KR20140132014A - 열 교환 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

열 교환 장치 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20140132014A
KR20140132014A KR1020147030204A KR20147030204A KR20140132014A KR 20140132014 A KR20140132014 A KR 20140132014A KR 1020147030204 A KR1020147030204 A KR 1020147030204A KR 20147030204 A KR20147030204 A KR 20147030204A KR 20140132014 A KR20140132014 A KR 20140132014A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
heat exchange
exchange tube
flow
heat
enhancing device
Prior art date
Application number
KR1020147030204A
Other languages
English (en)
Inventor
프랭크 디. 매카시
스티븐 데 한
Original Assignee
루머스 테크놀로지 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 루머스 테크놀로지 인코포레이티드 filed Critical 루머스 테크놀로지 인코포레이티드
Publication of KR20140132014A publication Critical patent/KR20140132014A/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/02—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by influencing fluid boundary
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/12—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by creating turbulence, e.g. by stirring, by increasing the force of circulation
    • 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
    • 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
    • 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
    • C10G9/206—Tube furnaces controlling or regulating the tube furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • 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
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • 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
    • 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
    • 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
    • C10G2300/00—Aspects relating to hydrocarbon processing covered by groups C10G1/00 - C10G99/00
    • C10G2300/40—Characteristics of the process deviating from typical ways of processing
    • C10G2300/4056—Retrofitting operations
    • 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
    • C10G2400/00—Products obtained by processes covered by groups C10G9/00 - C10G69/14
    • C10G2400/20—C2-C4 olefins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0022—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for chemical reactors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2210/00—Heat exchange conduits
    • F28F2210/02—Heat exchange conduits with particular branching, e.g. fractal conduit arrangements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making

Abstract

적어도 하나의 열 교환 튜브를 갖는 열 교환 장치 제조 방법이 개시되었다. 상기 방법은, 적어도 하나의 열 교환 튜브의 최대 열유속(heat flux) 영역을 결정하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브를 통하여 흐르는 프로세스 유체(process fluid) 내에서 향상된 흐름 패턴을 형성하기 위한 흐름 향상 장치를 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브 내에 배치하는 단계를 포함하되, 상기 흐름 향상 장치는 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브의 상기 결정된 최대 열유속 영역에서 또는 상기 결정된 최대 열유속 영역 상류의 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브 내에서 배된다.

Description

열 교환 장치 및 그 제조방법{A HEAT EXCHANGE DEVICE AND A METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
여기에 개시된 실시예들은 탄화수소들의 일반적인 (열분해) 분해와 관련 있고, 높은 선택성(higher selectivity)과 긴 실행 시간들에서 탄화수소들의 분해를 초래하는 것에 대한 공정들 및 열 교환기에 관련 있다.
열 교환기들은 일반적으로 열 교환 튜브들의 다른 개입한 층들을 사이로 간접적인 열 전달에 의하여, 유체들 및/또는 가스들을 냉각하거나 가열하는 다양한 어플리케이션들에 사용된다. 예를 들어, 열 교환기들은 지열 에너지 생산과 같은 공정 시스템들에서뿐만 아니라, 가열 또는 냉각을 위하여 사용되는 다른 비슷한 시스템들, 라디에이터들, 냉각 시스템들 또는 에어컨 시스템들(air conditioning systems)에서 사용된다. 열 교환기들은 적은 에너지를 사용하는 공정 반응들을 용이하게 하는 수단으로써 석유 탄화수소 공정에 특히 유용하다. 지연된 코크스들(Delayed cokers), 진공 히터들(vacuum heaters) 그리고 분해 히터들(cracking heaters)은 석유 탄화수소 공정에 흔히 사용되는 열 교환 장치들이다.
열 교환기들에 대한 수많은 구성들은 이 분야에서 알려져있고 사용되었다. 예를 들어, 열 교환기들에 대한 보통의 구성은 원통다관식(shell and tube) 열 교환기이고, 이것은 한 묶음의 평행한 파이프들을 수용하는 원통형 쉘(shell)을 포함한다. 제2유체가 제2유체들 사이에서 열을 교환하는, 파이프들 주변의 쉘을 통해 지나가는 동안, 제1유체는 파이프들을 통해 지나간다. 어떤 원통다관식 구성들에서는, 제2유체가 열 전달을 최적화하기 위하여 특정 방향으로 흐르고 있으므로 배플들(baffles)은 쉘과 튜브들 주변 도처에 배치되어 있다. 열 교환기들에 대한 다른 구성들은, 예를 들어, 가열로들(fired heaters), 이중관(double-pipe), 플레이트, 플레이트 핀(plate-fin), 플레이트-및-프레임, 나선형, 공기-냉각(air-cooled) 및 코일 열 교환기들을 포함한다. 여기에 개시된 실시예들은 일반적으로 열 교환 장치 내부에서 사용되는 열 교환 튜브들과 관련 있다.
일반적으로, 열 교환 튜브의 열 전달률은 대류 방정식에 의해 표현된다: Q = UAΔT, 여기서, Q는 단위 시간 당 전달된 열이고, A는 열 흐름을 위하여 사용 가능한 영역이고, ΔT는 전체 열 전달에 대한 온도 차이이고, U는 열 흐름을 위해 사용 가능한 영역, 즉 A를 기반으로 한 전체적인 열 전달 계수이다.
열 전달률, Q는 열 흐름을 위해 사용 가능한 영역, A를 증가시킴으로써 증가된다는 것은 이 분야에서 잘 알려져 있다. 그러므로, 열 전달 총량을 증가시키기 위하여 흔히 사용되는 방법은 열 전달 튜브 내에서 표면적의 총량을 증가시키는 것이다. 이러한 방법의 하나는 하나의 큰 직경의 열 교환 튜브 대신에 여러 개의 작은 직경의 열 교환 튜브들을 사용하는 것을 포함한다. 튜브 벽(tube wall)의 열 전달 면적을 증가시키는 다른 방법들은 튜브 벽(tube wall)을 따라 다양한 패턴들, 핀들(fins), 채널들(channels), 마루들(ridges), 홈들, 흐름 향상 장치들(flow enhancement devices), 기타 등을 추가하는 것을 포함한다. 이러한 표면 변화들은 또한 유체 흐름 내에서 난류를 형성함으로써 열 전달 면적을 간접적으로 증가시킬 수 있다. 특히, 난류 유체 흐름은 높은 비율의 유체(higher percentage of fluid)가 튜브 벽(tube wall)과 접촉하도록 하여 열 전달률을 증가시킨다.
*예컨대, U.S. 3,071,159 열 교환 튜브 내에 삽입되고, 그로부터 연장된 여러 개의 멤버를 갖는 길이 방향의 몸체를 갖음으로 인해, 유체는 열 교환 튜브의 벽에 가깝게 보내지고, 상기 유체는 난류 흐름을 갖는 열 교환 튜브를 개시하고 있다. 튜브 벽을 따라 핀들, 골들(ribs), 채널들(channels), 홈들, 벌쥐들(bulges) 및/또는 삽입물들(inserts)을 포함하는 패턴들을 지닌 다른 열 교환 튜브들은 예를 들면, 미국 3,885,622, 미국 4,438,808, 미국 5,203,404, 미국 5,236,045, 미국 5,332,034, 미국 5,333,682, 미국 5,950,718, 미국 6,250,340, 미국 6,308,775, 미국 6,470,964, 미국 6,644,358, 및 미국 6,719,953에서 설명되었다.
열 전달 계수, U는 열 교환 튜브 주위 및 내부 유체의 흐름 조건들, 열 교환 튜브의 기하학적 구성, 열 교환 튜브 물질의 열 전도율의 함수로 주로 이 분야에서 또한 알려졌다. 이 변수들은 보통 서로 관계가 있으므로 이들은 서로 같이 고려된다. 특히, 열 교환 튜브의 기하학적 구성은 흐름 조건들에 영향을 미친다. 나쁜(poor) 흐름 조건들은 오염을 일으킬 수 있고, 열 교환 튜브 벽에 바람직하지 않은 침전물들을 생성한다. 오염의 증가된 양들은 열 교환 튜브의 열 전도율을 지연시킨다. 그러므로, 열 교환 튜브들은 종종 기하학적으로 오염을 예방하고 끝내는 방식으로 유체 흐름 내에 난류를 조장하고, 유체 흐름 속도를 증가시키도록 구성된다.
열 교환 튜브의 열 전도율을 방해하는 것 외에, 오염의 증가된 양은 또한 튜브 전체를 통해서 압력 강하를 형성한다. 열 교환 튜브들 내의 압력 강하들은 튜브 내부 압력을 복구하기 위하여 요구되는 증가된 공정 비용을 야기한다. 더욱이, 압력 강하들은 유체 흐름 속도를 제한하여 열 전도율을 감소시킨다.
전술한 바와 같이, 열 교환 튜브 벽에 다양한 삽입물들과 패턴들을 덧붙이는 것은 많은 난류 유체 흐름을 제공하고 열 전달 면적을 증가하는 방법들로 흔히 구현되고, 이로써 열 교환 튜브의 열 전달률이 증가한다. 그러나, 이러한 방법적 변경들의 추가는 종종 높은 물질 비용, 비싼 제조 공정들 및 증가된 에너지 비용들(많은 튜브 물질의 가열을 포함)을 요구한다. 게다가, 삽입물, 핀들 및 이와 유사한 것들은 지연된 코크스들(delayed cokers) 또는 분해 히터들 내에서와 같이, 어떤 어플리케이션 내에서 쪼개짐(spalling)을 야기한다.
에틸렌은 특히 다른 물질들에 대하여 화학적 생성 블록(block)으로 사용하기 위하여, 전세계적으로 많은 양이 생성된다. 오일과 화학 생산 회사들이 정제 배출 가스에서 에틸렌을 추출하고 또는 정제 부산물 스트림들 및 천연가스로부터 얻은 에탄으로부터 에틸렌을 생성하기 시작한 1940년대에 에틸렌은 중간 생성물로써 많은 양이 생성되었다.
대부분의 에틸렌은 스팀과 함께 에틸렌의 열분해에 의해 생성된다. 탄화수소 분해는 일반적으로 용광로의 복사 섹션에서 가열된 튜브형 반응기들(fired tubular reactors) 내에서 일어난다. 대류 섹션에서는 탄화수소 스트림은 용광로 버너들로부터 연도 가스(flue gas)와 함께 열 교환에 의해 예열되고 더욱이 일반적으로 공급 원료에 따라 500-680℃로, 막 시작된 분해 온도들로 온도를 올리기 위한 스팀을 사용하여 가열된다.
예열 이후, 공급 스트림은 복사 코일들로써 여기에 언급된 튜브들 내의 용광로의 복사 섹션으로 진입한다. 개시되고 청구된 방법은 복사 코일들의 모든 타입을 갖는 에틸렌 분해 용광로 내에서 수행될 수 있다고 이해되어야 한다. 복사 코일들 내에서는, 탄화수소 스트림이 제어된 체류 시간, 온도 및 압력 하에서 일반적으로 짧은 시간 동안 약 780-895℃의 범위 내의 온도로 가열된다. 공급 스트림 내의 탄화수소들은 에틸렌과 다른 올레핀들을 포함하는 더 작은 분자들로 분해된다. 분해된 생성물들은 화학적-처리 단계들 또는 다양한 분리를 사용하는 바람직한 생성물들로 분리된다.
다양한 부산물들은 분해 공정동안 형성된다. 형성된 부산물들 중에 코크(coke)가 있는데, 코크(coke)는 용광로 내의 튜브들의 표면들에 침전될 수 있다. 복사 코일들의 코킹(coking)은 코일 압력 강하를 증가할 뿐 아니라 분해 공정의 효율성과 열 전달을 감소시킨다. 그러므로, 주기적으로, 한계에 도달하여 용광로 코일들의 디코킹(decoking)이 요구된다.
디코킹(decoking)이 장비의 생산 및 열적 주기에 방해를 야기했기 때문에 매우 긴 운영 시간들(run lengths)이 바람직하다. 다양한 방법들이 복사 코일 운영 시간들을 연장하기 위하여 고안되었다. 이들은 다른 방법들뿐만 아니라 흐름 패턴들을 변화하는 기계 장치들, 코팅된(coated) 복사 튜브들, 화학적 첨가물들을 포함한다.
기계 장치들 또는 많은 일반적인 복사 코일 흐름 향상 장치들은 운영 시간들을 연장하는데 매우 성공적이다. 이 장치들은 복사 튜브 내의 복사 온도 프로파일을 개선하고, 튜브 벽(tube wall)을 따라 고여 있는 막(film)의 두께를 감소하여 튜브의 코킹(coking)을 야기하는 반응들을 제한하고, 열 전달률을 증가하기 위하여, 복사 튜브 내의 "바람직한 흐름 패턴"으로 흐름 패턴들을 변화함으로써 운영 시간을 증가한다.
그러나 이 장치들은 중요한 문제점이 있다. 이 장치들의 사용은 복사 코일 압력 강하의 증가를 야기하여, 중요한 분해 생산물들의 수득률에 부정적으로 영향을 미친다. 수득률의 이 손실은 작동 경제학에 중요한 영향을 미치고 따라서 상당한 한계가 있다.
본 발명의 목적은 복사 코일 내의 전략적인 위치(들) 내에 선택된 복사 코일 흐름 향상 장치(들)을 설치함으로써 수율 손실로 인한 한계를 극복하는 것이다. 지금까지 많은 복사 코일 흐름 향상 장치들이 코일들을 관통하여 사용되거나 또는 상기 코일의 한 경로의 전체 길이에서 사용되어 왔다. 다른 것들이 특별히 설치되었으나, 그 위치는 임의적이거나 표준화되었다. 이 발명은 생성된 부가적인 압력 강하를 최소화하고 그들의 충격을 최대화 하도록 전략적으로 이러한 장치들을 설치하는 것을 추구한다.
일 측면에서는, 여기에 개시된 실시예들은 적어도 하나의 열 교환 튜브를 갖는 열 교환 장치 제조 방법과 관련 있다. 적어도 하나의 열 교환 튜브의 최대 열유속(heat flux) 영역을 결정하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브를 통하여 흐르는 프로세스 유체(process fluid) 내에서 바람직한 흐름 패턴을 형성하기 위하여 흐름 향상 장치를 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브 내에 배치하는 단계를 포함하되, 상기 흐름 향상 장치는 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브의 상기 결정된 최대 열유속 영역에서 또는 상기 결정된 최대 열유속 영역의 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브의 상류 내에서 배치된다.
다른 측면에서는, 여기에 개시된 실시예들은 적어도 하나의 열 교환 튜브를 갖는 열 교환 장치를 새로 장착하는 방법과 관련 있다. 적어도 하나의 열 교환 튜브의 최대 열유속 영역을 결정하는 단계; 및 상기 결정된 최대 열유속 영역의 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브의 상류의 적어도 일부분을 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브를 통해 흐르는 프로세스 유체(process fluid) 내에서 바람직한 흐름 패턴을 형성하기 위한 흐름 향상 장치로 교체하는 단계를 포함한다.
다른 측면에서는, 여기에 개시된 실시예들은 열 교환 장치와 관련 있다. 적어도 하나의 열 교환 튜브; 및 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브를 관통하여 흐르는 프로세스 유체(process fluid) 내에서 바람직한 흐름 패턴을 형성하기 위한 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브 내 배치된 흐름 향상 장치를 포함하되, 상기 흐름 향상 장치는 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브의 결정된 최대 열유속 영역에서 또는 결정된 최대 열유속 영역 상류의 상기 적어도 하나의 열 교환 상류 내에 배치된다.
다른 측면에서는, 여기에 개시된 실시예들은 올레핀들을 생성하기 위한 공정과 관련 있다. 탄화수소의 열분해에 영향을 미치는 조건들에서 복사 가열 챔버 내의 열 교환 튜브를 통해 탄화수소를 통과시키는 단계를 포함하는-상기 열 교환 튜브는 상기 열 교환 튜브를 관통해 흐르는 탄화수소의 바람직한 흐름 패턴을 형성하기 위하여 그 안에 배치된 흐름 향상 장치를 가지고, 상기 흐름 향상 장치는 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브의 결정된 최대 열유속 영역에서 또는 결정된 최대 열유속 영역 상류의 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브 내에 선택적으로 배치된다.
다른 관점들과 유리한 점은 후술하는 설명과 청구범위에 의해 명확해질 것이다.
최대 열유속 영역을 통과하는 흐름 향상 장치들에 의해서 유도된 흐름 패턴들은 최고의 금속 온도를 가진 코일의 일부분을 통하여 오염을 최소화하거나 감소한다. 흐름 향상 장치들의 전략적인 배치의 결과로서, 감소된 오염율은 연장된 운영 시간들을 허용한다. 또한, 전체 코일에 걸치지 않고 최대 열유속 영역(들) 또는 상류에서와 같이 제한된 위치들의 코일 내의 흐름 향상 장치들을 배치할 때 코일을 통한 압력 강하가 감소되거나 최소화되므로 선택성, 수득률 및 능력 중 적어도 하나를 개선한다. 그러므로 여기에 개시된 실시예들에 따라서 달성 가능한 개선된 능력, 개선된 수득률, 개선된 선택성 및/또는 더 길어진 운영 시간들은 열분해 공정의 경제적 성능을 상당히 개선한다.
도 1은 여기에 개시된 실시예들에 따른 열 교환 장치 제조 방법을 나타낸다.
도 2는 전형적인 종래 기술 열분해 히터의 단순화된 단면도를 나타낸다.
도 3은 열분해 히터의 높이 전체에 걸친 표면 열유속 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 4는 열 분해 히터의 높이 전체에 걸친 표면 금속 온도를 도시한 그래프이다.
도 5는 여기에 개시된 실시예들에 따른 열 교환 장치를 새로 장착하는 방법을 나타낸다.
도 6은 여기에 개시된 실시예들에 따른 열 교환 장치의 복사 코일을 나타낸다.
도 7은 여기에 개시된 실시예들에 따른 열 교환 장치 제조 방법을 나타낸다.
도 8은 여기에 개시된 실시예들에 따른 열 교환 장치 제조 방법을 나타낸다.
도 9a 및 9b는 여기에 개시된 실시예들의 유용한 복사 코일 삽입물을 나타낸다.
일 측면에서는 여기의 실시예들은 탄화수소들의 분해(열분해)와 관련 있다. 다른 측면들에서는 여기에 개시된 실시예들은 높은 선택성과 긴 실행 시간들에서 탄화수소들의 분해를 초래하는 것에 대한 공정들 및 열 교환기와 관련 있다.
전술한 바와 같이, 복사 코일 흐름 향상 장치들(radiant coil flow enhancement devices)은 열 전달을 향상시키고, 코킹(coking)을 감소시키고 복사 온도 프로파일들을 향상하기 위하여 복사 코일 내의 바람직한 흐름 프로파일들을 촉진하는데 사용된다. 이러한 장치들은 주어진 길이 간격에서와 같이, 코일 길이의 전체에 걸쳐 분포되거나 복사 코일 전체 길이에 걸쳐 배치되었다.
복사 코일 또는 복사 코일 패스의 최대 열유속(heat flux) 영역에서 또는 최대 열유속 영역의 상류 위치에서 복사 코일 흐름 향상 장치들의 선택적인 배치는 기존의 복사 코일 흐름 향상 장치 배치 방법들과 비교할 때 다음 중 적어도 하나를 제공한다: i) 유용한 올레핀들에 대하여 증가되거나 최대화된 선택성 및 수율; ii) 연장된 히터 실행 시간 및 용량; iii) 복사 코일에 사용되는 흐름 향상 장치들의 최소화되거나 감소된 양; 그리고 iv) 복사 코일을 관통하여 최소화되거나 감소된 압력 강하.
여기에 사용된 것과 같이, 최대 열유속 영역에서 또는 최대 열유속 영역의 "상류(upstream)" 배치(placement)는 복사 코일 튜브 내의 흐름 향상 장치를 설치(locating)하는 것을 가리키고 상기 장치로부터 기인한 흐름 프로파일은 복사 코일의 최대 열유속 영역을 통해 확대된다. 이 분야의 당업자는 복사 코일 흐름 향상 장치들에 의해 유도된 흐름 패턴이 상기 장치 내에 존재하고, 상기 장치의 일단 뒤에 제한된 거리에 대해서만 확장하고, 단순히 코일 내에 흐름 향상 장치를 배치하는 것은 최대 열유속 영역을 통해 확장한 바람직한 흐름 패턴을 야기하지 않는다는 것을 알 수 있다. 최대 열유속 영역과 관계 있는 장치의 배치는 여기에 개시된 실시예들을 따라 선택되어, 바람직한 흐름 구역은 최대 열유속 영역을 통해 확대하고, 이러한 배치는 코일 직경, 코일을 통한 증기 및/또는 탄화수소들의 흐름 속도 그리고 복사 코일 흐름 향상 장치(흐름 향상 장치의 축 길이, 흐름 향상 장치를 통하는 흐름 통로들의 수, 비틀림각(들) 등)의 크기와 종류 등을 포함하는 많은 요인들에 의존한다.
도 1을 참조하면, 적어도 하나의 열 교환 튜브를 갖는 열 교환 장치를 제조하는 방법이 도시되었다. 10 단계에서는, 주어진 열 교환 장치 또는 열 교환기 디자인을 위하여, 열 교환 장치에 대한 열유속 프로파일이 결정된다. 예를 들어, 용광로(furnace)(탄화수소들의 열분해를 위하여 유용한 열 교환 장치의 종류)는 버너들, 버너 위치, 버너들의 종류들 등을 포함하는 특유의 디자인을 갖는다. 용광로는 용광로 디자인을 기반으로 혼합 가스 순환 프로파일(대류열)과 특유의 플레임 프로파일(복사열)을 제공하여, 상기 용광로에 대하여 열유속 프로파일을 결정할 수 있도록 한다. 복사와 대류 추진력들 때문에, 열유속 프로파일은 거의 모든 예들에서, 용광로의 높이 또는 길이를 따라 변할 수 있고, 결정된 프로파일은 적어도 하나의 최대 열유속 높이들(예를 들어, 열유속이 최대인 용광로 내의 높이)을 가질 수 있다. 12 단계에서는, 결정된 열유속 프로파일을 기반으로, 열 향상 장치는 결정된 최대 열유속 영역을 통해 바람직한 흐름 패턴을 촉진하기 위하여 결정된 최대 열유속 영역에 또는 상류의 적어도 하나의 열 교환 튜브 부문 내에 배치된다.
적어도 하나의 열 교환 튜브를 가지는 열 교환 장치를 제조하는 방법의 일 예로서, 참조는 미국 특허 No.6,685,893의 도 1 내지 3으로 만들어져서, 도 2 내지 4로써 여기에 도시되었다. 전형적인 기존의 열분해 히터의 단면도는 도 2로 도시되었다. 히터는 복사 가열 구역(radiant heating zone)(14)과 대류 가열 구역 (convection heating zone)(16)을 갖는다. 이 케이스에서 탄화수소 원료(22)를 예열하기 위해 도시된 열 교환 표면들(18)(20)은 대류 가열 구역(16) 내에 설치된다. 이 구역은 또한 증기를 생산하기 위한 열 교환 표면을 포함한다. 대류 구역으로부터 예열된 원료는 24에서 복사 가열 구역(14) 내에 위치되도록 일반적으로 설계된 가열 코일(26)로 공급된다. 가열 코일(26)로부터 분해된 생성물은 30에서 나간다. 가열 코일들은 이 분야에서 일반적인 것처럼 수직 및 수평 코일들을 포함하는 바람직한 모든 구성이다.
복사 가열 구역(14)은 설계된 벽들(34)(36) 및 바닥 또는 난로(hearth)(42)를 포함한다. 벽들을 따라 위를 향하고 공기(47) 및 연료(49)와 함께 제공되는 수직한 점화 난로 버너들(46)은 바닥에 탑재되어있다. 코일 튜브들에 불꽃이 부딪치는 것을 피하기 위해 벽들을 가로질러 확산된 평면 불꽃 패턴들을 생성하도록 설계된 복사-타입 버너들인 벽 버너들(48)은 보통 벽들에 탑재되어 있다.
도 1 방법의 10 단계에서는, 히터에 대한 열유속 프로파일이 결정된다. 도 3은 하나의 케이스에 켜져 있는(being on) 벽 버너들 및 난로 버너들, 그리고 다른 케이스에서 켜져 있는(being on) 난로 버너들 및 꺼져 있는(being off) 난로 버너들의 두 개의 작동 모드들에 대하여 도 2에 도시된 히터들에 대한 전형적인 표면 열유속 프로파일을 보여주며, 10 단계의 결과들을 보여준다. 도 4는 같은 조건들에서 결정된 튜브 금속 온도를 보여준다. 이 수치들은 화실의 상측 부분과 화실의 하측 부분 둘 다에서 낮은 금속 온도들과 낮은 열유속을 보여주고 열유속 또는 온도의 최대치와 최소치 사이에서 큰 차이를 보여준다.
두 개의 작동 모드들에 대한 최대 열유속은 대략 5 미터(meters)의 높이에서 발생하도록 결정된다. 12 단계에서, 복사 코일 흐름 향상 장치는 최대 열유속 높이에서 즉, 흐름 방향에 따라 5 미터 높이의 아래 또는 위에서, 또는 최대 열유속 높이의 상류부분의 적어도 하나의 코일(26)의 열 교환 튜브들 내에 배치되어, 열 향상 장치에 의해 생성된 바람직한 흐름 구역은 적어도 하나의 튜브 패스들 또는 튜브들의 최대 열유속 영역을 통해 확장한다.
도 5를 참조하면, 적어도 하나의 열 교환 튜브를 갖는 기존의 열 교환 장치를 새로 장착하기 위한 방법이 도시되었다. 50 단계에서, 주어진 열 교환 장치 또는 열 교환기 디자인을 위하여, 열 교환 장치에 대한 열유속 프로파일이 결정된다. 예를 들어, 용광로(탄화수소들의 열분해를 위해 유용한 열 교환 장치의 종류)는 많은 버너들, 버너 위치, 버너들의 종류들 등을 포함하는 특유의 디자인을 가진다. 그러므로 상기 용광로는 용광로 디자인을 기반으로 하여 연소 가스 순환 프로파일(대류열) 및 특유의 불꽃 프로파일(flame profile)(복사열)을 제공하여 용광로에 대하여 열유속 프로파일을 결정하도록 할 수 있다. 복사 및 대류 추진력들 때문에, 열유속 프로파일은 거의 모든 예들에서, 용광로의 길이 또는 높이에 따라 변할 수 있고, 상기 결정된 프로파일은 적어도 하나의 최대 열유속 높이들(예를 들어, 열유속이 최대인 곳의 용광로 내 높이)을 가질 수 있다. 52 단계에서, 상기 결정된 열유속 프로파일을 기반으로, 결정된 최대 열유속 영역에서 또는 결정된 최대 열유속 영역의 상류부문의 적어도 하나의 열 교환 튜브의 적어도 일부는 바람직한 흐름 패턴을 생성하기 위하여 흐름 향상 장치로 교체된다.
열 교환 장치 내에 배치된 코일들 또는 열 교환 코일은 열 전달 면적을 통해 복수의 패스들을 만든다. 예를 들어, 도 2의 용광로 내에 도시된 것과 같은 가열 코일(26)은 복사 가열 구역(14)을 관통하여 적어도 하나의 패스들을 만든다. 도 6에는 탄화수소 흐름이 128에서 제1가열 튜브로 진입하고, 복수의 패스들을 통하여 가로지르고, 130에서 코일을 나가는, 복사 가열 구역을 지나는 네 개의 패스들을 갖는 열 교환 코일(126)을 도시하였다. 열 교환 코일(126)은 영역(132)에 의해 도시된 것에 대응하는 결정된 최대 열유속 영역을 가지는 용광로 내에 배치된다. 복사 코일 흐름 향상 장치는 열 교환 기둥(heat exchange column)을 통해 한 개, 두 개 또는 그 이상의 튜브 패스들 내에 배치되는데, 흐름 향상 장치(들)은 여기에 개시된 실시예들에 따라 결정된 최대 열유속 영역(132)에서 또는 결정된 최대 열유속 영역(132의 상류부문에 배치된다. 도 6에 도시된 것과 같이, 복사 코일 흐름 향상 장치(134)는 표시된 흐름 방향을 기반으로 최대 열유속 영역에서 또는 최대 열유속 영역의 상류부문의 각 튜브 패스들 내에 배치된다.
전술한 바와 같이, 복사 코일 흐름 향상 장치에 의해 유도된 패턴 흐름은 오직 제한된 거리에 대해서만 확장하고, 최대 열유속 영역과 관계 있는 흐름 향상 장치의 배치는 여기에 개시된 실시예들에 따라 선택되어, 희망하는 흐름 구역이 최대 열유속 영역을 통해 확대한다. 상기 배치는 복사 코일 흐름 향상 장치의 크기와 종류(흐름 향상 장치의 축 길이, 흐름 향상 장치를 통한 흐름 경로(passages)의 수, 비틀림각(들) 등), 코일을 통과하는 스팀 및/또는 탄화수소들의 흐름 속도 그리고 코일 직경 등을 포함하는 많은 요인들에 의존한다.
어떤 실시예들에서는, 열 교환 장치를 재설치하거나 제조하는 방법은 흐름 향상 장치의 최적의 또는 적절한 위치를 선택하는 부가적인 단계들을 포함한다. 도 7을 참고하면, 적어도 하나의 열 교환 튜브를 가지는 열 교환 장치 제조 방법이 도시되었다. 도 1의 방법과 유사하게, 주어진 열 교환 장치 또는 열 교환기 디자인에 대하여 710 단계에서는, 열 교환 장치에 대한 열유속 프로파일이 최대 열유속 영역을 따라 결정된다. 720 단계에서는, 열 교환 튜브 내의 주어진 흐름 향상 장치의 배치로부터 초래된 바람직한 흐름 패턴 구역의 길이가 결정된다. 이 길이는 730 단계에서 사용되어 적어도 하나의 열 교환 튜브 내에 흐름 향상 장치를 배치하기 위하여 결정된 최대 열유속 영역의 상류부문 거리를 선택하고 바람직한 흐름 패턴 구역이 최대 열유속 영역을 통해 확장한다. 흐름 향상 장치는, 이후, 740 단계에서 상기 결정된 최대 열유속 영역에서 또는 결정된 최대 열유속 영역의 상류부문의 선택된 거리에서 배치된다.
위에서 주목한 것처럼, 바람직한 흐름 패턴 구역의 길이는 다른 요인들 중에서 흐름 향상 장치 디자인을 기반으로 변화한다. 다시 도 3을 참고하면, 유체 흐름이 위쪽을 향한다고 가정할 때, 3미터의 결정된 바람직한 흐름 패턴 구역의 길이를 갖는 흐름 향상 장치는 약 2미터에서 4.5미터 내의 어느 곳에나 위치하여 3A와 3B 선들에 의해 각각 도시되었듯이, 최대 열유속 영역을 통해 확장한 바람직한 흐름 패턴 구역을 야기한다. 선택된 거리는 다른 요인들 중에서 코일과 코일 지지 구조들 내 구부러짐(bends)을 설명하기 위한 것과 같이, 튜브 위치와 디자인에 의존한다.
이 범위 내에 흐름 향상 장치를 설치하는 것이 허용되는 성능 향상들을 초래하고, 부가적으로 바람직한 흐름 패턴 구역의 결정된 길이에 대한 열유속을 최대화하기 원할 수 있다. 도 8을 참고하면, 810 단계에서는, 주어진 열 교환 장치 또는 열 교환기 디자인에 대하여, 열 교환 장치에 대한 열유속 프로파일이 최대 열유속 영역을 따라 결정된다. 820 단계에서는, 열 교환 튜브 내의 주어진 흐름 향상 장치의 배치로부터 유래한 바람직한 흐름 패턴 구역의 길이가 결정된다. 이 길이는 이후 830 단계에서 사용되어 바람직한 최대 열유속 영역의 상류부문 거리를 결정하고, 바람직한 흐름 패턴 구역의 결정된 길이에 대해 열유속을 최대화하기 위하여 적어도 하나의 열 교환 튜브 내에 흐름 향상 장치를 배치한다. 흐름 향상 장치는 840 단계에서 결정된 최대 열유속 영역에서 또는 최대 열유속 영역의 상류부문의 결정된 거리에 배치된다.
다시 도 3을 참고하면, 그리고 유체 흐름이 위쪽을 향한다고 가정할 때, 3미터의 결정된 바람직한 흐름 패턴 구역 길이를 갖는 흐름 향상 장치는 약 2미터 내지 약4.5미터의 어느곳에나 설치된다. 830 단계에서는 열유속을 최대화하기 위한 거리의 결정은 대략 3미터의 높이에서 흐름 향상 장치의 배치가 바람직한 흐름 패턴 구역의 결정된 길이에 대하여 열유속을 최대화하는 것을 나타낸다. 도시하지 않았지만, 유사한 분석이 다른 결정된 바람직한 흐름 패턴 구역 길이들을 갖는 흐름 향상 장치에 대하여 수행된다.
전술한 바와 같이, 어떤 실시예들에서는 열유속을 최대화하는 것이 바람직할 수 있다. 게다가 열 교환 장치의 성능은 달성된 열 전달과 함께 단독으로 머물러 있지 않음이 주목된다. 예를 들어, 탄화수소들의 열분해를 위해 사용된 용광로의 성능이 비용(예를 들면, 흐름 향상 장치들의 숫자), 복사 표면들의 코킹(coking)율 또는 오염율들(멈추기 전의 히터 운영 시간), 올레핀들과 같은 반응 생성물의 수득률 및/또는 선택성, 가열 코일(들)을 통한 압력 강하 등과 같은 다양한 작동 파라미터들을 기반으로 정밀하게 조사된다. 도 7 및 도 8을 참고하면, 710, 720 및 730(810, 820 및 830) 단계들 중 적어도 하나는 바람직한 흐름 패턴 구역의 길이에 대한 열유속, 바람직한 흐름 패턴 구역의 길이, 흐름 향상 장치의 디자인 및 열 교환 장치의 작동 파라미터 중 적어도 하나를 최적화하기 위해 반복들(750)(850)을 통해 반복될 수 있다.
전술한 바와 같이, 흐름 향상 장치들은 디자인면에서 서로 다를 수 있다. 흐름 향상 장치들은 두 개, 세 개, 네 개 또는 그 이상의 경로들로 유체 흐름을 나눌 수 있고, 약 100° 내지 360° 또는 그 이상의 범위로 흐름 향상 장치 배플의 비틀림각을 가질 수 있으며, 어떤 실시예들에서는 약 100mm 내지 전체 튜브 길이 까지로, 다른 실시예들에서는 약 200mm 내지 전체 튜브 길이 까지로 길이가 다를 수 있다. 다른 실시예들에서는, 흐름 향상 장치의 길이가 약 100mm 내지 약 1000mm; 또는 또 다른 실시예들에서는 약 200mm 내지 약 500mm의 범위 내일 수 있다. 배플의 두께는 어던 실시예들에서는 대략 코일 튜브와 같을 수 있다. 가급적, 제자리에 있는 그것을 보유한 코일 조각의 표면과 배플은 흐름 저항과 압력 강하를 감소하면서, 경로들을 통한 회오리 형성을 최소화한 것과 유사한 모양 또는 오목한 원호 모양을 갖는다. 예를 들어, 흐름 향상 장치들은 진공 조건과 정밀 주조(casting)에서 원자재를 제련하여 만들어지고, 흐름 향상 장치 몰드는 코일 조각으로 삽입되고, 요구된 양의 합금은 배플을 형성하기 위해 몰드로 부어져 몰드가 공정에서 타 없어진다. 흐름 향상 장치는 새 튜브들 또는 기존의 튜브들 내로 잘라 붙이는(cut-and-paste) 접근법에 의해 설치될 수 있다. 택일적으로 흐름 향상 장치들은 용접 비드(weld bead) 또는 다른 나선형 핀(helical fin)을 표준 나관(standard bare tube)에 덧붙임으로써(by adding) 형성될 수 있다. 용접 비드(weld bead)는 연속 또는 불연속일 수 있고, 복사 튜브의 길이를 연장하거나 연장하지 않을 수 있다.
복사 코일 흐름 향상 장치의 일 예는 도 9a(프로파일 뷰(profile view))와 도 9b(단면도)에 도시되어 있다. 도시된 복사 코일 흐름 향상 장치는 흐름 향상 장치의 길이를 가로지르는 두 개의 흐름 경로들로 유체 흐름을 나눈다. 코일은 대략 180° 비틀림각을 가진 배플을 포함한다.
전술한 바와 같이, 흐름 향상 장치들은 탄화수소 공급 원료들의 열분해 (분해)를 위해 사용되는 용광로들에서 유용하다. 탄화수소 공급 원료는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 이들 가스들의 혼합물들, 나프타들, 가스 오일들 등과 같은 다양한 전형적인 분해 공급 원료들 중 어느 하나이다. 생성물 스트림은 다양한 구성요소들 포함하는데 구성요소들의 농도는 선택된 원료에 어느 정도는 의존한다. 종래의 열분해 공정에서, 기화된 공급 원료는 가열로 내부에 설치된 튜브형 반응기로 희석 스팀과 함께 공급된다. 요구된 희석 스팀의 양은 선택된 공급 원료에 의존한다; 에탄과 같은 경질 공급 원료들(lighter feedstocks)은 낮은 스팀(0.2 lb./lb.)을 요구하고, 반면 가스 오일들과 나프타와 같은 중질 공급 원료들(heavier feedstocks)은 0.5 내지 1.0의 비율로 스팀/원료를 요구한다. 희석 스팀은 열분해 코일들의 탄소 첨가율을 낮추고 탄화수소의 부분 압력을 낮추는 이중 기능을 한다.
전형적인 열분해 공정들에서, 스팀/탄화수소 원료 혼합물은 약 650℃와 같은 분해 반응의 시작 바로 아래 온도로 예열된다. 이 예열은 히터의 대류 섹션에서 일어난다. 이후 혼합물은 열분해 반응들이 일어나는 복사 섹션으로 이동한다. 일반적으로 열분해 코일 내의 체류 시간은 0.05초 내지 2초의 범위내에 있고, 반응에 대한 출구 온도들은 약 700℃ 내지 1200℃이다. 올레핀들로 포화 탄화수소들의 변화를 야기한 반응들은 높은 흡열반응이고, 따라서 높은 수준의 입열(heat input)을 요구한다. 이 입열은 증가된 반응 온도들에서 발생한다. 대부분의 공급 원료들을 위해, 특히 나프타와 같은 중질 공급 원료들에 대해서, 부가 열화 반응들이 감소되기 때문에 짧은 체류 시간들이 에틸렌과 프로필렌에 대한 높은 선택성으로 이어진다는 것이 산업 분야에서 일반적으로 인식되었다. 더욱이, 반응 환경 내에서 탄화수소의 부분압이 낮을수록 선택성이 높아지는 것이 알려졌다.
열분해 히터들 내에서, 오염(코킹(coking))율은 공정 코일의 내부 필름 내에서 발생하는 코킹(coking) 반응들에 영향을 미치는 금속의 영향 및 금속 온도에 의해 설정된다. 금속 온도가 낮을수록 코킹(coking)율은 낮아진다. 코일의 내부 표면에 형성된 코크(coke)는 열 전달에 대해 내열성을 생성한다. 코일 오염들로 얻을 수 있는 동일한 공정 열입을 위해서, 용광로 연소는 증가해야 하고 외부 금속 온도는 코크(coke) 층의 저항을 보상하기 위해 증가한다.
그러므로 용광로의 최대 열유속 영역은 높은 금속 온도들에서 오염/코킹(coking) 때문에 분해 공정과 용광로의 전체적인 성능을 제약한다. 그러므로 여기에 개시된 실시예들, 즉 코일 내부에 선택되거나 결정된 위치들에서 흐름 향상 장치들을 배치하는 것은 수많은 이익들을 제공한다. 최대 열유속 영역을 관통하는 흐름 향상 장치들에 의해서 유도된 흐름 패턴들은 최고의 금속 온도를 가진 코일의 일부분을 통하여 오염을 최소화하거나 감소한다. 흐름 향상 장치들의 전략적인 배치의 결과로서, 감소된 오염율은 연장된 운영 시간들을 허용한다. 또한, 전체 코일에 걸치지 않고 최대 열유속 영역(들) 또는 최대 열유속 영역(들)의 상류부문에서만과 같이 제한된 위치들의 코일 내의 흐름 향상 장치들을 배치할 때 코일을 통한 압력 강하가 감소되거나 최소화되므로 선택성, 수득률 및 능력 중 적어도 하나를 개선한다. 그러므로 여기에 개시된 실시예들에 따라서 달성 가능한 개선된 능력, 개선된 수득률, 개선된 선택성 및/또는 더 길어진 운영 시간들은 열분해 공정의 경제적 성능을 상당히 개선한다.
본 명세서는 제한된 수의 실시예를 포함하지만, 본 명세서에 대해 이익이 있는 이 기술 분야의 당업자는 본 명세서의 관점에서 출발하지 않은 다른 실시예가 안출될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 오로지 특허 청구 범위에 의해 제한될 수 있다.
14 : 복사 가열 구역 16 : 대류 가열 구역
18 : 열 교환 표면 20 : 열 교환 표면
22 : 탄화수소 원료 26 : 가열 코일
34 : 벽 36 : 벽
42 : 바닥 또는 난로 46 : 점화 난로 버너
47 : 공기 48 : 벽 버너
49 : 연료 126 : 열 교환 코일
132 : 최대 열유속 영역 34 : 복사 코일 흐름 향상 장치

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 열 교환 튜브의 최대 열유속(heat flux) 영역을 결정하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 열 교환 튜브를 통하여 흐르는 프로세스 유체(process fluid) 내에서 바람직한 흐름 패턴을 형성하기 위한 흐름 향상 장치를 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브 내에 배치시키는 단계;를 포함하되,
    상기 흐름 향상 장치는 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브의 상기 결정된 최대 열유속 영역에 또는 상기 결정된 최대 열유속 영역의 상류(upstream)에서의 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브 내에 배치되는 적어도 하나의 열 교환 튜브를 갖는 열 교환 장치 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름 향상 장치는 100°와 360°사이의 비틀림각(twist angle)을 가지는 적어도 하나의 열 교환 튜브를 갖는 열 교환 장치 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름 향상 장치는 상기 열 교환 튜브의 흐름 영역을 두 개의 경로들로 분할하는 적어도 하나의 열 교환 튜브를 갖는 열 교환 장치 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름 향상 장치의 축 길이는 100mm부터 1000mm까지의 범위 내인 적어도 하나의 열 교환 튜브를 갖는 열 교환 장치 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름 향상 장치의 축 길이는 200mm부터 500mm까지의 범위 내인 적어도 하나의 열 교환 튜브를 갖는 열 교환 장치 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름 향상 장치는 복사 코일 삽입물을 포함하는 적어도 하나의 열 교환 튜브를 갖는 열 교환 장치 제조 방법.
  7. 적어도 하나의 열 교환 튜브의 최대 열유속 영역을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 최대 열유속 영역의 상류에서의 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브의 적어도 일부분을 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브를 통해 흐르는 프로세스 유체(process fluid) 내에서 바람직한 흐름 패턴을 형성하기 위한 흐름 향상 장치로 교체하는 단계를 포함하는 적어도 하나의 열 교환 튜브를 가지는 열 교환 장치를 보강하는 방법.
  8. 적어도 하나의 열 교환 튜브; 및
    상기 적어도 하나의 열 교환 튜브를 통과하여 흐르는 프로세스 유체(process fluid) 내에서 바람직한 흐름 패턴을 형성하기 위한 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브 내 배치된 흐름 향상 장치를 포함하되,
    상기 흐름 향상 장치는 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브의 결정된 최대 열유속 영역에서 또는 결정된 열유속 영역 상류의 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브 내에 배치되는 열 교환 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열 교환 장치는 열분해 공급 원료의 가열을 위한 용광로를 포함하고, 가열 섹션(section)을 포함하는 상기 용광로는,
    가열 챔버;
    상기 가열 챔버 내에 위치된 복수 개의 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브들; 및
    복수 개의 버너(burner)들을 포함하는 프로세스.
  10. 탄화수소의 열분해에 영향을 미치는 조건들에서 복사 가열 챔버 내의 열 교환 튜브를 통해 탄화수소를 통과시키는 단계를 포함하되,
    상기 열 교환 튜브는 상기 열 교환 튜브를 통과하여 흐르는 탄화수소의 바람직한 흐름 패턴을 생성하기 위해 내부에 배치된 흐름 향상 장치를 가지고;
    상기 흐름 향상 장치는 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브의 결정된 최대 열유속 영역에서 또는 상기 결정된 최대 열유속 영역의 상류에서의 상기 적어도 하나의 열 교환 튜브 내에 선택적으로 배치된 올레핀들을 생성하는 프로세스.


KR1020147030204A 2010-02-08 2011-02-08 열 교환 장치 및 그 제조방법 KR20140132014A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US30230410P 2010-02-08 2010-02-08
US61/302,304 2010-02-08
PCT/US2011/024008 WO2011097610A2 (en) 2010-02-08 2011-02-08 Flow enhancement devices for ethylene cracking coils

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020127018845A Division KR20120101717A (ko) 2010-02-08 2011-02-08 열 교환 장치 및 그 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20140132014A true KR20140132014A (ko) 2014-11-14

Family

ID=44356110

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020127018845A KR20120101717A (ko) 2010-02-08 2011-02-08 열 교환 장치 및 그 제조방법
KR1020147030204A KR20140132014A (ko) 2010-02-08 2011-02-08 열 교환 장치 및 그 제조방법
KR1020147030203A KR101599662B1 (ko) 2010-02-08 2011-02-08 열 교환 장치 및 그 제조방법

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020127018845A KR20120101717A (ko) 2010-02-08 2011-02-08 열 교환 장치 및 그 제조방법

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020147030203A KR101599662B1 (ko) 2010-02-08 2011-02-08 열 교환 장치 및 그 제조방법

Country Status (14)

Country Link
US (1) US20120203049A1 (ko)
EP (1) EP2534436A2 (ko)
JP (1) JP5619174B2 (ko)
KR (3) KR20120101717A (ko)
CN (1) CN102597685B (ko)
AR (1) AR081445A1 (ko)
BR (1) BR112012019837A2 (ko)
CA (1) CA2774979C (ko)
CL (1) CL2012001247A1 (ko)
MX (1) MX2012004568A (ko)
SG (1) SG182353A1 (ko)
TW (1) TWI524048B (ko)
WO (1) WO2011097610A2 (ko)
ZA (1) ZA201203128B (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103791753B (zh) 2012-10-30 2016-09-21 中国石油化工股份有限公司 一种传热管
GB2529407B (en) * 2014-08-18 2020-01-08 Joan Philomena Jones Heater
EP3387333A4 (en) * 2015-12-09 2019-08-28 Fulton Group N.A., Inc. COMPACT LIQUID HEATING SYSTEM WITH HEAT FLOW HIGH VOLUME DENSITY USING INCREASED HEAT EXCHANGE DROP

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6140396A (ja) * 1984-08-01 1986-02-26 Toyo Eng Corp 炭化水素の熱分解装置
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
US5656150A (en) * 1994-08-25 1997-08-12 Phillips Petroleum Company Method for treating the radiant tubes of a fired heater in a thermal cracking process
JPH09222083A (ja) * 1996-02-16 1997-08-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd 冷凍サイクルと圧縮機
KR100525879B1 (ko) * 1997-06-10 2005-11-02 엑손모빌 케미칼 패턴츠 인코포레이티드 공정 유체 가열용 가열 장치 및 올레핀의 제조 방법
CN1133862C (zh) * 1998-09-16 2004-01-07 中国石油化工集团公司 一种热交换管及其制造方法和应用
JP2000146482A (ja) 1998-09-16 2000-05-26 China Petrochem Corp 熱交換器チュ―ブ、その製造方法、及びその熱交換器チュ―ブを用いるクラッキング炉又は他の管状加熱炉
US6685893B2 (en) * 2001-04-24 2004-02-03 Abb Lummus Global Inc. Pyrolysis heater
US6425757B1 (en) 2001-06-13 2002-07-30 Abb Lummus Global Inc. Pyrolysis heater with paired burner zoned firing system
CN2735285Y (zh) * 2004-04-24 2005-10-19 辽宁石油化工大学 分段扰流子
US8585890B2 (en) * 2007-03-28 2013-11-19 China Petroleum & Chemical Corporation Tubular cracking furnace
JP2009228949A (ja) 2008-03-21 2009-10-08 Denso Corp 熱交換器用チューブ
CN101619949B (zh) * 2009-07-31 2011-11-09 惠生工程（中国）有限公司 一种强化传热管

Also Published As

Publication number Publication date
ZA201203128B (en) 2013-02-27
KR101599662B1 (ko) 2016-03-04
CA2774979A1 (en) 2011-08-11
JP2013510936A (ja) 2013-03-28
SG182353A1 (en) 2012-08-30
CN102597685B (zh) 2014-10-01
CA2774979C (en) 2015-02-03
CN102597685A (zh) 2012-07-18
AR081445A1 (es) 2012-09-05
EP2534436A2 (en) 2012-12-19
JP5619174B2 (ja) 2014-11-05
MX2012004568A (es) 2012-06-08
BR112012019837A2 (pt) 2016-05-17
KR20140132013A (ko) 2014-11-14
TWI524048B (zh) 2016-03-01
WO2011097610A3 (en) 2011-12-01
WO2011097610A2 (en) 2011-08-11
KR20120101717A (ko) 2012-09-14
TW201200837A (en) 2012-01-01
CL2012001247A1 (es) 2012-08-10
US20120203049A1 (en) 2012-08-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2290540C (en) Pyrolysis furnace with an internally finned u-shaped radiant coil
AU2005210446B2 (en) Cracking furnace and method for cracking a hydrocarbon feed
US4499055A (en) Furnace having bent/single-pass tubes
EP0305799B1 (en) Pyrolysis heater
KR101599662B1 (ko) 열 교환 장치 및 그 제조방법
WO2008057303A2 (en) Fired heater
CA2681281C (en) A tubular cracking furnace
EP0253633B1 (en) Furnace and process for hydrocarbon cracking
US20160334135A1 (en) Double fired u-tube fired heater
KR102220200B1 (ko) 파이어 히터
MXPA06008885A (en) Cracking furnace

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application