KR102220200B1 - Fired heater - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복사 섹션 내에 다수의 U자형 가열튜브를 구비한 히팅 박스를 포함하는 반응물을 가열하기 위한 파이어 히터에 관한 것으로, 유입부(저온 가열 구간)와 유출부(고온 가열 구간)의 열원의 배열과 용량을 달리하여 설치함으로써, 고연 가열 구간에서의 과히팅을 최소화하고 최적의 가열 프로파일을 달성하여, 히팅 박스 내 열분포를 균일하게 하여 탄화수소 변환 공정에 적용 시에 부반응을 최소화하고 반응물의 순도를 높일 수 있다. The present invention relates to a fire heater for heating a reactant including a heating box having a plurality of U-shaped heating tubes in a radiation section, and an arrangement of heat sources of an inlet (low temperature heating section) and an outlet (high temperature heating section) By installing different overcapacity, it minimizes overheating in the high smoke heating section and achieves an optimal heating profile, and uniform heat distribution in the heating box minimizes side reactions when applied to the hydrocarbon conversion process and increases the purity of the reactants. I can.
Description
본 발명은 열원에 의해 제공된 복사 에너지에 의해 반응물이 간접 가열되는 하나 이상의 복사 섹션을 포함하는 유형의 파이어 히터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유출부에서의 과히팅을 최소화함으로써 열분포를 개선하여 부반응의 발생을 최소화할 수 있는 파이어 히터에 관한 것이다. The present invention relates to a type of fire heater comprising one or more radiant sections in which reactants are indirectly heated by radiant energy provided by a heat source, and more particularly, to improve heat distribution by minimizing overheating at the outlet to reduce side reactions. It relates to a fire heater that can minimize the occurrence.
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. Hydrocarbon conversion processes often use a number of reaction zones through which hydrocarbons flow. In order to carry out the desired hydrocarbon conversion in each reaction zone, the reactants used in the process must be sufficiently heated beforehand.
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.One known hydrocarbon conversion process may be catalytic reforming. In general, catalytic reforming involves hydrocarbon conversion processes used in the petroleum refining industry, dehydrogenation of cyclohexane and dehydroisomerization of alkylcyclopentane, dehydrogenation of paraffins to produce olefins, dehydrocyclization of paraffins and olefins, n -This includes isomerization of paraffins, isomerization of alkylcycloparaffins to produce cyclohexane, etc. For example, propane is used in the field of semiconductor electronic materials, such as the use of raw materials for SiC, a next-generation power device material. In order to be used for this purpose, propane is required to be of higher purity.
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. The raw material gas containing propane as a main component used as a raw material for producing high-purity propane contains, for example, ethane, propylene, isobutane, and normal butane in high concentration as impurities. As a method of purifying propane from this raw material gas, for example, distillation, membrane separation, adsorption separation, absorption separation, and the like are available, but large-scale equipment and precise distillation conditions are required. In this hydrocarbon conversion process, a heating device such as a heater or furnace is used to heat the process fluid prior to the reaction. In many chemical reaction processes, fire heaters are installed in front of each reactor to heat the reactants to the reaction temperature range. In the conventional fire heater structure, the flame from the burner radiates the tube through which gas passes in the insulation box. It is heated by conduction or the like.
종래의 파이어 히터는 반응물을 가열하는 경우에, 파이어 히터의 히팅박스 내에서 U자형 가열튜브의 초기 유체 유입 구간인 저온 가열 구간과 후기 유체 유출 구간인 고온 가열 구간의 동일한 열 공급으로 고온 가열 구간에서의 과열(over-heating)에 의한 열적 깨짐 현상(thermal cracking)이 증가하는 문제가 발생한다. 이와 같이 원하지 않는 열분해 반응이 많이 일어날수록 반응물의 순도가 낮아지므로, 고순도의 생성물을 생성할 수 없게 되는 문제가 있다. In the case of heating a reactant, a conventional fire heater provides the same heat between the low temperature heating section, which is the initial fluid inflow section of the U-shaped heating tube, and the high temperature heating section, which is the late fluid outflow section, in the heating box of the fire heater. There is a problem that thermal cracking increases due to over-heating. As such, the more unwanted pyrolysis reactions occur, the lower the purity of the reactants, there is a problem in that high purity products cannot be produced.
이러한 문제를 해결하기 위해서 미국특허공개 제 2016/0053186호는 도 1에 도시된 바와 같이, 파이어 히터의 경우 U-튜브를 기준으로 유입 및 유출 방향과 무관하게 전후 및 좌우 방향으로 모두 대칭을 이루도록 U자형 가열튜브의 안쪽과 바깥쪽에 버너를 설치하는 기술을 개시하고 있다. 그러나 이러한 버너에서도 유출부(고온 가열 구간)에서의 U자형 가열튜브 내 유체 온도가 고온으로 상승되어 있어 과열에 따른 열적 깨짐 현상이 심화되는 문제점이 해소되지 않고 여전히 남아 있다. In order to solve this problem, U.S. Patent Publication No. 2016/0053186 discloses that, as shown in FIG. 1, in the case of a fire heater, U-tubes are symmetric in both the front and rear directions and the left and right directions regardless of the inflow and outflow directions. Disclosed is a technology for installing burners on the inside and outside of a shaped heating tube. However, even in such a burner, the temperature of the fluid in the U-shaped heating tube at the outlet portion (high temperature heating section) is increased to a high temperature, so that the problem of intensifying thermal cracking due to overheating is not resolved and still remains.
본 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 파이어 히터 내부의 열분포를 균일하게 하여, 탄화수소 변환 공정에서 반응물의 가열에 사용 시에 열분해 반응과 같은 부반응을 최소화할 수 있는 파이어 히터를 제공하는 것이다.One problem to be solved by the present invention is to provide a fire heater capable of minimizing side reactions such as pyrolysis reactions when used for heating reactants in a hydrocarbon conversion process by making the heat distribution inside the fire heater uniform.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 파이어 히터 내부에서의 과히팅에 의한 열분해 반응이 발생하는 것을 억제하여 탄화수소 변환 공정에서 사용 시 고순도의 생성물을 생성할 수 있는 파이어 히터를 제공하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to provide a fire heater capable of generating a high-purity product when used in a hydrocarbon conversion process by suppressing the occurrence of a pyrolysis reaction due to overheating inside a fire heater.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은 U자형 가열튜브가 내부에 배치된 히팅 박스, 상기 히팅 박스 내에 설치된 내부에 반응물이 유동하는 하나 이상의 U자형 가열튜브 및 상기 U자형 가열튜브의 외부면을 복사열에 노출시키기 위한 다수의 열원을 포함하는 반응물을 가열하기 위한 파이어 히터로서, 상기 U자형 가열튜브의 내측에 배치되는 하나 이상의 제1 열원과 상기 U자형 가열튜브와 히팅 박스의 벽 사이에 설치되는 하나 이상의 제2 열원을 포함하고, 상기 U자형 가열튜브의 유출부의 근방에 배치되는 제1 열원 및 제2 열원은 하기 수식 1의 조건을 만족하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 파이어 히터에 관한 것이다. One aspect of the present invention for achieving the above object is a heating box in which a U-shaped heating tube is disposed, at least one U-shaped heating tube through which a reactant flows inside the heating box, and the outside of the U-shaped heating tube. As a fire heater for heating a reactant including a plurality of heat sources for exposing the surface to radiant heat, at least one first heat source disposed inside the U-shaped heating tube, and between the U-shaped heating tube and the wall of the heating box A fire heater comprising at least one second heat source to be installed, wherein the first heat source and the second heat source disposed in the vicinity of the outlet portion of the U-shaped heating tube are disposed to satisfy the conditions of the following equation (1). .
[수식 1][Equation 1]
상기 수식에서, In the above formula,
l1 : U자형 가열튜브의 유입부와 유출부의 중간 지점에서 이 지점과 유출부와의 사이의 중간 지점까지의 거리,l 1 : The distance from the midpoint of the inlet and outlet of the U-shaped heating tube to the midpoint between this point and the outlet,
l2 : U자형 가열튜브의 유입부와 유출부의 중간 지점에서 유출부 근방 제1 열원의 중심까지의 거리,l 2 : The distance from the midpoint of the inlet and outlet of the U-shaped heating tube to the center of the first heat source near the outlet,
d1 : U자형 가열튜브의 유출부에서 유출부와 히팅 박스 내벽 사이의 중간 지점까지의 거리,d 1 : Distance from the outlet of the U-shaped heating tube to the middle point between the outlet and the inner wall of the heating box,
d2 : U자형 가열튜브의 유출부에서 유출부 근방 제2 열원의 중심까지의 거리임. d 2 : Distance from the outlet of the U-shaped heating tube to the center of the second heat source near the outlet.
상기 파이어 히터의 U자형 가열튜브의 유출부의 근방에 배치되는 제1 열원 및 제2 열원은 하기 수식 2의 조건을 추가로 만족시키도록 배치될 수 있다. The first heat source and the second heat source disposed in the vicinity of the outlet of the U-shaped heating tube of the fire heater may be disposed to further satisfy the condition of
[수식 2][Equation 2]
상기 수식에서, In the above formula,
h1: 히팅 박스 저면에서 U자형 가열튜브의 유출부 근방에 배치되는 최하단 제1 및 제2 열원의 중심까지의 수직 거리,h 1 : The vertical distance from the bottom of the heating box to the center of the lowermost first and second heat sources disposed near the outlet of the U-shaped heating tube,
h2: U자형 가열튜브의 유출부에 배치되는 제1 및 제 2 열원들 사이의 수직 거리임. h 2 : It is the vertical distance between the first and second heat sources disposed at the outlet of the U-shaped heating tube.
상기 파이어 히터의 유입부 및 유출부 근방의 제1 열원 및 제2 열원이 하기 수식 3의 조건을 추가로 만족시키도록 구성될 수 있다.The first heat source and the second heat source in the vicinity of the inlet and outlet of the fire heater may be configured to additionally satisfy the condition of Equation 3 below.
[수식 3][Equation 3]
상기 수식에서, In the above formula,
C1: U자형 가열튜브의 유입부측 제1 및 제2 열원의 용량C 1 : Capacity of the first and second heat sources on the inlet side of the U-shaped heating tube
C2: U자형 가열튜브의 유출부측 제1 및 제2 열원의 용량C 2 : Capacity of the first and second heat sources on the outlet side of the U-shaped heating tube
상기 제1 열원은 열원들이 수직 방향으로 2열 이상의 복수의 열로 배치될 수 있고, 제2 열원 또한 열원들이 수직 방향으로 2열 이상의 복수의 열로 배치될 수 있다. In the first heat source, heat sources may be disposed in a plurality of rows of two or more rows in a vertical direction, and a second heat source may be disposed in a plurality of rows of two or more rows in a vertical direction.
U자형 가열튜브는 U 자형 또는 역U자형일 수 있다. The U-shaped heating tube may be U-shaped or inverted U-shaped.
본 발명의 다양한 실시예의 파이어 히터에 의하면, 히팅 박스 내의 과열 구간을 감소시켜 튜브 내의 온도 편차를 보다 안정적으로 유지함에 따라 열적 깨짐 현상을 감소시켜 히터의 효율성을 높일 수 있다. 또한 파이어 히터 내부의 열분포를 균일하게 하여 원하지 않는 부반응이 발생하는 것을 억제하여 탄화수소 변환 공정에 적용 시에 고순도의 생성물을 수득할 수 있다. According to the fire heater according to various embodiments of the present invention, by reducing the overheating section in the heating box to more stably maintain the temperature deviation in the tube, it is possible to increase the efficiency of the heater by reducing thermal cracking. In addition, by making the heat distribution inside the fire heater uniform, unwanted side reactions can be suppressed, and a high purity product can be obtained when applied to a hydrocarbon conversion process.
본 발명에 의하면 히팅 박스 내의 U자형 가열튜브와 열원 사이의 배치가 좌/우, 앞/뒤, 유입/유출 방향으로 모두 대칭을 이루는 기존 버너와 달리, 유체 유출 방향의 U자형 가열튜브와 가까운 열원 사이의 간격을 넓힐 수 있도록 열원을 배치하고, 열원의 용량을 조절함으로써, 과히팅 영역을 감소시키고, 이에 따라서 가열튜브 내의 온도 편차를 보다 안정적으로 유지함에 따라 열적 깨짐 현상을 감소시켜 히터의 효율성을 높일 수 있다. According to the present invention, unlike conventional burners in which the arrangement between the U-shaped heating tube and the heat source in the heating box is symmetric in all directions in the left/right, front/rear, and inflow/outflow directions, a heat source close to the U-shaped heating tube in the fluid outflow direction By arranging a heat source to widen the gap between the heat sources and adjusting the capacity of the heat source, the overheating area is reduced, and accordingly, the temperature deviation in the heating tube is more stably maintained, thereby reducing the thermal breakage phenomenon, thereby increasing the efficiency of the heater. You can increase it.
도 1은 종래의 파이어 히터의 일례를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 U자형 가열튜브에 대한 열원의 수평 방향 배치 위치를 조정한 파이어 히터의 개략 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 열원의 용량과 수직 방향 위치를 조정한 파이어 히터의 개략 측단면도이다. 1 is a schematic diagram showing an example of a conventional fire heater.
2 is a schematic side cross-sectional view of a fire heater in which a horizontal arrangement position of a heat source for a U-shaped heating tube is adjusted according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic side cross-sectional view of a fire heater in which a capacity of a heat source and a vertical position thereof are adjusted according to another embodiment of the present invention.
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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, detailed descriptions of related known general functions or configurations will be omitted.
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.The term “radiative section” as used herein generally refers to a section of a heater that receives heat released primarily by radiative and convective heat transfer, for example by fuel gas burned by the heater.
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. As used herein, the term "heat source" may include a furnace, a charge heater, or an interheater. The heater may include one or more combustors, and may include one or more radiant sections, one or more convection sections, or a combination of one or more radiant sections and one or more convection sections.
본 명세서에서 사용되는 용어 "U자형 가열튜브"는 반응물 유입부와 반응물 유출부 및 상기 유입부와 유출부 사이의 중간부를 포함하고, 상기 저온가열구간와 상기 유출부가 일정한 간격을 두고 서로 평행하게 배열된 관형 수단을 의미하는 것으로 절대적으로 U자형 가열튜브만을 의미하는 것이 아니고, 역U자형이나 중간부가 코일형으로 구성된 구조 등을 모두 포괄하는 넓은 의미이다. The term "U-shaped heating tube" as used herein includes a reactant inlet and a reactant outlet, and an intermediate portion between the inlet and outlet, and the low temperature heating section and the outlet are arranged in parallel with each other at regular intervals. It means a tubular means, not absolutely only a U-shaped heating tube, but a broad meaning that encompasses all structures in which the inverted U-shaped or the intermediate portion is formed of a coil type.
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.The pyrolysis reaction in the fire heater occurs more often when the heat distribution inside the heater is uneven or the temperature difference (ΔT) value for each section has a large deviation. In the present invention, in heating various reactants including a carbon stream, the inlet region having a relatively low temperature maximizes heat transfer efficiency by narrowing the distance from the heat source, and the outlet region having a relatively high temperature increases the distance from the heat source to prevent overheating. By preventing, it is possible to minimize side reactions such as pyrolysis reaction by making the heat distribution inside the heating box uniform.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 파이어 히터의 개략 측단면도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예의 파이어 히터의 개략 측단면도이다. 2 is a schematic side cross-sectional view of a fire heater according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a schematic side cross-sectional view of a fire heater according to another embodiment of the present invention.
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. The fire heater of the present invention is different by reforming a hydrocarbon stream, pyrolysis of liquids, or pyrolysis of gaseous aromatic and/or aliphatic hydrocarbon feedstocks such as ethane, propane, naphtha, or other products such as ethylene, and acetylene, propylene, butadiene. It can be used for pyrolysis of gas oils to produce substances.
반응물은 복사 섹션 입구 분배기로 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 분배기로부터 U자형 가열튜브(200)로 도입되며, 이 U자형 가열튜브는 복사 섹션을 포함하는 히팅 박스(10) 내부에 위치된다. 히팅 박스(10)는 열 에너지를 보존하기 위해 단열 내화재로 커버되어 있다.The reactants are preheated to a temperature of approximately 400° C. to 1,300° C. to the convection section prior to introduction to the radiation section inlet distributor, preferably by hot combustion gases having a temperature of approximately 800° C. to 1,300° C. Is introduced. The preheated feed is introduced from a radiating section inlet distributor to a U-shaped
히팅 박스(10)는 다수의 U자형 가열튜브(200)를 포함한다. 본 발명에 따라, U자형 가열튜브는, 문자 "U"자와 다소 유사한 형상을 취하고 있다. U자형 가열튜브(200)의 특성은 히팅 박스를 통과하는 2개의 통로를 효과적으로 형성하는 것이다. U자형 가열튜브(200)는 유입부(210), 유출부(230), 및 유입부(210)와 유출부(230)를 연결하는 중간부(220)를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 유출부(230)는 하나 이상의 분기 튜브를 포함할 수 있다. 이러한 U자형 가열튜브(200)는 U 자형 또는 역U자형일 수 있다.The
히팅 박스(10)는 U자형 가열튜브의 외부면을 복사열에 노출시키기 위한 다수의 열원(20)을 포함하고 있다. 열원(110, 120)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. The
도 2를 참조하면, 본 발명의 하나의 양상은 다수의 U자형 가열튜브가 내부에 배치된 히팅 박스(10), 상기 히팅 박스 내에 설치된 내부에 반응물이 유동하는 하나 이상의 U자형 가열튜브(200 및 상기 U자형 가열튜브의 외부면을 복사열에 노출시키기 위한 다수의 열원(20)을 포함하는 반응물을 가열하기 위한 파이어 히터로서, 상기 U자형 가열튜브의 내측에 배치되는 하나 이상의 제1 열원(110)과 상기 U자형 가열튜브와 히팅 박스의 벽 사이에 설치되는 하나 이상의 제2 열원(120)을 포함하고, 상기 U자형 가열튜브의 유출부의 근방에 배치되는 제1 열원(110) 및 제2 열원(120)은 하기 수식 1의 조건을 만족하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 파이어 히터에 관한 것이다. Referring to Figure 2, one aspect of the present invention is a
[수식 1][Equation 1]
상기 수식에서, In the above formula,
l1 : U자형 가열튜브의 유입부와 유출부의 중간 지점에서 이 지점과 유출부와의 사이의 중간 지점까지의 거리,l 1 : The distance from the midpoint of the inlet and outlet of the U-shaped heating tube to the midpoint between this point and the outlet,
l2 : U자형 가열튜브의 유입부와 유출부의 중간 지점에서 유출부 근방 제1 열원의 중심까지의 거리,l 2 : The distance from the midpoint of the inlet and outlet of the U-shaped heating tube to the center of the first heat source near the outlet,
d1 : U자형 가열튜브의 유출부에서 유출부와 히팅 박스 내벽 사이의 중간 지점까지의 거리,d 1 : Distance from the outlet of the U-shaped heating tube to the middle point between the outlet and the inner wall of the heating box,
d2 : U자형 가열튜브의 유출부에서 유출부 근방 제2 열원의 중심까지의 거리임. d 2 : Distance from the outlet of the U-shaped heating tube to the center of the second heat source near the outlet.
본 발명에서와 같이 U자형 가열튜브(200)의 유출부(고온 가열 구간)(220)의 근방의 열원들(110, 120) 사이의 간격을 넓게 설치하면, 유출부 근방의 열원들의 화염과 튜브간의 거리가 넓어지고 복사 거리가 길어져 방사량이 줄어드는 등의 효과로 유출 방향의 U자형 가열튜브(200)의 고온 가열 구간의 과열 현상이 줄어들어 U자형 가열튜브 내부의 열분포 균일성을 높일 수 있다. 즉, 유출부에서의 온도가 목표승온온도 이상으로 과열되는 현상을 줄일 수 있고, 유출부 부근에서는 급격한 온도 상승보다는 전체 반응물의 온도를 목표승온온도로 균일하게 조정할 수 있다. If the distance between the
본 발명의 파이어 히터의 U자형 가열튜브(200)의 유출부(220) 근방에 설치되는 제1 열원(110) 및 제2 열원(120)은 하기 수식 2의 조건을 추가로 만족시키도록 배치될 수 있다. The
[수식 2][Equation 2]
상기 수식에서, In the above formula,
h1: 히팅 박스 저면에서 U자형 가열튜브의 유출부 근방에 배치되는 최하단 제1 및 제2 열원의 중심까지의 수직 거리,h 1 : The vertical distance from the bottom of the heating box to the center of the lowermost first and second heat sources disposed near the outlet of the U-shaped heating tube,
h2: U자형 가열튜브의 유출부의 근방에 배치되는 제1 및 제 2 열원들 사이의 수직 거리임. h 2 : This is the vertical distance between the first and second heat sources disposed near the outlet of the U-shaped heating tube.
도 3을 참조하면, 본 발명에서와 같이 U자형 가열튜브(200)의 유출부(고온 가열 구간)(220)의 근방의 열원들(111, 121) 사이의 수직 거리를 넓게 설치하거나, U자형 가열튜브의 유출부에 배치되는 제1 및 제 2 열원들(111, 121) 사이의 수직 거리(h2)를 크게 할 경우에 유출부 근방의 열원들의 화염과 튜브간의 거리가 넓어지고 복사 거리가 길어져 방사량이 줄어드는 등의 효과로 유출 방향의 U자형 가열튜브(200)의 고온 가열 구간의 과열 현상이 줄어들어 U자형 가열튜브 내부의 열분포 균일성을 높일 수 있다.3, as in the present invention, a wide vertical distance between the
본 발명의 파이어 히터의 유입부와 유출부 근방의 제1 열원 및 제2 열원은 하기 수식 3의 조건을 추가로 만족시키도록 구성될 수 있다.The first heat source and the second heat source in the vicinity of the inlet and outlet of the fire heater of the present invention may be configured to further satisfy the condition of Equation 3 below.
[수식 3][Equation 3]
상기 수식에서, In the above formula,
C1: U자형 가열튜브의 유입부측 제1 열원(110) 및 제2 열원(120)의 용량C 1 : Capacity of the
C2: U자형 가열튜브의 유출부측 제1 열원(111) 및 제2 열원(121)의 용량C 2 : Capacity of the
상기 제1 열원(110, 111)은 열원들이 수직 방향으로 2열 이상의 복수의 열로 배치될 수 있고, 제2 열원(120,121) 또한 열원들이 수직 방향으로 2열 이상의 복수의 열로 배치될 수 있다. The
상기와 같이 U자형 가열튜브(200)의 유출부(고온 가열 구간)(220)의 튜브 근방의 열원들(110, 120)의 용량(C1)을 U자형 가열튜브(200)의 유입부(저온 가열 구간)(210)의 튜브 근방의 열원들(110, 120)의 용량(C2) 보다 적게 하면, 유출부에서 방사량이 줄어드는 효과로 과열 현상이 줄어들어 U자형 가열튜브 내부의 열분포 균일성을 높일 수 있다. As described above, the capacity (C 1 ) of the
종래의 파이어 히터의 경우 U자형 가열튜브의 유출부에서 목표승온온도 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 살펴보면, U자형 가열튜브의 전단에서는 전도나 대류보다 복사가 증가하여 가파르게 온도가 올라가고, 후단에서는 복사보다 전도가 증가하여 온도가 서서히 올라가며 목표승온온도에 도달하는 것을 확인할 수 있다. In the case of a conventional fire heater, it can be seen that the temperature rises above the target temperature increase temperature at the outlet of the U-shaped heating tube. In this case, there is a high possibility of overheating due to continuous radiation. On the contrary, looking at the temperature prediction curve for each location of the fire heater of the present invention, the radiation increases at the front end of the U-shaped heating tube rather than conduction or convection, so that the temperature rises steeply, and at the rear end, conduction increases rather than radiation, so that the temperature gradually increases and the target temperature rises. It can be seen that the temperature is reached.
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.In the above description, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments of the present invention, but those skilled in the art will understand the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. It will be appreciated that various modifications and changes can be made.
10: 히팅 박스 11: 히팅 박스 내벽
110, 111: 제1열원 120, 121: 제2 열원
200: U자형 가열튜브 210: 저온가열구간
220: 중간부 230: 고온가열구간 10: heating box 11: heating box inner wall
110, 111:
200: U-shaped heating tube 210: low temperature heating section
220: middle part 230: high temperature heating section
Claims (6)
[수식 1]
상기 수식에서,
l1 : U자형 가열튜브의 유입부와 유출부의 중간 지점에서 이 지점과 유출부와의 사이의 중간 지점까지의 거리,
l2 : U자형 가열튜브의 유입부와 유출부의 중간 지점에서 유출부 근방 제1 열원의 중심까지의 거리,
d1 : U자형 가열튜브의 유출부에서 유출부와 히팅 박스 내벽 사이의 중간 지점까지의 거리,
d2 : U자형 가열튜브의 유출부에서 유출부 근방 제2 열원의 중심까지의 거리임;
상기 파이어 히터의 유출부 근방의 제1 열원 및 제2 열원이 하기 수식 2의 조건을 추가로 만족하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
[수식 2]
상기 수식에서,
h1: 히팅 박스 저면에서 U자형 가열튜브의 유출부 근방에 배치되는 최하단 제1 및 제2 열원의 중심까지의 수직 거리,
h2: U자형 가열튜브의 유출부에 배치되는 제1 및 제 2 열원들 사이의 수직 거리임.
A heating box in which at least one U-shaped heating tube is disposed inside, at least one U-shaped heating tube through which reactants flow inside the heating box, and a plurality of heat sources for exposing the outer surface of the U-shaped heating tube to radiant heat. A fire heater for heating the reactant to be included, comprising at least one first heat source disposed inside the U-shaped heating tube and at least one second heat source disposed between the U-shaped heating tube and the wall of the heating box, The first heat source and the second heat source disposed in the vicinity of the outlet portion of the U-shaped heating tube are disposed to satisfy the condition of Equation 1 below,
[Equation 1]
In the above formula,
l 1 : The distance from the midpoint of the inlet and outlet of the U-shaped heating tube to the midpoint between this point and the outlet,
l 2 : The distance from the midpoint of the inlet and outlet of the U-shaped heating tube to the center of the first heat source near the outlet,
d 1 : Distance from the outlet of the U-shaped heating tube to the middle point between the outlet and the inner wall of the heating box,
d 2 : Distance from the outlet of the U-shaped heating tube to the center of the second heat source near the outlet;
A fire heater, characterized in that the first heat source and the second heat source in the vicinity of the outlet portion of the fire heater are disposed to further satisfy the condition of Equation 2 below.
[Equation 2]
In the above formula,
h 1 : The vertical distance from the bottom of the heating box to the center of the lowermost first and second heat sources disposed near the outlet of the U-shaped heating tube,
h 2 : This is the vertical distance between the first and second heat sources disposed at the outlet of the U-shaped heating tube.
[수식 3]
상기 수식에서,
C1: U자형 가열튜브의 유입부측 제1 및 제2 열원의 용량
C2: U자형 가열튜브의 유출부측 제1 및 제2 열원의 용량
The fire heater according to claim 1, wherein the first heat source and the second heat source near the inlet and outlet portions of the fire heater are configured to further satisfy the condition of Equation 3 below.
[Equation 3]
In the above formula,
C 1 : Capacity of the first and second heat sources on the inlet side of the U-shaped heating tube
C 2 : Capacity of the first and second heat sources on the outlet side of the U-shaped heating tube
The fire heater according to claim 1, wherein the first heat source is arranged in two or more rows in a vertical direction.
The fire heater according to claim 1, wherein the second heat source is arranged in two or more rows of heat sources in a vertical direction.
The fire heater according to claim 1, wherein the U-shaped heating tube is U-shaped or inverted U-shaped.
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2019
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