KR101719952B1 - 탄화수소 스트림 가열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가열 영역을 한정하는 히팅 박스와 상기 히팅 박스 내에 수용되는 열을 발생시키는 열원을 구비하는 탄화수소 스트림을 가열하기 위한 가열장치에 있어서, 상기 히팅 박스 내에 배치되며 반응물을 유입시키는 유입 헤더와 가열된 상기 반응물을 배출하는 출구 헤더; 및 상기 유입 헤더와 상기 출구 헤더 사이에서 유체 연통을 제공하는 하나 이상의 관형 부재를 포함하고, 상기 관형 부재는 관형 부재 내부로 반응물을 도입하기 위한 유입부, 상기 유입부와 유체 연통하는 관형 부재로부터 반응물을 냉각시키고 수집하기 위한 유출부, 상기 유입부와 상기 유출부 사이에 유체 연통을 제공하기 위한 만곡부를 포함하며, 상기 유출부의 둘레에는 유출부의 온도가 목표 온도 이상으로 과열되는 것을 방지하기 위한 복사열 차단 수단이 설치된 것을 특징으로 하는 탄화수소 스트림 가열장치에 관한 것으로, 관형 부재 내외부 간의 온도 구배를 균일하게 하고, 탄화수소 스트림의 열적 깨짐 현상을 최소화하여 최종 생성물의 순도를 향상시키고 공정 원단위를 증가시킬 수 있는 탄화수소 스트림 가열 장치에 관한 것이다.

Description

탄화수소 스트림 가열장치{HEATER FOR A HYDROCARBON STREAM}

본 발명은 다양한 탄화수소 전환 반응에 사용되는 탄화수소 스트림 가열장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가열 과정에서 탄화수소의 열적 깨짐 현상(thermal cracking)을 최소화하여 반응물의 순도를 향상시킬 수 있는 탄화수소 스트림 가열장치에 관한 것이다.

탄화수소 변환 공정은 종종 탄화수소가 흘러서 통과하는 다수의 반응 구역들을 이용한다. 각각의 반응 구역에서 소정의 탄화수소 변환을 수행하기 위해서는 공정에 이용되는 유체들이 충분하게 가열되어야 한다.

하나의 공지된 탄화수소 변환 공정은 촉매 개질(catalytic reforming)일 수 있다. 일반적으로, 촉매 개질은 석유 정제 산업에서 이용된 탄화수소 변환 공정, 사이클로헥산의 탈수소 및 알킬사이클로펜탄의 탈수소이성화(dehydroisomerization), 올레핀을 제조하기 위한 파라핀의 탈수소화, 파라핀 및 올레핀의 탈수소고리화, n-파라핀의 이성화, 사이클로헥산을 산출하기 위한 알킬사이클로파라핀의 이성화 등을 포함한다.

일례로 프로판은 차세대 파워 디바이스 재료인 SiC의 원료 용도 등, 반도체 전자 재료 분야에서 이용되고 있다. 이러한 용도에 이용되기 위해서 프로판은 보다 고순도인 것이 요구된다.

이러한 탄화수소 변환 반응은 적절한 반응이 진행되기 위해 충분한 에너지가 필요한 흡열반응이다. 따라서 탄화수소 변환 공정에서 반응 전에 공정 유체를 800~1300?까지 가열하기 위해서 히터 또는 노(furnace)와 같은 가열장치가 사용된다. 종래에 사용하던 가열장치의 일례로 미국특허 제8,176,974호는, 도 1에 도시된 바와 같이, U자형 반응 튜브를 포함하는 탄화수소 스트림 가열장치를 개시하고 있는데, 반응 가스 출구 부분(16)에서는 목표 승온 온도 이상으로 온도가 올라가서 올레핀 또는 파라핀과 같은 탄화수소의 열적 깨짐 현상(thermal cracking)이 심각하게 발생한다. 또한 U자형 반응 튜브의 외부와 내부의 온도 구배가 발생하여 국부적으로 가열되는 부분이 생기며 이에 따른 열 깨짐 현상 (thermal cracking)이 부반응으로 나타나서, 그 결과, 고순도의 생성물을 생성할 수 없게 되는 문제가 있다. 이러한 부반응이 많이 발생하면 실질적인 탈수소 공정의 수율이 저감되어 원단위를 증가시킨다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 U자형 튜브의 출구 부분의 과열을 방지하고, 반응튜브의 내부 및 외부 사이의 온도 구배를 최소화하여, 그 결과, 탄화수소의 열적 깨짐 현상이 발생하는 것을 억제하여 고순도의 생성물을 생성할 수 있도록 하는 탄화수소 스트림 가열 장치를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은 가열 영역을 한정하는 히팅 박스와 상기 히팅 박스 내에 수용되는 열을 발생시키는 열원을 구비하는 탄화수소 스트림을 가열하기 위한 가열장치에 있어서, 상기 히팅 박스 내에 배치되며 반응물을 유입시키는 유입 헤더와 가열된 상기 반응물을 배출하는 출구 헤더; 및 상기 유입 헤더와 상기 출구 헤더 사이에서 유체 연통을 제공하는 하나 이상의 관형 부재를 포함하고, 상기 관형 부재는 관형 부재 내부로 반응물을 도입하기 위한 유입부, 상기 유입부와 유체 연통하는 관형 부재로부터 반응물을 냉각시키고 수집하기 위한 유출부, 상기 유입부와 상기 유출부 사이에 유체 연통을 제공하기 위한 만곡부를 포함하며, 상기 유출부의 둘레에는 유출부의 온도가 목표 온도 이상으로 과열되는 것을 방지하기 위한 복사열 차단 수단이 설치된 것을 특징으로 하는 탄화수소 스트림 가열장치에 관한 것이다.

본 발명의 다양한 실시예의 가열 장치에 의하면, 관형 부재의 외부와 내부간의 온도를 균일하게 하고, 출구 부분의 과열을 방지하여, 반응물의 열적 깨짐이 발생하는 것을 억제하여 고순도의 생성물을 수득할 수 있다.

또한 본 발명의 가열 장치는 반응물의 열적 깨짐 최소화에 의해, 반응 수율을 향상시킴으로써 공정 원단위를 향상시켜 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 종래의 탄화수소 스트림 가열장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소 스트림 가열장치의 개략사시도이다.
도 3a-b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄화수소 스트림 가열장치의 개략단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄화수소 스트림 가열장치의 개략사시도이다.

본 발명을 첨부 도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 나타낸다.

본 명세서에 사용되는 용어 "반응물"은 직쇄형(straight-chain), 가지형(branched) 또는 고리형(cyclic) 알칸, 알켄, 알카디엔 및 알킨과 같은 다양한 탄화수소 분자 및 선택적으로 예를 들어 수소와 같은 다른 물질, 또는 중금속과 같은 불순물을 포함하는 탄화수소 스트림일 수 있다.

본 명세서에 사용되는 용어 "복사 섹션"은 일반적으로, 주로 복사 및 대류 열전달에 의해, 예를 들어 히터에 의해 연소된 연료 가스에 의해 방출된 열을 수용하는 히팅 박스 내의 섹션을 칭한다.

본 명세서에 사용되는 용어 "열원"은 노, 차지 히터, 또는 인터히터를 포함할 수 있다. 히터는 하나 이상의 연소기를 포함할 수 있고, 하나 이상의 복사 섹션, 하나 이상의 대류 섹션, 또는 하나 이상의 복사 섹션과 하나 이상의 대류 섹션의 조합을 포함할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "관형 부재 "는 반응물 유입부와 반응물 유출부 및 상기 유입부와 유출부 사이의 만곡부를 포함하고, 상기 유입부와 상기 유출부가 일정한 간격을 두고 서로 평행하게 배열된 관형 수단을 의미하는 것으로 절대적으로 U자형 튜브 만을 의미하는 것이 아니고, 역U자형이나 만곡부가 코일형으로 구성된 구조 등을 모두 포괄하는 넓은 의미이다.

도 2는 본 발명에 따른 탄화수소 스트림 가열장치의 개략도이다. 도면은 탄화수소 스트림 가열 공정에 적용되는 본 발명의 실시예를 도시하고 있다. 도면에는 단지 본 발명의 이해를 위해 필요한 설비 및 라인만이 도시되어 있고, 본 발명의 이해에 필요하지 않고 탄화수소 처리의 분야의 숙련가들에게 공지되어 있는 펌프, 압축기, 열교환기 및 밸브와 같은 구성요소들은 도시되어 있지 않다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 탄화수소 스트림 가열장치는 가열 영역을 한정하는 히팅 박스(10)와 상기 히팅 박스 내에 수용되는 열을 발생시키는 열원(20)을 구비하는 탄화수소 스트림을 가열하기 위한 가열장치에 있어서, 상기 히팅 박스(10) 내에 배치되며 반응물을 유입시키는 유입 헤더(1)와 가열된 상기 반응물을 배출하는 출구 헤더(11); 및 상기 유입 헤더(1)와 상기 출구 헤더(2) 사이에서 유체 연통을 제공하는 하나 이상의 관형 부재(100)를 포함하고, 상기 관형 부재(100)는 관형 부재 내부로 반응물을 도입하기 위한 유입부(110), 상기 유입부와 유체 연통하는 관형 부재로부터 반응물을 냉각시키고 수집하기 위한 유출부(120), 상기 유입부와 상기 유출부 사이에 유체 연통을 제공하기 위한 만곡부(130)를 포함하며, 상기 유출부(120)의 둘레에는 유출부의 온도가 목표 온도 이상으로 과열되는 것을 방지하기 위한 복사열 차단 수단(200)이 설치된다.

본 발명의 탄화수소 스트림 가열장치는 탄화수소 스트림의 개질, 액체의 열분해, 또는 에탄, 프로판, 나프타 등의 기상 방향족 및/또는 지방족 탄화수소 공급원료의 열분해, 또는 에틸렌, 및 아세틸렌, 프로필렌, 부타디엔 등의 생성물에 의해 다른 물질을 생성하기 위한 가스 오일의 열분해에 사용할 수 있다.

본 발명의 가열 장의 히팅 박스(10)는 히터를 통해 유동하는 공정 유체를 수용하기 위한 하나 이상의 관형 부재(100)를 포함한다. 본 발명에 따라, 관형 부재는, 도 2에서와 같이 2차원 도면으로 보았을 때 문자 "U"자와 다소 유사한 형상을 취하고 있다. 관형 부재의 특성은 히팅 박스(10)를 통과하는 2개의 통로를 효과적으로 형성하는 것이다. 관형 부재는 유입부(110), 유출부(120), 및 유입부(110) 및 유출부(120)를 연결하는 만곡부(130)를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 유출부(120)는 하나 이상의 분기 튜브를 포함할 수 있고, 만곡부(130) 또한 파형이나 그 밖의 다양한 형상으로 형성될 수 있다 (도 3a-b 참조). 이러한 관형 부재(100)는 U 자형 또는 역U자형일 수 있다. 이러한 관형 부재(100)의 외부에는 관형 부재 내의 유체를 가열하기 위한 열교환기(미도시)가 설치될 수 있다. 이러한 열교환기는 히팅 매체(heating medium)가 열교환기를 통해서 순환하면서 열을 히팅 매체로부터 탄화수소 스트림으로 전달한다.

본 발명의 가열장치는 반응물의 열적 깨짐 현상(thermal cracking)을 방지하기 위해서, 상기 복사열 차단 수단(200)은 벽돌, 세라믹, 또는 강철과 같은 금속 재료로 구성될 수 있고, 관형 부재의 후단에 핫 스팟이 발생할 경우 과열을 방지할 수 있다.

하나의 실시예에서, 상기 복사열 차단 수단(200)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 관형 부재의 유출부(120)를 둘러싸는 튜브 형상의 구조일 수 있다. 본 발명의 가열 장치에서 관형 부재(100)는 약 10 m 내지 약 35 m, 바람직하게 약 20 m 내지 약 30 m의 길이를 갖는다. 관형 부재(100)의 유출부의 직경은 5.0 cm 내지 12 cm, 바람직하게는 6 cm 내지 10 cm이다. 상기 복사열 차단 수단의 내경은 5~20 cm, 바람직하게는 7~15 cm가 좋다. 또한 플러깅을 발생시키지 않는 개선된 열전달을 제공하는데 필요한 복사열 차단 수단(200)의 종방향 길이는 관형 부재(100)의 유출부(120)의 길이의 약 1/50 내지 1/2 범위, 바람직하게는 1/30 내지 1/4 범위를 갖는다. 복사열 차단 수단(200)의 종방향 길이에 대한 내경의 비는 바람직하게는 0.01 내지 0.10의 범위이며, 보다 바람직하게는 0.02 내지 0.05의 범위이다. 또한 열차단막의 두께로는 재질(벽돌, 세라믹, 금속 등)의 각각 최소 성형 두께 에서부터 반응 온도에 따라 달라질 수 있다.

상기 복사열 차단 수단(200)은 상기 관형 부재의 유출부(120)를 둘러싸는 열차단판이 관형 부재(100)의 유출부(120)를 사이에 두고 대향하는 2개 이상의 면에 형성될 수 있다. 비록 도면에 도시되지 않았지만, 관형 부재(100)의 유출부(120) 둘레의 3면 또는 4면을 감싸는 구조로 형성될 수 있다.

상기 복사열 차단 수단(200)은 상기 관형 부재의 유출부(120)의 모든 면을 둘러싸는 형상의 폐쇄된 구조로 형성될 수 있다. 따라서 일부 측면만 둘러싸는 구조로 형성될 수 도 있지만, 모든 측면과 저면을 완전하게 폐쇄하는 구조로 형성될 수도 있다.

본 발명의 가열 장치에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 대향하는 한 쌍의 유입 헤더(1)와 유출 헤더(2) 사이에 복수의 관형 부재들(100)이 연결될 수도 있다. 이때 복사열 차단 수단(200)은 각각의 관형 부재(100)의 유출부(120)에 형성될 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 관형 부재(100)의 내부 또는 외부에는 열전도도가 우수한 재질의 코팅체가 형성될 수 있다. 균일한 온도 구배를 위하여 관형 부재(100)의 외부나 내부에 열 전달이 용이한 재질(세라믹, 강철과 같은 금속 등)을 덮거나 쌓아서 형성할 수 있다.

히팅 박스(10)는 U자형 가열 튜브의 외부면을 복사열에 노출시키기 위한 다수의 열원(20)를 포함하고 있다. 열원(20)은 차지 히터(charge heater) 또는 인터히터(interheater)일 수 있다. 공지된 다양한 형태의 열원은 비정제가스 또는 미리혼합된 열원을 포함하여 사용될 수 있다. 연소 공기 공급원은 주위 공기, 또는 가스 터빈 배기로부터 예열된 공기로부터 취해질 수 있다. 열원(20)은 복사 및/또는 대류 열전달에 의해 탄화수소 스트림을 가열할 수 있다. 상업적인 연소식 히터는 전형적으로 개별 가열장치를 위한 개별 복사 열전달 섹션과, 복사 섹션으로부터의 연도 가스에 의해 가열된 공통의 대류 열전달 섹션을 구비한다. 바람직하게는, 탄화수소 스트림은 먼저 가열장치의 복사 섹션에 진입한다. 스트림은 U자형 또는 역U자형 관형 부재들을 통해 복사 섹션의 상부 또는 하부 부분에 진입하고 이로부터 나올 수 있고, 또는 온도가 복사 섹션에서 가장 낮은 상부 부분에 진입하고 온도가 복사 섹션에서 가장 높은 저부에서 나오고, 또는 역으로 저부에서 진입하고 상부에서 배출되는 방식으로 구성될 수 있다.

이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련된 당업자들은 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 유입 헤더 2: 출구 헤더
10: 히팅 박스 20: 열원
100: 관형 부재 110: 유입부
120: 유출부 130: 만곡부
200: 복사열 차단 수단

Claims (10)

1. 가열 영역을 한정하는 히팅 박스와 상기 히팅 박스 내에 수용되는 열을 발생시키는 열원을 구비하는 탄화수소 스트림을 가열하기 위한 가열장치에 있어서, 상기 히팅 박스 내에 배치되며 유체를 유입시키는 유입 헤더와 가열된 상기 유체를 배출하는 출구 헤더; 및 상기 유입 헤더와 상기 출구 헤더 사이에서 유체 연통을 제공하는 하나 이상의 관형 부재를 포함하고, 상기 관형 부재는 관형 부재 내부로 반응물을 도입하기 위한 유입부, 상기 유입부와 유체 연통하는 관형 부재로부터 반응물을 냉각시키고 수집하기 위한 유출부, 상기 유입부와 상기 유출부 사이에 유체 연통을 제공하기 위한 만곡부를 포함하며, 상기 유출부의 둘레에는 유출부의 온도가 목표 온도 이상으로 과열되는 것을 방지하기 위한 복사열 차단 수단이 설치된 것을 특징으로 하는 탄화수소 스트림 가열장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 복사열 차단 수단은 벽돌, 세라믹, 또는 금속 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 스트림 가열장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 복사열 차단 수단은 상기 관형 부재의 유출부를 둘러싸는 튜브 형상의 구조인 것을 특징으로 하는 탄화수소 스트림 가열장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 복사열 차단 수단의 튜브의 내경은 5 cm 내지 20 cm인 것을 특징으로 하는 탄화수소 스트림 가열 장치.
   
5. 제3항에 있어서, 상기 복사열 차단 수단의 종방향 길이 대 내경의 비가 0.01 내지 0.10인 것을 특징으로 하는 탄화수소 스트림 가열 장치.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 복사열 차단 수단의 종방향 길이는 관형 부재의 유출부의 길이의 1/50 내지 1/2인 것을 특징으로 하는 탄화수소 스트림 가열 장치.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 복사열 차단 수단은 상기 관형 부재의 유출부를 둘러싸는 열차단판이 관형 부재의 유출부를 사이에 두고 대향하는 2개 이상의 면에 형성된 것을 특징으로 하는 탄화수소 스트림 가열장치.
   
8. 제1항에 있어서, 상기 복사열 차단 수단은 상기 관형 부재의 모든 면을 둘러싸는 형상의 폐쇄된 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 스트림 가열장치.
   
9. 제1항에 있어서, 상기 관형 부재의 내부 또는 외부에는 열전도도가 우수한 재질의 코팅체가 형성된 것을 특징으로 하는 탄화수소 스트림 가열장치.
   
10. 제1항에 있어서, 상기 관형 부재는 U 자형 또는 역U자형인 것을 특징으로 하는 탄화수소 스트림 가열장치.
    

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