KR101857885B1 - 파이어 히터 - Google Patents

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우재영
김원일
조부영
염희철
조재한
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주식회사 효성
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Abstract

본 발명은 복사 섹션 내에 다수의 U자형 가열 튜브를 구비한 히팅 박스를 포함하는 반응물을 가열하기 위한 파이어 히터에 관한 것으로, 히팅 박스 내 열분포를 균일하게 하여 부반응을 최소화하고 반응물의 순도를 높일 수 있다.

Description

파이어 히터{FIRED HEATER}
본 발명은 열원에 의해 제공된 복사 에너지에 의해 반응물이 간접 가열되는 하나 이상의 복사 섹션을 포함하는 유형의 파이어 히터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열분포를 개선하여 부반응의 발생을 최소화할 수 있는
파이어 히터에 관한 것이다.
탄화수소 변환 공정은 종종 탄화수소가 흘러서 통과하는 다수의 반응 구역들을 이용한다. 각각의 반응 구역에서 소정의 탄화수소 변환을 수행하기 위해서는 공정에 이용되는 반응물들이 사전에 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 생산하기 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.
고순도 프로판을 제조할 때의 원료로서 사용되는 프로판을 주성분으로 하는 원료 가스에는, 불순물로서 예를 들면 에탄, 프로필렌, 이소부탄, 노르말 부탄이 고농도로 포함되어 있다. 이 원료 가스로부터 프로판을 정제하는 방법으로서는, 예를 들면, 증류, 막분리, 흡착 분리, 흡수 분리 등의 방법이 있으나, 대규모 설비와 정밀한 증류 조건의 설정이 필요하다. 이러한 탄화수소 변환 공정에서 반응 전에 공정 유체를 가열하기 위해서 히터 또는 노(furnace)와 같은 가열장치가 사용된다. 이와 같이 많은 화학반응 공정에서 반응물을 반응온도 구간까지 가열하기 위하여 각 반응기 전단에 파이어 히터가 설치되는데, 종래의 파이어 히터의 구조는 단열 박스 내에 가스가 지나가는 튜브를 버너로부터 나온 불꽃이 복사, 대류, 전도 등의 방법으로 가열하는 것이다.
도 1은 종래의 파이어 히터의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 반응물을 파이어 히터 내에서 가열하는 경우에, 반응물이 열분해되는 부반응이 자주 발생하는데, 이와 같이 원하지 않는 열분해 반응이 많이 일어날수록 반응물의 순도가 낮아지므로, 고순도의 생성물을 생성할 수 없게 되는 문제가 있다. 더욱이, 히팅 박스 내에서 유입부 쪽은 목표 온도까지 도달하는 시간이 오래 걸리고, 유출구 쪽은 과열되어, 열분해 반응이 증가하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 파이어 히터 내부의 열분포를 균일하게 하여 열분해 반응과 같은 부반응을 최소화할 수 있는 파이어 히터를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 파이어 히터 내부에서의 열분해 반응이 발생하는 것을 억제하여 고순도의 생성물을 생성할 수 있는 파이어 히터를 제공하는 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은 히팅 박스, 상기 히팅 박스 내에 설치된 내부에 반응물이 유동하는 하나 이상의 U자형 가열 튜브 및 상기 U자형 가열 튜브의 외부면을 복사열에 노출시키기 위한 다수의 열원을 포함하는, 반응물을 가열하기 위한 파이어 히터로서, 하나의 열원으로부터 그 열원에 의해서 가열되는 U자형 가열 튜브의 반응물 입구까지의 거리(l1)와 상기 열원으로부터 상기 U자형 가열 튜브의 반응물 유출구까지의 거리 (l2)가 서로 상이하고, 상기 열원으로부터 상기 U자형 가열 튜브의 반응물 입구까지의 거리(l1)가 상기 열원으로부터 상기 U자형 가열 튜브의 반응물 유출구까지의 거리 (l2) 보다 짧도록 구성된 것을 특징으로 하는 파이어 히터에 관한 것이다.
상기 열원으로부터 U자형 가열 튜브의 반응물 유입구까지의 거리(l1)에 대한 상기 열원으로부터 상기 U자형 가열 튜브의 반응물 유출구까지의 거리 (l2)의 비(l2/l1)는 1 : 1 초과 1 : 5 이하다.
상기 U자형 가열 튜브는 U자형 가열 튜브 내부로 반응물을 도입하기 위한 유입부, 상기 유입부와 유체 연통하는 U자형 가열 튜브로부터 반응물을 냉각시키고 수집하기 위한 유출부, 상기 유입부와 상기 유출부 사이에 유체 연통을 제공하기 위한 만곡부를 포함한다.
상기 유입부 및 상기 유출부는 히팅 박스의 길이 방향에 대해서 상기 유출부를 향해서 45˚ 이상 90˚ 미만의 경사각(α)으로 경사지게 형성된다.
본 발명의 다양한 실시예의 파이어 히터에 의하면, U자형 가열튜브의 유입부와 열원 사이의 거리는 짧게 하여 열전달 효율을 극대화하고, 유출부와 열원 사이의 거리는 연장하여 과열을 방지함으로써, 히터 내부의 열분포를 균일하게 하여 원하지 않는 부반응이 발생하는 것을 억제하여 고순도의 생성물을 수득할 수 있다.
도 1은 종래의 파이어 히터의 일례를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 파이어 히터의 개략 사시도이다.
도 3은 본 발명의 파이어 히터의 히팅박스와 U자형 가열 튜브의 구조를 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 본 발명과 종래의 파이어 히터의 가열 방식을 비교하여 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예의 파이어 히터의 개략 측단면도이다.
도 6은 본 발명과 종래의 파이어 히터의 위치별 열 온도 예측 곡선 그래프이다.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 구현예에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
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 히터의 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 "U자형 가열 튜브"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 튜브만을 의미하는 것이 아니고, 역U자형이나 만곡부가 코일형으로 구성된 구조 등을 모두 포괄하는 넓은 의미이다.
파이어 히터 내에서의 열분해 반응은 히터 내부의 열분포가 고르지 않거나 구간별 온도차(ΔT)값의 편차가 클 경우 더 많이 발생한다. 본 발명은 탄소 스트림을 포함하는 다양한 반응물을 가열함에 있어서, 상대적으로 온도가 낮은 유입구 구역은 열원과의 거리를 좁혀 열전달 효율을 극대화하고 상대적으로 온도가 높은 유출구 구역은 열원과의 거리를 늘려 과열을 방지함으로써, 히팅 박스 내부의 열분포를 균일하게 하여 열분해반응과 같은 부반응을 최소화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 파이어 히터의 개략 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예의 파이어 히터의 개략 사시도이고, 도 4는 본 발명과 종래의 파이어 히터의 가열 방식을 비교하여 도시한 도면이다. 도 3 및 도 4에는 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 하나의 양상은 다수의 U자형 가열 튜브가 내부에 배치된 히팅 박스(10), 상기 히팅 박스 내에 설치된 내부에 반응물이 유동하는 하나 이상의 U자형 가열 튜브(100) 및 상기 U자형 가열 튜브의 외부면을 복사열에 노출시키기 위한 다수의 열원(20)을 포함하는 반응물을 가열하기 위한 파이어 히터로서, 상기 열원(20)으로부터 상기 U자형 가열 튜브(100)의 반응물 입구까지의 거리(l1)와 상기 열원(20)으로부터 상기 U자형 가열 튜브(100)의 반응물 유출구까지의 거리 (l2)가 서로 상이하고, 상기 열원으로부터 상기 U자형 가열 튜브의 반응물 입구까지의 거리(l1)가 상기 열원으로부터 상기 U자형 가열 튜브의 반응물 유출구까지의 거리 (l2) 보다 짧도록 구성된 것을 특징으로 하는 파이어 히터에 관한 것이다.
본 발명의 파이어 히터는 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.
도 2를 참조하면, 반응물은 복사 섹션 입구 분배기(101)로 도입되기 이전에, 바람직하게는 대략 800℃ 내지 1,300℃의 온도를 갖는 고온 연소 가스에 의해 대략 400℃ 내지 1,300℃의 온도로 예열되는 하나 이상의 입구 라인을 통해 대류 섹션으로 도입된다. 예열된 공급물은 복사 섹션 입구 분배기(101)로부터 U자 형상의 튜브(100)로 도입되며, 이 U자형 가열 튜브는 복사 섹션을 포함하는 히팅 박스(10) 내부에 위치된다. 히팅 박스(10)는 열 에너지를 보존하기 위해 단열 내화재로 커버되어 있다.
파이어 히터 내에서 열분해 반응은 온도가 높아질수록 반응률이 기하급수적으로 증가한다. 본 발명의 파이어 히터에서는 유입부에서 열원과의 거리를 좁혀, 유입구에서 들어온 유체의 온도 T0가 목표승온온도(Ttg)까지 도달하는데 필요한 시간이 감소되고, 열원으로부터의 복사(Radiation) 효과가 크므로, 대류(Convection) 효과를 상보적으로 줄일 수 있고, 더 나아가 히팅 박스(10)의 내부 온도를 줄일 수 있는 것이므로 전체적인 열분해 반응을 줄일 수 있다.
한편, 유출부에서 열원과의 거리를 연장함으로써, (1) 유출구에서의 온도(T1)가 목표승온온도(Ttg) 이상으로 과열되는 현상을 줄일 수 있고, (2) 유출구 부근에서는 급격한 온도 상승보다는 전체 반응물의 온도를 목표승온온도(Ttg)로 조정할 수 있다.
도 6은 본 발명과 종래의 파이어 히터의 위치별 열 온도 예측 곡선 그래프이다. 도 6에서 곡선 A는 종래의 파이어 히터의 위치별 온도 예측 곡선이고, C는 본 발명의 파이어 히터의 위치별 온도 예측 곡선이다. 도 5를 참조하면, 종래의
파이어 히터의 경우 U자형 가열튜브의 유출부에서 목표승온온도(Ttg) 이상으로 온도가 상승하는 것을 확인할 수 있는데, 이렇게 되면 지속적인 복사로 인한 과열 현상이 발생할 가능성이 높다. 이에 반해서, 본 발명 파이어 히터의 위치별 온도 예측 곡선을 살펴 보면, U자형 가열튜브의 전단에서는 전도나 대류보다 복사가 증가하여 가파르게 온도가 올라가고, 후단에서는 복사보다 전도가 증가하여 온도가 서서히 올라가며 목표승온온도 (Ttg)에 도달하는 것을 확인할 수 있다.
히팅 박스(10)는 다수의 U자형 가열 튜브(100)를 포함한다. 본 발명에 따라, U자형 가열 튜브는, 도 3에서와 같이 2차원 도면으로 보았을 때 문자 "U"자와 다소 유사한 형상을 취하고 있다. U자형 가열 튜브의 특성은 히팅 박스를 통과하는 2개의 통로를 효과적으로 형성하는 것이다. U자형 가열 튜브는 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 있다. 이러한 U자형 가열 튜브(100)는 U 자형 또는 역U자형일 수 있다.
상기 열원(20)으로부터 U자형 가열 튜브(100)의 반응물 유입구까지의 거리(l1)에 대한 상기 열원으로부터 상기 U자형 가열 튜브의 반응물 유출구까지의 거리 (l2)의 비(l2/l1)는 1:1 초과 1:5 이하일 수 있다. U자형 가열 튜브(100)의 반응물 유입구까지의 거리(l1)에 대한 상기 열원으로부터 상기 U자형 가열 튜브의 반응물 유출구까지의 거리 (l2)의 비(l2/l1)가 1:5를 초과하면 히팅박스(10)의 크기가 과도하게 커져 오히려 열효율을 감소시키는 문제가 발생할 수 있다.
`상기 유입부(110) 및 상기 유출부(120)는 히팅 박스(10)의 길이 방향에 대해서 상기 유출부(120)를 향해서 45˚ 이상 90˚ 미만의 경사각(α)으로 경사지게 형성될 수 있다. 상기 경사각(α)이 45˚ 미만이면, 히팅박스(10)의 크기가 과도하게 커져 오히려 열효율을 감소시킬 수 있고, 이와 반대로 상기 경사각(α)이 90˚ 이상이면 유출구와 열원 사이의 거리의 차가 너무 작아서 히팅 박스 내 열분포를 균일하게 하는 효과가 부족하게 될 수 있다.
한편, 상기 유입부(110) 및 상기 유출부(120)의 경사각도는 서로 같거나 상이할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 유입구 쪽 기울어진 각도를 β, 유출구 쪽 기울어진 각도를 α라고 정의하였을 때, 각도 α와 각도 β는 각각 45~90˚의 범위를 가지며 각도 α와 각도 β는 서로 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 단 각도 α와 각도 β는 동시에 0은 아니다. 열원으로부터 U자형 가열 튜브의 반응물 입구까지의 거리(l1)가 열원으로부터 U자형 가열 튜브의 반응물 유출구까지의 거리 (l2) 보다 짧도록 하기 위해서 유입부와 유출부 가운데 어느 한쪽만 경사지게 구성할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예의 파이어 히터의 개략 측단면도이다. 도 5를 참조하면, 상기 유입부 및 상기 유출부의 경사가 서로 상이하게 형성되는 경우의 일례로, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 상기 유입부(110)만 히팅 박스의 길이 방향에 대해서 상기 유출부(120)를 향해서 45˚ 이상 90˚ 미만의 경사각(α)으로 경사지게 형성될 수 있다. 다른 예에서, 상기 유출부(120)만 히팅 박스(10)의 내벽면 쪽으로 45˚ 이상 90˚ 미만의 경사각(α)으로 경사지게 형성될 수 있다. 또 다른 예에서는, 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 상기 유입부(110) 및 상기 유출부(120)는 히팅 박스의 길이 방향에 대해서 상기 유출부(120)를 향해서 45˚ 이상 90˚ 미만의 경사각(α)으로 경사지게 형성되고, 상기 유출부(120)는 두 개 이상의 변곡점(c, d)에서 꺽이고, 단부는 U 자형 가열 튜브의 내부를 향해서 접히도록 구성될 수 있다.
히팅 박스(10)는 U자형 가열 튜브의 외부면을 복사열에 노출시키기 위한 다수의 열원(20)을 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.
이하에서 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 이러한 실시예는 단지 예시를 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1~2 및 비교예 1
하나의 파이어 히터 실험장치에서 열원으로부터 U자형 가열 튜브의 반응물 유입구까지의 거리(l1)에 대한 상기 열원으로부터 상기 U자형 가열 튜브의 반응물 유출구까지의 거리 (l2)의 비(l2/l1)를 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 달라지도록 가열 튜브의 모양을 바꿔가며 실험을 진행하였다. 가열 튜브 안에서 가열되는 탄화수소로는 프로판을 사용하였고, 목표 승온 온도는 640℃로 하였다. 각각의 조건에서 프로판의 탈수소화를 진행한 후에 프로판의 출구 순도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1
l2/l1 1:1.1 1:1.3 1:1
튜브 투입 전
프로판 순도(%) (A)		 99.0 99.0 99.0
튜브 통과 후
프로판 순도(%) (B)		 97.4 97.2 97.0
프로판 열분해 정도(%) (A-B) 1.6 1.8 2.0
상기 표 1의 결과를 통해서 확인되는 바와 같이, 유입구에서 열원과의 거리를 단축하고 유출부에서 열원과의 거리를 연장한 실시예 1 및 실시예 2의 파이어 히터에서는 과열현상이 상당히 감소하여 프로판의 열분해가 감소되었음을 확인할 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.
10: 히팅 박스 20: 열원
100: U자형 가열 튜브 110: 유입부
120: 유출부 130: 만곡부

Claims (8)

  1. U자형 가열 튜브가 내부에 배치된 히팅 박스, 상기 히팅 박스 내에 설치된 내부에 반응물이 유동하는 하나 이상의 U자형 가열 튜브 및 상기 U자형 가열 튜브의 외부면을 복사열에 노출시키기 위한 다수의 열원을 포함하는 반응물을 가열하기 위한 파이어 히터로서, 하나의 열원으로부터 그 열원에 의해서 가열되는 U자형 가열 튜브의 반응물 입구까지의 거리(l1)와 상기 열원으로부터 상기 U자형 가열 튜브의 반응물 유출구까지의 거리 (l2)가 서로 상이하고, 상기 열원으로부터 상기 U자형 가열 튜브의 반응물 입구까지의 거리(l1)가 상기 열원으로부터 상기 U자형 가열 튜브의 반응물 유출구까지의 거리 (l2) 보다 짧도록 구성되고,
    상기 열원으로부터 U자형 가열 튜브의 반응물 유입구까지의 거리(l1)에 대한 상기 열원으로부터 상기 U자형 가열 튜브의 반응물 유출구까지의 거리 (l2)의 비(l2/l1)는 1 : 1 초과 1 : 5 이하인 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 U자형 가열 튜브는 U자형 가열 튜브 내부로 반응물을 도입하기 위한 유입부, 상기 유입부와 유체 연통하는 U자형 가열 튜브로부터 반응물을 냉각시키고 수집하기 위한 유출부, 상기 유입부와 상기 유출부 사이에 유체 연통을 제공하기 위한 만곡부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 유입부 및 상기 유출부는 각각 히팅 박스의 바닥 표면에 대해서 상기 유출부쪽으로 45˚~90˚의 경사각(β, α)으로 경사지게 형성되되, 유입부의 경사 각도(β)와 유출부의 경사 각도(α)가 동시에 0이 아닌 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
  5. 제3항에 있어서, 상기 유입부만 히팅 박스의 바닥 표면에 대해서 상기 유출부쪽으로 45˚ 이상 90˚ 미만의 경사각(β)으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
  6. 제3항에 있어서, 상기 유출부만 히팅 박스의 내벽면 쪽으로 45˚이상 90˚미만의 경사각(α)으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
  7. 제3항에 있어서, 상기 유입부 및 상기 유출부는 히팅 박스의 바닥 표면에 대해서 상기 유출부쪽으로 45˚ 이상 90˚ 미만의 경사각(α)으로 경사지게 형성되고, 상기 유출부는 두 개 이상의 점에서 꺽이고, 단부는 U 자형 가열 튜브의 내부를 향해서 접히는 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 U자형 가열 튜브는 U 자형 또는 역U자형인 것을 특징으로 하는 파이어 히터.


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