KR20180078367A - 파이어 히터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나 이상의 가열 튜브가 내부에 배치된 히팅 박스, 상기 히팅 박스 내에 설치된 내부에 가열대상 유체가 유동하는 하나 이상의 가열 튜브 및 상기 가열 튜브의 외부면을 가열하는 화염을 형성하는 버너를 포함하는 파이어 히터로서, 상기 가열 튜브는 납작한 평관형 튜브인 것을 특징으로 하는 파이어 히터에 관한 것으로, 히팅 박스 내 버너와 가열 튜브의 외부면 사이의 열복사 거리를 균일하게 하고, 열복사 면적을 늘려서 열분포를 균일하게 하며 튜브 내부 면으로부터 튜브 중심까지의 열복사 길이를 감소함으로써 부반응을 최소화하고 반응물의 순도를 높일 수 있다.

Description

파이어 히터{FIRED HEATER WITH FLAT TUBE}

본 발명은 버너에 의해 제공된 복사 에너지에 의해 반응물이 간접 가열되는 하나 이상의 복사 섹션을 포함하는 유형의 파이어 히터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열분포를 개선하여 부반응의 발생을 최소화할 수 있는 파이어 히터에 관한 것이다.

탄화수소 변환 공정은 종종 탄화수소가 흘러서 통과하는 다수의 반응 구역들을 이용한다. 각각의 반응 구역에서 소정의 탄화수소 변환을 수행하기 위해서는 공정에 이용되는 반응물들이 사전에 충분하게 가열되어야 한다.

일례로 하나의 공지된 탄화수소 변환 공정은 촉매 개질(catalytic reforming)일 수 있다. 일반적으로, 촉매 개질은 석유 정제 산업에서 이용된 탄화수소 변환 공정, 사이클로헥산의 탈수소 및 알킬사이클로펜탄의 탈수소이성화(dehydroisomerization), 올레핀을 제조하기 위한 파라핀의 탈수소화, 파라핀 및 올레핀의 탈수소고리화, n-파라핀의 이성화, 사이클로헥산을 생산하기 위한 알킬사이클로파라핀의 이성화 등을 포함한다. 일례로 프로판은 차세대 파워 디바이스 재료인 SiC의 원료 용도 등, 반도체 전자 재료 분야에서 이용되고 있다. 이러한 용도에 이용되기 위해서 프로판은 보다 고순도인 것이 요구된다.

고순도 프로판을 제조할 때의 원료로서 사용되는 프로판을 주성분으로 하는 원료 가스에는, 불순물로서 예를 들면 에탄, 프로필렌, 이소부탄, 노르말 부탄이 고농도로 포함되어 있다. 이 원료 가스로부터 프로판을 정제하는 방법으로서는, 예를 들면, 증류, 막분리, 흡착 분리, 흡수 분리 등의 방법이 있으나, 대규모 설비와 정밀한 증류 조건의 설정이 필요하다. 이러한 탄화수소 변환 공정에서 반응 전에 공정 유체를 가열하기 위해서 히터 또는 노(furnace)와 같은 가열장치가 사용된다. 이와 같이 많은 화학반응 공정에서 반응물을 반응온도 구간까지 가열하기 위하여 각 반응기 전단에 파이어 히터가 설치되는데, 종래의 파이어 히터의 구조는 단열 박스 내에 가스가 지나가는 가열 튜브를 버너로부터 나온 불꽃이 복사, 대류, 전도 등의 방법으로 가열하는 것이다.

도 1은 종래의 원통형 가열 튜브를 구비하는 파이어 히터의 개략사시도이고, 도 2는 이러한 원통형 가열 튜브에 의해 열복사 방식으로 가열되는 원리를 설명하기 위한 모식도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 파이어 히터는 버너가 장착된 가열로 히팅 박스(10)와 히팅 박스 내부를 관통하며 반응물이 지나가는 원통형 가열 튜브(30)로 구성된다. 버너(20)에서 나온 화염은 고온의 열기로 원통형 가열 튜브(30)에 광범위하게 복사열을 전달하게 되고 원통형 가열 튜브(30)의 외부면에서 달궈진 열은 가열 튜브 재질의 열전도 현상으로 가열 튜브의 내부까지 화염으로부터 받은 열을 전달하고 튜브내부에서는 튜브내벽으로부터의 복사열이 튜브 안쪽 중심공간까지 열을 복사하게 되어 반응물을 가열한다.

이러한 기존의 파이어 히터에서 히팅 박스의 내부를 관통하며 반응물이 지나가는 가열 튜브는 원통형 튜브이다. 그러나 이러한 원형통 가열튜브는, 도 2에 도시된 바와 같이, 외부면이 곡면으로 되어 있어 버너 또는 버너의 화염과 원통형 가열 튜브(30)의 외부면 사이의 열복사 거리(l)가 일정하지 않고 튜브 중심부까지 열을 복사해야 하는 거리가 길어서, 균일한 가열이 이루어지지 않고, 국소적으로 과열되는 부분이 생기며 이에 따른 열 깨짐 현상 (thermal cracking)이 부반응으로 나타나서, 그 결과, 고순도의 생성물을 생성할 수 없게 되고, 탈수소 공정의 수율이 저감되어 원단위를 증가시키는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제를 해소하기 위한 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 버너 또는 버너의 화염과 가열 튜브의 외부면 사이의 열복사 거리의 편차를 최소화함으로써, 파이어 히터 내부의 열분포를 균일하게 하여 열분해 반응과 같은 부반응을 최소화할 수 있는 파이어 히터를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 파이어 히터 내부에서의 열분해 반응이 발생하는 것을 억제하여 고순도의 생성물을 생성할 수 있는 파이어 히터를 제공하는 것이다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,

하나 이상의 가열 튜브가 내부에 배치된 히팅 박스, 상기 히팅 박스 내에 설치된 내부에 가열대상 유체가 유동하는 하나 이상의 가열 튜브 및 상기 가열 튜브의 외부면을 가열하는 화염을 형성하는 버너를 포함하는 파이어 히터로서, 상기 가열 튜브는 납작한 평관형 튜브인 것을 특징으로 하는 파이어 히터에 관한 것이다.

상기 가열 튜브는 단면이 타원형, 모서리가 둥근 직사각형, 직사각형 등인 평관형 가열튜브이고, 장변이 화염쪽으로 향하도록 설치된다.

상기 평관형 가열 튜브는 평면상으로 보아 단면의 장변과 단변의 길이의 비가 2 : 5의 범위 내인 것이 좋다.

상기 가열 튜브는 U-자형, 코일형, 또는 번들형 튜브일 수 있고, 상기 U자형 가열 튜브는 U 자형 또는 역U자형 튜브일 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예의 파이어 히터에 의하면, 원통형 가열 튜브를 평관형 튜브로 교체함으로써, 버너 또는 버너의 화염과 가열 튜브의 외부면 사이의 열복사 (heat-radiation) 거리 편차를 줄여 복사, 대류, 전도 등의 열 전달 방법 중 복사에 의한 열 전달이 주로 일어나는 면적을 확대시키고 튜브 내벽에서 중심으로 전달되는 열복사 거리를 줄임으로써 열분포를 균일하게 하여 부반응을 최소화하고 반응물의 순도를 높일 수 있다.

도 1은 종래의 파이어 히터의 일례를 도시한 개략사시도이다.
도 2는 종래의 파이어 히터의 원통형 가열 튜브의 구조와 가열 방식을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 파이어 히터의 가열 튜브의 구조를 설명하기 위한 개략사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 파이어 히터의 평관형 가열튜브에서의 가열 방식을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 종래의 원통형 가열튜브와 본 발명의 평관형 가열튜브에서의 가열 효과를 비교 설명하기 위한 모식도이다.

이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 구현예에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 명세서에 사용되는 용어 "복사 섹션"은 일반적으로, 주로 복사 및 대류 열전달에 의해, 예를 들어 히터에 의해 연소된 연료 가스에 의해 방출된 열을 수용하는 히터의 섹션을 칭한다.

본 명세서에 사용되는 용어 "버너"는 노, 차지 히터, 또는 인터히터를 포함할 수 있다. 히터는 하나 이상의 연소기를 포함할 수 있고, 하나 이상의 복사 섹션, 하나 이상의 대류 섹션, 또는 하나 이상의 복사 섹션과 하나 이상의 대류 섹션의 조합을 포함할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "U자형 가열 튜브"는 반응물 유입부와 반응물 유출부 및 상기 유입부와 유출부 사이의 만곡부를 포함하고, 상기 유입부와 상기 유출부가 일정한 간격을 두고 서로 평행하게 배열된 관형 수단을 의미하는 것으로 절대적으로 U자형 튜브 만을 의미하는 것이 아니고, 역U자형이나 만곡부가 코일형으로 구성된 구조 등을 모두 포괄하는 넓은 의미이다.

파이어 히터 내에서의 열분해 반응은 히터 내부의 열분포가 고르지 않거나 구간별 온도차(ΔT)값의 편차가 클 경우 더 많이 발생한다. 본 발명은 탄소 스트림을 포함하는 다양한 반응물을 가열함에 있어서, 버너 또는 화염과 튜브의 외부 복사 가열 표면 사이의 열복사 거리(L)의 편차를 줄이고, 복사에 의한 열전달이 이루어지는 면적을 확대함으로써, 히팅 박스 내부의 열분포를 균일하게 하여 열분해반응과 같은 부반응을 최소화하고, 반응물의 순도를 향상시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예의 파이어 히터의 개략 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예의 파이어 히터의 가열 튜브에서의 열전달 방식을 설명하기 위한 모식도이다. 도 3 및 도 4에는 단지 본 발명의 이해를 위해 필요한 설비 및 라인만이 도시되어 있고, 본 발명의 이해에 필요하지 않고 탄화수소 처리의 분야의 숙련가들에게 공지되어 있는 펌프, 압축기, 열교환기 및 밸브와 같은 구성요소들은 도시되어 있지 않다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 하나의 양상은 하나 이상의 가열 튜브(100)가 내부에 배치된 히팅 박스(10), 상기 히팅 박스 내에 설치된 내부에 가열대상 유체가 유동하는 하나 이상의 가열 튜브(100) 및 상기 가열 튜브의 외부면을 가열하는 화염을 형성하는 버너(20)를 포함하는 파이어 히터로서, 상기 가열 튜브는 납작한 평관형 튜브(100)인 것을 특징으로 하는 파이어 히터에 관한 것이다.

히팅 박스(10)는 가열 튜브의 외부면을 복사열에 노출시키기 위한 다수의 버너(20)를 포함하고 있다. 버너(20)는 차지 히터(charge heater) 또는 인터히터 (interheater)일 수 있다. 공지된 다양한 형태의 버너는 비정제가스 또는 미리혼합된 버너를 포함하여 사용될 수 있다. 연소 공기 공급원은 주위 공기, 또는 가스 터빈 배기로부터 예열된 공기로부터 취해질 수 있다. 가열 튜브는 복사 섹션을 포함하는 히팅 박스(10) 내부에 위치된다. 히팅 박스(10)는 열 에너지를 보존하기 위해 단열 내화재로 커버되어 있다.

가열 튜브(100)는 복사 가열 표면을 제공하는데, 버너로부터의 복사열 및 화염은 가열 튜브(100)의 복사 가열 표면에 제공된다. 복사 가열 표면은 열을 가열 튜브 내의 반응물에 전달한다. 본 발명의 파이어 히터에서 가열 튜브(100)는 평관형이기 때문에 버너로부터 받는 가열 면적을 확대할 수 있고, 버너 혹은 화염으로부터의 복사 거리(L)의 편차를 줄이고, 반응물의 순도를 높일 수 있다.

상기 가열 튜브(100)는 단면이 타원형, 모서리가 둥근 직사각형 또는 직사각형인 평관형 가열튜브이고, 장변이 화염쪽으로 향하도록 설치된다. 평관형 튜브의 경우, 평면상으로 보아서 장변부와 단변부가 존재하는데, 본 발명에서는 장변부를 버너와 마주보게 배치하여 열이 직접 복사되는 면적을 확대하는 것이 바람직하고, 도 5에 도시된 바와 같이, 열이 복사된 장변부 튜브 내측으로부터 튜브중심까지의 내부 열전달 길이를 짧게 하는 것이 바람직하다.

상기 평관형 가열 튜브는 평면상으로 보아 단면의 장변과 단변의 길이의 비가 2 : 5의 범위 내일 수 있다.

상기 평관형 가열 튜브(100)는 U-자형, 코일형, 또는 번들형 튜브일 수 있다. 본 발명에 따라, 자형 가열 튜브는, 문자 "U"자와 다소 유사한 형상을 취하고 있다. U자형 가열 튜브의 특성은 히팅 박스를 통과하는 2개의 통로를 효과적으로 형성하는 것이다. U자형 가열 튜브는 유입부, 유출부, 및 유입부 및 유출부를 연결하는 중간의 만곡부를 포함한다. 이러한 U자형 가열 튜브(100)는 U 자형 또는 역U자형일 수 있다.

본 발명의 파이어 히터는 탄화수소 스트림의 개질, 액체의 열분해, 또는 에탄, 프로판, 나프타 등의 기상 방향족 및/또는 지방족 탄화수소 공급원료의 열분해, 또는 에틸렌, 및 아세틸렌, 프로필렌, 부타디엔 등의 생성물에 의해 다른 물질을 생성하기 위한 가스 오일의 열분해에 사용할 수 있다.

이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련된 당업자들은 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 히팅 박스
20: 버너
100: 평관형 가열 튜브

Claims (5)

1. 하나 이상의 가열 튜브가 내부에 배치된 히팅 박스, 상기 히팅 박스 내에 설치된 내부에 가열대상 유체가 유동하는 하나 이상의 가열 튜브 및 상기 가열 튜브의 외부면을 가열하는 화염을 형성하는 버너를 포함하는 파이어 히터로서, 상기 가열 튜브는 납작한 평관형 튜브인 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 가열 튜브는 단면이 타원형, 모서리가 둥근 직사각형 또는 직사각형인 평관형 가열튜브이고, 장변이 화염쪽으로 향하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 평관형 가열 튜브는 평면상으로 보아 단면의 장변과 단변의 길이의 비가 2 : 5인 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 가열 튜브는 U-자형, 코일형, 또는 번들형 튜브인 것 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 U자형 가열 튜브는 U 자형 또는 역U자형인 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
   

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