KR20020010588A - 냉각 장치 - Google Patents

Abstract

(i) 고온 가스를 상류원으로부터 하류 위치로 운반하는 제 1 도관 수단; (ii) 방해 수단의 인접 하류의 고온 가스 스트림에 저압 지대를 만들기 위해 상기 도관 수단내에 위치된 유동 방해 수단; (iii) 상기 유동 방해 수단으로부터 하류에 위치된 제 2 도관 수단 (제 2 도관 수단은 이의 접선상에서 제 1 도관 수단과 각지게 교차하고, 제 2 도관 수단은 냉각 유체가 제 1 도관 수단의 내부 표면 주위를 원주식으로 흐르도록 하고 고온 가스 스트림의 저압 지대를 채우기에 충분한 압력에서 상기 고온 가스 스트림 안으로 냉각 유체를 접선식으로 주입하고 상기 유동 방해 수단의 하류면과 접촉하도록 조절됨); 및 (iv) 고온 가스 스트림과 냉각 유체 사이에 가파른 계면을 제공하는 유동 방해 수단의 하류면상의 계면 수단을 포함하는 고온 가스 스트림을 냉각시키는 장치. 장치는 적당하게는 열분해로의 고온 가스 스트림과 결부된 냉각 지대임.

Description

냉각 장치{QUENCHING APPARATUS}

올레핀을 생성하는 출원인의 가스 오일 증기 분해 플랜트 중 하나에서 코우크스의 침착으로 인해 냉각 튜브가 더럽혀지지 않도록 하기 위해 냉각 튜브벽의 습윤화가 필수적인 것으로 인식되었다. 방열 구역을 벗어나는 고온 열분해 가스를 냉각시키는 냉각 오일을 도입하기 위한 스프레이 노즐의 사용은 벽을 충분히 습윤화시키기가 어렵기 때문에 효과가 없는 것으로 밝혀졌다. 예전의 노즐 구조는 냉각 튜브 주위에 120°간격으로 배열된 세 노즐 사이에 냉각 오일을 분포시키는 냉각 튜브를 둘러싼 외부 냉각 링을 포함했다. 이러한 디자인은 냉각 링상에 과도한 열 스트레스를 만들어냈다. 후에, 이를 세 개의 별개 냉각 노즐로 변형시켰고, 모두 하나의 냉각 오일 공급 라인을 공유하고 있으며, 냉각 오일의 우수한 분포를 위해 각 노즐에 유동 제한을 요구했다.

냉각 오일에 존재하는 코우크스 입자는 빈번하게도 기존의 복수-노즐 오일 주입 냉각 튜브에 제한 오리피스와 보다 작은 크기의 노즐을 막았다. 이러한 현상이 일어나면, 냉각 튜브벽을 습윤화시키는 냉각 오일 유동은 방해되고 이는 냉각 튜브벽의 불완전한 습윤화를 야기했다. 코우크스가 형성되어 냉각 튜브벽의 건조 지점상에서 성장한 다음 결국에는 냉각 튜브를 막을 것이다. 이러한 현상이 일어나면, 전체 노는 세정을 위해 조업중지되어야 했다. 비록 주입 노즐이 지닌 문제점이 없더라도, 냉각 튜브에 코우크스가 형성되어 오일 유입구 부근의 습윤벽과 건조벽 사이의 이동 경계선에서 막힘이 일어났다.

본 발명은 일반적으로 고온 가스 스트림을 냉각시키는 장치에 관한 것이다. 본 발명은 좀더 구체적으로 말하면 열분해로에서 나온 열분해 산물을 냉각시키는 냉각 지대에 관한 것이다.

본 발명은 도 1-10에서 구체적으로 설명되고 있다:

도 1은 본 발명의 냉각 튜브 및 노즐의 횡단면을 도시한다.

도 2는 도 1의 라인 2-2를 따라 취한 횡단면을 도시한다.

도 3-10은 삽입 링의 다수 변경의 각종 양태를 도시한다.

본 발명의 일 가능한 양태는 본원에서 참고된 미국 특허 3,907,661의 도 1에 기재된 열분해로이다. 출원인의 발명은 상기 특허 또는 기타 유사 장치의 냉각 지대(13)의 디자인을 개선시킨 것이다.

본 출원의 도 1을 참조하면, 냉각 튜브(10)는 횡단면으로 도시되고 있으며 접선상에 냉각 튜브(10)로 들어가는 입구를 형성하는 냉각 오일 유입 튜브 또는 노즐(12)을 가진다. 도 1은 노즐(12)과 냉각 튜브(10)의 직경을 두 도관이 교차하도록 하고 있으며 앞서 기재된 조합은 상기 미국 특허 3,907,661의 냉각 지대(13)보다 개선점을 포함한다. 도 2는 세로축을 따라 취해지고 노즐(12) 안을 들여다 본 냉각 튜브(10)의 횡단면을 도시한다. 냉각 튜브(10) 안과 노즐(12)의 상류에(가스 유동에 대해, '661 특허의 도 1에서 냉각 지대(13)로 투입에 상응함) 평면구간(14b)에서 끝나는 경사 부위(14a)를 지닌 삽입 링(14)이 존재하며, 전자는 면(14c)과 함께 가파른 계면을 가진다. 즉, 평면 구간(14b)과 삽입 링(14)의 면(14c)은 직각으로 교차하여 가파른 에지(14d)를 형성한다. 삽입 링(14)과 이의 변형체의 기능은 하류 면(14c)에서 저압 지대(16)를 형성하는 데 있다.

가장 단순한 형태의 노즐(12)은 바람직하게는 직각으로 냉각 튜브(10)에 들어가는 일정한 직경의 파이프일 수 있고, 이의 일 벽은 냉각 튜브(10)에 대해 접선상으로 존재한다. 삽입 링(14)은 노즐(12) 상류의 짧은 거리에 위치하고 면(14c)에서 저압 지대(16)를 만든다. 면(14c)과 노즐(12) 사이의 최적 거리는 가파른 에지(14d) 위로 흐르는 액체를 만들어내지는 않지만 면(14c)을 충분히 습윤화시킬 정도의 거리이다. 노즐(12)에 의해 주입된 냉각 오일은 면(14c)에서 저압 지대(16)를 채우는 냉각 튜브(10)의 내면 주위를 원주식으로 흐른다(충분한 압력에서 접선 주입으로 인해). 본 발명을 적절히 작동시키기 위해, 노즐(12)을 통해 접선으로 주입되는 액체가 냉각 튜브(10)내의 유체의 제 1 순환 기간 동안 생겨난 스트림에 작용하는 적용 원심력이 이러한 장치 영역에서 작용하는 중력장으로 인해 생겨난 스트림에 작용하는 것을 능가하게끔 충분한 속도를 가진다. 즉, 이러한 속도는 하기와 같아야 한다:

U²/(Rg) > 1 (1)

여기서, U²는 유입 속도의 제곱이고,

R은 냉각 튜브(10)의 내부 반경이며;

g는 중력 가속도이며,

모두 일관된 크기 단위로 표현되었다. U²/(Rg)의 전형적인 값은 3 내지 20이다. 냉각 오일은 가스상에 의해 오일에 작용하는 유체 항력으로 인한 냉각 튜브(10)의 내벽을 따라 스프레딩된다. 가스상과 오일상간의 이러한 상호작용은 가스로부터 냉각 오일로 하류 방향으로 모멘트의 약간의 이동을 야기한다. 이러한 방법으로, 면(14c)과 이의 하류의 냉각 튜브(10)의 내벽이 "습윤" 상태로 유지되어, 2-상 환상 유동 체계를 만들어 코우크스 형성을 차단한다. 삽입 링(14)의 표면(14a와 14b)를 포함한 면(14c)의 상류 냉각 튜브(10) 부위는 "건조" 상태로 남고 따라서 코우크스 형성이 이루어지지 않는다. 삽입 링(14)의 가파른 에지(14d)는 "습윤" 및 "건조" 구간 사이에 가파른 계면을 형성한다.

삽입 링(14)은 평면 구간(14a, 14b 및 14c)을 가지는 것으로 기재되고 있지만 곡선지거나, 연장 또는 단축된 구간을 지닌 구조일 수 있다. 유지에 필요한 중요한 특성은 가파른 계면(14d)과 저압 지대(16)이다. 도 3-10은 삽입 링(14)의 기타 조합의 일부를 구체적으로 설명하고 있다. 도 3은 0 길이 평면 구간(14b), 즉 면(14c)과 함께 가파른 계면(14d)에서 끝나는 경사(14a)를 이용한다. 도 4는 냉각 튜브의 축을 따라 일반적으로 평행인 구간(14b)에서 만곡부를 도시한다. 도 5는 저압 지대를 함유하고 가파른 에지(14d)의 각을 변경하기 위해 오목 구간(14c)을 이용한다. 도 6은 경사 부위(14a)의 변형된 형상을 구체적으로 설명한다. 도 7은 "습윤/건조" 계면과 저압 지대를 유지하는 변형을 조합한 일 양태를 도시한다. 도 8은"무한한" 경사 길이를 이용하는 또다른 조합이며, 즉, 내부 삽입 링(14a)이 없다. 이는 본질적으로 다른 직경의 두 냉각 튜브가 삽입 링(14)의 기능을 수행하는 방법을 보여준다. 도 9는 90°면(14a 및 14c)을 지닌 삽입 링(14)을 도시한다. 이러한 구조는 (삽입 링의) 과도한 리딩 에지 동요 및 압력 하강을 야기하지만, 몇몇 적용에 이용될 수 있다. 도 10은 제작이 좀더 쉬운 도 8의 일 양태이다. 이는 오목면(14c)으로 도시되어 있지만, 볼록면 또는 평면도 이용될 수 있다.

노즐(12)이 튜브 또는 도관(원통형) 요소 측면에서 기재되고 있지만, 횡단면의 기타 형상, 즉 타원형, 정사각형, 직사각형 등이 이용될 수 있다. 디자인의 결정적인 특성은 면(14c)을 충분히 습윤화시키면서 오일을 냉각 튜브(10)의 둘레 및 외곽으로 유동하도록 충분한 모멘트의 오일에 속도를 부여하게끔 접선, 또는 대략 접선의 유입 튜브를 이용하는 점이다. 또한, 단 하나의 노즐이 기재되고 있지만, 복수 개의 노즐이 이용될 수 있으며, 예를 들면 두 개의 노즐이 냉각 튜브(10)에서 직경으로 마주보아 냉각 오일을 서로 원주식으로 유동시킨다. 또한, 접선 입구는 바람직하게는 냉각 튜브(10)에 대해 직각이지만 오일이 면(14c) 옆의 냉각 튜브(10)의 외곽 주변에 저압 지대(16)를 채운다면 어떠한 각도 이용될 수 있다. 마찬가지로, 면(14c)으로부터 노즐(12)의 외부면까지의 거리는 가파른 에지(14d)를 넘어서 유동함이 없이 저압 지대(16)로 오일을 풀링시켜 스프레딩하는 필요성에 의해 결정된다. 본 발명의 바람직한 양태에서, 이러한 거리는 노즐(12)의 내부 직경의 약 20% 내지 100% 사이여야 한다.

삽입 링(14)은 용접된 내부 냉각 튜브(10)인 고리 형태로 제작되거나, 냉각튜브의 온전한 부위로서 제작될 수 있다. 도 1에 설명된 삽입 링(14)은 바람직하게는 약 7½°이지만 최대 90°이상 기울여질 수 있는 경사 부위(14a)를 포함한다. 경사(14a)는 두 개의 별개 냉각 튜브 직경의 경우 0°만큼 작을 수 있다(도 8). 경사 부위(14a)는 면(14c)과 (경사진 에지에서 끝나는) 평면 또는 곡선 부위(14b) 또는 계면(14d)에서 끝난다. 가스 유동 조건하에, 삽입 링(14)은 삽입 링을 통해 유동할 때 가스 속도를 증가시키는 유동 영역을 제한한다. 저압 지대(16)는 접선식으로 주입된 냉각 오일을 노즐(12)로부터 저압 지대(16)로 풀링하는 경향이 있는 증가된 속도에 의해 만들어지며 이로인해 이러한 영역에서 냉각 튜브 내벽과 삽입 링 표면(14c)을 습윤화시킨다. 노즐(12)에서 나온 냉각 오일은 노 가스 유동에 의해 하류로 옮겨지고 냉각 튜브(10)벽으로 유지되어 (이를 습윤화시킨다.) 경사(14a)의 길이는 바람직하게는 최소 동요를 야기할 정도로 가능한 길지만; 제조 (기계) 제한인자들이 가능한 물리적 크기를 조절한다.

냉각 튜브(10)의 배향이 수평 형태로 도시되고 있지만, 냉각 오일과 가스 유동의 합동 모멘트가 냉각 벽을 습윤화시킬 수 있다면, 냉각 튜브(10)의 배향은 수직이거나 수평 위치에 대해 위로 또는 아래로 각을 이룰 수 있다. 라인은 크기에 따라 분류되고 배향되어야 하며, 가스 및 액체 유동 속도는 벽을 습윤화시키기 위해 면(14c)의 하류의 냉각 튜브(10)내에 2-상 환상 유동이 이루어져 유지될 정도여야 한다.

본 발명은 열분해로에서 구체적인 적용에 관해 기재하고 있지만, 하기와 같은 기타 적용도 가능하다:

1. 공정 수-세척 작업(예, 수소분해 수-세척 작업)에서 염 침착을 막거나 제거하는 하류 파이핑 벽을 습윤화시키기 위해 가스 스트림을 운반하는 파이프 안으로 "수-세척" 스트림의 주입.

2. 부식 조절을 위해 하류 파이핑 벽을 일정하게 습윤화시키기 위해 가스 스트림을 지닌 파이프 안으로 수성 또는 탄화수소계 부식 억제제의 주입. (예, 흡수 또는 증류 컬럼의 오버헤드 라인 안으로 피막형성 아민의 주입).

3. 하류 파이프벽이 과도하게 고온화되지 못하도록 가스상 스트림을 지닌 파이프 안으로 탄화수소계 또는 수성 액체의 주입. (예, 야금 작업 한계 이하로 파이프 온도를 유지하기 위해 촉매 분해 또는 유체 코우킹 오버헤드 라인 안으로 "스프레이" 또는 냉각수의 주입).

4. 습윤화된-벽 접선 냉각 튜브 구조는 열분해로의 배출구에서 전달 라인 교환기(TLE)에 있는 개개 튜브에 적용될 수 있다. TLE는 쉘-튜브 열 교환기로서, 방열 튜브에서 벗어난 고온 열분해 가스 산물을 쉘 측면에 고압 증기를 생성하면서 튜브 측면에서 간접적으로 냉각 또는 식힌다. 코우크스는 튜브 측면에 침착되어, 열 전달을 감소시키고, TLE를 가로질러 압력 하강을 증가시키며 주기적인 코우크스 제거 및 노 가동 휴지 시간을 요구한다. TLE 튜브의 내부를 충분히 습윤화시키기 위해 본원에서 기재된 습윤화된 벽 냉각 기술(법)을 적용함으로써, 코우킹 형성이 차단될 수 있고, 이로 인해 가동 휴지 시간 및 생산 손실을 줄일 수 있다.

본 발명은 하기 실시예에 의해 구체적으로 설명되고 있으며 이는 본 발명을 이러한 특정 양태에 한정시키지 않는다.

본 발명은 앞서 개괄된 문제점을 극복할 수 있는 노즐 구조를 제공하는 데 있다. 이는 냉각 노즐 구조를 이용하여 달성되었으며, 여기서 노즐은 냉각 오일을 냉각 튜브 안으로 접선으로 도입하고 열분해로에서 고온 방열 튜브에서 나온 고온 가스 열분해 산물을 냉각시키면서(예, 에틸렌 제조에서), 동시에 냉각 오일에 의해 냉각 튜브의 내벽을 습윤화시키는데, 이는 냉각 튜브상에 코우크스 침착을 막는데 필요하다.

따라서, 본 발명은 제 1 항에서 청구된 장치에 관한 것이다. 본 장치의 바람직한 양태는 제 2 항 내지 제 7 항에 기재되어 있다. 본 발명 장치의 일 특정 양태는 제 8 항에서 정의된 냉각 지대이고 바람직한 양태는 제 9 항 및 제 10 항이다.

장치 또는 노즐의 제 2 도관은 하나의 냉각 오일 입구를 가지며, 이로 인해 다수 노즐 사이의 냉각 오일 유동을 고르게 분포시키는 데 필요한 제한 오리피스에 대한 필요성을 없애준다. 또한, 일-노즐 오일 도입은 일 이상의 노즐이 이러한 목적에 이용되는 경우 필요한 이상의 큰 직경을 가진다. 복수 노즐 (및 제한 오리피스)를 보다 큰 직경의 단일 노즐로 대체하면 냉각 오일에 존재하는 코우크스 입자에 의해 야기된 막힘 문제를 해결한다. 제 1 도관 수단 또는 냉각 튜브의 내벽은 냉각 오일/가스 계면이 냉각 튜브에서 축방향으로 앞뒤로 이동하지 못하도록 하는 특별한 방법으로-테이퍼링된 리딩 에지 및 가파른 말단을 지닌 고리 형태를 한 내부 유동 방해 수단을 사용하여 습윤화되며, 이로 인해 코우크스 형성을 피한다.

구 냉각 노즐 디자인을 이용하는 출원인의 플랜트 중 하나에서 노는 전형적으로 각 노에서 10개 이상의 냉각 패스에서의 냉각 노즐 막힘으로 인해 15일마다 조업 중지되어야 한다. 본원에 기재된 본 발명을 증명하기 위해 출원인의 시험 장치에서, 가장 빈번하게 막힌 노에서 막히는 성향이 최대인 냉각 패스(구 노즐 디자인을 지니고 있음)를 대체용으로 이용했다. 이러한 노즐을 공칭 8-인치(20.3 cm) 직경을 지닌 스케줄 40 파이프를 이용하는 냉각 튜브(10)로 교체했고 이를 4.3 cm(1½인치)의 내부 직경 보어를 지닌 노즐(12)과 교차시켰다. 냉각액을 약 4.0 m/초(13 ft/초 또는 74 gal/분)의 유동 속도로 약 61-76 m/초(200-250 ft/초)로 유동하는 고온 가스 스트림 안으로 주입했다. 시험 냉각 패스 노즐 시스템은 가동 휴지시간 또는 막힘 없이 약 1년간 작동되었지만 동일한 시험로에서 시험 노즐에 인접한 것들을 포함한 기타 노즐(구 디자인을 지니고 있음)은 코우킹으로 인해 막혀, 전체 시험로의 가동 휴지시간을 필요로 했다. 이는 동일한 노에서 기타 "구 디자인" 노즐에 의해 실험된 연속 막힘 문제에서 보는 바와 같이 막힘-성향 환경에서 막힘에 대한 신규 노즐 디자인의 저항성을 보여주었다.

Claims (10)

1. (i) 고온 가스를 상류원으로부터 하류 위치로 운반하는 제 1 도관 수단;

   (ii) 방해 수단의 인접 하류의 고온 가스 스트림에 저압 지대를 만들기 위해 상기 도관 수단내에 위치된 유동 방해 수단;

   (iii) 상기 유동 방해 수단으로부터 하류에 위치된 제 2 도관 수단 (제 2 도관 수단은 이의 접선상에서 제 1 도관 수단과 각지게 교차하고, 제 2 도관 수단은 냉각 유체가 제 1 도관 수단의 내부 표면 주위를 원주식으로 흐르도록 하고 고온 가스 스트림의 저압 지대를 채우기에 충분한 압력에서 고온 가스 스트림 안으로 냉각 유체를 접선식으로 주입하고 상기 유동 방해 수단의 하류면과 접촉하도록 조절됨); 및

   (iv) 고온 가스 스트림과 냉각 유체 사이에 가파른 계면을 제공하는 유동 방해 수단의 하류면상의 계면 수단

   을 포함하는 고온 가스 스트림을 냉각시키는 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 제 2 도관 수단이 이의 접선상에 이에 수직으로 제 1 도관 수단과 교차하는 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 유동 방해 수단이 이의 직경에 제 1 도관 수단에 놓이도록 조절된 삽입 링인 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 도관이 원통형이고 삽입 링이 내부 직경상에 원주식으로 위치되며, 삽입 링은 가스 유동 방향으로 높이를 증가시키는 경사를 지니며, 경사는 평면 부위에서 끝나고, 평면 부위가 유동 방해 수단의 하류 측면과 가파른 계면에서 끝나는 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 경사가 볼록 또는 오목 만곡부인 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 방해 수단이 2 이상의 동심 도관에 의해 형성되는 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 2 도관의 외부 표면과 유동 방해 수단의 하류면 사이의 거리가 제 2 도관의 내부 직경의 20% 내지 100%인 장치.
8. 열분해로의 고온 가스 스트림과 관련하여

   (a) 냉각 튜브 (이를 통해 고온 가스가 유동하고 이 안으로 냉각 오일이 고온 가스를 냉각시키기 위해 주입되며 냉각 튜브는 냉각 튜브의 내부 직경상에 원주식으로 위치된 삽입 링을 포함하고, 삽입 링은 가스 유동 방향으로 높이를 증가시키는 경사를 지니며, 경사는 평면 부위에서 끝나고, 평면 부위는 가파른 계면에서끝남); 및

   (b) 가파른 계면의 하류에 위치된 적어도 하나의 노즐(노즐은 냉각 오일을 냉각 튜브에 도입시키기 위해 냉각 튜브에 대해 각을 이루고 이에 접선으로 위치됨)

   를 포함하는 냉각 지대.
9. 제 7 항에 있어서, 노즐이 냉각 튜브에 대해 수직 및 접선으로 위치되는 냉각 지대.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 노즐의 외부 표면과 가파른 계면 사이의 거리가 노즐의 내부 직경의 20% 내지 100%인 냉각 지대.