KR101335479B1 - 파이프 - Google Patents

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KR101335479B1
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헤일리스월 테크놀로지스 리미티드
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Abstract

본 발명은 크래킹 로 안에서 열분해 튜브로서 사용될 수 있는 파이프에 관한 것이다. 튜브는 튜브 안에서 소용돌이 흐름을 생성하도록, 3차원으로 그 중심선이 굽은 적어도 일 영역을 갖도록 형성된다. 바람직하게, 상기 튜브는 나선으로서 형성되며, 보다 바람직하게 저폭 나선을 갖는다.
본 발명은 도한 저폭 나선 형태를 갖는 파이프를 사용하는 여러가지 다양한 실시예로 확장된다.
나선, 파이프, 열분해, 튜브

Description

파이프{Piping}
본 발명은 파이프에 관한 것으로, 보다 상세히 크래킹 로(cracking furnace)에서 사용하기 위한 파이프에 관한 것이다. 파이프는 특정한 형상을 가질 수 있다. 본 발명은 이러한 특정한 형상을 갖는 파이프를 다양하게 다른 용도로 사용하는 것을 또한 포함한다.
크래킹 로는 에틸렌의 생산에 특히 사용된다. 에틸렌용 증기 크래킹 처리 과정에서, 탄화수소물 공급원료가 증기와 희석되고, 그 후 로 안에서 튜브(일반적으로 "로 코일"로 불리움)를 통과함으로써 고온으로 빠르게 가열된다. 이러한 고온은 탄화수소물 공급 원료를 분해한다. 상기 열분해 튜브 안에서 열분해 반응으로부터 얻은 탄화수소물의 혼합물과 공급 원료의 반응되지 않은 성분을 함유하는, 배출 증기는 그 후 식혀져 상기 생성물의 재결합이 방지되도록 한다.
그 후 이와 같이 냉각된 증기는 일련의 증류 과정 및 다양한 생성물이 분리되도록 하는 크래킹 작업의 다양한 분리 작업들을 통하여 처리된다.
공지된 크래킹 로는 댜양한 문제들을 가지고 있다. 로 안에서 튜브를 통과하여 흐르는 증기와 공급 원료의 매우 낮은 잔존 시간(1초의 10분의 몇 초) 때문에, 로 및 튜브는 열분해를 달성하기 위하여 필요한 빠른 가열을 달성하기 위하여 매우 높은 온도로 유지되어야 한다. 따라서, 많은 양의 연료가 로를 가열하기 위하여 필요하다.
또한 튜브 안에서 튜브의 매우 높은 온도는 튜브 안쪽에서 코크스의 침전을 야기한다. 이와 같은 코크스화는 특히 바람직하지 않은데, 튜브의 내측면에 코크스층의 존재가 로로부터 공급 원료로의 열전달을 감소시키고, 이는 수율(yield)에 영향을 주기 때문이다. 이는 또한 비록 이와 같은 요소가 열전달에 따른 효과와 비교할 때 덜 중요한 것이기는 하나, 열분해 튜브 안에서의 압력 감소를 증가시킨다.
만일 코크스 침전이 매우 심각해진다면, (증기 클리닝 등과 같은 작업을 통하여) 튜브 안에서 코크스를 벗겨 내기 위하여, 주기적으로 로의 작업을 중단하는 것이 필요하다. 각각의 로는 매우 큰 자본 투자가 필요한 것이기 때문에, 그와 같은 중지 시간은 최소화하도록 유지되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 로를 통과하여 지나는 적어도 하나의 열분해 튜브를 구비한 크래킹 로가 제공되며, 이 때, 열분해 튜브는 그 중앙 라인의 적어도 일부가 3차원으로 굽어지도록 형성된다.
그 파이프 라인의 중심선이 3차원으로 굽은 파이프의 부분을 통하여 유체가 흐를 때 파이프를 따라 소용돌이(예를 들어, 그 운동의 성분이 파이프의 중심선의 주변에 위치된다. )가 생긴다. 이러한 '소용돌이 흐름'은 공지의 흐름에 비하여 여러가지 장점을 갖는다.
소용돌이 흐름에 있어서, 파이프의 단면 상에서 혼합이 향상된다. 추가로, 이와 같은 혼합의 결과로서, 파이프를 지나는 흐름의 속도 프로파일은 그것이 공지의 파이프에서 흐를 때보다 보다 균일(혹은 혼합)하고, 소용돌이치는 유체는 플런저로서 작용하도록 의도되어, 파이프 벽을 씻어낸다. 추가로, 파이프 벽 근처의 유체 속도는 직선 파이프에 비하여 증가되어 튜브 벽으로부터 파이프 내의 유체로 그 자체가 열전달을 증가시키는 감소된 경계 층이 형성된다.
로 안의 열분해 튜브에 적용되었을 때, 향상된 혼합은 특별한 관련을 갖는데, 이는 그것이 흐름의 중심 안에서 그리고 튜브 벽에서의 유체와 중심 안의 유체 사이에, 유체 안에 많은 질량, 모멘텀 및 열전달을 제공하기 때문이다. 따라서, 열분해 튜브의 벽으로부터 그안을 흐르는 공급 원료로 향상된 열 전달이 존재한다. 이러한 향상된 열전달은 최종적으로 달성되는 생성물의 매우 큰 수율을 허용하는데, 즉 보다 적은 연료 소비를 통하여 달성되는 것과 동일한 수율을 허용한다. 이러한 향상된 열 전달은 또한 효과적으로, 자주 일어나는 바와 같이, 열전달이 로의 용량에 대한 제한 인자가 되는 환경에서 로의 용량을 효율적으로 증가시킨다.
추가로, 소용돌이 유동은 코크스화를 줄일 수 있다. 상기에서 언급된 향상된 열전달은 열분해 반응이 보다 낮은 열분해 튜브 벽 온도에서 수행되도록 하고, 이와 같이 감소된 온도는 감소된 코크스화를 이끌 것이다. 추가로, 보다 높은 벽 근처 유동 속도는 코크스가 침전되는 가능성을 줄이고 (코크스는 소용돌이 흐름에 의하여 쓸려 내려가기 쉽기 때문에), 튜브의 벽 상에 침전되는 코크스를 제거하려 할 것이다. 코크스 침전의 감소가, 로가 코크스를 제거하는 것 이전에 사용될 수 있는 시간의 길이를 증가시키기 때문에, 그리고, 그 결과 로의 생산성을 향상시키기 때문에, 열분해 튜브 안에서의 소용돌이 흐름의 사용은 매우 중요하다.
바람직하게, 열분해 튜브의 내부 표면은 실질적으로 매끄러우며, 예를 들어 그와 같은 코팅으로 알려져 있는 저 저항 코팅으로 코팅되어져 있을 수 있다. 강선과 같은 표면 형상은 피하는 것이 바람작한데, 이는 증가된 길이의 젖은 주변부를 야형태고 결과적으로 그곳에 증가된 유동 저항을 갖도록 하기 때문이다. 강선이 제공되는 (직선 또는 단지 2차원으로만 굽은) 공지의 열분해 튜브가 공지되어 있으며 이는 튜브 내부 표면에 가까운 소용돌이 유동을 증가시킬 수 있다. 그러나, 이는 상대적으로 국부적인데, 벽 근처에서만 효과가 있으며, 만일 다른 교차 혼합이 있다면 그것이 매우 작은 중심에서 유동을 떠난다. 따라서, 본 발명의 향상된 열 전달 효과는 얻을 수 없다. 곧은 또는 2차원적인 곡선의 강선이 형성된 튜브에서 중심선은 대응적으로 곧거나 혹은 2차원 곡선을 따른다.
바람직한 형태로서, 열분해 튜브는 적어도 일부가 그 중심선이 복수의 회선을 갖는 나선으로 형성되도록 형성된다. 만일 튜브의 중심 라인이 복수의 회전을 갖는 (3차원으로 회전하는) 나선으로서 형성된다면, 그 때, 소용돌이 흐름은 튜브를 따라 계속될 것이며, 그 효과는 연속적으로 얻어질 것이다.
소용돌이 흐름은 그 중심선이 3차원으로 굽은 튜브 영역에서 빨리 얻어진다. 상기에서 언급한 소용돌이 흐름의 장점은 그 중심선이 짧은 거리 이상의 3 차원으로 굽은 열분해 튜브 부분에 의하여 달성되는 어떤 환경에서도 얻어질 수 있다. 그러나, 그 후 만일 튜브가 곧은 중심선을 갖는 일반 영역으로 되돌아 간다면, 소용돌이 유동은 사라지고 일반적인 유동이 생길 것이다. 따라서, 로를 관통하여 지나는 열분해 튜브의 대부분은 3차원으로 굽은 중심선을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 튜브의 길이의 50% 이상, 바람직하게는 75% 이상, 보다 바람직하게는 90% 이상 정도까지, 3차원으로 굽은 중심선을 로 안에서 가질 수 있다.
열분해 튜브는, 그 나선 각도가 일정하도록 형성될 수 있는데, 이는 열분해 튜브의 제조를 단순화시킨다는 관점으로부터 볼 때 바람직할 수 있다.
그러나, 열분해 튜브 부분의 길이를 따라 변화하는 곡선을 갖도록 하는 것도 또한 가능할 것이다. 예를 들어, 튜브 부분은 다수의 부분으로 나누어질 수 있고, 각각의 부분은 다른 나선형 곡률을 가질 수 있다. 변화하는 곡률은 바람직할 수 있는데, 이는 유동 조건이 튜브를 따라 변화될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 로를 들어가는 튜브 안에서의 유동 조건(공급 원료가 상대적으로 차갑고 균열이 발생하지 않음)이, 튜브가 로를 빠져 나오는 유동 조건(공급 원료가 균열되고 상대적으로 뜨거움)과 다르도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 곡률을 다르게 하는 것은 유동 조건이 변화하는 것을 허용한다.
곡률을 변화시키는 것은 또한 열분해 튜브 부분이 넓은 범위의 유동 조건을 지나 잘 형성되도록 한다. 유동 조건은, 예를 들어, 공급 원료의 형태에 따라, 서로 다른 밀도, 점성 등을 갖는 다른 형태로 변화할 수 있다. 최상의 가능한 결과를 달성하기 위하여 특정 세트의 유동 조건을 위한 튜브 부분의 특징을 최적화하는 것이 가능할 수 있다; 그러나, 만일 유동 조건이 그 특정 세트로부터 변화한다면, 튜브 부분은 차선적으로 형성할 수 있다. 이에 대비하여, 만일 곡률이 튜브 부분의 길이를 따라 변한다면, 이 때는 주어진 세트의 유동 조건에 대하여 그 중 어떠한 부분은 잘 수행하도록 (비록 다른 부분이 덜 잘 수행하더라도) 할 수 있을 것이며, 이는 그 튜브 부분이 유동 조건의 보다 넓은 범위를 따라 사용될 수 있도록 허용하여야 할 것이다. 열 분해 튜브의 단지 일부만이 굽어진 중심선을 갖도록 하는 것이 또한 가능할 것이다. 예를 들어, "U"자형 열분해 튜브는 직선 다리와 3 차원으로 굽어진 중심선을 갖는 하나의 다리를 가질 수 있다. 이 때, 두개의 다리는 2D 굽힘부에서 결합된다.
튜브 부분의 중심 선을 나선으로서 고려할 때, 만일 나선 각도와 나선 크기가 균일하면, 곡률이 균일하다. 만일 다른 말로 곡률이 변한다면, 이 때 나선 각도에서의 변화 및/또는 나선 크기에서의 변화가 달성될 수 있다.
물론, 튜브 부분의 다른 특성은, 곡률에 추가하여, 그 길이를 따라 변화할 수 있다. 이러한 특성은 일정하거나 혹은 변화할 수 있는 튜브 부분의 단면 영역과 그 단면 형태를 포함한다.
본 명세서에서 나선의 크기는 중심 위치로부터 측방향 가장지라까지의 거리의 정도를 말한다. 따라서, 나선 중심선을 갖는 열분해 튜브 부분의 경우에 있어서, 크기는 나선 중심선의 총 측방향 폭의 반이다.
나선 크기가 상대적으로 큰 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 크기는 튜브 부분의 내부 지름보다 클 수 있다. 그러나, 콤팩트함의 이유 때문에, 크기는 바람직하게는 튜브 부분의 내부 지름보다 같거나 또는 작다.
특히 바람직한 형태에서, 튜브 부분은 저폭 나선으로서 형성된다. "저폭 나선(low amplitude helix)"에 대하여, 여기에서는 그 부분의 중심선이 실질적으로 나선형 경로를 따르고, 나선의 크기가 그 부분의 내부 지름의 반보다 작거나 동일하도록 형성되는 것을 의미한다. 이러한 방식으로 저폭 나선으로서 형성되는 튜브는 특히 유용한데, 이는 직선 튜브 보다 훨씬 더 큰 부피를 차지하지 않고 소용돌이 유동의 이점을 제공하여 직선 튜브에 대신하여 사용될 수 있기 때문이다. 만일 튜브가 직선 튜브를 갖는 현존하는 로의 수리에 사용될 수 있다면, 직선 튜브가 저폭의 나선 튜브로 간단하게 교체될 수 있기 때문에 매우 유용할 것이다.
이와 같은 형태의 저폭의 나선 구조를 갖는 파이프는 크래킹 로에서의 열분해 튜브 뿐 아니라 많은 수의 적용례에서 사용될 수 있을 것이다. 이러한 다양한 사용 및 이점은 저폭의 나선 구조가 사용됨으로써 얻어질 수 있는데 이에 대하여는 후술한다.
본 발명의 바람직한 실시예가 예시로서 도면을 참조하여 서술되며, 이 때,
도 1은 종래 기술의 크래킹 로의 개략적인 단면도를 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 크래킹 로의 개략적인 단면도이고,
도 3은 저폭의 나선 형태를 갖는 소정 길이의 튜브의 도면이며,
도 4는 저폭의 나선 형태를 사용한 열분해 튜브의 집합체를 도시한 도면이고,
도 5a 및 5b는 저폭의 나선 형태의 대안적인 레이 아웃을 사용한 크래킹 로의 개략적인 단면도이다.
도 1에서 종래 기술의 크래킹 로는 도면 번호 10으로 지시된다. 버너(12)는 로를 가열하도록 로의 바닥부에 위치된다. 뜨거운 연소 생성물이 굴뚝(14)을 통하여 로를 떠나고, 이는 공급 원료 및 열분해 반응시 사용되는 증기를 예열하는데 사용될 수 있다.
열분해 튜브는 (참조 번호 20에서 지시되는 바와 같이) 그 베이스에서 로로 들어간다. 열분해 튜브는 로(참조 번호 22)를 통과하여 상측으로 연장하고, 그리고 튜브의 이 부분에서 열분해 반응이 일어난다. 튜브는 로를 빠져나오고(참조번호 24), 열분해 반응의 생성물 및 반응되지 않은 공급 원료를 식힘 장치로 운반한다.
튜브는 일반적으로 직선 파이프로 형성된다. 튜브에서의 굽힘부는 단순히 평면의 팔꿈치형 굽힘부이고, 여기에서의 파이프의 중심선은 단지 2차원적으로 굽어진다. 실제로, 로를 지나는 다수의 열분해 튜브가 있을 것이다; 그러나 명확화를 위하여 단지 하나의 단일 튜브만이 도시된다.
종래 배열체에서 열분해 튜브는 로 안에서 "U" 또는 "M" 또는 "W" 형태를 가지며, 이는 U 코일, M 코일 또는 W 코일로 알려져 있다. 모든 경우에 "U" 또는 "M" 또는 "W" 형태를 형성하는 굽힘부는 단일 평면에 위치한다.
도 2는 유사한 로를 도시하고 있는데, 도 1의 로에 대응되는 부분은 동일한 참조 번호를 갖는 것으로 한다. 다시, 명확화를 위하여 단지 하나의 튜브만이 도시된다.
이 때, 열분해 튜브(30)는 3차원으로 굽은 중심선을 갖도록 형성된다. 특히, 바닥으로부터 로의 상측으로 연장한 수직 축을 갖는 나선으로서 형성된다. (열분해 튜브의 나선은 측면에서 도시되기 때문에, 사인파 형태로 보인다.)
이는 개략적인 도면이며, 열분해 튜브는 도면에 도시된 것과 다른 여러가지 형태를 가질 수 있을 것이다.
열분해 튜브(30)는 3 차원으로 굽어진 중심선을 가지고 있도록 형성되기 때문에, 열분해 튜브에서의 공급 원료 및 증기의 혼합물은 열분해 튜브를 따라서 흐르는 동안 소용돌이칠 것이다. 이는 공급 원료 및 증기의 향상된 혼합을 야형태고 열분해 튜브의 벽으로부터 혼합물로의 열전달을 향상시킬 것이다. 따라서, 열분해 튜브의 벽은, 유동이 소용돌이치지 않는 경우보다 낮은 온도로 유지될 수 있으며, 이는 더 낮은 연료 소비를 허용한다. 이러한 낮은 벽 온도는 로 튜브의 수명을 또한 연장할 수 있으며, 어떠한 경우에는 보다 저렴한, 합금의 사용 및 사용되는 튜브 제조 기술을 허용할 것이다.
추가로, 더 낮은 열분해 튜브 벽 온도 및 증가된 벽근처 유동 속도는 모두 열분해 튜브의 벽에 침전되는 코크스의 양을 줄이고, 침전되는 코크스는 벽 근처에서 보다 빠른 유동의 결과로서 튜브의 벽으로부터 제거되기 쉬울 것이다.
코크스의 이러한 감소는 특히 유용한데, 이는 좋은 열전달 특성이 유지되는 것을 보장하기 때문이다. 이는 또한 코크스를 제거하기 위하여 로를 멈추어야 하는 필요성을 제거한다.
도 2에서 로로 들어가기 이전 튜브 영역은 직선으로 보여진다; 그러나 이 영역은 3차원으로 굽어진 중심선을 갖도록 형성될 수도 있으며, 이 영역은 그 길이 방향을 따라 나선일 수 있다.
도 2에서 열분해 튜브(30)의 나선 영역은 코일 스프링과 유사한 형상으로 도시된다. 그러나, 이는 열분해 튜브의 "외피(envelope)"를 비교적 넓게 만들고, 또한 뷰브의 길이(따라서, 잔존 시간)를 상당히 증가시킨다.
이러한 형상은 어떠한 환경에서는 바람직하지 않기 때문에, 저폭 나선으로 형성되는 나선형 영역이 바람직한데, 이 때 튜브는 그 중심선이 실질적으로 나선형 경로를 따르도록 형성되며, 그리고 나선의 크기가 튜브의 내부 지름의 절반과 동일하거나 또는 그보다 작도록 형성된다.
"나선의 크기"라는 용어는 이하 중심 위치로부터 측방향 단부까지의 중심선의 위치 크기를 나타내는 것으로 한다. 따라서, 크기는 나선 중심선의 총 측방향 폭의 절반이다.
이러한 형태의 저폭 나선 영역에서, 나선의 크기는 튜브의 내부 지름의 절반보다 작고, 튜브의 내강(lumem)을 따라 "시선(line of sight)"이 있다. 비록 시선에서의 유동이 잠재적으로 직선 경로를 따른다 하더라도, 일반적으로 소용돌이 요소를 갖는 것이 발견되었다.
나선 영역의 "상대적인 크기"는 내부 지름에 의하여 분할되는 크기로 규정된다. 나선 튜브의 크기는 튜브 내부 지름의 절반보다 작거나 혹은 같은데, 이는 상대 크기가 0.5보다 작거나 혹은 같은 것을 의미한다. 0.45. 0.40, 0.35, 0.30, 0.25, 0.20, 0.15, 0.10 또는 0.05와 같거나 또는 작은 상대 크기가 바람직할 수 있다. 보다 작은 상대 크기는 보다 나은 이용가능한 측방향 공간의 사용을 허용하 고, 이 때 튜브는 동일한 단면적을 갖는 일반적인 직선 튜브 보다 전체적으로 그다지 넓지 않다. 보다 작은 상대 크기는 또한 보다 넓은 "시선"을 제공하고, 이는 튜브를 따라 압력 게이지 혹은 (튜브를 청소할 때 유용하게 사용될 수 있는) 다른 장치를 삽입하기 위한 보다 넓은 공간을 제공한다. 그러나, 어떠한 환경에서는 매우 작은 상대 크기가 감소된 보조 동작 및 혼합을 야기할 수 있다.
보다 높은 레이놀즈 수를 가지면, 소용돌이 유동이 충분한 정도로 유발되는 동안 보다 작은 상대 크기가 사용될 수 있다. 이는 일반적으로, 높은 유량을 갖는 위치에서, 주어진 내부 지름에 대하여, 소용돌이 유동을 야형태기에 충분한 동안 낮은 상대 크기가 사용될 수 있다는 것을 의미한다.
나선의 각도 (또는 피치, 이 때, 피치는 나선의 1회전시 길이이고, 튜브의 내부 지름의 관점에서 정의될 수 있다)는 또한 유동에 상대적인 영향을 주는 요소이다. 상대 크기와 관련하여 볼 때, 나선 각도는 조건에 따라 최적화될 수 있다. 나선 각도는 바람직하게는 65°와 같거나 작고, 보다 바람직하게는, 55°, 45°, 35°, 25°, 20°, 15°, 10°또는 5°도보다 작거나 같은 것이 바람직하다.
일반적으로 말해서, 보다 높은 레이놀즈 수에 대하여, 나선 각도는 보다 작을 수 있고 그 동안 만족스러운 소용돌이 유동이 달성된다. 낮은 레이놀즈 수를 가지면 보다 높은 나선 각도가 만족스러운 소용돌이를 생성하기 위하여 필요할 것이다. 저폭 나선의 경우에, 보다 빠른 유동을 위하여 필요한 보다 높은 나선 각도(보다 높은 레이놀즈수를 갖음)의 사용은 일반적으로 바람직하지 않는데, 이는 벽 근처에서 정체된 유동이 국지적으로 발생하기 때문이다. 따라서, 주어진 레이놀즈수 (또는 레이놀즈 수의 범위)에 대하여, 나선 각도는 바람직하게는 만족스러운 소용돌이를 생성하는 것이 가능한 것보다 낮도록 선택될 것이다. 어떤 실시예에서, 나선 각도는 20°보다 작다. 저폭 나선 형태를 갖는 튜브의 길이가 도 3에 도시된다. 상기 튜브(100)는 원형 단면, 외부지름 DE, 내부 지름 DI, 및 벽두께 T를 갖는다. 튜브는 균일한 크기A(중심으로부터 가장자리까지 측정되었을 때), 균일한 피치P, 균일한 나선 각도 θ 및 스윕 폭 W로 감겨 있다. 튜브(1)는 가상적인 외피(120) 안에 형성되며, 상기 외피는 종방향으로 연장하고 나선의 스윕 폭W 과 동일한 폭을 갖는다. 외피(120)는 중앙의 길이 방향 축(130)을 갖는 것으로 간주될 수 있으며, 이 때 상기 축은 나선 회전의 축으로 언급될 수 있다.
도시된 튜브(1)는 직선 축(130)을 가진다, 그러나 이는 중심 축이 굽을 수 있거나, 혹은 필요에 따라 다양한 모양을 가질 수 있을 것이다. 튜브는 상기 중앙의 길이 방향 축(130)에 대하여 나선 경로를 따르는 중심선(140)을 갖는다.
크기A 는 튜브 내부 지름 DI 의 반보다 작다. 이 크기 아래로 크기를 유지함으로써, 튜브의 전체 길이 및 튜브에 의하여 차지되는 측방향 공간이 상대적으로 작게 유지될 수 있고, 그동안 동일한 시간에 튜브의 나선 형태는 튜브를 따르는 유동의 소용돌이 유동을 향상시킨다. 이는 또한 튜브를 따라 상대적으로 넓은 내강을 제공하고, 이는 장치, 장비 등이 튜브를 지나 통과할 수 있도록 허용한다.
도 4는 한 묶음의 열분해 튜브를 도시하는데, 이 모두는 저폭 나선 튜브로서 형성된다. 그동안 열분해가 발생하도록 허용하기 위하여 공급 원료로 충분한 열전 달이 일어나도록 하면서 낮은 잔존 시간 동안 보다 많은 출력을 제공하도록 하기 위하여, 실제로 열분해 튜브는 이와 같은 방식으로 묶음으로 형성되는 것을 확인할 수 있을 것이다.
도 4에 도시된 열분해 튜브는 U자형태이다. 각각의 튜브는 유입부(40), 및 유출부(42) 그리고, 2차원으로 굽어진 "U"자형 굽힘부(44)를 갖는다. 유입부(40)는 또한 2차원으로 굽어진 U 굽힘부(48)가 뒤따르는 짧은 영역의 직선 튜브(46)를 갖는다. 이는 그 하류에서 U 굽힙부(44)로 연결된 3차원으로 굽어진 부분(50) 안으로 공급된다. 제 2의 3차원으로 굽어진 부분(50)은 유동을 유출부(42)쪽으로 운반하고, 유출부는 "U" 굽힘 영역(52) 및 짧은 영역의 직선 튜브(54)를 갖는다. 2차원으로 굽어진 U 굽힘 영역 (48, 52) 및 U 굽힘부(44)는 제조 및 설치의 편의를 위하여 2차원으로 굽혀져 있으나, 이는 본질적인 것은 아니다.
도 1에서, 열분해 튜브는 바닥에서 로로 들어가고, 상부에서 나온다. 도 5a 및 도 5b는 열분해 튜브(30)의 대안적인 배열체의 개략적인 도면이다. 각각의 경우에, (도 3에 관련하여 설명한 바와 같이) 중심선(140)은 나선이다. 도 5a에서, 열전달 튜브는 로의 상부 쪽으로 돌어가고, 바닥쪽으로 하측방향으로 나오며, 굽어져 있으며, 로의 상단부로 연장하여 배출된다. 따라서, 튜브는 일반적으로 U자형태이다. 이러한 경우 도 3과 관련하여 설명된 나선 회전의 축(130)은 U자 형태이다.
도 5b에서, 로의 상부로 즉시 배출되기 보다 오히려, 튜브(30)는 또다른 하측 및 상측 루프를 만들고 로의 상부에서 배출된다. 따라서, 튜브는 일반적으로 W 자형태이다. 이러한 경우 도 3과 관련하여 설명한 나선 회전 축(130)은 W 자 형태 이다. 물론, 튜브의 특정한 배열은 특별한 요구에 따른 것이며, 열분해 튜브의 다른 형태 및, 로 안으로 들어가는 지점 및 로로부터 나오는 지점은 특별한 요구에 따라 사용될 수 있을 것이다.
저폭 나선 형태의 사용이 크래킹 로 안에서 열분해 튜브에 제한되는 것은 아니다. (길이에 따라서 변화할 수 있는 특성을 갖는) 저폭 나선 형태를 갖는 파이프는, 파이프를 통한 유체의 이동 혹은 전달, 파이프 안에서의 유체의 혼합, 파이프 내에서의 유체로 유출입하는 열 및 질량의 전달, 파이프 내에서 침전 및 오염이 발생하는 과정 및 화학 반응이 파이프 안에서 발생하는 과정을 포함하는 많은 처리과정에서 사용될 수 있다. 이러한 사용은 단일 상으로서 가스 또는 액체 중 어느 하나 혹은 가스, 액체 또는 다중 상 혼합물로서 기체, 액체 및 고체의 어떠한 조합 형태의 혼합물에서도 적용될 수 있을 것이다. 그와 같은 파이프의 사용은 충분한 경제적 효과를 가질 수 있다.
예시로서, 소용돌이 유동은 난류 내의 감소 및 관련된 압력 저하 감소를 제공할 수 있으며, 이는 적합한 조건 하에서 펌핑 비용을 감소할 수 있다.
이는 원유 및 가스 생산 처리과정을 포함하는, 파이프 라인을 통한 탄화수소물의 분배에 효과적일 수 있다. 예를 들어, 육상 및 근해 중 어느 하나에서의 사용을 위한 석유 생산 라이저(riser) 및 유동라인(flowline)은 저폭 나선 형태를 갖는 적어도 일부를 포함할 수 있다. 저폭 나선 형태는 라이저 혹은 유동라인 안에서 흐름의 동력을 증가시키고, 이는 유동 라인 또는 라이저를 통한 유동 난류를 감소하고 그 결과 압력 손실을 줄인다. 유동 라인 또는 라이저는 실질적으로 수직, 실질 적으로 수평, 또는 S자형, 또는 현수삭 형태를 포함하는 굽은 형태일 수 있다. 유동 라인 또는 라이저는 강성이거나 혹은 유연할 수 있으며, 또는 그 둘의 조합일 수도 있다. 유동 라인 또는 라이저는 재료들의 혼합으로부터 제작될 수 있으며, 또한 링을 강하게 하는 것을 포함할 수 있다.
유사하게, 오일, 가스, 물 또는 지열 우물 안에 사용하는 하방홀(downhole)을 위한 생산 튜브는 저폭 나선 형태를 사용할 수 있다. 우물의 적어도 일부가 저폭 나선 형태를 갖는 생산 튜브를 포함할 것이다. 그 장점은 유동 난류의 감소 및 감소된 압력 손실을 포함할 것이다. 추가로, 탄화수소물의 이송을 위한 파이프 라인이 저폭 나선 형태를 사용할 수 있으며, 감소된 유동 난류 및 감소된 압력 손실의 이익을 향유할 것이다. 물론, 음용수, 오수 및 하수와 같은 다른 유체 및, 슬러리, 파우더, 식품 혹은 음료 물품등의 이송을 위한 파이프 라인, 또는 단일 상 혹은 다중 상 유체를 위한 파이프 라인이 또한 저폭 나선 형태를 가질 수 있으며, 동일한 이익을 향유할 수 있을 것이다. 수력 발전을 위한 수로 및 드래프트 튜브의 환경 내에서, 감소된 압력 저하가 유익할 수 있다. 감소된 압력 손실은 증가된 전력 생성 출력을 이끌고, 또한 압력 손실의 작은 감소는 플랜트의 생명 이상으로 전력 출력에서의 매우 큰 증가를 야기할 수 있을 것이다.
감소된 압력 저하는 또한 전력 스테이션 및 다른 산업 플랜트로의 증기 분배시에 중요하다. (앞서 상세하게 설명한 바와 같은) 열분해에 의한 올레핀의 생산 및 에틸 벤젠으로부터 스티렌의 생성과 같은, 진공 하에서 작동되는 과정을 포함하는, 수율을 향상시키기 위하여 가능한 가장 낮은 수준에서 압력이 유지되어야 할 필요가 있는 화학 반응 작용에 있어서도 또한 중요하다.
파이프 안에서의 혼합은, 화학, 식품, 제약 물 및 오일 산업을 포함하는 많은 산업에서 중요하다. 종종 적은 양의 활성(active) 화학 물질이 균일하게 다른 많은 부피의 재료 안으로 분배되어야 하는 것은 중요하다. 어떠한 경우에 이는 도우징(dosing)으로 알려져 있다. 이러한 예는 다양한 재료 및 식품에 반산화제를 첨가하는 것이며, 또한 음용수에 염소 및 알칼리를 첨가하는 것이다. 저폭 나선은, 그것이 본질적으로 좋은 혼합을 전달하기 때문에, 원하는 목적을 달성하도록 충분한 농도를 보장하기 위하여 필요한 능동 화학 물질의 양을 줄일 수 있으며, 이는 허용되지 않는 높은 (또는 낮은) 첨가제의 농도가 국지적으로 부재하는 것을 보장할 수 있다.
혼합은 둘 또는 그 이상의 큰 흐름을 갖는 유체들이 함께 섞일 필요가 있는 위치에서 그들이 분리된 상태로 있지 않도록 보장하기 위하여 중요하다. 혼합은 또한 상기 유체들이 안정한 혼합 상태(원하지 않은 상 분리를 방지하기 위하여)를 유지하는 것이 바람직한 위치에서 보다 중요하다. 이는 가스의 분리가 파이프 라인의 용량을 감소시키고 작업 비용을 증가시키는 슬러깅을 생성하는, 원유 및 가스의 생산시 중요하다. 실제로, 석유 생산 라이저 및 유동 라인, 하향공(downhole) 사용을 위한 생산 튜브, 탄화수소물 및 다른 유체를 이송하기 위한 파이프 라인에서 저폭 나선 형태의 사용의 추가적인 주요 이점은 슬러그 유동의 감소이다. 향상된 상 혼합이 또한 파이프 라인에서 중요한데, 이는 혼합을 하게 되면, 파이프의 고 지점에 가스나 공기를 수집하여 둠으로써 에어 로크(airlock)를 유발하려 하기 보다 가스 나 공기가 유체 안에 유지되려고 하기 때문이다.
혼합은 또한 광물 추출 과정에서 파이프 라인에 의한 광물의 이송 또는 오수의 이송과 같은, 액체에 의한 고체의 이송에 있어서도 고체가 고착화하는 것을 방지하기 위하여 중요하다. (광물 및/또는 탄화수소물 침전의) 침전을 감소하는 것은 또한 석유 생산 라이저 및 유동 라인, 그리고 하향공 사용을 위한 생산 튜브를 위하여 중요하다. 침전의 감소는 또한 수력 발전 설비에서도 중요하다. 추가적으로, 석유 생산 라이저 및 유동 라인에서, 그리고 하방류 사용을 위한 생산 튜브에서, 향상된 혼합은 물이 이탈하는 위험을 감소시킨다.
예시로서, 화학적 도우징(dosing), 및 식품, 화학, 석유화학 및 약제 처리를 위한 정적 혼합기(static mixer)에 저폭 나선 형태가 사용될 수 있다. 그 이점은 증가된 크로스-믹싱,그리고 침전물 또는 침전에 의한 감소된 블로킹이다. 추가로, 상기에서 설명한 바와 같이, 저폭 나선 형태는 또한 감소된 혼합기 압력 손실을 줄 수 있다. 추가로, 저폭 나선 부분을 따라 "시선" 내강이 있기 때문에, 그리고 공지의 혼합기에서 공통적으로 발견되는 것처럼 배플 플레이트 또는 베인이 없기 때문에, 청소하기가 쉽다. 이와 같은 이점은 감소된 유지 및 보수 비용을 가져온다.
추가로 저폭 나선 형태를 사용하여 달성할 수 있는 향상된 혼합(특히 열적 혼합) 및 감소된 압력 손실은 특히 발전소, 냉각 콜드 박스, 공기 분리 콜드 박스 등에서의 열 교환기에서 유용하다.
저폭 나선 파이프는 또한 반응 전에 성분의 완전한 혼합을 달성하기 위하여 사용될 수 있다. 이는 반응이 보다 완벽하게 일어나고 재료들이 충분하게 사용되는 것을 보장한다. 전형적으로 이는 그들이 촉매를 지나기 전에 혼합 가스 혹은 액체 반응물을 수반한다. 그러나, 그들이 내연 기관으로 지나기 전에 연료 및 공기와 혼합하여 사용될 수 있다는 점이 특별하게 직시된다. 이는 내연 과정의 효율을 증가시키고 연소되지 않거나 혹은 부분적으로 연소된 연료 및 미세한 고체들이 대기로 배출되는 것을 감소시킨다. 이러한 개선점은 도로 수송에서 사용되는 내연 엔진의 하류에 위치하는 촉매 컨버터의 성능을 향상시켜 그 필요성을 감소시킨다.
저폭 나선 파이프는 파이프 내에서의 나선 유동을 보장하고 완곡한 속도 프로파일을 생성하기 때문에, 파이프 내에서의 유체로부터 그리고 유체로의 열전달의 비율 및 균일성이 향상될 수 있다. 보통의 유동에서, 파이프의 중심에서의 유체는 파이프의 벽 근처의 유체보다 매우 빠르게 이동하고, 만일 파이프가 가열된다면, 벽 근처의 유체는 파이프의 중심 근처의 유체보다 더 큰 정도로 가열될 것이다.
그러나, 소용돌이 유동이 완곡한 (그리고 그 결과 보다 균일한) 속도 프로파일을 가지게 되기 때문에, 유체의 부분들이 끝나고- 혹은 가열되지 않고, 이는 바람직하지 않은 효과를 야기할 것이다. 저폭 나선 파이프는 동일한 열이 내부와 외부 파이프 사이에서 더 낮은 온도 차이로 전달되도록 한다.
이는 특히 성분이 유체에 첨가되고 (가열과 같은) 어떠한 방식으로 처리되는 경우 유용하다. 혼합이 잘 이루어지지 않으면 빨리 운동하는 혼합물의 일부는 잘 처리되지 않을 것이며, 느리게 운동하는 혼합물의 일부는 과하게 처리될 것이다. 그러나, 저폭 나선 형태에 의하여 제공된 매우 좋은 혼합이 있는 경우, 이와 같은 경우가 피해질 수 있으며, 보다 균일한 처리가 달성된다. 이는 올레핀 크래킹 로, 정련 열 크래커 또는 비스브레이커스(visbrackers)를 위한 예열 로, 올레핀 플랜트 안에서의 이송 라인 교환기, 발전소의 열 교환기, 산업용 냉각 유닛을 위한 콜드 박스, 공기 분리 유닛 및 일반적인 냉각 유닛을 위한 콜드 박스와 같은 로에서 매우 경제적인 이득을 갖는다.
완곡한 속도 프로파일은 또한 수력 발전 설비에서 유용하다. 속도 프로파일이 보다 완곡한 경우 터빈은 보다 잘 작동하는 경향이 있다. 그래서 수력 발전 설비에서 저폭 나선 부분의 사용은 이와 같은 방식으로 효율을 증가시킬 수 있다. 수력 발전 설비의 구성에 있어서 소용돌이 유동의 추가적인 효과는 감소된 캐비테이션(cavitation) 및 감소된 파이프 스트레스를 포함한다.
추가로, 저폭 나선 파아프에 의하여 생성된 소용돌이 유동의 "플런저" 경향은 파이프의 내부 벽에 미립자 혹은 다른 고체 입자들의 침전이 열 전달에 대한 장벽을 형성하거나, 혹은 그를 통과하여 흐르는 유체를 오염시키거나, 또는 파이프를 통하여 유체의 유동을 감소시키는 것이 파이프 안에서 발생하는 경우에 매우 경제적인 이익을 가져다줄 수 있다. 그러한 미립자 혹은 다른 고체 입자들은 유체 안에 존재할 수 있으며, 또는 유체의 성분들 사이에서 화학적 반응에 의하여 생성될 수 있다.
저폭 나선 파이프의 사용은 파이프의 내부 벽에서 그러한 고체 침전을 매우 줄일 수 있을 것으로 기대되고, 따라서, 청소 전에 그 작동 수명을 연장하고, 필요한 열의 양을 줄이고, 그리고 더러워진 파이프와 비교할 때 압력 감소를 줄인다. 이러한 효과가 경제적으로 큰 예는 액체 파이프 라인 안에서 고체를 이송하는 것이며, 그리고, 또한 앞서 상세히 설명한 바와 같이 열분해에 의하여 올레핀을 생성하는 경우이다. 유사한 효과가 정제 과정을 위한 예열 로와 같은 다른 로 안에서 발생한다.
추가로, 완곡한 속도 프로파일 및 "플런저" 경향은 제약 및 식품 처리에서 공통적인, 일괄 처리과정의 내용 중에 매우 유용하다. 완곡한 속도 프로파일로 인하여, 배치(batch)의 축방향 흩어짐이 줄어들 수 있으며 공지의 배열체에서 보다 보다 빨리 최고 농축이 달성된다. 이러한 특징은 특히 배치 사이즈가 작다면 효과적이다. 추가적으로, "플런저 흐름"은 제 2 요소로 스위칭된 후 파이프 벽으로부터 제 1 요소의 트레이스를 제거하는 것을 돕는데, 이 때 제 2 요소는 배치 처리과정에서 오염의 기회를 줄인다. 시스템을 씻어내는데 필요한 시간은 씻어 내림을 수행하는데 필요한 유체의 양에 따라 적어도 감소될 수 있다.
저폭 나선 파이프를 사용하는 것은 또한 화학 반응이 파이프 혹은 튜브 안에서 일어나는 경우에 재료 경제적으로 뛰어날 수 있다. 향상된 혼합과 보다 균일한 열 전달이 혼합되면 (연소를 포함하는) 반응의 완벽성이 좋아지고 수율이 향상될 것이다. 향상된 수율은 또한 하류 분리 비용을 줄일 수 있다. 이것이 중요한 예시적인 처리 과정은 올레핀 생산 및 벤젠을 형성하도록 톨루엔을 크레킹하고, 부탄-1을 부타디엔으로 변환하는 것과 유사한 가스 상 반응이다. 그러한 반응은 공급 원료 각 분자에 대하여 생성물이 1 분자 이상 생성되는 것을 포함하고, 저폭 나선 파이프를 사용하는 것을 통하여 달성될 수 있는 그 하류 파이프 작업과 반응기 안에 서의 보다 낮은 압력 감소가 보다 낮은 평균 압력으로부터 추가적인 이익을 제공하는데, 왜냐하면, 공급 원료 또는 다른 원하지 않은 부산물을 형성하도록 재결합하는 생성물 분자의 가능성을 줄일 것이기 때문이다. 추가적으로 화학, 석유, 및 제약 적용을 위한 반응기에서의 저폭 나선 형태의 사용은 반응기 튜브 안에서의 감소된 침전을 야기할 수 있고, 이는 석유 화학 공업에서 특히 중요하다.
향상된 혼합 및 보다 균일한 열 전달은 또한 (반응의 화학양론에 의하여 얻어지는 것 이상으로) 많은 양의 초과 공기 없이 연소 반응을 달성하도록 할 것이다. 이는 특히 소각로 혹은 쓰레기 처리 로에서 중요한데, 이는 대기 중으로 버려져 환경 또는 인간의 건강에 해로운 화학물 및/또는 입자를 방지하도록 반응을 완전하게 보장할 필요가 있기 때문이다. 이는 그들이 대기로 보내지기 전에 저폭 나선으로 형성된 파이프 영역을 통하여, 여전히 뜨거운 상태로, 연소 가스를 지나 보냄으로써 피해지고 완전 연소가 보장될 수 있다. 로를 통하여 소용돌이 치는 유동의 생성은 연소의 속도 및 효율을 증가시키고 폐기물을 제거할 것이다.
둘 또는 그 이상의 다른 상을 포함하는 유동을 사용하는 경우에, 저폭 나선 부분은 추가로 서로 다른 밀도를 갖는 유체의 혼합물을 "일렬로" 분리하도록 사용될 수 있다. 나선 유동에 의하여 생성된 소용돌이는 튜브 벽쪽으로 혼합물의 보다 높은 밀도를 갖는 요소를 위치시키고, 보다 낮은 밀도를 갖는 요소를 중심선 쪽으로 위치시켜, 결과적으로 원심력을 부여한 것 같은 작용을 갖는다. 적합한 배열체에 의하여, 보다 높은 (혹은 낮은) 밀도의 요소가 분리되고, 잔존 성분은 증가된 농도로 남게 된다. 이 과정은 유사한 일렬 정적 분리기를 추가로 사용하여 반복될 수 있다. 이러한 분리는 액체로부터 가스를 분리하는데 사용될 수 있으며, 그리고 그에 따라 특히 석유 화학 공업에서 슬러깅을 줄이는데 도움을 줄 수 있다.
이와 유사한 접근이 유동하는 유체에서 입자의 농도를 줄이거나 증가하는데 사용될 수 있다. 이는 튜브 중심선의 부근으로부터 혹은 튜브 벽으로부터 가까운 곳으로부터 유체를 빼어냄에 의하여 달성될 것이다.
추가로, 저폭 나선 부분에 의하여 야기되는 소용돌이 흐름은 유동으로부터 특정한 문제를 제거하도록 사용될 수 있다. 이는 특히, 예를 들어 공기 흡입구에서 중요하다. 공기 흡입구는 특히 공기가 필요한 매우 많은 상황에서 사용된다. 그리고 특히 연소 및/또는 냉각을 위하여 공기가 필요한 차량에서 사용된다. 헬리콥터 공기 흡입구는 특히 일반적으로, 먼지가 엔진 안으로 유입되는 것을 방지하기 위하여 먼지 분리기가 필요한데, 저폭 나선 형태에 의하여 생성되는 소용돌이 유동은 분리 필터가 없이 공기 흐름으로부터 먼지를 분리하도록 사용될 수 있다.
저폭 나선 부분에 의하여 야기된 소용돌이 흐름이 다소 간의 거리 정도 그 영역의 하류에 위치한 직선 파이프에 연속한다는 것이 발견되었다. 따라서, 저폭 나선 파이프 영역은 굽힘부, T 또는 Y 접합부, 매니폴드, 및/또는 도관 교차 영역의 변화부와 같은 구조의 상류 측에 삽입될 수 있으며, 여기에서 저폭 나선 부분에 의하여 생성된 소용돌이 흐름은 파이프 안에서의 펌핑 비용 및 부식 및 닳아짐에 유리한, 유동 분리, 정체 및 유동 불안정을 억제할 것이다. 굽힘부, 정합부 등에서 소용돌이 유동의 특별한 유익은 유동 분리를 감소시키고 감소된 압력 손실을 이끌고, 감소된 침전 및 침적, 감소된 캐비테이션, 및 증가된 유동 안정성이다. 굽힘부 이전에 위치된 저폭 나선 형태 파이프는 또한 파이프 밴드 안에서의 특정 침식을 줄일 것이고, 이는 특히 발전소로의 연료 공급에 대한 특별한 이익을 줄 것이다.
본 발명에 대하여 숙련된 기술을 갖는 사람은 낮은 형태 나선 형태를 갖는 파이프가 많은 상황에서 많은 이익을 줄수 있다는 점에 대하여 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (17)

  1. 적어도 하나의 열분해 튜브가 통과하는 크래킹 로(cracking furnace)에 있어서,
    상기 열분해 튜브는,
    원형 단면을 가진 유동 통로를 내부에 포함하고,
    상기 원형 단면의 유동 통로는 그 중심선의 적어도 일부가 3차원으로 굽어 나선형이 되도록 형성되며,
    상기 나선형 중심선의 나선의 크기는 상기 튜브 부분의 내경(內徑) 이하인, 크래킹 로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중심선의 곡률은 상기 열분해 튜브 부분의 길이를 따라 변하는, 크래킹 로.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 튜브가 상기 로로 들어가는 곳에서의 나선형 곡률을 가진 부분과 상기 튜브가 상기 로를 나오는 곳에서의 나선형 곡률을 가진 부분을 구비하고, 각각 서로 다른 유동조건을 제공하는, 크래킹 로.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열분해 튜브의 내면은 표면 특징이 없는 매끈한, 크래킹 로.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 튜브 부분의 단면적은 그 길이를 따라 변하는, 크래킹 로.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열분해 튜브는 직선의 중심선을 갖는 부분과 나선형의 중심선을 갖는 부분을 갖도록 형성되는, 크래킹 로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열분해 튜브는 "U"형상이고,
    상기 직선의 중심선을 갖는 부분은 상기 열분해 튜브의 직선 다리이고, 상기 나선형의 중심선을 갖는 부분은 "U"형상의 상기 열분해 튜브의 다른 다리인, 크래킹 로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열분해 튜브의 직선 다리 및 다른 다리는 2차원 굽힘부에 의해 연결되는, 크래킹 로.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 튜브에 포함되는 상기 유동 통로를 따라 시선을 제공하도록 상기 나선형 중심선의 나선의 크기는 상기 튜브 부분의 내경(內徑)의 반 이하인, 크래킹 로.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 나선형 중심선의 나선의 크기는 상기 튜브 부분의 내경(內徑)의 반 이상인, 크래킹 로.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 나선형 중심선의 나선각은 20도 이하인, 크래킹 로.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열분해 튜브는,
    상기 로로 들어가는 곳과 상기 로를 나오는 곳은 지지를 받고,
    그 이외의 부분은 지지를 받지 못하는, 크래킹 로.
  13. 적어도 하나의 열분해 튜브가 통과하는 크래킹 로(cracking furnace)로에 있어서,
    상기 열분해 튜브는,
    원형 단면을 가진 유동 통로를 내부에 포함하고,
    상기 원형 단면의 유동 통로는 그 중심선의 적어도 일부가 3차원으로 굽어 나선형이 되도록 형성되며,
    상기 나선형 중심선의 나선의 크기는 상기 튜브 부분의 내경(內徑) 이하이고,
    상기 나선형 중심선의 나선각은 45도 이하인, 크래킹 로.
  14. 제4항에 있어서,
    상기 열분해 튜브의 내면에는 라이플링(rifling)이 없는, 크래킹 로.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
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