KR20070110437A - 연료의 연소 및 공정 유체의 가열을 위한 열 전달 시스템및 이를 사용한 공정 - Google Patents

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KR20070110437A
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Abstract

열 전달 시스템 (10) 및 이의 사용. 상기 열 전달 시스템은 공정 유체가 가열되고, 연소 이전에 연료 및 산화제를 예열하는 연소에 의해 방출되는 열 에너지의 사용 및 연료의 연소를 제공한다. 상기 열 전달 시스템은 산화제 도입 튜브 (14) (이 도입 튜브는 공정 튜브 (16) 에 의해 둘러싸임) 에 의해 둘러싸인 연료 도입 튜브 (12) 를 지닌 3 개의 튜브를 포함한다. 적절한 형상을 지니는 열 전달 시스템은 연료의 무화염 연소를 제공할 수 있다. 열 전달 시스템은 또한 열 교환기 및 촉매 공정 시스템 등의 다른 시스템과 일체를 이룰 수 있다.

Description

연료의 연소 및 공정 유체의 가열을 위한 열 전달 시스템 및 이를 사용한 공정 {A HEAT TRANSFER SYSTEM FOR THE COMBUSTION OF A FUEL AND HEATING OF A PROCESS FLUID AND A PROCESS THAT USES SAME}
본 발명은 연료의 연소 및 공정 유체의 가열을 위한 열 전달 시스템에 관한 것이다. 또 다른 양태에서는, 본 발명은 공정에 사용될 공정 유체를 직접 가열하는 연료의 무화염 연소를 위한 열 전달 시스템의 용도에 관한 것이다.
미국특허 제 4,692,306 호는 연소기 챔버를 둘러싸는 대류 챔버를 둘러싸는 환상 반응 챔버를 포함하는 동심 튜브형 촉매 반응 장치를 개시한다. 연소기 챔버내에는, 반응 챔버로의 전달을 위해 열을 방출하기 위한 방출 열원을 제공하는 연소기 조립체가 있다.
제 EP 0 450 872 B1 호는 여러 타입의 반응 장치를 개시하며, 이 반응 장치들 중 하나는 길이를 따라 이격되어 있는 구멍을 갖는 연료 튜브를 둘러싸는 연소 튜브를 포함한다. 연료는 연료 튜브 및 연료 튜브의 구멍을 통해 연료 튜브와 연소 튜브 사이의 환형부 (annulus) 로 공급되며, 환형부는 연소 튜브를 둘러싸는 촉매층을 가열하는데 사용되는 열을 방출하기 위해 공기와 혼합되어 발화한다.
미국특허 제 5,255,742 호는 무화염 연소 장치를 사용하여 지하층 (subterranean formation) 을 가열하는 방법을 개시한다. 상기 장치는 복수의 오리피스를 포함하는 연료 가스 도관을 포함한다. 연료 가스 도관은 연소 공기 튜브 내로 집중되어, 연료 가스 도관과 연소 공기 튜브 사이에 제 1 환형부를 형성한다. 오리피스는 연료 가스 도관과 제 1 환형부 사이에 유체 연통을 제공한다. 연소 공기 도관은 웰보 (wellbore) 케이스 내에 집중되어, 연소 공기 도관과 웰보 케이스 사이에 제 2 환형부를 형성한다. 연료 가스는 연료 가스 도관의 오리피스를 통해 제 1 환형부로 도입되어, 공기와 혼합되고 제 1 환형부 내에서 연소한다. 연소 공기 도관에 의해 형성된 제 1 환형부는 연소 공기 도관과 웰보 케이스 사이의 제 2 환형부와 유체 연통한다. 이 유체 연통은 제 2 환형부에 도입되어 제 2 환형부의 표면까지 이동할 연소 가스를 위한 유동 경로를 제공하여, 지하층에 전달되는 열을 제공한다.
미국공보 제 2003/0182858 호는 무화염 분포형 연소 장치를 이용하여 공정 유체에 제어된 열을 제공하는 방법을 개시한다. 상기 장치는 길이를 따라 분포되는 복수의 연료 노즐을 포함하는 연료 도관 및 주위의 산화 챔버를 포함한다. 연료 도관을 둘러싸는 도관이 산화 챔버를 형성한다. 상기 장치는 산화 챔버를 둘러싸는 공정 챔버를 더 포함한다. 연료 노즐은 연료 도관 내로부터 산화 챔버까지 연통을 제공하며, 산화 챔버에서는 산화제와 연료가 혼합되고, 연료가 연소한다. 연소로부터 방출된 열은 공정 챔버에 전달된다.
본 발명의 목적은 연료의 연소 및 연소로부터 방출되는 열을 공정 유체로 직접 전달하는 단계를 제공하는 것이다.
따라서, 연료 튜브, 산화제 (oxidant) 튜브 및, 공정 튜브를 포함하는 공정 시스템이 제공된다. 상기 연료 튜브는 연료 도입 영역을 규정하는 튜브 벽 및 길이부를 가지며, 상기 길이부를 따라 상기 연료 도입 영역 내에는 연료 예열 영역 및 연소 영역이 포함되며, 상기 연료 예열 영역은 상기 연료를 상기 연료 예열 영역으로 도입시키기 위한 연료 입구와, 예열된 연료를 상기 연료 예열 영역으로부터 상기 연소 영역으로 도입시키기 위한 연료 출구를 포함하며, 상기 연소 영역을 따라 상기 튜브 벽을 관통하여 복수의 개구가 있다. 산화제 튜브는 상기 연료 튜브의 외부에서 이 연료 튜브를 둘러싸, 상기 연료 튜브의 상기 길이부를 따라 산화제 도입 영역을 규정하며, 상기 산화제 도입 영역은 산화제 예열 영역 및 연료 연소 영역을 포함하며, 상기 산화제 예열 영역은 산화제를 상기 산화제 예열 영역으로 도입시키기 위한 산화제 입구와, 예비가열된 산화제를 상기 산화제 예열 영역으로부터 상기 연료 연소 영역으로 도입하기 위한 산화제 출구를 포함하며, 상기 복수의 개구는 상기 연소 영역과 상기 연료 연소 영역 간의 유체 소통을 위하여 제공된다. 상기 산화제 튜브의 외부에서 이 산화제 튜브를 둘러싸는 공정 튜브는 상기 산화제 튜브를 따라 공정 유체 도입 영역을 규정하며, 상기 공정 유체 도입 영역은 공정 유체 가열 영역 및 산화제/연료 가열 영역을 포함하며, 상기 공정 유체 가열 영역은 상기 연료 연소 영역과 열 교환되며, 상기 공정 유체를 상기 공정 유체 가열 영역으로 도입시키기 위한 공정 유체 입구와, 가열된 공정 유체를 상기 공정 유체 가열 영역으로부터 상기 산화제/연료 가열 영역으로 도입시키기 위한 공정 유체 출구를 포함하며, 상기 산화제/연료 가열 영역은 상기 산화제 예열 영역 및 상기 연료 예열 영역과 열 교환되며, 상기 산화제/연료 가열 영역으로부터 상기 가열된 공정 유체를 방출시키기 위한 방출 출구를 포함한다.
또한, 공정은 연료의 무화염 연소에 의해 공정 유체를 직접 가열한다. 연료 도입 영역을 규정하는 튜브 벽 및 길이부를 가지는 연료 튜브 내로 연료가 도입되며, 상기 길이부를 따라 상기 연료 도입 영역 내에 연료 예열 영역 및 연소 영역이 포함되며, 상기 연료 예열 영역은 상기 연료를 상기 연료 예열 영역 내로 도입시키기 위한 연료 입구와, 예열된 연료를 상기 연료 예열 영역으로부터 상기 연소 영역으로 도입시키기 위한 연료 출구를 포함하며, 상기 연소 영역을 따라 상기 튜브 벽을 관통하여 복수의 개구가 위치한다. 상기 연료 튜브의 외부에 이 연료 튜브를 둘러싸는 산화제 튜브로 산화제가 도입되어, 상기 연료 튜브의 길이부를 따라 산화제 도입 영역이 제공되며, 상기 산화제 도입 영역은 산화제 예열 영역 및 연료 연소 영역을 포함하며, 상기 산화제 예열 영역은 상기 산화제를 상기 산화제 예열 영역으로 도입시키기 위한 산화제 입구와, 예열된 산화제를 상기 산화제 예열 영역으로부터 상기 연료 연소 영역으로 도입시키기 위한 산화제 출구를 포함하며, 상기 복수의 개구는 상기 연소 영역과 상기 연료 연소 영역 간의 유체 소통을 제공한다. 상기 산화제 튜브의 외부에 이 산화제 튜브를 둘러싸는 공정 튜브로 공정 유체가 도입되어, 상기 산화제 튜브를 따라 공정 유체 도입 영역이 제공되며, 상기 공정 유체 도입 영역은 공정 유체 가열 영역과 산화제/연료 가열 영역을 포함하며, 상기 공정 유체 가열 영역은 상기 연료 연소 영역과 열 교환되며, 상기 공정 유체를 상기 공정 유체 가열 영역으로 도입시키기 위한 공정 유체 입구와, 가열된 공정 유체를 상기 공정 유체 가열 영역으로부터 상기 산화제/연료 가열 영역으로 도입시키기 위한 공정 유체 출구를 포함하며, 상기 산화제/연료 가열 영역은 상기 산화제 예열 영역과 상기 연료 예열 영역의 모두와 열 교환되며, 상기 산화제/연료 가열 영역으로부터 상기 가열된 공정 유체를 방출시키기 위한 방출 출구를 포함한다. 가열된 공정 유체는 상기 산화제/연료 가열 영역으로부터 방출되며, 연소 배기는 상기 연료 연소 영역으로부터 방출된다.
도 1 은 연료의 연소 및 공정 유체의 가열을 위한 열 전달 시스템의 요소를 나타내는 단면도.
도 2 는 매니폴드화된 열 교환 시스템 내로 내장된 열 전달 시스템의 단면도.
도 3 은 촉매 공정으로 열 교환 시스템의 용도를 나타내는 단순화된 공정 흐름도.
본 발명은 연료의 연소, 바람직하게는 무화염 (flameless) 연소에 의해 방출된 열 에너지를 공정 유체에 직접 전달시키는데 사용될 수 있는 열 전달 시스템 또는 장치를 제공한다. 열 전달 시스템은 가능한 많은 용도 및 응용을 가지며, 특히 본 명세서에 상세히 설명된 바와 같은 직접 가열 시스템의 용도는 특히 스티렌 제품을 제조하기 위한 에틸벤젠의 탈수소화 반응용 공정 등의 흡열 탈수소화 공 정에 바람직하다. 상기 열 전달 시스템의 이점을 생산적 또는 적절히 활용할 수 있는 다른 공정은 증기 리포밍 (steam reforming) 및 올레핀 크랙킹을 포함할 수 있다.
예컨대, 본 발명의 직접 가열 시스템에는 연료 튜브를 따라 연료의 균일한 연소가 제공되도록, 상기 연료 튜브를 통하여 연소 영역으로 연료를 도입하는 제어 비율이 제공될 수 있다. 이러한 균일한 연소는 상기 연료 튜브를 따른 균일한 온도 프로파일을 제공할 수 있다. 이러한 연소는 상기 연소 영역을 통한 제어된 온도 프로파일을 제공할 수 있다. 실현 가능한 몇몇 이점은 증기 사용의 감소, 높은 산출량으로의 작업, 수율 및 선택도 증가, 코크 (coke) 제조의 감소, 작업 압력의 증가 (이에 한정되지 않음) 를 포함할 수 있다.
직접 가열 시스템은 공정 유체로 전달되는 방출된 열로 연료의 무화염 연소를 제공할 수도 있다. 연료의 무화염 연소에 대한 화염이 존재하지 않기 때문에, 산화 반응 (즉, 무화염 연소) 은, 통상의 점화 히터에서 발생하는 화염 온도와 같은 통상의 연소 및 열 전달 장치에서의 화염 온도에 비하여 비교적 낮은 온도로 일어난다. 연료 무화염 산화 온도가 연소되는 연료에 따라 변할 수 있기 때문에, 일반적으로 1650℃ 를 초과하는 연료의 통상 연소에서의 화염 온도와는 다르게, 상기 연료 무화염 산화 온도는 일반적으로 약 600℃ ~ 약 1100℃, 또는 약 750℃ ~ 약 1050℃ 의 범위 내에 있을 수 있다.
본 발명의 직접 가열 시스템은 또한 통상의 가열 시스템의 열 전달 효율을 능가하는 열 전달 효율이 제공되도록 가열되는 공정 증기에 열 전달을 제공할 수 있다. 본 발명의 일 특징은 공정 유체가 연소 튜브 (이 연소 튜브 내에서 연료 연소가 일어남) 의 외면과 접촉하는 공정 증기의 직접 가열을 제공한다는 데에 있다. 상기 공정 증기는, 연소 튜브를 둘러싸는 공정 튜브에 의해 형성된 공정 환형부일 수 있는 공정 영역이 제공되도록, 연소 튜브를 둘러싸는 공정 슬리브 또는 도관 또는 튜브에 의해 보유된다. 공정 유체로의 열 전달은 연소 튜브 표면에 대한 제 2 열 복사면을 제공하는 공정 슬리브로 대류 및 복사 열 전달을 제공하여 최대가 된다.
도 1 에는, 열 전달 시스템 (10) 요소의 단면도가 나타나 있다. 열 전달 시스템 (10) 은 연료 튜브 (12), 산화제 튜브 (14) 및, 공정 튜브 (16) 를 포함한다. 연료 튜브 (12), 산화제 튜브 (14) 및, 공정 튜브 (16) 는 도관에 제공된 어떠한 적절한 형상을 가질 수 있다. 일반적인 실시형태에서, 상기 튜브는 시중에서 구입가능한 임의의 적절한 파이프 자재 또는 정사각형 또는 사각형 튜브 자재로 제조될 수 있다. 예컨대, 상기 튜브는 ANSI/ASME B36.10M 표준, 유럽 DIN 2448 표준, 또는 임의의 다른 표준에 따른 표준 파이프일 수 있다. 상기 적절한 표준 파이프의 비제한적인 예는 ANSI/ASME B36.10M 표준 (DIN 2448 표준에 의해 규정된 바와 같은 DN 20) 에 의해 규정된 바와 같은 3/4 인치 스케쥴 40 파이프 (이는 연료 튜브 (12) 용으로 사용될 수 있음), ANSI/ASME B36.10M 표준 (DIN 2448 표준에 의해 규정된 바와 같은 DN 80) 에 의해 규정된 바와 같은 3 인치 스케쥴 40 파이프 (이는 산화제 튜브 (14) 용으로 사용될 수 있음), ANSI/ASME B36.10M 표준 (DIN 2448 표준에 의해 규정된 바와 같은 DN 125) 에 의해 규정된 바와 같은 5 인치 스케쥴 40 파이프 (이는 공정 파이프 (16) 용으로 사용될 수 있음) 를 포함한다. 앞의 열거된 표준 파이프는 예시로서 제시된 것이며, 임의의 적절한 파이프가 스케쥴 80 및 보다 높거나 낮은 스켜쥴 파이프를 포함하는 열 전달 시스템 (10) 의 튜브로 사용될 수 있다. 적절히 사용될 수 있는 상기 파이프는 13mm (1/2 인치) ~ 250mm (10 인치) (또는 이보다 큼) 의 크기의 것이 사용될 수 있다.
연료 튜브 (12) 는 연료 도입 영역 (22) 으로 규정된 튜브 벽 (20) 및 길이부 (18) 를 가진다. 연료 도입 영역 (22) 은 연료 튜브 (12) 의 길이부 (18) 를 통하여 뻗어 있다. 연료 예열 영역 (24) 및 연소 영역 (26) 은 연료 도입 영역 (22) 에 포함되어 있다. 일반적인 실시형태에서, 상기 연료 예열 영역 및 연소 영역은 상기 연료 도입 영역의 양 끝단부에 위치한다. 연료 예열 영역 (24) 은 연료 입구 (28) 로부터 연료 출구 (30) 로 뻗어있다. 연료 출구 (30) 는 연료 예열 영역 (24) 와 연소 영역 (26) 사이에서 유체를 소통시키며, 이는 일 영역에서 다른 영역으로의 연료 튜브 (12) 내의 가상 천이 영역일 수 있다. 연료가 산화제와 혼합되기 이전에, 연료 튜브 (12) 를 통과하는 연료의 예열이 이루어지도록, 연료 예열 영역 (24) 은 연료 튜브 (12) 의 충분한 길이부 (18) 를 통하여 연료 입구 (28) 로부터 뻗어있다.
연료 입구 (28) 는 연료가 연료 예열 영역 (24) 내로 도입되도록 제공되며, 이 연료가 연료 예열 영역 (24) 을 통과함에 따라, 열 에너지는 상기 연료로 전달된다. 연료 출구 (30) 에는 연료 예열 영역 (24) 으로부터 연소 영역 (26) 으로 통과하는 예열된 연료가 도입된다. 산소 또는 공기 등의 산화제의 존재하 에 연소가능한 임의의 적절한 유체가 열 전달 시스템 (10) 의 작업에 사용될 수 있다. 상기 연료의 예는 수소 및 탄화 수소를 포함한다. 연료로서 사용될 수 있는 탄화 수소는 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 프로핀, 부탄, 부틸렌 및, 부틴 (butyne) 을 포함하는, 1 ~ 6 탄소 원자를 지닌 탄화 수소를 포함한다. 바람직한 연료는 수소, 메탄, 에탄 및 이들의 혼합물을 포함한다. 증기는 코크의 형성을 방지하기 위해 연료에 첨가될 수 있다.
연료 튜브 (12) 의 길이부 (18) 를 따라서 산화제 도입 영역 (34) 이 규정되도록, 산화제 튜브 (14) 는 연료 튜브 (12) 의 외부에서 이 연료 튜브를 감싼다. 산화제 도입 영역 (34) 에는, 산소 또는 공기를 포함하는 유체 등의 산화제 유체가 통과할 수 있는 도관이 제공되어 있다. 산화제 예열 영역 (36) 및 연료 연소 영역 (38) 은 산화제 도입 영역 (34) 내에 포함되어 있다. 일반적인 실시형태에서, 산화제 예열 영역 및 연료 연소 영역은 산화제 도입 영역의 양 단부에 위치된다. 산화제 예열 영역 (36) 은 산화제 입구 (40) 로부터 산화제 출구 (42) 로 뻗어있다. 산화제 출구 (42) 는 산화제 예열 영역 (36) 과 연료 연소 영역 (38) 사이에서 유체를 소통시키며, 이는 일 영역에서 다른 영역으로의 산화제 튜브 (14) 내의 가상 천이 영역일 수 있다. 산화제 도입 영역 (34) 을 통과하여 산화제 출구 (42) 로 향하는 산화제가 바람직하게 예열되도록, 산화제 예열 영역 (36) 은 연료 튜브 (12) 의 길이부 (18) 의 부분을 따라 산화제 입구 (40) 로부터 산화제 도입 영역 (34) 의 충분한 길이부 또는 부분을 통하여 뻗어있다. 산화제 입구 (40) 에서는 산화제 유체가 산화제 예열 영역 (36) 으로 도입되며, 상기 산화제가 산화제 예열 영역 (36) 을 통과함에 따라, 열 에너지는 산화제에 전달되어 예열된 산화제가 제공된다. 또한, 산화제 출구 (42) 에는 산화제 예열 영역 (36) 을 통하여 연료 연소 영역 (38) 으로 진입하는 예열된 산화제가 도입된다.
연료 튜브 (12) 의 연소 영역 (26) 의 튜브 벽 (20) 을 통하여 복수의 개구 (32) 가 제공된다. 개구 (32) 는 연료 튜브 (12) 의 길이부 (18) 를 따라 이격되어 있으며, 상기 개구는 연소 영역 (26) 과 연료 연소 영역 (38) 사이의 유체 소통을 제공한다. 화살표 (44) 는 개구 (32) 를 통하여 연료 연소 영역 (38) 내로 향하는 연소 영역 (26) 으로부터의 예열된 연료의 유동 방향을 나타내며, 상기 예열된 연료 및 예열된 산화제는 혼합되어 연소 혼합물을 형성하며, 상기 연료 연소 영역에서 연소가 일어난다. 화살표 (46) 는 연료 연소 영역 (38) 내로 진입하는 예열된 예열된 산화제의 유동 방향을 나타낸다.
개구의 간격, 방향 및 크기는 예열된 연료 및 산화제의 신속하고 완전한 혼합이 제공되는 비율 및 양으로 연료 연소 영역 (38) 내로 예열된 연료의 증분이 도입되도록 되어 있다. 이러한 신속하고 완전한 혼합으로 인하여, 예열된 산화제와 연료 간의 산화 반응은 혼합에 의해 제한되지 않는다. 그래서, 일반적으로, 연료 튜브의 연소 영역 (26) 에서 연료 튜브 (12) 의 구조에 의해 규정된 연료 도입 형상부와, 연료 연소 영역 (38) 을 형성하는 산화제 튜브 (14) 에 의해 규정된 산화제 도입 영역 형상부의 조합은, 소망하는 신속하고 완전한 두 유체의 혼합에 적합한 예열된 산화제 속도 (화살표 (46)) 및 예열된 연료 속도 (화살표 (44) 참조) 를 제공한다.
개구 (32) 는 연료 튜브 (12) 의 축선 방향으로 떨어져 있으며, 이 개구는 연료 튜브 (12) 의 길이부를 따라 상이한 방향으로 각각의 반경 방향 평면에 위치될 수 있다. 예컨대, 개구 (32) 는 연료 튜브 (12) 의 길이부를 따른 반경 방향 평면에서 180°또는 120°또는 90° 등의 각도로 교대로 위치될 수 있다. 따라서, 반경 방향 평면에서의 이들 개구의 방향이 연료 튜브 (12) 의 길이부를 따라 0°~ 360°또는 30°~ 180°로 변하도록, 연료 튜브 (12) 의 개구는 위치될 수 있다. 그러나, 개구는 연료 튜브 (12) 의 길이부를 따라 약 60°~ 120° 로 배향되는 것이 바람직하다.
본 발명의 특징은 연소 혼합물이 형성될 때에 상기 연소 혼합물의 온도가 연소 혼합물의 자동 발화 온도를 초과하도록 열 전달 시스템 (10) 의 구조가 예열된 산화제 온도 및 연료 온도를 제공하는 데 있다. 만약 연료 연소 영역 (38) 을 통과하는 예열된 산화제의 속도가 충분하다면, 최종 연소 혼합물의 자동 발화 온도를 초과하는 온도로 예열된 연료와 예열된 산화제를 조금씩 증가하여 혼합하여, 화염의 발생 없이 연료 산화 또는 연소시킨다. 이러한 무화염 연소는 연소가 화염으로 발생할 때 보다 상당히 낮은 온도로 발생한다.
산화제 튜브 (16) 의 외부를 따라 공정 유체 도입 영역 (50) 을 규정하도록, 공정 튜브 (16) 는 산화제 튜브 (14) 외부에서 이 산화제 튜브를 둘러싼다. 유체 도입 영역 (50) 에는 공정 유체가 통과될 수 있는 도관이 제공된다. 공정 유체 영역 (52) 및 산화제/유체 가열 영역 (54) 은 공정 유체 도입 영역 (50) 에 포함되어 있다. 일반적인 실시형태에서, 상기 공정 유체 가열 영역 및 산화제/연료 가열 영역은 공정 유체 도입 영역의 양 단부에 위치되어 있다. 공정 유체 가열 영역 (52) 은 공정 유체 입구 (56) 로부터 공정 유체 출구 (58) 로 뻗어있다. 공정 유체 출구 (58) 에서는 공정 유체 가열 영역 (52) 과 산화제/연료 가열 영역 (54) 사이의 유체가 소통되며, 이 소통 영역은 산화제 튜브 (14) 를 둘러싸는 공정 튜브 (16) 에 의해 형성된 도관 내의 일 영역에서 다른 영역으로의 가상 천이 영역일 수 있다. 산화제/연료 가열 영역 (54) 은 공정 유체 출구 (58) 로부터 공정 튜브 (16) 의 공정 튜브 방출 출구 (60) 로 뻗어있다. 공정 유체 입구 (56) 에는 공정 유체가 공정 유체 가열 영역 (52) 으로 도입되며, 공정 유체 출구 (58) 에는 공정 유체 가열 영역 (52) 으로부터 산화제/연료 가열 영역 (54) 으로 향하는 가열된 공정 유체가 도입된다.
열 전달 시스템 (10) 의 특징은 공정 유체 가열 영역 (52) 이 산화제 튜브 (14) 를 감싸며, 연료 연소 영역 (38) 을 따라 뻗어있어, 이러한 구성이 연료 연소 영역 (38) 과 공정 유체 가열 영역 (52) 간의 열 교환을 제공한다는데 있다. 연료 연소 영역 (38) 내의 연소 혼합물의 연소 (burning) 로 인해, 공정 유체 가열 영역 (52) 을 통과하는 공정 유체로 전달되는 열 에너지가 방출된다. 구부러진 화살표 (62) 는 연료 연소 영역 (38) 로부터 공정 유체 (이 유체는 공정 유체 가열 영역 (52) 를 통과함) 로 열 에너지가 흐르는 것을 나타낸다. 공정 유체는 공정 유체 입구 (56) 를 통하여 공정 유체 가열 영역 (52) 내로 도입되며, 이 공정 유체가 공정 유체 가열 영역 (52) 을 통과함에 따라 이 공정 유체는 열을 얻는다.
열 전달 시스템 (10) 의 다른 특징은 산화제/연료 가열 영역 (54) 이 산화제 튜브 (14) 를 둘러싸며 산화제 예열 영역 (36) 을 따라 뻗어있어, 이러한 구성이 산화제/연료 가열 영역 (54) 과 산화제 예열 영역 (36) 간의 열 교환을 제공한다는 데에 있다. 이러한 구성의 추가적인 특징은 산화제/연료 가열 영역 (54) 이 연료 예열 영역 (24) 과 열 교환을 이룬다는 데에 있다. 공정 유체 가열 영역 (52) 으로부터 산화제/연료 가열 영역 (54) 으로 진입하는 가열된 공정 유체에는, 연료 연소 영역 (38) 내로 도입되기 이전에 연료 및 산화제를 예열하는데 사용되는 열 에너지가 제공된다. 구부러진 화살표 (64) 는, 산화제/연료 가열 영역 (54) 을 통과하는 가열된 공정 유체로부터 산화제 예열 영역 (36) 을 통과하는 산화제 유체 및, 연료 예열 영역 (26) 을 통과하는 연료로 열 에너지가 흐르는 것을 나타낸다. 열 전달 시스템 (10) 에서 산화제 및/또는 연료를 예열함으로써, 제조 비용이 절감될 수 있다. 하나 이상의 스트림으로부터 열을 회수하거나 또는 열 전달 시스템 (10) 의 외부의 하나 이상의 스트림으로 열을 제공하는데 필요한 보조적 열 교환기는 낮은 가격 소재의 사용을 포함하여 상이하게 설계될 수 있거나, 이 열 교환기가 필요치 않을 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 예열된 연료 및 예열된 산화제가 혼합되어 연료 연소 영역 (38) 내의 연소 혼합물을 형성할 때에 연소 혼합물 온도가 연소 혼합물의 자동 발화 온도를 초과하도록 예열된 연료 온도 및 산화제 온도를 각각 가지는 예열된 연료 및 산화제가 제공되도록, 산화제/연료 가열 영역 (54), 산화제 예열 영역 (36) 및, 연료 예열 영역 (24) 의 구성이 연료 및 산화제가 충분히 가열되도록 되 어 있는 것이다. 그래서, 열 전달 시스템 (10) 의 예열부 (66) 는 가열된 공정 유체로부터 연료 및 산화제로 전술한 열 전달이 제공되는 예열 길이부 (68) 를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
일반적으로 연료는 열 전달 시스템 (10) 의 용도에 맞게 선택되며, 상기 연료를 포함하는 연소 혼합물의 자동 발화 온도는 400℃ (752℉) ~ 1500℃ (2732℉), 또는 500℃ (932℉) ~ 1400℃ (2552℉) 의 온도 범위에 있으며, 바람직하게는 600℃ (1112℉) ~ 1350℃ (2462℉), 가장 바람직하게는 700℃ (1292℉) ~ 1300℃ (2372℉) 의 온도 범위에 있다.
산화제 및 연료가 열 전달 시스템 (10) 내로 도입되는 온도는 주위 온도에 근접한 온도를 포함하는 넓은 온도 범위에 있을 수 있다. 산화제 및 연료는 또한 이들이 열 전달 시스템 내로 도입되기 이전에 주위 온도를 넘어 가열될 수 있다. 그래서, 산화제 입구 (40) 를 통하여 열 전달 시스템 (10) 내로 도입되는 산화제의 온도는 약 -30℃ (-22℉) ~ 약 2000℃ (3632℉), 또는 약 -10℃ (14℉) ~ 약 1200℃ (2192℉) 또는 약 -10℃ (14℉) ~ 약 400℃ (752℉) 의 온도 범위에 있을 수 있다. 열 전달 시스템 내로 도입되는 산화제의 온도는 -30℃ 초과, -20℃ 초과, -10℃ 초과 또는 0℃ 초과일 수 있다. 열 전달 시스템 내로 도입되는 산화제의 온도는 최대 3000℃, 최대 2000℃, 최대 1200℃, 또는 최대 1000℃ 일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 산화제는 열 전달 시스템 (10) 의 산화제 예열 영역 (36) 내로 도입되기 이전에 예열될 수 있다.
산화제 및 연료가 열 전달 시스템 내로 도입되는 온도가 예열부 (66) 의 디 자인 및 형상에 영향을 미치겠지만, 예열 길이부 (68) 는 일반적으로 연료 연소부 (72) 의 공정 가열 길이부 (70) 보다 짧다. 예열부 길이부 (68) 와 공정 가열 길이부 (70) 간의 상대 길이는 크게 산화제 및 연료가 열 전달 시스템 내로 도입되는 온도에 따르지만, 일반적으로, 공정 가열 길이부 (70) 와 예열부 길이부 (68) 의 비는 1:1 을 초과, 보다 일반적으로는 2:1 을 초과, 가장 일반적으로는 3:1 을 초과할 것이다. 다른 실시형태에서, 공정 가열 길이부 (70) 와 예열 길이부 (68) 의 비는 0.01:1, 0.05:1 또는 0.5:1 을 초과할 것이다. 추가 실시형태에서, 공정 가열 길이부 (70) 와 예열 길이부 (68) 의 비는 1:0.5, 1:0.05, 1:0.01 을 초과할 것이다.
열 전달 시스템 (10) 을 사용하여 가열되는 공정 유체는 임의의 목적으로 가열될 임의의 공정 유체일 수 있다. 그러나, 열 전달 시스템은 화학 반응 공급재인 공정 유체의 가열에 사용될 때에 특히 유용한 용도를 가진다. 특히, 본 발명의 열 전달 시스템은 스티렌의 제조용 에틸벤젠 탈수소 공정 등의 탈수소 공정의 특정 용도를 가진다. 싱기 용도에서, 열 전달 시스템 (10) 을 사용하여 가열될 공정 유체는 에틸벤젠을 포함한다. 상기 공정 유체는 증기를 더 포함하며, 에틸렌 및 탈수소 반응기 공급재의 다른 일반적인 성분을 더 포함할 수 있다. 탈수소 용도에 있어서, 일반적으로 공정 유체 입구 (56) 를 통하여 열 전달 시스템 (10) 의 공정 유체 가열 영역 (52) 내로 도입되는 공정 유체는 260℃ (500℉) ~ 704℃ (1300℉), 보다 일반적으로는 315℃ (600℉) ~ 677℃ (1250℉) 및, 가장 일반적으로는 427℃ (800℉) ~ 649℃ (1200℉) 의 온도 범위를 가진다.
열 전달 시스템 (10) 을 사용하여 가열된 공정 유체의 일반적인 온도 증가는 10℃ ~ 500℃ 의 온도 범위에 있을 수 있으나, 보다 일반적으로는 50℃ ~ 300℃, 가장 일반적으로는 100℃ ~ 250℃ 의 온도 범위에 있을 수 있다.
산화제 도입 영역은 연료 도입 영역의 외부에 있으며, 공정 유체 도입 영역은 산화제 도입 영역의 외부에 있다.
도 2 에는 열 전달 시스템 (100) 내로 내장된 상기 설명된 열 전달 시스템의 단면도가 나타나 있다. 도시를 위하여, 동심으로 배치되며 튜브형 시트를 사용하여 함께 통합된 3 개의 튜브를 포함하는 단일 열 전달 시스템 (102) 이 도시되어 있다. 그러나, 상기 열 교환 시스템 (100) 은 열 교환기일 수 있으며, 이 열 교환 시스템은 튜브 다발을 형성하도록 함께 다발지어진 복수의 3 개의 튜브 열 전달 시스템 (102) 을 일반적으로 포함한다.
열 전달 시스템 (102) 은 연료 튜브 (104), 산화제 또는 공기 튜브 (106) 및, 공정 튜브 (108) 를 포함하는 3 개의 튜브를 포함한다. 연료 튜브 (104) 는 이 연료 튜브가 고정 부착되어 있는 연료 튜브 시트 (110) 를 관통한다. 공기 튜브 (106) 는 연료 튜브 (104) 주위로 동심으로 배치되며, 상기 공기 튜브는 연료 튜브 시트 (110) 로부터 이격되어 뻗어있어 제 1 환형부 (112) 를 형성한다. 공기 튜브 (106) 의 입구 단부는 입구 공기 튜브 시트 (114) 를 관통하여, 이 시트에 고정 부착되며, 공기 튜브 (106) 의 출구 단부는 이 출구 단부가 고정 부착되는 출구 공기 튜브 시트 (116) 를 관통한다. 공정 튜브 (108) 는 공기 튜브 (106) 를 중심으로 동심으로 배치되어 제 2 환형부 (118) 를 형성한다. 공정 튜브 (108) 의 입구 단부는 입구 공정 튜브 시트 (120) 를 관통하며, 이 튜브 시트에 부착되며, 공정 튜브 (108) 의 출구 단부는 이 출구 단부가 고정 부착되는 출구 공정 튜브 시트 (121) 를 관통한다.
튜브 시트 (110, 114, 116, 120, 121) 는 함께 연결되어, 열 교환기 (100) 을 통과하는 연료, 공기 및 공정 유체의 소망하는 유동을 제공한다. 연료를 도입하기 위한 연료 입구 노즐 (124) 를 가지는 외장 덮개 (122) 는 연료 튜브 시트 (110) 에 기밀 연결되어, 연료를 연료 튜브 (104) 내로 도입하기 위한 연료 매니폴드 (126) 이 제공된다. 입구 공기 튜브 시트 (114) 는 스페이서 (128) 에 의해 연료 튜브 시트 (110) 으로부터 떨어져 있으며, 이 연료 튜브 시트와 함께 공기 튜브 (106) 내로 공기를 도입하기 위한 공기 매니폴드 (130) 를 제공한다. 공기 입구 노즐 (132) 은 공기 매니폴드 (130) 내로 공기를 도입하기 위하여 제공된다. 출구 공정 튜브 시트 (121) 는 스페이서 (134) 에 의해 입구 공기 튜브 시트 (114) 로부터 이격되어 있으며, 이 공기 튜브 시트와 함께 가열된 공정 유체 매니폴드 (136) 를 제공한다. 공정 유체 출구 노즐 (138) 에는 가열된 공정 유체 매니폴드 (136) 로부터 가열된 공정 유체가 제거되어 있다.
연소 가스를 제거하기 위한 배기 노즐 (144) 을 가지는 외장 덮개 (142) 는 출구 공기 튜브 시트 (116) 에 기밀 연결되어, 열 전달 시스템 (102) 에서 연료 및 공기의 연소에 의해 발생된 연소 배기를 수집하기 위한 배기 매니폴드 (146) 가 제공된다. 입구 공정 튜브 시트 (120) 는 스페이서 (148) 에 의해 출구 공기 튜브 시트 (116) 로부터 이격되어 있으며, 상기 출구 공기 튜브 시트와 함께 공정 유 체 매니폴드 (150) 를 제공한다. 공정 유체 공급 노즐 (152) 은 공정 유체 공급분을 공정 유체 매니폴드 (150) 내로 도입시킨다.
도 3 에는 상기 설명된 열 전달 시스템이 포함되어 있는 공정 시스템 (200) 의 단순화된 공정 흐름이 나타나 있다. 공정 시스템 (200) 은 본 명세서에 설명된 열 전달 시스템의 이점을 생산적으로 또는 적절하게 활용할 수 있는 임의의 공정이다. 하나의 상기 공정은 스티렌을 제조하기 위한 에틸벤젠의 탈수소용 촉매 탈수소 공정이다. 상기 언급된 다른 공정은 증기 리포밍 및 올레핀 크랙킹을 포함할 수 있다.
도 3 에 나타낸 공정에서, 증기 및 에틸벤젠을 함유하는 공정 공급재는 도관 (202) 을 경유하여 탈수소 반응기 (204) 로 충진된다. 탈수소 반응기 (204) 는 임의의 공지된 철 산화 계 탈수소 촉매 등의 적절한 탈수소 촉매를 함유하는 탈수소 반응 영역을 규정하며, 탈수소 반응기 (204) 는 적절한 탈수소 반응 조건 하에서, 공정 공급재를 탈수소 촉매와 반응시키기 위한 수단을 제공한다. 탈수소 반응기 유출물은 도관 (206) 을 통하여 탈수소 반응기 (204) 로부터 방출되어, 공정 유체 입구 (210) 를 통하여 열 전달 시스템 (208) 으로 도입된다.
상기 탈수소 반응이 흡열 반응이기 때문에, 탈수소 반응 유출물은 탈수소 반응기 (204) 에 충진된 공정 공급재의 온도보다 낮은 온도를 가질 것이다. 열 전달 시스템 (208) 은, 탈수소 반응기 유출물을 제 2 단계 탈수소 반응기 (212) 로 도입하기 이전에 그 온도를 올리기 위해서 열 에너지를 탈수소 반응기 유출물 에 부가하는데 사용된다. 가열 공정 유체 또는 재가열된 탈수소 반응기 유출물은 열 전달 시스템 (208) 으로 부터 그 방출 출구 (214) 및 도관 (216) 을 통하여 공급분으로서 제 2 단계 탈수소 반응기 (212) 로 도입된다. 제 2 단계 탈수소 반응기 (212) 는 임의의 공지된 철 산화 계 탈수소 촉매 등의 적절한 탈수소 촉매를 함유하는 탈수소 반응기 영역을 규정하며, 이 제 2 단계 탈수소 반응기는 적절한 탈수소 반응 조건하에서 재가열된 탈수소 반응기 유출물을 탈수소 촉매와 반응시키기 위한 수단을 제공한다. 탈수소 반응기 유출물은 제 2 단계 탈수소 반응기 (212) 로부터 도관 (218) 을 통하여 방출된다.
연료는 도관 (220) 에 의해 연료 입구 (222) 를 통하여 열 전달 시스템 (208) 으로 도입된다. 공기는 도관 (224) 에 의해 산화제 입구 (226) 를 통하여 열 전달 시스템 (208) 로 도입된다. 열 전달 시스템 (208) 의 연소 영역 (도시 안됨) 으로부터의 연소 배기는 도관 (228) 에 의해 방출된다.
본 발명의 상기 열 전달 시스템은 열 에너지를 공정 유체에 도입시키는데 필요한 임의의 형태의 공정 시스템과 일체를 이룰 수 있다. 도 3 의 촉매 공정 시스템 (200) 두 반응기 단계 사이에 설치된 단일 열 전달 시스템만이 도시되어 있으나, 임의의 수의 열 전달 시스템 유닛이 임의의 적절한 배치로 임의의 수의 반응기와 결합될 수 있다.

Claims (9)

  1. 연료의 연소 및 공정 유체의 가열을 위한 제 1 열 전달 시스템을 포함하는 공정 시스템으로서,
    상기 제 1 열 전달 시스템은,
    연료 도입 영역을 규정하는 튜브 벽과 길이부를 가지는 연료 튜브로서, 상기 길이부를 따라 상기 연료 도입 영역 내에는 연료 예열 영역 및 연소 영역이 포함되며, 상기 연료 예열 영역은 상기 연료를 상기 연료 예열 영역으로 도입시키는 연료 입구와 예열된 연료를 상기 연료 예열 영역으로부터 상기 연소 영역으로 도입시키는 연료 출구를 포함하며, 상기 연소 영역을 따라 상기 튜브를 관통하여 복수의 개구가 위치하는 상기 연료 튜브,
    상기 연료 튜브의 외부에서 이 연료 튜브를 둘러싸서 상기 연료 튜브의 길이부를 따라 산화제 도입 영역이 규정되는 산화제 튜브로서, 상기 산화제 도입 영역은 산화제 예열 영역과 연료 연소 영역을 포함하며, 상기 산화제 예열 영역은 산화제를 상기 산화제 예열 영역으로 도입시키는 산화제 입구와 예열된 산화제를 상기 산화제 예열 영역으로부터 상기 연료 연소 영역으로 도입시키는 산화제 출구를 포함하며, 상기 복수의 개구는 상기 연소 영역과 상기 연료 연소 영역 간의 유체 소통을 제공하는 상기 산화제 튜브 및,
    상기 산화제 튜브의 외부에서 이 산화제 튜브를 둘러싸서 상기 산화제 튜브를 따라 공정 유체 도입 영역이 규정되는 공정 튜브로서, 상기 공정 유체 도입 영 역은 공정 유체 가열 영역과 산화제/연료 가열 영역을 포함하며, 상기 공정 유체 가열 영역은 상기 연료 연소 영역과 열 교환되며, 이 공정 유체 가열 영역은 상기 공정 유체를 상기 공정 유체 가열 영역으로 도입시키기 위한 공정 유체 입구와 가열된 공정 유체를 상기 공정 유체 가열 영역으로부터 상기 산화제/연료 가열 영역으로 도입시키기 위한 공정 유체 출구를 포함하며, 상기 산화제/연료 가열 영역은 상기 산화제 예열 영역 및 상기 연료 예열 영역의 모두와 열 교환되며, 이 산화제/연료 가열 영역은 상기 산화제/연료 가열 영역으로부터 상기 가열된 공정 유체를 방출하기 위한 방출 출구를 포함하는 상기 공정 튜브를 포함하는 공정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 개구 중의 상기 개구는 상기 연료 튜브의 길이부의 상기 연소 영역을 따라 이격되어 있으며, 상기 개구는 상기 예열된 연료의 증분이 상기 연료 연소 영역으로 도입되도록 크기를 가져, 상기 예열된 연료의 증분이 상기 예열된 산화제와 혼합될 때에 연소 혼합물이 형성되어 화염 없이 열이 방출되는 연소가 일어나는 공정 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공정 유체 가열 영역과 상기 연료 연소 영역 간의 열 교환은 상기 연소에 의해 방출된 열에 의해 상기 가열된 공정 유체가 얻어지도록 상기 공정 유체의 가열을 제공하는 공정 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화제/연료 가열 영역과, 상기 산화제 예열 영역 및 상기 연료 예열 영역의 모두 간의 열 교환은, 상기 예열된 연료가 얻어지는 상기 연료의 가열과, 상기 가열된 공정 유체로부터 열을 전달시켜 상기 예열된 산화제가 얻어지는 상기 산화제의 가열을 제공하는 공정 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화제/연료 가열 영역과, 상기 산화제 예열 영역과 상기 연료 예열 영역의 모두 간의 열 교환은, 연소 혼합물이 이 연소 혼합물의 자동 발화 온도를 초과하는 상기 연소 혼합물 온도를 가지도록, 상기 예열된 산화제의 예열된 산화제 온도 및 상기 예열된 연료의 예열된 연료 온도를 더 제공하는 공정 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 도입 영역은 연료 도입 형상을 또한 특징으로 하며, 상기 산화제 도입 영역은 산화제 도입 영역 형상을 또한 특징으로 하며, 상기 연료 도입 형상과 상기 산화제 도입 영역 형상은 상기 화염이 방지되는 예열된 연료 속도 및 예열된 산화제 속도가 제공되도록 되어 있는 공정 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    반응 조건하에서 상기 가열된 공정 유체를 촉매와 접촉시키기 위한 제 1 반응기 수단을 더 포함하며, 상기 제 1 반응기 수단은 제 1 반응기 공급분으로서 상기 가열된 공정 유체를 수용하기 위한 제 1 반응기 입구와, 제 1 반응기 유출물을 방출시키기 위한 제 1 반응기 출구를 포함하는 공정 시스템.
  8. 연료 도입 영역을 규정하는 튜브 벽 및 길이부를 가지는 연료 튜브로 연료를 도입시키는 단계로서, 상기 길이부를 따라 상기 연료 도입 영역 내에는 연료 예열 영역 및 연소 영역을 포함하며, 상기 연료 예열 영역은 상기 연료를 상기 연료 예열 영역으로 도입시키기 위한 연료 입구와, 예열된 연료를 상기 연료 예열 영역으로부터 상기 연소 영역으로 도입시키기 위한 연료 출구를 포함하며, 상기 튜브 벽을 관통하는 복수의 개구는 상기 연소 영역을 따라 위치되는 상기 단계,
    상기 연료 튜브의 외부에서 이 연료 튜브를 둘러싸서 상기 연료 튜브의 길이부를 따라 산화제 도입 영역이 제공되는 산화제 튜브로 산화제를 제공하는 단계로서, 상기 산화제 도입 영역은 산화제 예열 영역 및 연료 연소 영역을 포함하며, 상기 산화제 예열 영역은 상기 산화제를 상기 산화제 예열 영역으로 도입시키기 위한 산화제 입구와, 예열된 산화제를 상기 산화제 예열 영역으로부터 상기 연료 연소 영역으로 도입시키기 위한 산화제 출구를 포함하며, 상기 복수의 개구는 상기 연소 영역과 상기 연료 연소 영역 간의 유체 소통을 제공하는 상기 단계,
    상기 산화제 튜브의 외부에서 이 산화제 튜브를 둘러싸서 상기 산화제 튜브를 따라 공정 유체 도입 영역이 제공되는 공정 튜브로 상기 공정 유체를 도입시키 는 단계로서, 상기 공정 유체 도입 영역은 공정 유체 가열 영역 및 산화제/연료 가열 영역을 포함하며, 상기 공정 유체 가열 영역은 상기 연료 연소 영역과 열 교환되며, 이 공정 유체 가열 영역은 공정 유체를 상기 공정 유체 가열 영역으로 도입시키기 위한 공정 유체 입구와, 가열된 공정 유체를 상기 공정 유체 가열 영역으로부터 상기 산화제/연료 가열 영역으로 도입시키기 위한 공정 유체 출구를 포함하며, 상기 산화제/연료 가열 영역은 상기 산화제 예열 영역과 상기 연료 예열 영역의 모두와 열 교환되며, 이 산화제/연료 가열 영역은 상기 산화제/연료 가열 영역으로부터 상기 가열된 공정 유체를 방출시키기 위한 방출 출구를 포함하는 상기 단계,
    상기 산화제/연료 가열 영역으로부터 상기 가열된 공정 유체를 방출시키는 단계 및,
    상기 연료 연소 영역으로부터 연소 가스를 방출시키는 단계를 포함하는, 연료의 무화염 연소에 의해 공정 유체를 직접 가열하기 위한 공정.
  9. 제 8 항에 있어서,
    연소 혼합물이 형성되어 화염 없이 열이 방출되는 연소가 일어나도록, 상기 예열된 연료의 증분을 상기 연료 연소 영역으로 도입시키는 단계를 더 포함하는, 연료의 무화염 연소에 의해 공정 유체를 직접 가열하기 위한 공정.
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