KR20120033390A

KR20120033390A - 탄화수소 수증기 열분해 방법, 및 이에 사용되는 열분해 반응관

Info

Publication number: KR20120033390A
Application number: KR1020100094879A
Authority: KR
Inventors: 송종훈; 강전한; 최준선; 방상혁; 조태수; 조동현; 김대혁; 노시현
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-04-09
Also published as: KR101380484B1

Abstract

본 발명은 탄화수소 수증기 열분해 방법, 및 이에 사용되는 단위 열분해 반응관에 관한 것으로, 종래 탄화수소 수증기 열분해 반응에서 탄화수소와 증기가 통과하는 반응관 내에 라시히 링(Raschig ring) 형태의 열교환 매체를 충진시 반응관 내부의 유체 흐름을 막기 때문에 압력 강하가 발생하고, 빠른 유속에 의해 열교환 매체가 흔들리면서 반응관 내벽에 부딪혀 파쇄되던 문제점을 극복하고, 담체 촉매의 일렬 충진이 가능하여 지그재그 형태의 충진보다 압력강하가 최소화되고 충진 효율이 높을 뿐 아니라 반응관과 열교환 매체와의 충돌을 방지할 수 있고, 크래커 내에 효과적으로 도입가능한 잇점이 있다.

Description

탄화수소 수증기 열분해 방법, 및 이에 사용되는 열분해 반응관 {HYDROCARBON STEAM THERMAL-CRACKING PROCESS AND UNIT THERMAL CRACKING TUBE USED IN THE METHOD}

본 발명은 탄화수소 수증기 열분해 방법, 및 이에 사용되는 열분해 반응관에 관한 것으로, 보다 상세하게는 담체 촉매의 일렬 충진이 가능하여 지그재그 형태의 충진보다 압력강하가 최소화되고 충진 효율이 높을 뿐 아니라 반응관과 열교환 매체와의 충돌을 방지할 수 있고, 크래커 내에 효과적으로 도입가능한 탄화수소 수증기 열분해 방법, 및 이에 사용되는 열분해 반응관에 관한 것이다.

에틸렌, 프로필렌과 같은 올레핀 화합물은 석유화학 제품의 중요한 기초 원료이다. 이들 올레핀 화합물은 파라핀계 탄화수소를 주요 성분으로 하는 천연가스, 납사, 경유 등을 열분해하여 제조한다.

흡열 반응인 탄화수소의 열분해 반응은 통상적으로 버너로 가열되는 고온의 분해관에서 수증기 존재하에 진행된다. 탄화수소 열분해 반응에서는 올레핀의 수율을 높이기 위하여 반응온도는 높이고 반응물의 체류 시간은 짧게 조절한다. 탄화수소의 희석제로 사용되는 수증기는 코크를 제거하고, 탄화수소의 분압을 낮추어 올레핀 선택도를 향상시키는 역할을 한다.

통상적인 상업 공정에서의 반응 온도는 반응기 출구 온도를 기준으로 약 830 ℃이고 반응물의 체류시간은 0.1 내지 0.2 초이며, 수증기 유량은 무게비로 탄화수소 유량의 0.4 내지 0.7배이다. 이에 탄화수소의 열분해 공정에서는 코크가 심하게 발생하며, 이는 열분해관 벽면에 누적되어 열전달 저항을 증가시킨다.

반응 조업중에 올레핀 수율을 일정하게 유지하기 위해서는 반응기 출구 온도를 일정하게 유지해주어야 하는데, 코크 침적으로 인하여 열분해관의 열 전달 저항이 증가되면 이를 보상해주기 위하여 열분해관의 표면 온도를 점진적으로 상승시켜 주어야 한다.

통상적인 상업 열분해의 경우, 운전 초기의 열분해관 표면 온도는 약 1000 ℃이고, 코크가 열분해관 벽면에 누적됨에 따라 분해관의 표면 온도가 약 1100℃에 도달하면 조업을 중단하고 코크를 제거해준다. 탄화수소의 열분해 공정의 연속 조업 일수는 열분해 공정 및 조업 조건에 따라 달라지는데, 보통 30 내지 40일 동안 연속 조업을 실시한다.

상기한 탄화수소 열분해 공정에 있어서, 올레핀 생산성을 높이기 위해서는 올레핀의 수율을 높이거나 열분해 반응 공정의 연속 운전 시간을 연장해 주어야 하며, 이를 위한 다양한 방법들이 제안되어 왔다.

본 발명에 앞서 본 발명자들은 상술한 문제점을 해결하고자, 열분해 반응관 내부의 열전달 효율을 개선시키고 반응관 차압 증가를 최소화하며 올레핀 수율을 향상시킬 수 있는 올레핀 제조용 탄화수소의 열분해 방법 및 공정으로서 한국 특허출원 제2007-0067470호, 제2008-0123234호를 제안한 바 있으며, 또한, 탄화수소 수증기 열분해용 복합 촉매로서 한국 특허출원 제2006-0094620호, 제2006-0094621호, 2007-0050975호, 2009-0076145호 등을 개발한 바 있다.

그러나, 상기와 같은 라시히 링(Raschig ring) 형태의 복합 촉매를 반응관 내에 적층하더라도, 10 m 이상의 긴 반응관 내에 적층할 경우, 반응관 내에 반응물의 흐름을 방해함으로써 압력 강하가 발생할 수 있으며, 빠른 유속에 의해 복합 촉매가 반응관 내벽과 부딪혀 파쇄되는 문제점이 발생하는 것을 발견하였다.

상기와 같은 종래 문제점을 해결하고자, 본 발명자들은 연구를 계속한 결과, 열분해 반응관 내부의 열 전달 효율을 개선시키고 올레핀 수율을 향상시킬 수 있는 열교환 매체를 반응관 내부에 지지체를 도입하여 지지체에 일렬로 끼워 충진함으로써 열교환 매체 충진에 따른 압력 강하 발생 및 열교환 매체의 파손을 막음은 물론, 간단한 방법으로 열교환 매체의 충진 및 제거를 가능하게 함을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명은 탄화수소 수증기 열분해 반응시, 올레핀 수율을 향상시키고, 열전달 효과 증가에 따른 에너지 사용을 감소시키기 위하여 반응관 내에 열교환 매체를 충진시, 열교환 매체를 일렬로 충진하여 반응관 내의 압력 강하를 최소화하고 빠른 유속에 의해 열교환 매체가 반응관 내벽과 충돌하여 파쇄되는 문제를 해결하기 위해 반응관 내에 지지체를 적용하는데, 이때 지지체의 구조 및 지지체를 고정하는 방법과 열교환 매체를 이에 적용하는 방법, 그리고 열교환 매체가 충진된 반응관을 크래커 내에 도입하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 반응관 내부에 중공부를 갖는 열교환 매체를 삽입 또는 충진하고 탄화수소를 수증기 열분해시키는 방법에 있어서,

상기 반응관 내에는 중공부 내에 형성되는 열전달 내부 플로우와 열교환 매체의 외부에 형성되는 열전달 외부 플로우가 반응관 내벽과 일정 거리를 두고 각각 축방향으로 형성되되, 상기 열전달 내부 플로우와 열전달 외부 플로우는 반응 도중 막힘없이 유지되는 것을 특징으로 하는 탄화수소의 수증기 열분해 방법이 제공된다.

나아가, 본 발명에 따르면,

상기 방법에 사용되는 반응관으로서, 지지체, 고정 지지체, 보조 지지체 및 스토퍼를 용접에 의해 구비하여 열교환 매체가 반응도중 일렬로 충진된 형태를 유지하게 하는 열분해 반응관이 제공된다.

더 나아가, 본 발명에 따르면

상기 열분해 반응관을 단위 반응관으로 하여 용접에 의해 연결하되, 길이가 1 내지 5 m인 단위 반응관을 2 내지 10개 적층시켜 제조한 열분해 반응관이 제공된다.

이하, 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 열교환 촉매를 충진하여 반응관 출구 온도를 올리면서 올레핀 수율을 증가시키는 열교환 매체를 반응관 내에 안정하게 충진하는 방법을 제공하는 것을 일 기술적 특징으로 한다.

구체적으로는, 탄화수소 수증기 열분해시(NCC 공정), 탄화수소 기체가 수증기와 함께 긴 반응관을 통과하면서 반응관 외부로부터 전달된 고온의 열에 의해 열분해 반응이 진행되는데, 이 같은 탄화수소 열분해 시, 반응관 내에 열교환 매체를 반응관의 내벽과 붙지 않게 일렬로 세워 충진하여 담체 촉매가 지그재그 형태로 충진함에 따른 압력 강하를 최소로 하면서 빠른 유속에 의해 복합 촉매가 반응관 내벽과 충돌하여 파쇄되는 것을 막는 방법을 제공하는 것을 일 기술적 특징으로 하는 것이다.

도 1은 탄화수소 열분해 공정을 나타내는 개략도이다. 도 1에서 보듯이, 탄화수소 열분해 공정 장치는 탄화수소 원료가 수증기와 함께 투입되어 예열되는 영역인 대류부, 열분해 반응이 진행되는 영역인 복사부 및 복사부에 설치되어 가열시키는 버너로 구성된다. 그리고, 상기 복사부 내에 열분해 반응관이 배치되어 있으며, 이 열분해 반응관에서 열분해되어 열분해 가스를 형성하고 이것은 복사부로부터 배출되자마자 열교환기에서 급냉된다.

본 발명에 따른 열분해 반응은 상기와 같은 열분해 장치에서 수행됨으로써 열전달 효율이 향상되는데, 그 메커니즘은 a) 열분해 반응관으로부터 열교환 매체로의 복사 열전달 단계 및 b) 열교환 매체 표면에서 열분해 가스로의 대류 열전달 단계로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 탄화수소 열분해 반응은 800 ℃ 이상의 고온에서 이루어지며 상기 온도에서 복사 열전달은 주요한 열전달 메커니즘으로 작용한다. 그리고 본 발명에 따른 열교환 매체는 복사에너지를 효과적으로 이용하기 위해 열분해 반응관으로부터의 복사 열전달뿐 아니라 열분해 가스로의 대류 열전달을 증가시키기 위한 표면을 제공한다.

한편, 본 발명에 따른 열분해 반응관은 도 2의 (a)에 나타나 있다. 도 2의 (a)는 본 발명에 따른 단위 열분해 반응관(10)의 사시도를 나타낸 것으로, 상기 도 2의 (a)에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 단위 열분해 반응관(10)은 지지체(11)와 보조 지지체(12) 및 스토퍼(13)를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 열교환 매체는 알루미나, 타이타니아, 지르코니아, 실리카 등의 무기 산화물 및 이들의 혼합물, 또는 실리콘 카바이드로 구성되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 열전달 효율을 더욱 향상시키기 위해 실리콘 카바이드(silicon carbide)를 사용하는 것이 좋다.

상기 실리콘 카바이드는 1000 ℃ 이상의 고온에서 안정한 구조이며, 열충격, 침탄(carburization) 및 크리프(creep) 저항이 크고, 코크 침적이 적으며, 열전도도가 커서 열분해 반응에 적합한 열교환 매체이다. 실리콘 카바이드를 열교환 매체로 사용하면 충격에 의한 파쇄를 방지할 수 있고, 탄소 침적물의 양을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

실리콘 카바이드를 긴 튜브 형태로 제조하는데 한계가 있기 때문에 링(ring) 형태의 충진물을 일렬로, 즉 튜브형태로 충진하기 위해서는 작은 크기의 링을 제조하여 적층하여야 한다. 따라서, 링은 적층이 용이하고 적층했을 때 반응관 내부 유동에 의해 상하좌우 뒤틀림이 없도록 설계되어야 한다. 또한, 상기 열교환 매체에 크롬, 지르코늄, 인 및 티타늄의 산화물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 산화물을 코팅하거나 혼합 소결시킬 수도 있다.

본 발명에 따르면, 반응관 내부에 중공부를 갖는 열교환 매체를 삽입 또는 충진하고 탄화수소를 수증기 열분해시키는 방법에 있어서, 상기 반응관 내에는 중공부 내에 형성되는 열전달 내부 플로우와 열교환 매체의 외부에 형성되는 열전달 외부 플로우가 반응관 내벽과 일정 거리를 두고 각각 축방향으로 형성되되, 상기 열전달 내부 플로우와 열전달 외부 플로우는 반응 도중 막힘없이 유지되는 것을 특징으로 한다.

상기 열교환 매체(14)는 관형(tube type)의 열교환 매체 또는 라시히 링(Raschig ring)과 같은 링(Ring) 형태인 것이 중공부를 형성할 수 있으므로 본 발명에 적용하기에 보다 바람직하다.

또한, 본 발명에서 사용하는 원료로서 탄화수소는 이에 한정하는 것은 아니나, 나프타, 에탄, 천연가스 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이다.

이때 상기 열교환 매체는 반응 도중 일렬로 충진된 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열전달 내부 플로우와 열전달 외부 플로우는 반응관 내 지지체(11), 보조 지지체(12) 및 스토퍼(13)에 의해 형성되어 반응도중 유지되는 것을 일 특징으로 한다.

이에 한정하는 것은 아니나, 도 3에서 보듯이, 상기 지지체(11)는 최하단이 직각으로 구부러진 1개의 가로부(a)와 1개의 세로부(b)로 이루어진 L자 형상의 부분 3 내지 5개가 외부 직경이 열교환 매체(14)의 내경보다 작은 둥근 고리형 봉(11c)과 용접되어 고정된다. 여기에서 상기 L자 형상의 가로부(a)는 (W-r)/2를 만족하고, 상기 세로부(b)는 H를 만족하며, 상기 둥근 고리형 봉(11c)은 외부 직경이 r보다 작은 것을 만족하는 것으로, 여기서 W는 단위 반응관 내벽(10)의 폭 길이, r은 열교환 매체(14)의 내경, 그리고 H는 단위 반응관(10) 내벽의 총 길이인 것이 바람직하다.

상기 보조 지지체(12)는 도 4에서 보듯이, 링 타입 봉(12a) 및 상기 링 타입 봉(12a)의 4면에 일정 간격을 두고 구비된 가로봉(12b)으로 구성되는데, 이를 열교환 매체(14)의 중간중간에 위치시킴으로써 지지체(11)에 끼워진 열교환 매체(14)가 단위 반응관(10)의 내벽과 직접 접촉하는 것을 방지하게 된다. 상기 보조 지지체(12)의 링 타입 봉(12a)의 내경은 열교환 매체(14)의 내경과 같아야 하며, 외경은 열교환 매체(14)의 외경보다 크지 않아야 한다. 또한 길이가 최대 (W-r')/2인 가로봉(12b)이 상기 링 타입 봉(1a)의 외주면에 일정 간격을 두고 2-6개 구비될 수 있으며, 여기서 W는 반응관 내벽의 폭 길이이고, r'는 열교환 매체의 외경이다. 또한 보조지지체(12)의 가로봉(12b)의 일단으로부터 타단까지의 총 길이는 반응관 내벽의 폭 길이 W보다 약간 작게 하는 것이 바람직하다.

특히, 도 5에서 보듯이, 열교환 매체(14)를 상기 지지체(11)에 충진시키는 도중에 간헐적으로 상기 보조지지체(12)를 2-10개 정도 삽입하면 고온의 열로 지지체(11)가 휘는 현상도 방지할 수 있어 더욱 바람직한 것이다.

이 같은 지지체(11), 및 지지체를 고정하기 위한 고정 지지체(11d)에 의해 형성된 반응관의 하부도가 도 2b로서 도시되었다. 이때 고정 지지체(11d)는 이에 한정하는 것은 아니나, 지지체(11)를 고정하기 위한 것이므로, 지지체(11)의 개수만큼 동일한 위치마다 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 열팽창 등의 문제를 고려할 때 상기 지지체(11), 보조 지지체(12), 고정 지지체(11d) 및 스토퍼(13) 등의 재질은 반응관이 사용되는 반응환경에 따라 선택하여 사용할 수 있으며, 스테인레스스틸(SUS304, SUS316 등)에서부터 Inconel, Incoloy라 불리는 Ni-Cr-Fr 합금 등에 이르기까지 재질에 한정되지는 않는다. 한편, 도 1 내지 6에서 도시된 바와 같이, 상기 단위 반응관(10)은 하이브리드 타입, 또는 긴 튜브 타입일 수 있다.

나아가, 상기 스토퍼(13)는 도 2c에서 보듯이, 열교환 매체(14)를 충진한 후, 상기 단위 반응관(10)의 최상단 내부에 용접하여 고정되어 단위 반응관(10) 내에 충진되는 열교환 매체(14)가 빠른 유속에 의해 단위 반응관(10) 밖으로 빠져나가는 것을 방지한다. 상기 스토퍼의 직경은 (r'-r)/2이고 스토퍼(13)의 길이는 W를 만족하는 원형 또는 사각형 형상의 봉으로, 여기서 r'는 열교환 매체(14)의 외경, r은 열교환 매체(14)의 내경, W는 반응관 내벽의 폭 길이이다.

이 같은 지지체(11)와 보조 지지체(12), 스토퍼(13) 등을 사용하여 단위 반응관(10) 내에 각각 형성된 상기 열전달 내부 플로우와 열전달 외부 플로우는 하기 실시예에서 규명된 바와 같이, 반응관 내 압력 강하를 최소화하는 것을 특징으로 한다.

앞서 살펴본 바와 같이, 제1항의 방법에 사용되는 단위 반응관(10)에 있어, 지지체(11), 고정 지지체(11d), 보조 지지체(12) 및 스토퍼(13)를 용접에 의해 구비하여 열교환 매체(14)가 반응도중 일렬로 충진된 형태를 유지하는 열분해 반응관을 제공하게 된다(도 2a 내지 2c 참조).

이같이 형성된 도 1 내지 도 5의 단위 열분해 반응관(10)은 도 6에 도시한 바와 같이, 단위 반응관으로서 용접에 의해 연결하는 방식으로 열분해 반응관(15)을 형성할 수 있으며, 예를 들어 10m 높이의 열분해 반응관의 경우 길이가 1 내지 5 m인 단위 반응관을 2-10개 적층시킬 수 있다. 특히 열분해 반응관(15)은 열교환 매체가 충진된 형태 그대로 현장까지 운반이 가능하므로 손쉽게 현장에 적용가능한 잇점을 갖는다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 종래 반응에서는 반응관 내에 충진물을 도입하면서 지그재그로 충진되어 반응물의 흐름을 막음으로써 압력강하가 크게 발생하는데, 본 발명에 따르면 지지체를 이용하여 일렬로 충진함으로써 반응물의 흐름에 의한 압력 강하를 최소로 할 수 있으며 지지체에 의해 열교환 매체가 고정되므로 반응관과 열교환 매체와의 충돌을 방지할 수 있고, 단위반응관 형태로 제작되어 여러 개의 반응관을 용접에 의해 이어 붙여 사용할 수 있으므로 크래커 내에 효과적으로 도입이 가능한 잇점이 있다.

도 1은 탄화수소 열분해 공정을 나타내는 개략도이다.
도 2의 (a)는 본 발명에 의한 단위 열분해 반응관(10)에 지지체(11), 스토퍼(13)를 용접하고 보조 지지체(12)를 간헐적으로 도입한 형태를 도시한 사시도이고, (b)는 지지체(11)와 고정지지체(11d)로 이루어진 하부도이고, (c)는 스토퍼(13)가 형성된 상부도이다.
도 3은 도 2(a)에 있어 각각 지지체(11)의 세로부(11b)가 4개, 3개, 5개씩 형성된 변형예를 도시한 사시도이다.
도 4는 보조지지체(12)의 링 타입 봉(12a)와 가로봉(12a)를 도시한 도면이다.
도 5는 단위 반응관(10)내 하단에 고정지지체(11d)를 용접하고 지지체(11)를 고정지지체(11d)에 용접한 뒤, 라시히 링(Raschig ring) 형태의 열교환 매체(14)를 충진하면서 중간중간에 보조지지체(12)를 함께 충진한 뒤, 단위 반응관(10)내 상단에 스토퍼(13)를 용접하여 고정한 단위반응관의 사시도이다.
도 6은 기존 반응관을 대체하기 위하여 도 5의 단위 반응관(10)을 적층하여 용접하여 제작된 열분해 반응관(15)의 개략도이다.

본 발명은 하기의 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 단지 예시적인 것일 뿐, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.

[실시예]

제조예 1: 일렬 충진을 위한 지지체 제작 및 반응관에 고정시

열 교환매체의 일렬 충진을 위하여 도 2a와 같은 단위 반응관을 제작하였다. 반응관(10)은 Incoloy 800으로 내부 직경이 133.3 mm, 길이가 3 m인 튜브 형태의 관을 사용하였다.

지지체(11), 보조지지체(12), 스토퍼(13)는 반응관(10)과 동일한 재질의 봉을 용접하여 제작하였다. 구체적으로 지지체(11)는 직경 4 mm인 봉을 이용하여 도 3a)와 같은 형태로 제작하였으며, 이때 지지체(11)의 일단에서 타단까지의 길이는 50 mm, 세로부의 길이는 2,960 mm였다. 제제된 지지체(11)는 반응관(10) 하단의 내벽에 용접하여 고정된 도2b)의 고정 지지체(11d)와 다시 용접에 의해 고정되었다.

또한, 상기 보조지지체(12)는 직경이 4 mm인 봉을 이용하여 링 타입 봉의 내경이 54 mm, 가로봉의 일단으로부터 타단까지의 길이가 123 mm가 되도록 각각 9개를 제작하였다. 스토퍼(13)는 직경이 4 mm인 봉을 이용하여 반응관(10) 상단 내부에 십자 모양으로 고정할 수 있도록 준비되었다.

비교제조예 1: 지지체 미적용 반응관

반응관 내부의 상,하단에 스토퍼는 적용하되, 지지체, 고정지지체 및 보조 지지체 등 지지체는 일절 적용하지 않는 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일하게 반응관을 제작하였다.

제조예 2: 지지체가 고정된 반응관에 열교환 매체 충진 및 단위 반응관 제작

제조예 1에서 반응관(10) 내부 하단에 고정 지지체(11d)를 고정하고, 지지체(11)를 고정 지지체(11d)와 용접하여 고정하였다. 여기에 외부 직경이 68 mm, 내부 직경이 53 mm이며, 높이가 100 mm인 촉매 성분과 열교환 매체(14)로 이루어진 복합 촉매를 반응관(10)과 지지체(11) 사이에 끼워서 충진하였다. 이때 복합 촉매 각 3개마다 보조지지체(12)를 1개씩 끼워 충진하였다. 최종적으로 반응관(10) 내부 상단에 스토퍼(13)를 십자 모양으로 용접하여 고정하였다.

비교제조예 2: 지지체 미적용 반응관에 열교환 매체 충진

상기 비교제조예 1에서 제작한 반응관 내부의 하단에 스토퍼를 십자 모양으로 용접하여 고정하고, 제조예 2에서 사용한 것과 같은 복합 촉매를 반응관 내에 충진하였다. 최종적으로 반응관의 내부 상단에 스토퍼를 십자 모양으로 용접하여 고정하였다.

제조예 3: 단위 반응관의 연결

상기 제조예 2에서 제작된 단위반응관 3개를 용접에 의해 이어붙여 도 6과 같이 기존 반응관을 대체하여 고정하였다.

실시예 [시뮬레이션 공정]

일렬 충진 및 지그재그 충진시, 반응관 내에서 발생하는 압력강하의 차이를 비교하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 상기 시뮬레이션에 사용된 반응관의 길이는 3 m, 내경은 44 mm이었다. 또한, 여기에 충진되는 열교환 매체는 외경이 32 mm, 내경이 20 mm, 높이가 30 mm인 라시히 링(Raschig ring) 형태이었다.

한편, 지그재그 충진모형은 복합 촉매를 중앙에서 좌우로 4mm씩 번갈아 치우치도록 설계하였으며, 각 30개의 복합 촉매가 충진되는 반응관의 3/10 사이즈의 모형을 생성하였으며, 이를 이용하여 일렬 충진과 지그재그 충진에 대한 시뮬레이션을 수행하여 각 조건에서의 반응관의 3/10 위치의 출구의 압력강하 값을 대비하였다.

구분	열교환 매체 충진 방식	압력강하(pascal)
본 발명에 따른 실험예	일렬 충진	705.78
종래 방법에 따른 비교예	지그재그 충진	3072.01

상기 표에서 보듯이, 종래 반응에서는 반응관 내에 충진물을 도입하면서 지그재그로 충진되어 반응물의 흐름을 막음으로써 압력강하가 크게 발생하는데, 본 발명에서 제작된 열분해 반응관으로 시뮬레이션 결과, 지지체를 이용하여 일렬로 충진함으로써 반응물의 흐름에 의한 압력 강하를 최소로 할 수 있으며 지지체에 의해 열교환 매체가 고정되므로 반응관과 열교환 매체와의 충돌을 방지할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

10: 단위 열분해 반응관
11: 지지체
11a: 지지체의 가로부
11b: 지지체의 세로
11c: 지지체의 둥근 고리형 봉
11d: 고정 지지체
12: 보조 지지체
12a: 보조 지지체의 링 타입 봉
12b: 보조 지지체의 가로봉
13: 스토퍼
14: 열교환 매체
15: 열분해 반응관

Claims

반응관 내부에 중공부를 갖는 열교환 매체를 삽입 또는 충진하고 탄화수소를 수증기 열분해시키는 방법에 있어서,
상기 반응관 내에는 중공부 내에 형성되는 열전달 내부 플로우와 열교환 매체의 외부에 형성되는 열전달 외부 플로우가 반응관 내벽과 일정 거리를 두고 각각 축방향으로 형성되되, 상기 열전달 내부 플로우와 열전달 외부 플로우는 반응 도중 막힘없이 유지되는 것을 특징으로 하는
탄화수소의 수증기 열분해 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 열교환 매체는 반응 도중 일렬로 충진된 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는
탄화수소의 수증기 열분해 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 열전달 내부 플로우와 열전달 외부 플로우는 반응관 내 지지체, 고정 지지체, 보조 지지체 및 스토퍼에 의해 형성되어 반응도중 유지되는 것을 특징으로 하는
탄화수소의 수증기 열분해 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 지지체는 최하단이 직각으로 구부러진 1개의 가로부와 1개의 세로부로 이루어진 L자 형상의 부분 3 내지 5개가 외부직경이 열교환 매체의 내경보다 작은 둥근고리형 봉과 용접되어 고정되며, 상기 L자 형상의 가로부는 (W-r)/2를 만족하고, 상기 세로부는 H를 만족하며, 둥근고리형 봉은 외부 직경이 r보다 작은 것으로, 여기서 W는 반응관 내벽의 폭 길이이고, r은 열교환 매체의 내경이고, H는 반응관 내벽 총 길이인 것을 특징으로 하는
탄화수소의 수증기 열분해 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 보조 지지체는 링 타입 봉에 2 내지 6개의 가로봉이 용접되어 있는 형태로서, 여기서 상기 보조 지지체 내 링 타입 봉의 내경이 열교환 매체의 내경과 같고, 링 타입 봉의 외경이 열 교환 매체의 외경보다 크지 않으며, 상기 링 타입 봉의 외주면에는 길이가 최대 (W-r')/2인 가로봉이 2 내지 6개 일정 간격을 두고 구비되며, 여기서 W는 반응관 내벽의 폭 길이이고, r'는 열교환 매체의 외경인 것으로, 상기 보조지지체의 가로봉의 일단으로부터 타단까지의 길이는 W보다 약간 작은 것을 특징으로 하는
탄화수소의 수증기 열분해 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 스토퍼는 열교환 매체를 충진한 후, 상기 반응관의 최상단 내부에 용접하여 고정되며, 스토퍼의 직경은 (r'-r)/2이며, 길이가 W를 만족하는 원형 또는 사각형 형상의 봉으로, 여기서 상기 r은 열교환 매체(14)의 내경, r'는 열교환 매체(14)의 외경을 나타내며, W는 반응관 내벽의 폭 길이인 것을 특징으로 하는
탄화수소의 수증기 열분해 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 열전달 내부 플로우와 열전달 외부 플로우는 각각 반응관 내 압력 강하를 최소화하는 것을 특징으로 하는
탄화수소의 수증기 열분해 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 열교환 매체는 알루미나, 타이타니아, 지르코니아, 실리카, 및 이들의 혼합물, 및 실리콘 카바이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는
탄화수소의 수증기 열분해 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 열교환 매체에 크롬, 지르코늄, 인 및 티타늄의 산화물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 산화물을 코팅하거나 혼합 소결시킨 것을 특징으로 하는 탄화수소의 수증기 열분해 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 열교환 매체는 관(tube) 형태의 열교환 매체 또는 링(Ring) 형태의 열교환 매체인 것을 특징으로 하는
탄화수소의 수증기 열분해 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 탄화수소는 나프타, 에탄, 천연가스로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는
탄화수소의 수증기 열분해 방법.
제 1 항의 방법에 사용되는 반응관으로서, 지지체(11), 고정 지지체(11d), 보조 지지체(12) 및 스토퍼(13)를 용접에 의해 구비하여 열교환 매체가 반응도중 일렬로 충진된 형태를 유지하게 하는 것을 특징으로 하는
열분해 반응관.
제 12 항에 있어서,
상기 지지체(11)는 최하단이 직각으로 구부러져 1개의 가로부(11a)와 1개의 세로부(11b)로 이루어진 L자 형상을 갖되, 상기 가로부(11a)는 (W-r)/2를 만족하고, 상기 세로부(11b)는 H를 만족하며, 둥근 고리형 봉(11c)은 외부 직경이 r보다 작은 것을 만족하며, 여기서 W는 단위 반응관(10) 내벽의 폭 길이이고, r은 열교환 매체(14)의 내경이고, H는 단위 반응관(10) 내벽 총 길이를 만족하고,
상기 고정 지지체(11d)는 상기 지지체(11)의 위치마다 구비되어 지지체(11)를 지지하는 것을 특징으로 하는
열분해 반응관.
제 12 항에 있어서,
상기 보조지지체(12)는 링 타입 봉에 2 내지 6개의 가로봉이 용접되어 있는 형태로서, 열교환 매체(14)를 지지체(11) 내에 충진시키는 도중에 2 내지 10 개를 삽입하는 것을 특징으로 하는
열분해 반응관.
제 14 항에 있어서,
상기 보조 지지체(12)에서 링 타입 봉(12a)의 내경은 열교환 매체(14)의 내경(r)과 같고, 외경은 열교환 매체(14)의 외경(r')보다 크지 않고, 외주면에 길이가 최대 (W-r')/2인 가로봉(12b)를 일정한 간격으로 2 내지 6개 구비하며, 보조지지체(12)의 가로봉의 일단으로부터 타단까지의 길이는 단위 반응관(10) 내벽의 폭 길이보다 약간 작으며, 여기서 W는 단위 반응관(10) 내벽의 폭 길이이고, r'는 열교환 매체(14)의 외경이고 r은 열교환 매체(14)의 내경인 것을 특징으로 하는
열분해 반응관.
제 12 항에 있어서,
상기 스토퍼(13)는 열교환 매체(14)를 충진한 후, 상기 단위 반응관(10)의 최상단의 내부에 용접하여 고정되며, 스토퍼의 직경은 (r'-r)/2이며, 길이가 W를 만족하는 원형 또는 사각형 형상의 봉으로, 여기서 상기 r은 열교환 매체(14)의 내경, r'는 열교환 매체(14)의 외경을 나타내며, W는 반응관 내벽의 폭 길이인 것을 특징으로 하는
열분해 반응관.
제 12 항에 있어서,
상기 단위 반응관(10)은 하이브리드 타입, 또는 긴 튜브 타입인 것을 특징으로 하는
열분해 반응관.
제 12 항의 열분해 반응관을 단위 반응관으로 하여 용접에 의해 연결하되, 길이가 1 내지 5 m인 단위 반응관을 2 내지 10개 적층시켜 제조한 것을 특징으로 하는
열분해 반응관.