KR102379113B1 - 탄화수소 처리용 열전달 튜브 - Google Patents

탄화수소 처리용 열전달 튜브 Download PDF

Info

Publication number
KR102379113B1
KR102379113B1 KR1020197032760A KR20197032760A KR102379113B1 KR 102379113 B1 KR102379113 B1 KR 102379113B1 KR 1020197032760 A KR1020197032760 A KR 1020197032760A KR 20197032760 A KR20197032760 A KR 20197032760A KR 102379113 B1 KR102379113 B1 KR 102379113B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
tube
heat transfer
mixing
row
longitudinal axis
Prior art date
Application number
KR1020197032760A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200014741A (ko
Inventor
데이비드 비 스파이서
배래쓰 크리쉬나무르티
Original Assignee
엑손모빌 케미칼 패턴츠 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엑손모빌 케미칼 패턴츠 인코포레이티드 filed Critical 엑손모빌 케미칼 패턴츠 인코포레이티드
Publication of KR20200014741A publication Critical patent/KR20200014741A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102379113B1 publication Critical patent/KR102379113B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G9/00—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils
    • C10G9/14—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils in pipes or coils with or without auxiliary means, e.g. digesters, soaking drums, expansion means
    • C10G9/18—Apparatus
    • C10G9/20—Tube furnaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0053—Details of the reactor
    • B01J19/006—Baffles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/2415—Tubular reactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G75/00—Inhibiting corrosion or fouling in apparatus for treatment or conversion of hydrocarbon oils, in general
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G9/00—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils
    • C10G9/14—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils in pipes or coils with or without auxiliary means, e.g. digesters, soaking drums, expansion means
    • C10G9/16—Preventing or removing incrustation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element

Abstract

본 개시내용은 내부 및 외부 표면; 및 튜브의 내부 표면에 위치한 나선형 로우에 배열되며, 튜의 중심 종축을 향하여 내부로 돌출된 제1 및 제2 혼합 부재를 을 포함하는 열전달 튜브에 관한 것이다. 인접 혼합 부재는 약 0.5 인치(1.27 cm) 이상의 갭 아크 거리에 의해 분리된다. 나선형 로우는 튜브의 중심 종축에 대해 약 15도 내지 약 85도의 각도(Θ)를 갖는다. 튜브는 약 1.85 인치(4.7 cm) 이하의 내부 직경을 갖는다.

Description

탄화수소 처리용 열전달 튜브
발명자 : 스파이서 데이비드 비; 크리쉬나무르티 배래쓰
우선권
본 출원은 2017년 5월 5일에 출원된 미국가특허 출원번호 제62/502,249호의 우선권 및 이익을 주장하며, 이는 본원에 참조로 포함되어 있다.
기술분야
본 개시내용은 에틸렌 가열로 복사 코일(ethylene furnace radiant coil)을 포함하는 탄화수소 처리용 열전달 튜브 및 이의 용도에 관한 것이다.
증기-분해는 탄화수소 공급원료로부터 올레핀 예컨대 에틸렌, 프로필렌 및 부타디엔을 생성하기 위한 공업적 방법이다. 에틸렌으로부터 진공 가스-오일까지의 범위의 탄화수소 공급원료가 사용되며, 반응은 희석 증기의 존재 하에 실시될 수 있다. 에틸렌, 프로필렌, 및 부타디엔은 고체적 중합체 물질의 제조에서 사용되는 기본 구성 요소 화학물질이고, 시판되는 중요한 화학물질 중간체이다. 이러한 기본 구성 요소 석유화학물질에 대한 수요는 가까운 장래에 성장이 지속될 것으로 예상된다.
탄화수소의 증기 분해는 통상적으로 분해 가열로에서 적합한 코일과 탄화수소 공급원료 및 희석 증기의 혼합물을 접촉시킴으로서 수행된다. 통상적으로 증기로서의 혼합물은 다수의 코일(하나 이상의 튜브로 제조됨)을 통과한다. 이러한 코일 중 하나 이상은 탄화수소 분해를 촉진하기에 충분한 온도를 제공하는 분해 가열로의 대류 구역(대류 코일) 및 이후 복사 구역(복사 코일)을 통과한다. 버너는 혼합물이 원하는 반응 온도가 되게 하고, 하나 이상의 알켄(예를 들어, 에틸렌)의 형성을 촉진하는 데 필요한 열을 공급한다.
증기 분해의 특징은 예를 들어, 복사구역 내부 상의 탄소-함유 물질("코크스"로서 공지됨)의 증착물의 축적이다. 이러한 코크스 증착물은 (코크스가 단열재이기 때문에) 튜브 벽을 통한 반응물의 증기로의 열흐름을 방해하고, 이는 더 높은 튜브 금속 온도를 야기한다. 결국, 튜브 온도는 튜브 야금의 온도 한계값에 도달될 수 있다. 높은 작동 온도는 복사 코일 수명의 감소 및 코크스 축적 속도의 증가를 일으킨다. 튜브 내부의 코크스 증착물은 또한 복사 코일에 걸친 압력 강하를 증가시킨다. 더 높은 압력은 (주로 더 높은 압력에서의 덜 선택적인 분해의 결과로서) 원하는 생성물의 수율의 감소를 야기한다. 코크스 축적은 예를 들어 (실질적으로 일정한 코일 유출구 온도에서) 열전달 튜브에 걸친 더 큰 압력 강하 또는 더 높은 복사 튜브 금속 온도에 의해 나타나는 바와 같이 직접적으로 또는 간접적으로 관찰될 수 있다.
튜브 금속 온도가 증기 분해 공정 과정에서 물질의 최대 작동 온도에 도달되거나 또는 복사 코일에 걸친 압력 강하가 주어진 가열로 설계에 대한 최대 지속가능한 값에 도달되는 경우, 상기 공정은 종결되고, 코일은 이후 "탈코크스화된다(decoked)". 이 시점에서, 코크스의 형성은 예를 들어 튜브 내의 0.25" - 0.35" (0.635 cm - 0.89 cm)의 두께에 도달될 수 있다. 전형적인 탈코크스화 공정은 12-72 시간의 비생산적 반응기 시간을 야기한다. 탈코크스화는 통상적으로 공기 및 증기를 포함하는 혼합물을 더 고온에서 반응기 코일에 통과시킴으로써 수행된다. 코크스는 연소 및 부식/스폴링(spalling)의 조합에 의해 제거된다. 공기의 사용을 배제하는 다른 탈코크스화 기술은 코크스가 주로 부식/스폴링 및 가스화에 의해 제거되는 경우에 사용될 수 있다.
에틸렌에 대한 반응기 선택도는, 예를 들어, 약 0.5초 미만과 같은 반응기 내에서의 짧은 탄화수소 체류 시간 및 낮은 탄화수소 분압이 유리하다. 감소된 내부 직경(예를 들어, 4인치의 내부 직경[약 10 cm] 이하)을 갖는 복사 튜브가 사용 과정에서 튜브로부터 탄화수소 공급원료까지의 증가된 열전달을 위해 내부 표면적-대-체적 비를 증가시키는 것으로 조사되었다. 증가된 내부 표면적-대-체적 비는 튜브 내에서의 탄화수소 공급원료의 감소된 체류 시간(0.5초 이하)을 제공하며, 이는 에틸렌 형성의 선택도를 촉진한다. 고선택도 코일은 또한 2.25"(약 5.7 cam) 이하의 튜브 내부 직경 및 0.25초 이하의 체류 시간을 사용할 수 있다. 산업용 특정 고선택도 코일은 1.65"(약 4.4 cm) 이하의 튜브 내부 직경 및 0.10 - 0.15초의 체류 시간을 사용한다.
참조로 편입된 미국특허 제5,950,718호는 튜브의 내부 표면에 결합된 혼합 부재의 연속 나선형 배열을 갖는 열전달 튜브를 기술한다. 혼합 부재는 튜브 전반에서의 난류 및 개선된 열전달 계수를 촉진한다. 참조로 편입된 미국특허 제7,799,963호는 연속 나선형이 아닌 나선형 혼합 부재 형상을 갖는 열전달 튜브를 기술하며, 혼합 부재는 튜브의 중심 종축에 따라 연장되는 "무범프(no bump)" 레인을 갖는 불연속 나선(interrupted helix)을 포함한다. 참조로 편입된 미국특허 제8,231,837호는 다수의 돌출부 로우(projection row) 내의 내부 표면 따라 원주방향으로 연장된 다수의 돌출부를 갖는 열전달 튜브를 기술한다. 그럼에도 불구하고, 증기 분해 공정 과정에서의 코크스 형성은 지속되며, 이에 따라 가열로 말단에서의 복사 튜브에 걸친 압력 강하는 문제점으로 남아 있다.
더 큰 압력 강하를 일으키지 않고 에틸렌 형성을 촉진하기 위한 바람직한 열전달 특성을 유지하도록 또는 개선하도록 구성된 열전달 튜브에 대한 필요성이 존재한다.
요약
더 작은 직경의 튜브에서의 코크스 축적은 예를 들어 혼합 부재의 쌍들 사이에 형성된 갭(gap)에 의해 형성된 하나 이상의 관, 채널, 또는 레인("무범브 레인"으로도 지침됨)을 갖는 복사 튜브와 같은 열전달 튜브에서도 예상보다 높은 압력 강하를 야기하는 것으로 밝혀졌고, 관 또는 채널은 통상적으로 튜브의 중심 장축에 대해 (하나 초과의 무범프 레인이 존재하는 경우에 서로에 대해) 실질적으로 평행하다. 이론에 구속되지 않고, 코크스 축적은 무범프 레인에서 일어나고, 코크스층의 두께가 무범프 레인의 폭의 절반에 도달되는 경우에 가속되는 것으로 여겨진다. 약 0.5 인치(약 1.27 cm) 초과의 무범프 레인의 크기를 유지시켜 통상적 실시 기간 동안 코크스화 조건 압력 강하 및 산업용 가열로의 통상적 코크스 두께를 줄일 수 있는 것을 추가로 발견하였다.
따라서, 본 발명의 특정 양태는 내부 표면 및 외부 표면을 포함하는 열전달 튜브에 관한 것이다. 열전달 튜브는 튜브의 내부 표면 상에 배치된 2개 이상의 혼합 부재를 포함하며, 튜브의 중식 종축을 향하여 내부로 돌출된 제1 나선형 로우(helical row)를 포함한다. 인접 혼합 부재는 약 0.5 인치(1.27 cm) 이상의 갭 아크 거리(gap arc distance)에 의해 분리된다. 제1 나선형 로우는 튜브의 중심 종축에 대해 약 15도 내지 약 85도의 각도(Θ)를 갖는다. 튜브는 약 1.85 인치(4.7 cm) 이하의 내부 직경을 갖는다.
다른 양태는 탄화수소 공급원료의 열분해를 위한 공정에 관한 것이며, 이는 열전달 튜브로의 탄화수소 공급원료를 주입하는 단계 및 열분해 조건 하에 탄화수소 공급원료를 분해하는 단계를 포함한다. 튜브는 튜브의 내부 표면 상에 배치된 2개 이상의 혼합 부재를 포함하고, 튜브의 중심 종축을 향하여 내부로 돌출된 제1 나선형 로우를 갖는다. 튜브는 약 1.85 인치(4.7 cm) 이하의 내부 직경을 갖는다. 인접 혼합 부재는 약 0.5 인치(1.27 cm) 이상의 갭 아크 거리로 이격된다. 제1 나선형 로우는 튜브의 중심 종축에 대해 약 15도 내지 약 85도의 각도(Θ)를 갖는다.
또 다른 양태는 분해 과정에서 튜브의 내부 표면 상의 코크스층을 증착시키는 것에 관한 것이다. 혼합 부재 상에 배치된 코크스층은 높이(t)를 가질 수 있고, 높이(t')에서 튜브의 내부 표면 상에 배치되며, 여기서 (t)의 값은 (t')의 약 70% 내지 약 100% 값이다.
도 1은 증기 분해 가열로를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 튜브의 중심 종축에 평행한 단면에 따른 열전달 튜브의 단면도이다.
도 3은 튜브의 중심 종축에 수직한 단면에 따른 열전달 튜브의 단면도이다.
본 상세한 설명 및 첨부된 청구항의 열전달 튜브(특정 열전달 튜브)는 에틸렌 가열로 복사 코일(복사 튜브)에 대한 열전달 튜브로서 사용하기에 적합하다. 열전달 튜브는 예를 들어 약 1.85 인치(4.7 cm) 이하의 내부 직경, 예컨대 약 1.8 인치(4.57 cm) 이하의 내부 직경 및 (예를 들어, 튜브의 내부 표면에 결합되거나 또는 부착된) 튜브의 내부 표면에 근접하게 배치되고, 불연속 나선 형태로 배열된 복수의 혼합 부재를 가질 수 있다. 2개의 인접 혼합 부재의 말단 사이의 갭(아크 거리로 공지됨)은 약 0.5 인치(1.27 cm) 이상, 예컨대 약 0.6 인치(1.52 cm) 이상이다. 특정 열전달 튜브의 특정 형태는 나선형 로우 길이(나선의 완전한 일회전)당 3개의 혼합 부재를 갖는다. 특정 열전달 튜브는 일반적으로 혼합 부재 사이의 갭에서의 코크스 형성에 의해 야기되는 높은 압력 강하를 일으키지 않고 (종래의 열전달 튜브와 비교하여) 증가된 열전달 계수를 제공한다. 특정 열전달 튜브에서, 0.3 인치(0.76 cm) 두께의 코크스층은 복사 튜브에 걸친 바람직한 낮은 압력 강하가 제거되기 전에 튜브 내에 증착될 수 있다. 이는 결국 에틸렌 형성을 촉진하고, 높은 압력 강하를 일으키지 않고 특정 열전달 튜브의 바람직한 열전달 특성을 보유하거나 또는 개선하도록 구성된 분해 튜브를 제공한다. 압력 강하는 복사 코일의 전체 길이에 걸쳐 측정됨을 유의한다. 이러한 개선은 (예를 들어, 과도한 코크스화로 인하여) 탈코크스 방식으로 가열로를 작동할 필요성이 생기기 전에 열분해 작동 방식의 더 긴 기간으로 증기 분해 공정을 제공한다.
특정 튜브는 예를 들어 증기 분해 공정에서의 탄화수소 공급원료의 열분해를 위한 과정에서 사용될 수 있다. 이러한 상세한 설명 및 첨부된 청구항에 특정된 공정(특정 공정)은 탄화수소 공급원료를 열전달 튜브로 주입하는 단계 및 열분해 조건 하에 탄화수소 공급원료를 분해하는 단계를 포함할 수 있다. 튜브는 튜브의 내부 표면 상에 배치된 2개 이상의 혼합 부재를 포함하고, 튜브의 중심 종축을 향하여 내부로 돌출된 제1 나선형 로우를 가질 수 있다. 튜브는 약 1.85 인치(4.7 cm) 이하의 내부 직경을 가질 수 있다. 특정 공정은 탄화수소 공급원료와 제1 나선형 로우의 제1 혼합 부재 및 제1 나선형 로우의 제2 인접 혼합 부재를 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. 임의의 특정 공정은 탄화수소 공급원료를 제1 혼합 부재의 제1 말단과 제2 인접 혼합 부재의 제1 말단 사이의 영역을 통해 튜브의 내부 표면에 인접하게 유동시키는 단계를 포함하며, 상기 영역은 약 0.5 인치(1.27 cm) 이상의 아크 거리에 의해 획정된다. 이는 예를 들어 적절한 에틸렌 형성 파라미터가 유지될 수 있는 가운데, 코크스가 약 0.25 인치(0.635 cm) 이상, 예컨대 약 0.3 인치(0.76 cm) 이상의 높이로 축적되도록 튜브에 걸친 유동 경로를 선택적으로 제공하기 위한 열전달 튜브를 통한 탄화수소 공급원료의 분배를 포함할 수 있다. 특정 공정은 열전달 튜브의 유용한 수명을 증가시키고, 열분해 공정의 기간(실시-길이)를 증가시키고, 탈코크스화에 대한 필요성을 감소시키는 것으로 밝혀졌다.
증기 분해 장치 및 공정
도 1은 본 개시내용의 일 구현예에 따른 증기 분해 가열로(100)이다. 도 1에 나타난 바와 같이 증기 분해 가열로(100)는 복사 파이어박스(radiant firebox)(102), 대류 구역(104) 및 연도가스 배기구(106)를 포함한다. 연료 가스는 도관(108) 및 조절 밸브(110)을 통해 배치된 탄화수소 공급원료에 복사열을 제공하는 버너(112)에 제공되어 그것이 하나 이상의 코일을 통해 유동함에 따라 탄화수소 공급원료의 열분해에 의해 원하는 생성물을 생성한다. 버너는 대류 구역(104)을 통과하고 이후 연도가스 배기구(106)를 통해 유동하는 고온 연도가스를 발생시킨다.
탄화수소 공급원료는 도관(114) 및 밸브(116)를 통해 대류 코일(118)로 유동하고, 대류 구역(104)을 통해 유동하는 고온 연도 가스와의 간접 접촉에 의해 예열된다. 밸브(116)는 종래의 코일(118)로 주입되는 탄화수소 공급원료의 양을 조절하도록 구성된다. 대류 코일(118)은 복수의 열교환 튜브(120)를 포함할 수 있다. 공급원료(114)는 복수의 평행한 공급 도관(122) 및 상응하는 평행한 대류 코일(미도시됨)를 통해 유동할 수 있다. 도 1은 4개의 총 공급 도관을 예시한다. 다른 구현예에서, 증기 분해 가열로는 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18개 이상의 공급 도관을 포함한다.
희석 증기는 연도가스로부터의 열의 간접 전달에 의해 예열하기 위해 대류 코일(128)로 밸브(126)를 통해 희석 증기 도관(124)을 거쳐 제공된다. 밸브(126)는 대류 코일(128)로 주입되는 희석 증기의 양을 조절하도록 구성된다. 대류 코일(128)은 복수의 열교환 튜브(130)를 포함할 수 있다. 희석 증기(124)는 또한 복수의 평행한 희석 증기 도관(132) 및 상응하는 평행한 대류 코일(미도시됨)을 통해 유동할 수 있다. 복수개의 희석 증기 도관(132)의 수는 복수개의 공급 도관(122)의 수에 상응할 수 있다.
예열된 희석 증기 및 예열된 탄화수소 공급물은 도관(134) 내에서 조합되고, 이에 근접된다. 탄화수소 공급원료 및 증기의 혼합물은 대류 코일(136)에서 혼합물을 예열하기 위해 도관(134)을 거쳐 대류 구역(104)으로 재주입된다. 대류 코일(136)은 복수의 열교환 튜브(138)를 포함할 수 있다. 혼합된 공급원료 및 증기를 위한 복수의 대류 코일(미도시됨)은 복수개의 공급 도관(122)의 수에 따라 제공될 수 있다. 탄화수소 공급원료 및 증기의 혼합물은 통상적으로 예를 들어 약 750℉ 내지 약 1400℉, 예컨대 약 1200℉(649℃) 내지 약 1350℉(732℃)의 온도로 대류 코일(136)에서 예열된다.
크로스-오버 파이핑(140)은 탄화수소 공급원료 및 증기의 예열된 혼합물을 탄화수소의 열분해를 위한 복사 구역(102)에서의 복사 코일(142)로 제공되도록 구성된다. 복사 코일(142)은 하나 이상의 열전달 튜브(144)를 포함한다. 열전달 튜브(들)(144)은 튜브(들)의 내부 표면 상에 배치된 복수개의 혼합 부재(미도시됨)를 가질 수 있다. 가열로(100)는 복수개의 복사 코일(미도시됨)을 포함할 수 있다. 복수개의 복사 코일 중의 복사 코일의 수는 복수개의 공급 도관(122)의 수에 상응하거나 또는 더 많을 수 있다. 예를 들어, 단일 대류 코일에 의해 제공되는 복사 코일의 수는 1 내지 40개의 범위일 수 있다. 대류 코일(136)로부터 배출되는 가열된 혼합물의 온도는 일반적으로 상당한 열분해가 시작되는 지점의 것이거나 그와 비슷하도록 설계된다.
탄화수소 공급원료는 특히 상대적으로 높은 수율의 C2 불포화물(에틸렌 및 아세틸렌)이 바람직한 양태에서 하나 이상의 상대적으로 낮은 분자량의 탄화수소(경질 공급원료)를 포함할 수 있다. 경질 공급원료는 전형적으로 5개 미만의 탄소 원자를 갖는 실질적으로 포화된 탄화수소 분자, 예를 들어 에탄, 프로판 및 이의 혼합물(예를 들어 에탄-프로판 혼합물 또는 "E/P" 혼합물)을 포함한다. 에탄 분해를 위해, 약 75 중량% 이상의 에탄의 농도가 통상적이다.
탄화수소 공급원료는 고분자량 탄화수소("중질 공급원료")를 포함할 수 있다. 중질 공급원료의 예는 증기 분해된 가스 오일 및 잔류물, 가스 오일, 가열된 오일, 제트 연료, 디젤, 등유, 코커 나프타(coker naphtha), 증기 분해된 나프타, 접촉분해된 나프타, 수소분해물(hydrocrackate), 리포메이트(reformate), 라피네이트 리포메이트(raffinate reformate), 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 액체, 피셔-트롭쉬 기체, 증류액, 원유, 대기 파이프스틸(pipestill) 앙금, 앙금을 포함하는 진공 파이프스틸 스트림, 가스 오일 응축물, 정제소로부터의 비-버진(non-virgin) 중질 탄화수소 스트림, 감압 경유, 중질 경유, 원유로 오염된 나프타, 대기 잔류물, 중질 잔류물, C4/잔류 혼합물, 나프타/잔류물 혼합물, 경유/잔류 혼합물 및 원유 중 하나 이상을 포함한다. 탄화수소 공급원료는 약 600℉(316℃) 이상, 예컨대 약 750℉(399℃) 이상, 예컨대 약 850℉(455℃) 이상, 예를 들어 약 950℉(510℃)의 공칭 최종 비점을 가질 수 있다. 공칭 최종 비점(nominal final boiling point)은 특정 샘플의 99.5 중량%가 그의 비점에 도달되는 온도를 의미한다.
탄화수소 공급원료 및 증기의 예열된 혼합물은 크로스-오버 파이핑(140)을 거쳐 가열로의 복사 구역(102)에 배치된 복사 코일(142)로 제공된다. 복사 코일, 예컨대 복사 코일(142)을 통한 탄화수소 공급원료 및 증기의 예열된 혼합물의 유속은 약 250 피트/초(약 76 미터/초) 내지 약 600 피트/초(183 미터/초), 예컨대 약 400 피트/초(122 미터/초) 내지 약 500 피트/초(152 미터/초)일 수 있다. 이러한 값은 코크스가 존재하지 않는 경우의 복사 코일에서의 가스 유속에 해당함을 유의한다. 코크스 두께가 증가함에 따라 더 높은 속도가 생성된다. 복사 코일, 예컨대 복사 코일(142)은 약 30 피트(약 9.1 미터) 내지 약 300 피트(약 91 미터), 예컨대 약 35 피트(약 11 미터) 내지 약 200 피트(약 61 미터)의 길이를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 복사 코일, 예컨대 복사 코일(142)은 약 35 피트(약 11 미터) 내지 약 45 피트(약 14 미터)의 길이를 가질 수 있다.
특정 양태에서, 탄화수소 공급원료 및 증기의 혼합물은 혼합물의 중량 기준으로 약 10 중량% 내지 약 90 중량%의 양의 증기를 포함하고, 혼합물의 잔류물은 탄화수소 공급원료를 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, 탄화수소 공급원료 및 증기의 혼합물은 대류 코일(118)로부터 배출되는 예열된 탄화수소를 대류 코일(128)로부터 배출되는 예열된 증기와 예를 들어 탄화수소 kg당 약 0.1 내지 약 1 kg 증기의 비, 예컨대 탄화수소 kg당 약 0.2 내지 약 0.6 kg 증기의 비로 조합되어 생성된다.
증기 분해 조건은 탄화수소 공급원료 및 증기의 혼합물을 약 0.01초 내지 약 5초, 예컨대 약 0.1초 내지 약 0.5초의 분해 체류 시간 동안 400℃ 이상, 예컨대 약 400℃ 내지 약 900℃의 온도 및 약 0.1 bar 이상의 압력에 노출시키는 것을 포함할 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 탄화수소 공급원료는 중질 공급원료를 포함하고, 탄화수소 공급원료 및 증기의 혼합물은 탄화수소 kg당 약 0.2 내지 약 1 kg 증기를 포함한다. 증기 분해 조건은 (i) 약 760℃ 내지 약 880℃의 혼합물의 온도; (ii) 약 1 내지 약 5 bar의 복사 코일 내의 압력, 또는 (iii) 약 0.10 내지 약 2초의 분해 체류 시간 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 복사 코일의 유출물은 약 760℃ 내지 약 880℃, 예를 들어 약 790℃의 온도를 가질 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 탄화수소 공급원료는 경질 공급원료를 포함하고, 혼합물은 탄화수소 kg당 약 0.2 내지 약 0.5 kg 증기를 포함한다. 증기 분해 조건은 (i) 약 760℃ 내지 약 1100℃의 혼합물의 온도; (ii) 약 1 내지 약 5 bar의 복사 코일 내의 압력, 또는 (iii) 약 0.10 내지 약 2초의 분해 체류 시간 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 복사 코일의 유출물은 에탄 또는 프로판 공급원료에 대해 약 760℃ 내지 약 1100℃, 예를 들어 약 900℃의 온도를 가질 수 있다.
원하는 정도의 열분해가 복사 구역(102)에서 달성된 이후, 복사 코일 유출물(156)은 급속하게 냉각된다. 예를 들어, 복사 코일 유출물(156)은 하나 이상의 켄칭 스테이지(146)에 제공된다. 켄칭 방법은 잘 알려져 있고, 켄칭 스테이지(146)는 임의의 공지된 켄칭 방법 예컨대 복사 코일 유출물(148)을 간접적으로 냉각시키는 수송 라인 열교환기(TLE) 또는 켄칭 오일을 직접적으로 복사 코일 유출물(156)로 주입하는 켄칭 핏팅(quench fitting)일 수 있다. 복수개의 켄칭 스테이지(미도시됨)은 복수개의 공급 도관(122)의 수에 상응하는 스테이지(146)와 병렬적으로 이용될 수 있다.
충분한 냉각이 켄칭 스테이지(146)에 제공되어 켄칭된 복사 코일 유출물(148)의 온도가 하류 분리 장비에의 공급에 적합하도록 보장한다. 예를 들어, 1차 증류탑(미도시됨)은 약 288℃(550℉) 내지 약 315℃(600℉)의 온도를 갖는 켄칭된 복사 코일 유출물을 공급받을 수 있다.
열전달 튜브
도 2는 열전달 튜브(144)로서 사용하기에 적합한 특정 열전달 튜브의 하나의 형태의 내부 표면의 단면도이다. 단면도는 튜브의 중심 종축에 평행한 단면에 따른 것이다. 열전달 튜브(200)는 단면이 실질적으로 원형인 경우에 하기 식 1에 의해 내부 직경(d)(도 2에 도시되지 않음)과 관련된 내부 원주(c)를 갖는다.
식 (1) c = πd
열전달 튜브(200)는 열전달 튜브(200)의 중심 종축(A)에 대한 각도(Θ)로 내부 표면(208) 상에 배치된 나선형 로우(201)를 포함한다. 각도(Θ)는 통상적으로 약 15도 내지 약 85도의 범위이다. 나선형 로우(201)의 로우 길이(R)는 열전달 튜브(200)의 중심 종축(A) 주변을 360도 회전(완전한 회전)으로 순회하는 나선형 로우(201)의 구역의 길이를 나타낸다. 로우 길이(R)는 관련 각도 및 내부 직경(d)(미도시됨)이고, 이는 실질적 원형 단면을 갖는 튜브에 대해 하기 식 2로 주어진다.
식 (2) R = πd/sinΘ
명확하게 하기 위해, 도 2에서의 임의의 로우 길이(R)의 하부는 인접한 로우 길이의 상부에 연결되고, 이로써 나선형 로우(201)는 중심 종축(A) 주변을 회전하는 내부 표면(208)에 따라 나선(helix)(또는 나선(spiral))을 지속적으로 형성한다.
나선형 로우(201)는 내부 표면(208) 상에 배치되고, 중심 종축(A)을 향하여 내부로 돌출된 2개 이상의 혼합 부재(202)를 갖는다. 각각의 혼합 부재(202)는 제1 말단(204) 및 제2 말단(206)을 갖는다. 제1 혼합 부재의 제1 말단(204)은 갭 아크 거리(g)에 의해 제2 인접 혼합 부재의 제2 말단(206)으로부터 분리되어, 나선형 로우(201)에 따라 개개의 혼합 부재(202)의 불연속 나선 형상을 형성한다. 갭 아크 거리(g)는 제1 부재의 제1 말단(204)이 내부 표면과 만나는 곳으로부터 제2 인접 부재의 제2 말단(206)이 내부 표면과 만나는 곳까지 내부 표면(208)을 따라 측정된다. 갭 아크 거리(g)는 나선형 로우(201)의 방향으로 측정된다.
각각의 혼합 부재(202)는 제1 부재의 제1 말단(204)이 내부 표면과 만나는 곳으로부터 동일한 부재의 제2 말단(206)이 내부 표면과 만나는 곳까지 내부 표면(208)을 따라 측정된 아크 길이를 나타내는 부재 아크 길이(L)를 갖는다. 부재 아크 길이(L)는 나선형 로우(201)의 방향으로 측정된다.
일 구현예에서, 주어진 로우에서의 혼합 부재(202)는 상이한 부재 아크 길이(L) 및/또는 갭 아크 거리(g)를 가질 수 있다.
바람직하게는, 개개의 혼합 부재(202)의 부재 아크 길이(L)는 동일하고, 혼합 부재들 사이의 갭 아크 거리(g)가 또한 동일하다. 실질적으로 원형 단면의 바람직한 튜브의 경우, 나선형 로우(201)의 하나의 완전한 회전에서의 개개의 혼합 부재(202)의 수(n)는 하기 식 3-5에 의해 갭 아크 거리(g), 로우 길이(R), 부재 아크 길이(L), 및 각도(Θ)와 관련된다.
Figure 112020000451613-pct00001
알 수 있는 바와 같이, 나선형 로우(201)의 1회전에서의 혼합 부재의 수(n)는 변화될 수 있다. 바람직한 구현예에서, 혼합 부재의 수(n)는 세개(3)이다.
"무범프 레인"은 본 개시내용의 열전달 튜브의 중심 종축에 평행한 영역이고, 여기서 나선형 로우의 혼합 부재의 갭 아크 거리는 공급원료가 튜브를 통해 유동함에 따라 혼합 부재로 공급원료의 "범핑(bumping)"이 감소되면서 튜브를 통해 탄화수소 공급원료가 유동하는 것을 촉진하도록 조정된다. 달리 설명하면, 공급원료는 임의의 혼합 부재에 의해 방해받지 않고 무범프 레인을 따라 유동한다. 예를 들어, 갭 아크 거리(g)는 즉 "무범프 레인"인 영역(ZB), 즉, 혼합 부재가 튜브의 내부 표면에 근접한 통로의 채널을 따라 존재하지 않는 통로를 형성하기 위해 중심 종축(A)에 따라 조정될 수 있으며, 상기 통로 또는 채널은 실질적으로 튜브의 전체 종방향 길이에 대해 연장된다. 예를 들어, 영역(ZB)은 튜브(200)의 표면(208)에 인접하여 유동하는 것을 방해하는 탄화수소 공급원료 및/또는 증기에 대한 레인을 제공하는, 열전달 튜브의 중심 종축(A)에 따라 임의의 혼합 부재(202)를 가지지 않는다.
혼합 부재, 예컨대 혼합 부재(202)는 용접을 포함하는 임의의 공지된 방법에 의해 튜브의 내부 표면, 예컨대 내부 표면(208)에 부착되거나 또는 그렇지 않으면 고정될 수 있다. 참조로 편입된 미국특허 제7,799,963호는 예컨대 플라즈마 분말 용접(PPA 용접)과 같은 적절한 방법을 기술한다. PPA 용접의 경우, 튜브는 그것의 축 주변을 회전가능한 회전 구동 장치에 의해 수평하게 지지된다. 용접 토치(welding torch)는 튜브에 삽입되고, 튜브 종축(A)에 평행하게 고정되는 지지체 아암(support arm)과 결합된다(예를 들어, 미국특허 제7,799,963호의 도 8 참조). 분말 물질은 용접 토치까지 파이프에 의해 공급되고, 이는 튜브의 내부 표면 상에 비드를 형성한다. 튜브는 용접 토치가 중첩시켜 형성되는 비드를 갖는 나선형 혼합 부재를 간헐적으로 형성하도록 튜브 종축(A)에 따라 회전하고 이동한다. 튜브의 회전 속도, 용접 토치의 수, 수평 이동의 속도 등은 본 개시내용의 상이한 혼합 부재 구조를 형성하도록 조정될 수 있다. 고정형 튜브 내부의 용접 토치 지지체 아암을 회전시키는 PPA 용접 방법이 또한 본 발명에 고려된다.
도 3은 실질적 원형 단면을 갖는 특정 열전달 튜브의 형태의 단면도이다. 이러한 형태의 튜브는 튜브의 중심 종축에 수직한 단면으로 도시된 것을 제외하고 유사한 지수로 식별되는 유사한 모양을 갖는 도 2의 열전달 튜브와 유사하거나 (또는 동일할) 수 있다. 도 3에 나타난 바와 같이, 열전달 튜브(200)는 내부 표면(208)과 상기 내부 표면의 반대편에 있는 외부 표면(304)을 갖는다. 열전달 튜브(200)는 또한 튜브의 중심축을 통과하는 직선 라인을 따라 내부 표면(208)의 제1 면(300)과 제1 면(300)의 반대편에 있는 내부 표면(208)의 제2 면(302) 사이의 거리에 의해 획정된 내부 직경(d)을 갖는다. 혼합 부재(202)는 높이(h)를 갖는다. 혼합 부재(202)의 높이(h)는 예를 들어 약 1 mm 내지 약 10 mm, 예컨대 약 1 mm 내지 약 5 mm의 범위일 수 있고, 이는 독립적으로 다른 혼합 부재의 높이로부터 선택될 수 있다.
제1 혼합 부재의 제1 말단(204)은 갭 아크 거리(g)에 의해 제2 (인접) 혼합 부재의 제2 말단(206)으로부터 분리된다. 갭 아크 거리(g)는 제1 부재의 제1 말단(204)이 내부 표면(208)과 만나는 곳과 제2 (인접) 혼합 부재의 제2 말단(206)이 내부 표면(208)과 만나는 곳 사이에서 내부 표면(208)에 따라 측정된다. 갭 아크 거리(g)는 나선형 로우(도 3에 도시되지 않음)의 방향으로 측정된다.
혼합 부재(202)는 부재의 제1 말단(204)이 내부 표면과 만나는 곳으로부터 동일한 부재의 제2 말단(206)이 내부 표면과 만나는 곳까지 내부 표면(208)을 따라 측정된 혼합 부재의 아크 길이를 나타내는 부재 아크 길이(L)를 갖는다. 부재 아크 길이(L)는 나선형 로우(도 3에 도시되지 않음)의 방향으로 측정된다.
내부 직경(d)은 통상적으로 약 1.85 인치(4.7 cm) 이하, 예컨대 약 1.8 인치(4.57 cm) 이하, 예컨대 약 1 인치(2.54 cm) 내지 약 1.8 인치(4.57 cm), 예를 들어, 약 1.62 인치(4.11 cm) 또는 1.82 인치(4.62)이고, 갭 아크 거리(g)는 약 0.5 인치(1.27 cm) 이상, 예컨대 약 0.6 인치 이상, 예컨대 약 0.5 인치(1.27 cm) 내지 약 1.5 인치(3.8 cm), 예를 들어 약 0.63 인치(1.6 cm)이다.
도 3을 참조하면, 코크스층(306)은 높이(t')에서 내부 표면(208) 상에 증착될 수 있고, 또한 높이(t)에서 혼합 부재(202) 상에 증착될 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 높이(t)는 혼합 부재의 중간지점에서 혼합 부재 표면에 수직하게 그리고 튜브의 내부 표면에 수직하게 측정된다. 마찬가지로, 높이(t')는 2개의 인접 혼합 부재들 사이의 갭에서의 중간지점에서 튜브 표면에 수직하게 측정된다. 갭 아크 거리(g)가 본 개시내용에 따라 설정되는 경우, 높이(t)는 2개의 인접 혼합 부재들 사이에서의 갭 내의 중간지점에서 튜브 표면에 수직하게 측정된 높이(t')의 약 70% 이상, 예컨대 85%, 90%, 또는 95%일 수 있다.
약 0.5 인치(1.27 cm) 이상의 갭 아크 거리(g)에 부가하여 약 1.85 인치(4.7 cm) 이하, 예컨대 약 1.8 인치(4.57 cm) 이하의 내부 직경(d)을 갖는 열전달 튜브는 혼합 부재들 사이의 갭에서의 코크스 형성에 의해 야기된 높은 압력 강하를 일으키지 않고 (혼합 부재들 사이의 갭을 갖는 열전달 튜브와 비교하여) 유지된 열전달 계수를 제공하는 것을 발견하였다.
또한, 0.3 인치(0.76 cm) 두께의 코크스층(예를 들어, t 및/또는 t' 값은 0.3 인치 이상임)의 증착은 튜브의 말단에서의 바람직한 낮은 압력 강하가 없어지기 이전에 튜브 내에서 일어날 수 있고, 이는 탈코크스 공정을 수행하기 위해 증기 분해 공정을 종료시켜야 하지 않고 더 긴 실시-길이(또한 '실시 시간'으로 공지됨)를 갖는 증기 분해 공정을 제공하는 것을 발견하였다. 이론에 구속되지 않고, 이러한 내부 직경 및 아크 거리 치수는 예를 들어 0.25 인치(0.635 cm) 이상의 두께, 예컨대 0.3 인치(0.76 cm) 두께인 코크스층의 형성에도 불구하고 튜브의 중심 종축(A)에 따라 "무범프 레인"이 존재할 수 있게 한다.
본 개시내용의 범위는 단지 0.6 인지의 갭 아크 거리(g) 및 0.3 인치 두께의 코크스층으로 제한되지 않는다. 이는 열분해 방식 작업 실시-길이(예를 들어, 탈코크스 방식 작업이 필요로 되기 이전의 증기 분해 방식의 과정) 동안의 통상적 산업적 기간(실시-길이) 동안의 통상적인 코크스 두께이다. 탈코크스 간의 바람직한 실시-길이가 0.3 인치 초과의 두께를 갖는 코크스층을 야기하는 경우에, 갭 아크 거리(g)는 새로운 코크스층 두께를 고려하기 위해 상응하는 양으로 증가되어야 하고, 바람직한 "무범프 레인" 압력 강하 성능을 유지하여야 한다.
비교 실시예 1: 비교 실시예로서, 2.25 인치(5.71 cm)의 내부 직경을 갖는 열전달 튜브, 4개의 혼합 부재, 혼합 부재들 사이의 0.5 인치(1.27 cm) 초과의 갭 아크 거리(g), 및 대략 70 피트(약 21.3 m)의 길이가 증기 분해 조건 하에 증기 분해 공정에서 사용되었다. 약 0.2 인치(0.5 cm) 초과의 두께의 코크스층을 갖지만, 여전히 혼합 부재들 사이의 거리 및 형상을 유지하는 튜브에 대해 예상된 압력 강하를 계산하였다. 증기 분해 조건 하의 26일의 분해 이후에, 튜브 유입구 및 유출구에 걸쳐 측정된 실제 압력 강하를 예상하였다. 튜브 금속 온도를 또한 증기 분해 조건 하에 예상하였다. 열전달 및 선택도를 이 직경, 길이 및 체류 시간의 튜브에 대해 예상하였다.
비교 실시예 2: 제2 비교 실시예로서, 1.62 인치(4.11 cm)의 내부 직경(d)을 갖는 열전달 튜브, 4개의 혼합 부재, 및 0.5 인치(1.27 cm) 미만의 갭 아크 거리(g)를 증기 분해 조건 하의 증기 분해 공정에 대해 사용하였다. 약 0.2 인치(0.5 cm) 초과의 두께의 코크스층을 가지만, 여전히 혼합 부재들 사이의 거리 및 형상을 유지하는 튜브에 대해 예상된 압력 강하를 계산하였다. 놀랍게도, 증기 분해 조건 하의 단지 이십이(22)일의 분해 이후에, 튜브 유입구 및 유출구에 걸쳐 측정되는 실제 압력 강하는 예상된 것보다 13 psi(34%) 더 높았다. 튜브 금속 온도 및 압력 강하는 연속적인 (중단없는) 혼합 부재를 갖는 유사한 직경의 열전달 튜브에 대해 예상된 것(즉, 혼합 부재 사이의 갭 아크 거리가 없거나 또는 "무범프 레인"이 존재하지 않는 경우)과 동일하였다.
튜브의 내부 표면 상에 배치된 2개 이상의 혼합 부재를 함유하는 제2, 제3, 제4 등의 나선형 로우를 더 포함하는 열전달 튜브는 본 발명의 범위 내에 있다. 각각의 로우가 튜브의 중심축과 관련하여 배치되는 각도는 하나 이상의 다른 로우의 것과 동일할 수 있으나, 이것이 요구되는 것은 아니다. 예를 들어, 제2 나선형 로우는 튜브의 중심 종축에 대해 제1 나선형 로우와 동일한 각도(Θ)로 배치될 수 있거나, 또는 제2 나선형 로우가 제1 나선형 로우의 각도(Θ)와 상이한 제2 각도(ΘII)로 배치될 수 있다. 제2 각도(ΘII)는 통상적으로 열전달 튜브의 중심 종축에 대해 약 15도 내지 약 85도의 범위이다. 제1 나선형 로우와 제2 나선형 로우 사이의 종방향 거리는 약 20 밀리미터(mm) 내지 약 400 mm일 수 있다. 제1 나선형 로우의 혼합 부재는 제1 부재 아크 길이(L1)을 가질 수 있고, 제2 나선형 로우는 제2 부재 아크 길이(L2)를 가질 수 있다. 아크 길이 (L1) 및 (L2)는 실질적으로 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 혼합 부재의 하나 이상의 추가의 나선형 로우를 갖는 특정 양태에서, 로우의 혼합 부재는 다른 로우의 무범프 레인을 사용하여 실질적으로 방해를 받지 않는다.
탈코크스화
바람직하지 않은 두께의 코크스층이 예를 들어 튜브의 내부 체적에 걸친 바람직하지 않은 큰 압력 강하에 의해 자명한 바와 같이 특정 열전달 튜브 내에 바람직하지 않은 두께의 형태의 코크스층을 형성한 이후에 탈코크스화 방식이 실시될 수 있다. 탈코크스화는, 임의의 코크스층 두께에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 탈코크스화는 코크스층이 약 0.2 인치(0.5 cm) 이상, 예컨대 약 0.25 인치(0.635 cm) 이상, 예컨대 약 0.3 인치(0.762 cm) 이상의 (t) 값 및/또는 (t') 값을 갖는 경우에 수행된다.
종래의 탈코크스화 기술이 사용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 증기-공기 탈코코스화가 사용될 수 있고, 증기만을 사용한 탈코크스화가 사용될 수 있다. 온라인 탈코크스화가 사용될 수 있고, 오프라인 탈코크스화가 사용될 수 있다. 특정 열전달 튜브의 증기-공기 탈코크스화는 이하 보다 상세하게 기재될 것이나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
증기-공기 탈코크스화는 (감소된 칼로리 아웃풋(caloric output)에서라도) 버너의 작동을 지속시키면서 탈코크스화를 위한 것으로 표시된 코일을 통해 증기-공기 혼합물을 유동시킴으로써 수행될 수 있다. 가열로 중의 모든 코일은 탈코크스화 간격 동안 탈코크스화될 수 있다(예를 들어, 모두 동일한 시간 간격 동안 탈코크스화된다). 충분한 탈코크스화 이후, 탈코크스화된 가열로 코일은 탈코크스화 공정으로부터 제2 증기 분해 공정으로 전환된다. 탈코크스화는 바람직하지 않은 양의 코크스가 가열로의 코일에서 누적될 때까지 반복될 수 있다.
탈코크스화는 (i) 대류 코일로의 탄화수소 공급원료의 흐름으로 공기의 흐름을 대체하는 단계, (ii) 대류 코일로 증기의 흐름을 지속시키고, 공기를 증기와 혼합하여 예열된 공기-증기 혼합물을 생성하는 단계, (iii) 대류 코일로부터 복사 코일로 크로스-오버 파이핑을 통해 예열된 공기/증기 탈코크스화 혼합물을 통과시키고, 복사 코일로부터의 유출물을 탈코크스화시키는 단계를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 탈코크스화 방식이 실시될 수 있고, 이에서 대류 코일(136), 크로스-오버 파이핑(140), 및 복사 코일(142)은 모두 탈코크스 방식 작업 과정에서 탈코크스화가 진행된다. 탈코크스화는 도관(114)에서 탄화수소 공급원료에 대해 공기 또는 다른 종래의 산화제를 대체하는 것을 포함한다. 탈코크스화에 대해 이용되는 공기의 양은 밸브(116)로 조절될 수 있다. 증기의 흐름은 도관(124)에서 유지된다. 탈코크스화에 대해 이용되는 증기의 양은 밸브(126)를 사용하여 조절될 수 있다. 예열된 공기 및 예열된 증기는 도관(134)에서 또는 그에 근접되어 탈코크스화 혼합물을 생성한다. 탈코크스화는 대류 코일(136), 크로스-오버 파이핑(140), 및 복사 코일(142)에서 수행되어 탈코크스화 유출물을 생성하고, 이는 켄칭 스테이지(146)로 수송 라인 파이핑(156)을 통해 수송된다. 탈코크스화는 주로 축적된 코크스의 조절된 연소에 의해 대류 코일(136), 크로스-오버 파이핑(140), 및 복사 코일(142)에서의 코크스 증착물의 적어도 일부를 제거한다. 탈코크스화 공정은 탈코크스화를 진행하는 도관에서의 축적된 코크스의 양이 원하는 양 이하일 때까지 탈코크스화 시간 간격 동안 지속된다. 탈코크스화 과정에서 남아 있는 축적된 코크스의 양은 예를 들어 탈코크스 유출물 증기에서의 CO2의 더 낮은 농도 또는 복사 코일에 걸친 더 낮은 압력 강하에 의해 나타나는 바와 같이 직접적으로 또는 간접적으로 모니터링될 수 있다. 충분한 코크스가 제거된 이후에, 탈코크스화된 도관은 탈코크스화 방식에서 증기 분해 방식으로 전환될 수 있다.
증기 분해 가열로에서, 특히 증기 분해 가열로의 복사 구간에서 사용되는 경우의 특정 열전달 튜브는 통상적으로 약 0.5 인치(1.27 cm) 이상, 예컨대 약 0.6 인치(1.52 cm) 이상의 아크 거리(g)에 부가하여 약 1.85 인치(4.7 cm) 이하, 예컨대 약 1.8 인치(4.57 cm) 이하의 내부 직경(d)을 갖는다. 특정 열전달 튜브는 (i) 유리하게는 혼합 부재 사이의 갭을 갖는 것을 포함하는 종래의 열전달 튜브와 비교하여 열분해 방식의 과정 동안 더 큰 열전달 계수값을 보유하며, (ii) 혼합 부재들 사이의 갭에서의 코크스 형성으로부터 야기되는 압력 강하는 종래의 열전달 튜브에 의해 나타나는 것보다 더 작다. 0.3 인치(0.76 cm) 두께(예를 들어, t 및/또는 t' 값은 0.3 인치(0.76 cm) 이상임)의 코크스층의 증착은 튜브의 말단에서의 바람직한 낮은 압력 강하가 실질적으로 줄어들거나 또는 없어지기 전에 특정 열전달 튜브 내에서 일어날 수 있다. 열전달 튜브의 바람직한 열전달 특성은 더 큰 압력 강하를 나타내지 않고 유지되거나 또는 심지어 개선되며, 바람직하게는 에틸렌 수율을 증가시킨다. 이러한 개선은 탈코크스화 방식으로 작동하도록 증기 분해 방식을 중단할 필요성이 적은 더 긴 실시-길이를 갖는 증기 분해 공정을 제공한다.
임의의 우선권 문헌 및/또는 시험 과정을 포함하는 본원에 기재된 모든 문헌은 이들이 본 명세서와 불일치 하지 않는 범위에서 본원에 참조로 편입되어 있다. 상기 일반 설명 및 특정 구현예로부터 명백한 바와 같이, 본 개시내용의 형태를 예시하고 기술하는 한편, 다양한 변형이 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어남 없이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 개시내용은 이에 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 마찬가지로, 용어 "포함하는(comprising)"은 미국 특허법의 목적을 위해 용어 "포함하는(including)"과 동의어인 것으로 간주된다. 마찬가지로, 조성물, 성분 또는 성분의 그룹에 전이 어구 "포함하는"이 선행되는 경우에, 또한 전이 어구 "~로 본질적으로 이루어지는", "~로 이루어지는", "~로 이루어진 군으로부터 선택되는", 또는 "~인"이 선행되는 조성물, 성분, 또는 성분들의 인용과 동일한 조성물 또는 성분들의 그룹 및 그 역이 고려되는 것으로 이해된다.

Claims (24)

  1. 내부 표면 및 외부 표면; 및
    튜브의 내부 표면 상에 배치되며 튜브의 중심 종축을 향하여 내부로 돌출된 복수의 혼합 부재를 포함하는 제1 나선형 로우(helical row)
    를 포함하는 열전달 튜브로서,
    인접 혼합 부재는 1.27 cm 이상의 갭 아크 거리에 의해 분리되며;
    제1 나선형 로우는 튜브의 중심 종축에 대해 15도 내지 85도의 각도(Θ)를 갖고;
    튜브는 4.7 cm 이하의 내부 직경을 갖고;
    완전한 1회전의 제1 나선형 로우에 따른 혼합 부재의 수는 3개이고;
    혼합 부재가 존재하지 않는 내부 표면 상의 영역(ZB)이 튜브의 전체 종방향 길이로 연장되는 것인 열전달 튜브.
  2. 제1항에 있어서, 높이(t)에서 혼합 부재 상에 배치되며, 높이(t')에서 튜브의 내부 표면 상에 배치되는 코크스층을 더 포함하며, 여기서 (t)의 값은 (t')의 값의 70% 내지 100%인 열전달 튜브.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 튜브의 내부 표면 상에 배치되며 튜브의 중심 종축을 향하여 내부로 돌출된 2개 이상의 혼합 부재를 포함하는 제2 나선형 로우를 더 포함하며, 제2 나선형 로우는 튜브의 중심 종축에 대한 각도 (ΘII)로 배치되며, (ΘII)는 15도 내지 85도이며, (Θ)의 값은 (ΘII)의 값과 상이한 것인 열전달 튜브.
  5. 제4항에 있어서, 제1 나선형 로우의 혼합 부재는 제2 나선형 로우의 혼합 부재의 것과 상이한 부재 아크 길이를 갖는 열전달 튜브.
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서, 제1 나선형 로우와 제2 나선형 로우 사이의 종방향 거리는 20 밀리리터 내지 400 밀리리터인 열전달 튜브.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 혼합 부재의 높이는 독립적으로 1 밀리리터 내지 5 밀리리터인 열전달 튜브.
  9. 제1항 또는 제2항의 튜브를 포함하는 증기 분해 가열로.
  10. 탄화수소 공급원료의 열분해 방법으로서,
    열전달 튜브로 탄화수소 공급원료를 주입하고, 열분해 조건 하에 탄화수소 공급원료를 분해하는 단계를 포함하며, 튜브는, 튜브의 내부 표면 상에 배치되며 튜브의 중심 종축을 향하여 내부로 돌출된 복수의 혼합 부재를 포함하는 제1 나선형 로우를 포함하며,
    튜브는 4.7 cm 이하의 내부 직경을 갖고;
    인접 혼합 부재는 1.27 cm 이상의 갭 아크 거리에 의해 분리되며;
    제1 나선형 로우는 튜브의 중심 종축에 대해 15도 내지 85도의 각도(Θ)를 갖고;
    완전한 1회전의 제1 나선형 로우에 따른 혼합 부재의 수는 3개이고;
    혼합 부재가 존재하지 않는 내부 표면 상의 영역(ZB)이 튜브의 전체 종방향 길이로 연장되는 것인
    탄화수소 공급원료의 열분해 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서, 코크스층은 분해 과정에서 튜브의 내부 표면 상에 증착되는 탄화수소 공급원료의 열분해 방법.
  14. 제13항에 있어서, 코크스층은 높이(t)에서 하나 이상의 혼합 부재 상에 배치되며, 높이(t')에서 튜브의 내부 표면 상에 배치되며, 여기서 (t)의 값은 (t')의 값의 70% 내지 100%인 탄화수소 공급원료의 열분해 방법.
  15. 제14항에 있어서, (t)의 값은 0.25 인치(0.635 cm) 이상인 탄화수소 공급원료의 열분해 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
KR1020197032760A 2017-05-05 2018-04-16 탄화수소 처리용 열전달 튜브 KR102379113B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762502249P 2017-05-05 2017-05-05
US62/502,249 2017-05-05
PCT/US2018/027778 WO2018204060A1 (en) 2017-05-05 2018-04-16 Heat transfer tube for hydrocarbon processing

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200014741A KR20200014741A (ko) 2020-02-11
KR102379113B1 true KR102379113B1 (ko) 2022-03-25

Family

ID=62092363

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197032760A KR102379113B1 (ko) 2017-05-05 2018-04-16 탄화수소 처리용 열전달 튜브

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11053445B2 (ko)
KR (1) KR102379113B1 (ko)
CN (1) CN110709490A (ko)
CA (1) CA3062425C (ko)
WO (1) WO2018204060A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220081623A1 (en) * 2018-12-20 2022-03-17 Exxonmobil Chemical Patents Inc. High Pressure Ethane Cracking with Small Diameter Furnace Tubes

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004046277A1 (ja) 2002-11-15 2004-06-03 Kubota Corporation 螺旋状フィン付きクラッキングチューブ
JP2009250450A (ja) 2008-04-01 2009-10-29 Kubota Corp 熱分解管
US20100143206A1 (en) 2007-03-30 2010-06-10 Kubota Corporation Thermal cracking tube

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4499055A (en) 1981-09-14 1985-02-12 Exxon Research & Engineering Co. Furnace having bent/single-pass tubes
WO1995026811A1 (en) * 1994-04-04 1995-10-12 Occidental Chemical Corporation Method of exothermically and endothermically reacting
JP3001181B2 (ja) 1994-07-11 2000-01-24 株式会社クボタ エチレン製造用反応管
JPH09243283A (ja) * 1996-03-04 1997-09-19 Kubota Corp 内面突起付き熱交換用金属管
KR100525879B1 (ko) 1997-06-10 2005-11-02 엑손모빌 케미칼 패턴츠 인코포레이티드 공정 유체 가열용 가열 장치 및 올레핀의 제조 방법
KR100419065B1 (ko) * 2001-03-07 2004-02-19 주식회사 엘지화학 열분해 반응관 및 이를 이용한 열분해 방법
DE10233961A1 (de) * 2002-07-25 2004-02-12 Schmidt + Clemens Gmbh + Co. Edelstahlwerk Kaiserau Verfahren zum thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen
US8815080B2 (en) * 2009-01-26 2014-08-26 Lummus Technology Inc. Adiabatic reactor to produce olefins

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004046277A1 (ja) 2002-11-15 2004-06-03 Kubota Corporation 螺旋状フィン付きクラッキングチューブ
US20060102327A1 (en) 2002-11-15 2006-05-18 Masahiro Inui Cracking tube having helical fins
US20090177022A1 (en) 2002-11-15 2009-07-09 Kubota Corporation Cracking tube having helical fins
US20100143206A1 (en) 2007-03-30 2010-06-10 Kubota Corporation Thermal cracking tube
JP2009250450A (ja) 2008-04-01 2009-10-29 Kubota Corp 熱分解管

Also Published As

Publication number Publication date
US11053445B2 (en) 2021-07-06
WO2018204060A1 (en) 2018-11-08
US20180320088A1 (en) 2018-11-08
CA3062425A1 (en) 2018-11-08
KR20200014741A (ko) 2020-02-11
CN110709490A (zh) 2020-01-17
CA3062425C (en) 2022-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7374664B2 (en) Olefin production utilizing whole crude oil feedstock
US9828554B2 (en) Process and apparatus for decoking a hydocarbon steam cracking furnace
KR101436174B1 (ko) 2개의 기액 분리기를 이용하여 중질 탄화수소 공급원료로부터 저급 올레핀을 생산하는 개량된 방법
US7977524B2 (en) Process for decoking a furnace for cracking a hydrocarbon feed
JP6046836B2 (ja) 熱分解炉管継手
CN113574138B (zh) 用于在运转中除焦的方法
KR20120103665A (ko) 중질 공급 재료 혼합기
CN106661461B (zh) 用于烃蒸汽裂解炉除焦的方法和设备
US7648626B2 (en) Process for cracking asphaltene-containing feedstock employing dilution steam and water injection
US11254877B2 (en) Coke mitigation in hydrocarbon pyrolysis
KR102379113B1 (ko) 탄화수소 처리용 열전달 튜브
WO2008042083A2 (en) Thermal cracking vaporization unit construction
US20090178956A1 (en) Method for reducing coke and oligomer formation in a furnace
CA3147241C (en) Furnace systems and methods for cracking hydrocarbons

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant