트 도입 영역 형상은 상기 연소 동안 화염의 형성을 방지하는 연료 속도 및 예열된 옥시던트 속도를 제공하도록 정해지는 것을 특징으로 하는 공정 시스템.
  7. 연료 도입 영역, 연소 영역, 옥시던트 도입 영역, 및 공정 유체 영역을 동심 관계로 포함하는 연료 연소 및 공정 유체의 직접 가열을 위한 4-튜브 직접 가열 시스템으로서,
    상기 연료 도입 영역은 연료 도입 수단 외부에서 연료 도입 수단을 둘러싸는 반응 튜브에 의해 한정되는 상기 연소 영역에 연료를 도입하기 위한 연료 도입 수단에 의해 한정되며, 상기 반응 튜브는 반응 튜브 길이부, 예열된 옥시던트를 상기 연소 영역에 수용하기 위한 반응 튜브 입구 단부, 및 상기 연소 영역으로 연소 배기가스를 배출하기 위한 배출 단부를 포함하고, 상기 옥시던트 도입 영역은 상기 반응 튜브 외부에서 반응 튜브를 둘러싸는 옥시던트 도입 튜브에 의해 한정되며, 상기 옥시던트 도입 튜브는 옥시던트 도입 튜브 길이부, 옥시던트를 상기 옥시던트 도입 영역에 도입하기 위한 옥시던트 도입 튜브 입구 단부, 및 상기 반응 튜브 입구 단부와 유체 연통 상태에 있는 상기 옥시던트 도입 튜브 출구 단부를 통해 상기 예열된 옥시던트를 상기 옥시던트 도입 영역으로부터 상기 연소 영역으로 배출시키기 위한 옥시던트 도입 튜브 출구 단부를 포함하며, 상기 옥시던트 도입 영역은 상기 연소 영역과 열 교환 관계에 있으며, 상기 공정 유체 영역은 상기 옥시던트 튜브 외부에서 옥시던트 튜브를 둘러싸는 공정 튜브에 의해 한정되는 4-튜브 직접 가열 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 도입 수단은 연료 튜브 길이부 및 연료 튜브 벽을 가지며 상기 연료 도입 영역을 한정하는 연료 튜브를 포함하고, 상기 연료 튜브는 상기 연료 도입 영역에 연료를 도입하기 위한 연료 입구 단부 및 말단부를 포함하며, 상기 연료 도입 영역과 상기 연소 영역 사이에 유체 연통을 제공하는 복수의 이격된 구멍이 상기 연료 튜브 길이부를 따라 상기 튜브 벽에 있는 것을 특징으로 하는 4-튜브 직접 가열 시스템.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 공정 튜브는 공정 유체를 상기 공정 유체 영역에 도입하기 위한 공정 유체 입구 단부 및 상기 공정 유체 영역으로부터 가열된 공정 유체를 배출하기 위한 공정 유체 출구 단부를 포함하며, 상기 공정 유체 영역은 상기 연소 영역과 열 교환 관계에 있는 것을 특징으로 하는 4-튜브 직접 가열 시스템.
  10. 연료 도입 영역을 한정하는 연료 튜브 길이부 및 연료 튜브 벽을 가지는 연료 튜브로서, 연료를 상기 연료 도입 영역으로 도입하기 위한 연료 입구 단부 및 말단부를 포함하며, 상기 길이부를 따라 상기 튜브 벽에 복수의 이격된 구멍이 있는 연료 튜브에 연료를 도입시키는 단계;
    반응 튜브 길이부를 가지며 상기 연료 튜브의 외부에 위치되어 연료 튜브를 둘러쌈으로써 상기 연료 튜브 길이부를 따라 연소 영역을 한정하는 반응 튜브로서, 예열된 옥시던트를 상기 연소 영역에 수용하기 위한 반응 튜브 입구 단부 및 상기 연소 영역으로부터 연소 배기가스를 배출하기 위한 배출 단부를 구비하며, 상기 복수의 이격된 구멍이 상기 연료 도입 영역과 상기 연소 영역 사이에 유체 연통을 제공하는 반응 튜브에 예열된 옥시던트를 도입하는 단계;
    옥시던트 도입 튜브 길이부를 가지며 상기 반응 튜브 외부에 위치되어 반응 튜브를 둘러쌈으로써 상기 반응 튜브 길이부를 따라 옥시던트 도입 영역을 한정하는 옥시던트 도입 튜브로서, 상기 옥시던트 도입 영역에 옥시던트를 도입하기 위한 옥시던트 도입 튜브 입구 단부 및 상기 반응 튜브 입구 단부와 유체 연통상태에 있는 상기 옥시던트 도입 튜브 출구 단부를 통해 상기 옥시던트 도입 영역으로부터 상기 연소 영역으로 상기 예열된 옥시던트를 배출하기 위한 옥시던트 도입 튜브 출구 단부를 구비하며, 상기 옥시던트 도입 영역은 상기 연소 영역과 열 교환 관계에 있는 옥시던트 도입 튜브에 옥시던트를 도입하는 단계;
    상기 옥시던트 도입 튜브 외측에 위치되어 옥시던트 도입 튜브를 둘러쌈으로써 상기 옥시던트 도입 튜브를 따라 공정 유체 영역을 한정하는 공정 튜브로서, 상기 공정 유체 영역으로 공정 유체를 도입시키기 위한 공정 유체 입구 단부 및 상기 공정 유체 영역으로부터 가열된 공정 유체를 배출하기 위한 공정 유체 출구 단부를 구비하며, 상기 공정 유체 영역은 상기 연소 영역과 열 교환 관계에 있는 공정 튜브에 공정 유체를 도입하는 단계;
    상기 공정 유체 영역으로부터 상기 가열된 공정 유체를 배출하는 단계; 및
    상기 연소 영역으로부터 상기 연소 배기가스를 배출하는 단계를 포함하는 방법.
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KR1020077023076A 2005-03-10 2006-03-09 연료의 연소 및 공정 유체의 가열을 위한 다중튜브형 열전달 시스템 및 그 용도 KR101228392B1 (ko)

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