KR20100061445A - 무화염 연소 히터 - Google Patents

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KR20100061445A
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flameless combustion
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KR1020107003444A
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칼 그레고리 앤더슨
압둘 와히드 문쉬
피터 벤스트라
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셀 인터나쵸나아레 레사아치 마아츠샤피 비이부이
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Abstract

본 발명은 연료 도관내로부터 산화 도관까지 유체 소통을 제공하는 다수의 개구를 갖는 산화 도관 및 연료 도관을 포함하며, 적어도 하나의 개구의 길이방향 축선은 산화 도관의 내측면과 경사각을 형성하는 무화염 연소 히터를 제공한다. 또한, 본 발명은 산화 도관을 제공하는 단계와, 연료 도관내로부터 산화 도관까지 유체 소통을 제공하는 다수의 개구를 갖는 연료 도관을 제공하는 단계와, 산화 도관과 열교환 관계인 처리 도관을 제공하는 단계와, 연료 도관에 연료를 도입하는 단계와, 산화 도관에 옥시던트를 도입하는 단계와, 상기 산화 도관내에서 무화염 연소가 발생되도록 연료를 다수의 개구를 통해 산화 도관에 도입하는 단계를 포함하며; 적어도 하나의 개구의 길이방향 축선은 산화 도관의 내측면과 경사각을 형성하는 것을 특징으로 하는 처리 도관에의 열 제공 방법을 제공한다.

Description

무화염 연소 히터{A FLAMELESS COMBUSTION HEATER}
본 발명은 무화염 연소 히터와, 처리과정에 열을 제공하는 방법에 관한 것이다.
무화염 연소 히터는 미국 특허 제7,025,940호에 개시되어 있다. 이러한 특허에는 연료 및 연소 에어를 혼합물의 자동점화 온도 이상으로 예열함으로써 달성되는 무화염 연소를 이용한 처리 히터가 개시되어 있다. 연료는 연료 가스 도관의 다수의 오리피스를 통해 시간에 따른 소량의 증가분 만큼 도입되어, 연료 가스 도관과 산화반응 챔버 사이의 소통을 제공한다. 상기 특허에 개시된 바와 같이, 처리 챔버는 산화반응 챔버와 열교환 관계가 있다.
무화염 연소 히터는 연료 가스 도관내로부터 산화반응 챔버까지 소통을 제공하는 개구 및 연료 도관과 연관된 문제점과 만날 수 있다. 종래의 무화염 연소 히터는 산화 도관의 내측면과 직교하는 길이방향 축선을 갖는 개구를 포함한다.
이러한 수직한 개구를 통과하는 연료는 산화 도관의 내측면에 직접 충돌하려는 경향을 갖는다. 따라서, 산화 도관벽상의 고온 스팟(spot)을 감소시키기 위해서는 전형적으로 연료 도관의 외측과 산화 도관의 내측 사이에는 최소한의 거리가 유지되어야만 한다. 이러한 충돌 경향을 다루기 위해 옥시던트 흐름이 증가되기도 하지만, 과도한 압력강하 등과 같은 단점이 나타난다. 또한, 상기 직교하는 개구를 빠져나온 연료는 옥시던트와 양호하게 혼합되지 않는다. 이러한 불완전한 혼합은 개구의 하류(downstream)에서 즉시 발생된다.
무화염 연소에 의해 제공된 열은 전형적으로 어느 정도는 동일한 방사방향으로 그리고 개구의 하류에 직접 집중된다. 이것은 구조물의 히터 물질의 불균일한 가열로 귀결되어, 연료 및 산화 도관을 굴곡시키려는 경향을 띄는 열팽창을 유발시킬 수 있다. 또한, 이것은 히터에 의해 가열될 물질의 불균일한 가열로 귀결된다.
본 발명은 연료 도관내로부터 산화 도관까지 유체 소통을 제공하는 다수의 개구를 갖는 산화 도관 및 연료 도관을 포함하며, 적어도 하나의 개구의 길이방향 축선은 산화 도관의 내측면과 경사각을 형성하는 무화염 연소 히터를 제공한다.
또한, 본 발명은 산화 도관을 제공하는 단계와, 연료 도관내로부터 산화 도관까지 유체 소통을 제공하는 다수의 개구가 구비된 연료 도관을 제공하는 단계와, 산화 도관과 열교환 관계인 처리 도관을 제공하는 단계와, 연료 도관에 연료를 도입하는 단계와, 산화 도관에 옥시던트를 도입하는 단계와, 상기 산화 도관내에서 무화염 연소가 발생되도록 연료를 다수의 개구를 통해 산화 도관에 도입하는 단계를 포함하며; 적어도 하나의 개구의 길이방향 축선은 산화 도관의 내측면과 경사각을 형성하는 처리 도관에의 열 제공 방법을 부가로 제공한다.
본 발명은 연료의 무화염 연소에 의해 발생된 열 에너지의 직접 전달에 사용되는 무화염 연소 히터를 제공한다. 상기 히터는 지하층의 가열 및 처리 스트림의 가열을 포함하여 사용가능한 용도가 많다. 무화염 연소 히터는 예를 들어 알킬방향족 화합물 및 스팀 메탈 리포밍의 탈수소 등과 같은 흡열 반응을 실행하는 처리와 함께 특히 유용하다. 본 발명은 무화염 연소 히터에 산화 도관의 내측면과 경사각을 형성하는 연료 도관에 적어도 하나의 개구를 제공한다. 각진 개구는 산화 도관의 내측면상의 연료 충돌과 관련된 문제점을 감소시키며, 산화 도관에서 연료와 옥시던트의 혼합을 개선시킨다.
히터에서의 무화염 연소는 산화 스트림 및 연료 스트림이 조합되고 혼합물의 온도가 혼합물의 자동점화 온도를 초과하였지만 혼합물의 온도가 본 발명에 참조인용된 미국 특허 제7.025.940호에 개시된 바와 같은 혼합비로 한정된 혼합에 따라 산화로 귀결되는 온도 보다 낮을 때, 산화 스트림 및 연료 스트림을 충분히 예열함으로써 달성될 수 있다. 혼합물의 자동점화 온도는 연료 및 옥시던트 형태와 연료/옥시던트 비율에 의존한다. 무화염 연소 히터에 사용된 혼합물의 자동점화 온도는 850℃ 내지 1400℃ 의 범위에 속한다. 히터에 산화 촉매가 사용될 경우에는 자동점화 온도가 낮아질 수 있는데, 그 이유는 이러한 형태의 촉매가 혼합물의 자동점화 온도를 효과적으로 낮추기 때문이다.
연료 도관은 원하는 열 방출을 제공하는 방식으로, 산화 도관으로의 제어된 연료 도입율을 제공한다. 상기 열 방출은 부분적으로는 개구의 위치 및 숫자에 의해 결정될 수 있으며, 이것은 각각의 히터에 적용될 수 있다. 열 방출은 히터의 길이에 대해 일정하거나 또는 히터의 길이에 대해 감소되거나 증가될 수 있다.
연료의 무화염 연소와 연관된 투시가능한 화염이 없기 때문에, 상기 무화염 연소 반응은 종래 연소되고 있는 히터에서 관찰되는 온도 보다 낮은 온도에서 발생된다. 관찰되는 저온 및 직접 가열의 효율로 인해, 히터는 자본 소모의 감소로 귀결되는 저렴한 비용의 물질을 사용하도록 설계된다.
무화염 연소 히터는 2개의 주요한 요소, 즉 산화 도관 및 연료 도관을 포함한다. 상기 산화 도관은 옥시던트를 위한 입구와, 산화물을 위한 출구와, 상기 입구와 출구 사이의 흐름 통로가 구비된 튜브이거나 파이프일 수도 있다. 적절한 옥시던트는 에어, 산소, 및 아질산을 포함한다. 산화 도관에 도입된 옥시던트는 연료와 혼합되었을 때 혼합물이 혼합물의 자동점화 온도 이상이 되도록 예열된다. 옥시던트는 무화염 연소 히터의 외측에서 가열된다. 선택적으로, 상기 옥시던트는 히터내의 그 어떤 스트림에 의한 열교환에 의해 히터 내부에서 가열될 수도 있다. 산화 도관은 약 2cm 내지 약 20cm 의 내경을 갖는다. 그러나, 상기 산화 도관은 히터 요구사항에 따라 이러한 범위 보다 크거나 작을 수도 있다.
연료 도관은 연료를 히터로 이송하고, 연료를 산화 도관에 도입한다. 연료 도관은 연료를 위한 입구와, 연료 도관내로부터 산화 도관까지 유체 흐름을 제공하는 다수의 개구가 구비된 튜브이거나 파이프일 수도 있다. 연료 도관은 산화 도관내에 배치되어, 산화 도관으로 둘러싸인다. 연료는 상기 개구를 통과하고, 옥시던트와 혼합되어 무화염 연소가 이루어지는 산화 도관으로 흐른다. 연료 도관은 약 1cm 내지 약 10cm, 양호하기로는 약 1.5cm 내지 5cm 의 내경을 갖는다. 그러나, 디자인에 따라 상기 연료 도관은 10cm 이상 또는 1cm 이하의 직경을 가질 수도 있다.
연료 도관의 개구의 형상, 방향, 및 위치는 히터 시스템의 유체 역학 및 혼합 역학으로 인해 유발되는 문제점을 극복하도록 설계된다. 상기 개구는 연료 도관의 벽을 천공하거나 절결하여 형성된다. 연료 도관의 벽은 전형적으로 약 0.25cm 내지 약 2.5cm 의 두께를 갖는다. 상기 개구는 원형, 타원형, 직사각형, 심지어 불규칙한 형태의 단면을 갖는다. 상기 개구는 원형 단면이 바람직하다.
개구는 약 0.001㎠ 내지 약 2㎠, 양호하기로는 약 0.03㎠ 내지 약 0.2㎠ 의 단면적을 갖는다. 개구의 크기는 산화 도관내로의 원하는 연료 도입율에 의해 결정되지만, 개구가 너무 작으면 플러깅된다. 상기 개구는 다른 개구로부터 축방향 거리로 1cm 내지 100cm의 거리에서 연료 도관을 따라 배치된다. 상기 개구는 축방향으로 12cm 내지 50cm 이격되는 것이 바람직하다. 상기 개구는 연료 도관의 길이를 따라 상이한 방향으로 각각의 방사방향 평면에 배치된다. 예를 들어, 개구의 위치는 연료 도관의 길이를 따라 방사방향 평면에서 180°교호되거나, 120°또는 90°로 교호된다. 따라서, 연료 도관의 개구의 위치는 방사방향 평면에서의 그 방향이 연료 도관의 길이를 따라 교호되고 그 방향이 30°내지 180°분리되도록 형성된다. 개구의 방사방향 방위는 연료 도관의 길이를 따라 60°내지 120°교호되는 것이 바람직하다.
일실시예에서는 연료 도관으로부터 산화 영역까지의 유체 소통을 제공하기 위해 개구와 함께 소결판이 사용되며, 상기 소결판의 개구는 10 내지 100 미크론의 직경을 갖는다.
히터의 길이를 따라 상이한 개구는 전형적으로 동일한 단면적을 갖는다. 선택적으로, 개구의 단면적은 원하는 열 방출을 제공하도록 상이할 수도 있다. 또한, 연료 도관을 따른 개구들 사이의 이격거리는 원하는 열 방출을 제공하도록 상이할 수도 있다. 상기 개구는 전형적으로 동일한 형상을 취한다. 선택적으로, 개구는 상이한 형상을 취할 수도 있다.
상기 개구 각각은 개구의 각각의 단부에서 단면의 중앙을 연결하는 라인에 의해 한정된 길이방향 축선을 갖는다. 또한, 연료 도관은 도관의 단면의 중앙을 연결하는 라인에 의해 한정된 길이방향 축선을 갖는다.
"예각" 이라는 용어는 0°내지 90°사이의 각도로 한정된다. "둔각" 이라는 용어는 90°내지 180°사이의 각도로 한정된다. "경사각" 이라는 용어는 예각이거나 둔각인 각도로 한정된다.
무화염 연소 히터는 처리 유체를 이송하는 처리 유니트를 부가로 포함하며, 상기 처리 유니트는 산화 도관과 열 관계를 갖는다. 히터에 처리 유니트를 포함하는 것은 처리 스트림의 직접 가열을 허용한다. 처리 도관은 선택적으로 화학 반응을 실행하는데 사용될 수도 있다. 처리 유니트는 화학 반응을 촉진시키는 촉매를 포함한다. 이러한 히터는 반응시 처리에 열이 직접 부가되기 때문에, 흡열 반응을 실행하는데 특히 유용하다. 예를 들어, 상기 히터는 스티렌에 에틸벤젠의 탈수소 반응을 직접적으로 가열하기 위해 탈수소 반응기에 연합될 수 있다.
무화염 연소 히터는 옥시던트 도관을 선택적으로 포함할 수 있다. 옥시던트 도관은 옥시던트를 위한 입구와, 산화 도관의 입구와 유체 소통되는 예열된 옥시던트를 위한 출구를 갖는다. 상기 옥시던트 도관은 산화 도관 및/또는 처리 도관과 열교환 관계에 있으므로, 산화 도관에서 연료와 혼합되었을 때 그 혼합물이 자동점화 온도이거나 이 온도 이상의 충분한 온도로 옥시던트를 예열하기 위한 직접 가열을 제공한다.
예열기는 옥시던트가 히터에 인입되기 전에 예열하는데 사용된다. 예열기는 열을 제공하는 장치 또는 방법 이다. 상기 예열기는 예를 들어 종래의 열교환기 또는 무화염 연소 히터일 수도 있다.
무화염 연소 히터의 양호한 실시예는 첨부된 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도1은 예각형 개구를 갖는 2튜브 무화염 연소 히터를 도시한 도면.
도1a는 도1의 히터의 단면도.
도1b는 도1의 히터의 단면도.
도2는 예각형 개구를 갖는 3튜브 무화염 연소 히터를 도시한 도면.
도2a는 도2의 히터의 단면도.
도3은 예각형 개구를 갖는 4튜브 무화염 연소 히터를 도시한 도면.
도3a는 도3의 히터의 단면도.
도4는 둔각형 개구를 갖는 2튜브 무화염 연소 히터를 도시한 도면.
도4a는 도4의 히터의 단면도.
도4b는 도4의 히터의 단면도.
도5는 둔각형 개구를 갖는 3튜브 무화염 연소 히터를 도시한 도면.
도5a는 도5의 히터의 단면도.
도6은 둔각형 개구를 갖는 4튜브 무화염 연소 히터를 도시한 도면.
도6a는 도6의 히터의 단면도.
도7은 접선형 개구를 갖는 2튜브 무화염 연소 히터를 도시한 도면.
도7a는 도7의 히터의 단면도.
도8은 접선형 개구를 갖는 3튜브 무화염 연소 히터를 도시한 도면.
도8a는 도2의 히터의 단면도.
도9는 접선형 개구를 갖는 4튜브 무화염 연소 히터를 도시한 도면.
도9a는 도9의 히터의 단면도.
도10은 무화염을 사용하는 실시예를 도시한 도면.
도1 내지 도3은 예각형 개구로 언급되는 무화염 연소 히터의 실시예를 도시하고 있다. 도1은 연료 도관(12)에 의해 형성된 연료 영역(11)과 산화 도관(14)에 의해 형성된 산화 영역(13)이 구비된 무화염 연소 히터(10)를 도시하고 있다. 이러한 형태의 히터는 2튜브 히터로 언급된다. 이러한 실시예에서, 연료 도관(12)은 연료를 위한 입구(24)와 다수의 개구(20)를 갖는 원통형 파이프 이다. 개구의 길이방향 축선(22)은 산화 도관(14)의 내측면과 예각(34)을 형성한다. 산화 도관(14)은 예열된 옥시던트를 위한 입구(26)와 연소물을 위한 출구(30)를 갖는 연료 도관(12) 주위에 동심으로 배치된 원통형 파이프 이다. 선택적으로, 옥시던트는 출구(30)에 도입되고, 연소물은 입구(26)를 빠져나가서, 연료 및 옥시던트의 역류 흐름을 제공할 수 있다. 연료 및 옥시던트의 역류 흐름은 현재의 흐름 보다 연료 및 옥시던트의 양호한 혼합을 제공할 수 있다. 흐름의 방향은 특정한 히터 용도의 원하는 혼합 및 열 방출에 적합하도록 변화될 수 있다. 작동중, 연료는 입구(24)를 통해 연료 영역(11)에 유입되고, 각진 개구(20)를 통과한 후 산화 영역(13)에서 예열된 옥시던트와 혼합된다. 상기 개구(20)는 연료 입구(24)와 반대 방향으로 각도를 이루고 있다.
개구는 개구의 길이방향 축선이 연료 도관(12)의 연료 입구(24)로부터 측정하였을 때 산화 도관의 내측면과 90°보다 작은 각도를 이루도록 형성된다. 이러한 개구는 하기에 예각형 개구로 언급된다. 개구의 길이방향 축선은 산화 도관의 내측면과 20°내지 80°,양호하기로는 30°내지 70°, 가장 양호하기로는 50°내지 70°의 각도를 형성한다.
도1a는 도1의 선A-A를 따른 단면도이다. 이러한 도면은 개구의 길이방향 축선이 연료 도관의 길이방향 축선과 교차되는 실시예를 도시하고 있다.
도1b는 도1의 선B-B를 따른 단면도이다. 이러한 도면은 축선들이 교차되지 않도록, 개구의 길이방향 축선이 연료 도관의 길이방향 축선으로부터 거리(40)에 배치된 실시예를 도시하고 있다. 상기 개구들은 하기에 예각형의 접선형 개구로 언급된다.
히터는 도1a(예각형 개구)에 도시된 단면이나 또는 도1b(예각형의 접선형 개구)에 도시된 단면을 갖는다. 선택적으로, 히터는 예각형 개구 및 예각형의 접선형 개구의 조합을 가질 수도 있으며, 도1a 및 도1b의 단면은 히터의 상이한 지점에서 동일한 히터의 단면을 나타낸다.
예각형 개구는 개구를 빠져나온 연료가 연료 도관 입구와 반대인 방향으로 지향되도록 각도를 이루고 있다. 예각형 개구는 낮은 피크(peak) 온도로 귀결되므로, 히터 물질에 대한 위험을 감소시키고 또한 히터 구성에 저렴한 물질이 사용될 수 있게 한다. 또한, 예각형 개구는 연료 도관과 산화 도관 사이의 거리가 감소되게 함으로써, 자본 지출을 감소시키고 히터를 소형이 되게 한다.
예각형의 접선형 개구는 방사방향으로 더욱 균일한 열 방출을 제공한다. 예각형의 접선형 개구의 사용은 더욱 균일한 열 프로필과, 연료 및 옥시던트의 개선된 혼합도 제공한다. 또한, 예각형의 접선형 개구의 사용은 무화염 연소 히터가 종래 직교형 개구를 갖는 무화염 연소 히터 보다 높은 연료/에어 비율로 작동될 수 있게 한다. 더욱 적은 에어가 필요할 때, 산화 도관은 소형으로 될 수 있으며, 이에 따라 자본 투하를 감소시킨다.
도2는 연료 도관(12), 산화 도관(14), 처리 도관(16)이 구비된 무화염 연소 히터(10)를 도시하고 있다. 이러한 형태의 히터는 3튜브 히터로 언급되며, 처리 유체의 직접 가열을 위해 사용된다. 도2에 도시된 3튜브 히터는 도1에 도시된 히터와 유사하며, 연료 도관 및 산화 도관은 동일하다. 그러나, 도2에 있어서, 처리 영역(15)은 처리 도관(16)에 의해 형성된다. 처리 도관(16)은 처리 스트림을 위한 입구(32)와 가열된 처리 스트림을 위한 출구(28)를 갖는 원통형 파이프 이다. 선택적으로, 상기 처리 스트림은 산화 도관 흐름과 병행한 흐름의 처리 흐름을 제공하기 위해 입구(28)로 들어가서 출구(28)에서 빠져나올 수도 있다.
도2a는 도2의 선A-A를 따른 단면도이다. 도2a는 개구의 길이방향 축선이 연료 도관의 길이방향 축선과 교차되는 실시예를 도시하고 있다. 도시되지 않은 다른 실시예에서는 축선들이 교차되지 않도록 개구의 길이방향 축선이 연료 도관의 길이방향 축선으로부터 일정 거리에 배치된 개구를 포함한다.
도3은 연료 도관(102)과 산화 도관(104) 및 처리 도관(108) 그리고 옥시던트 도관(106)을 갖는 무화염 연소 히터(100)를 도시하고 있다. 연료 영역(111)은 파이프의 길이를 따라 각진 개구(126)를 갖는 원통형 파이프 또는 튜브인 연료 도관(102)에 의해 형성된다. 산화 영역(113)은 연료 도관에 대해 동심이고 원통형인 산화 도관(104)에 의해 형성된다. 처리 영역(117)은 처리 도관(108)에 의해 형성되고, 이러한 처리 도관은 원통형 파이프 또는 쉘의 쉘 측부 및 튜브 열교환기 이다. 옥시던트 영역(115)은 산화 도관에 대해 동심이고 원통형인 옥시던트 도관(106)에 의해 형성된다. 작동중, 연료는 입구(110)에서 연료 도관에 유입되고, 각진 개구(126)에서 연료 도관을 빠져나온다. 상기 각진 개구(126)는 연료 입구(110)로부터 멀어지는 방향으로 각도를 이루고 있다. 옥시던트는 옥시던트 입구(114)에서 옥시던트 도관에 유입되고, 산화 도관 입구(120)에서 옥시던트 도관을 빠져나온다. 옥시던트는 옥시던트 영역(115)에서 예열된다. 예열된 옥시던트는 개구(126)로부터의 연료와 혼합되고, 연소물은 산화 도관 출구(112)에서 히터를 빠져나간다. 처리 스트림은 도면부호 116 에서 유입되고 도면부호 118 에서 빠져나오거나, 또는 도면부호 118 에서 유입되고 도면부호 116 에서 빠져나온다.
이러한 실시예는 일부 관점에서 도1 및 도2에 도시된 바와 상이하다. 옥시던트는 히터의 내부에서 가열되는데, 그 이유는 산화 도관 및 처리 도관과 열교환 관계인 옥시던트 도관으로 유입되기 때문이다. 또한, 옥시던트는 옥시던트 도관에 도입되기 전에 예열된다. 처리 도관은 옥시던트 도관과 옥시던트의 일부와 열교환 관계에 있다. 이러한 상이한 실시예는 처리의 요구사항과 부합되는 히터 용도를 설계할 자유도를 더 많이 제공하며, 무화염 연소의 연소물로부터 부가의 열을 회수하는 디자인 특성과 연합된다.
도3a는 도3의 선A-A를 따른 단면도이다. 이러한 도면은 개구의 길이방향 축선이 연료 도관의 길이방향 축선과 교차되는 실시예를 도시하고 있다. 도시되지 않은 다른 실시예에서는 축선들이 교차되지 않도록 개구의 길이방향 축선이 연료 도관의 길이방향 축선으로부터 일정 거리에 배치된 개구를 포함한다.
도4 내지 도6은 하기에 둔각형 개구로 언급되는 무화염 연소 히터의 실시예를 도시하고 있다. 도4는 개구가 상이한 방향으로 각도를 이루고 있는 점을 제외하고는, 도1에 도시된 2튜브 무화염 연소 히터와 유사한 무화염 연소 히터(10)를 도시하고 있다. 각진 개구(20)는 연료 도관 입구를 향해 각도를 이루고 있다.
상기 개구는 개구의 길이방향 축선이 연료 도관의 입구 단부로부터 측정하였을 때 산화 도관의 내측면과 90°보다 큰 각도를 이루도록 형성된다. 이러한 개구는 하기에 둔각형 개구로 언급된다. 개구의 길이방향 축선은 산화 도관의 내측면과 100°내지 160°, 양호하기로는 105°내지 145°, 가장 양호하기로는 110°내지 130°의 각도를 형성한다.
개구의 길이방향 축선은 도4a에 도시된 바와 같이 연료 도관의 길이방향 축선과 교차된다. 선택적으로, 개구의 길이방향 축선은 도4b에 도시된 바와 같이 축선들이 교차되지 않도록 연료 도관의 길이방향 축선으로부터 거리(40)에 배치되며, 이러한 개구는 하기에 "둔각형의 접선형 개구"로 언급된다. 둔각형의 접선 형 개구는 예각형의 접선형 개구와 유사한 장점을 제공한다.
둔각형의 개구는 전형적으로 연료의 난류 증가와, 무화염 연소 반응을 개선하는 산화 도관에서 옥시던트와의 혼합으로 귀결된다. 또한, 둔각형 개구는 예를 들어, 연료 도관과 산화 도관 사이의 거리가 감소되어 히터가 소형이 되게 하고 자본 투하를 감소시킨 등과 같은, 각진 개구가 제공하는 바와 유사한 많은 장점을 제공한다.
도5는 도2에 도시된 3튜브 무화염 연소 히터와 유사한 무화염 연소 히터(10)를 도시하고 있다. 그러나, 도5는 상술한 바와 같이 히터에서 둔각형 개구를 도시하고 있다. 도5a는 도5의 선A-A을 따른 단면도이다.
도6은 도3에 도시된 4튜브 무화염 연소 히터와 유사한 무화염 연소 히터(100)를 도시하고 있다. 그러나, 도6은 히터에서 둔각형 개구를 도시하고 있다. 도6a는 도6의 선A-A을 따른 단면도이다.
도7 내지 도9는 접선형 개구로 언급되는 것을 갖는 무화염 연소 히터의 실시예를 도시하고 있다. 도7은 개구가 상이한 점을 제외하고는, 도1에 도시된 2튜브 무화염 연소 히터와 유사한 무화염 연소 히터(10)를 도시하고 있다. 접선형 개구(20)는 연료 도관 입구나 출구의 방향으로 각도를 이루고 있지 않다. 도7a는 도7의 선A-A를 따른 단면도이다.
상기 접선형 개구는 축선들이 교차되지 않도록 개구의 길이방향 축선이 연료 도관의 길이방향 축선으로부터 거리(40)에 배치되도록 형성된다. 개구의 길이방향 축선과 연료 도관의 길이방향 축선 사이의 거리는 연료 도관의 내경의 1/4, 양호하기로는 연료 도관의 내경의 1/2, 더욱 양호하기로는 연료 도관의 내경의 3/4 보다 큰 것이 바람직하다.
접선형 개구는 예각형 개구 및 둔각형의 접선형 개구와 유사하게, 방사방향으로 더욱 균일한 열 방출을 제공한다.
도8은 도2에 도시된 3튜브 무화염 연소 히터와 유사한 무화염 연소 히터(10)를 도시하고 있다. 그러나, 도8은 상술한 바와 같이 히터의 접선형 개구를 도시하고 있다. 도8a는 도8의 선A-A를 따른 단면도이다.
도9는 도3에 도시된 4튜브 무화염 연소 히터와 유사한 무화염 연소 히터(100)를 도시하고 있다. 그러나, 도9는 상술한 바와 같이 히터의 접선형 개구를 도시하고 있다. 도9a는 도9의 선A-A를 따른 단면도이다.
무화염 연소 히터는 히터의 특정 형태 및 히터 용도에 따라 다양한 조건으로 작동된다. 다양한 실시예 및 조건은 본 발명에 참조인용된 미국특허 제5,255,742호 및 제7,025,940호에 개시되어 있다.
도10은 에틸벤젠 탈수소 유니트에서 무화염 연소 히터의 사용을 도시하고 있다. 스팀 및 에틸벤젠을 함유한 처리 공급재료는 도관(202)을 통해 탈수소 반응기(204)에 공급된다. 상기 탈수소 반응기(204)는 철 산화물계 촉매인 적절한 탈수소 촉매를 보유하며, 처리 공급재료를 탈수소 촉매와 접촉시키는 수단을 제공한다. 탈수소 반응기 유출물은 도관(206)을 통해 탈수소 반응기(204)로부터 방출되며, 그 처리 유체 입구(210)를 통해 무화염 연소 히터(208)에 도입된다.
탈수소 반응은 흡열 반응이기 때문에, 탈수소 반응기 유출물은 탈수소 반응기(204)로의 처리 공급재료 보다 낮은 온도를 가질 것이다. 무화염 연소 히터(208)는 탈수소 반응기 유물출이 제2스테이지 탈수소 반응기(212)에 도입되기 전에 이를 가열하는데 사용된다. 가열된 처리 유체는 무화염 연소 히터(208)로부터 제2스테이지 탈수소 반응기(212)로의 공급물로서 도입되는 그 방출 출구(214) 및 도관(216)을 통과한다. 탈수소 반응기 유출물은 도관(218)을 통해 제2스테이지 반응기(212)로부터 방출된다. 탈수소 처리는 2개의 반응기 이상에서 실행되며, 이 경우에는 무화염 연소 히터가 각각의 부가 반응기의 전방에 배치된다.
연료는 도관(220) 및 연료 입구(222)를 통해 무화염 연소 히터(208)에 도입된다. 옥시던트는 도관(224) 및 옥시던트 입구(226)를 통해 히터(208)에 도입된다. 연소물은 도관(228)을 통해 무화염 연소 히터로부터 방출된다.
이러한 실시예에서는 옥시던트가 히터(208)를 통과하기 전에 옥시던트를 예열하기 위해 예열기(230)가 도시되었다. 이것은 히터 시스템의 선택적 사항이다.
상술한 바와 같은 무화염 연소 히터는 개구 위치 및 형상이 변형된 상태로 그 어떤 용도에도 사용될 수 있다.
10: 무화염 연소 히터 12: 연료 도관
14: 산화 도관 20: 개구
24: 입구 30: 출구

Claims (15)

  1. 무화염 연소 히터에 있어서,
    산화 도관 및 연료 도관내로부터 산화 도관까지 유체 소통을 제공하는 다수의 개구를 갖는 연료 도관을 포함하며,
    적어도 하나의 개구의 길이방향 축선은 산화 도관의 내측면과 경사각을 형성하는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 개구의 길이방향 축선은 연료 도관의 입구 단부로부터 측정하였을 때, 산화 도관의 내측면과 예각을 형성하는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
  3. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 개구의 길이방향 축선은 연료 도관의 입구 단부로부터 측정하였을 때, 산화 도관의 내측면과 둔각을 형성하는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
  4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 개구의 대부분은 산화 도관의 내측면과 경사각을 형성하는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
  5. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 개구의 길이방향 축선은 연료 도관의 길이방향 축선과 교차되지 않는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
  6. 제5항에 있어서, 개구의 길이방향 축선과 연료 도관의 길이방향 축선 사이의 거리는 연료 도관의 내경의 1/4 보다 큰 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
  7. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 하나의 개구의 길이방향 축선은 산화 도관의 내측면과 제1각도를 형성하고; 다른 개구의 길이방향 축선은 산화 도관의 내측면과, 상기 제1각도와는 동일하지 않은 제2각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
  8. 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 개구는 원형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
  9. 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서, 하나의 개구는 다른 개구의 단면적 보다 큰 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
  10. 제1항 내지 제9항중 어느 한 항에 있어서, 옥시던트 도관을 부가로 포함하며; 상기 옥시던트 도관은 옥시던트를 위한 입구와, 산화 도관의 입구와 유체 소통되는 예열된 옥시던트를 위한 출구를 갖는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
  11. 제1항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서, 산화 도관과 열교환 관계가 있는 처리 도관을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
  12. 제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서, 무화염 연소 히터와 유체 소통되는 예열기를 부가로 포함하며, 상기 예열기는 옥시던트 및 연료가 산화 도관에서 혼합되었을 때 혼합물의 온도가 혼합물의 자동점화 온도를 초과하는 온도로 옥시던트를 예열할 수 있는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
  13. 제11항 내지 제12항중 어느 한 항에 있어서, 옥시던트 도관은 처리 도관과 열교환 관계인 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
  14. 제1항 내지 제13항중 어느 한 항에 있어서, 히터는 산화 촉매를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
  15. 처리 도관에 열을 제공하는 방법에 있어서,
    산화 도관을 제공하는 단계와,
    연료 도관내로부터 산화 도관까지 유체 소통을 제공하는 다수의 개구가 구비된 연료 도관을 제공하는 단계와,
    산화 도관과 열교환 관계인 처리 도관을 제공하는 단계와,
    연료 도관에 연료를 도입하는 단계와,
    산화 도관에 옥시던트를 도입하는 단계와,
    상기 산화 도관내에서 무화염 연소가 발생되도록 연료를 다수의 개구를 통해 산화 도관에 도입하는 단계를 포함하며,
    적어도 하나의 개구의 길이방향 축선은 산화 도관의 내측면과 경사각을 형성하는 것을 특징으로 하는 처리 도관에의 열 제공 방법.
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