KR20180133469A - 크래킹 퍼니스를 위한 반응기 - Google Patents

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바스프 안트베르펜 엔파우
바스프 에스이
유니버시테이트 젠트
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Abstract

본 발명은 내벽을 갖는, 탄화수소를 크래킹하기 위한 반응기로서; 내벽이 상기 내벽의 표면에 매립된 복수의 오목한 딤플을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기에 관한 것이다.

Description

크래킹 퍼니스를 위한 반응기
탄화수소를 크래킹하기 위한 반응기, 탄화수소를 크래킹하기 위한 반응기를 포함하는 퍼니스, 및 탄화수소 공급원료로부터 경질 올레핀을 생산하는 방법이 본원에 제공된다.
석유화학 산업에서는, 종종 열 크래킹 공정에 의해 전구체 공급원료로부터 보다 작은 올레핀을 생산한다. 이러한 크래킹 공정은 보다 큰 탄화수소를 포함하는 전구체 공급원료를 가열하는 것을 수반한다. 증가된 열 에너지의 결과로, 전구체 공급원료에 존재하는 탄소 결합이 파괴되며, 이에 의해 탄화수소 분자의 장쇄는 보다 짧고 작은 것으로 변할 것이다. 크래킹 공정을 개시하기 위해 필요한 온도는 공급된 탄화수소 및 목적하는 크래킹 최종-생성물에 따라 최대 천 도까지 이를 수 있다. 통상적으로, 다른 크래킹 공정 조건 예컨대 체류 시간, 희석, 유동, 압력 등이 가장 높은 가능한 수율을 달성하도록 조정될 수 있다.
통상적으로, 스팀 크래킹 공정은 외부로부터 반응기를 가열하는 대형 가스-연소 퍼니스에 매달린 반응기 내부에서 일어난다. 종종 수십 내지 수백 개의 이들 반응기가 하나의 퍼니스에 함께 적층되어 생산 용량을 연간 수천 킬로톤 (kta)까지 증가시킨다. 때때로 크래킹 튜브라 칭해지는, 이들 반응기는 공정의 용량을 증가시키며, 선택성, 수율 및/또는 열 효율을 개선시키려는 노력으로 많은 다양한 형상 및 크기로 제작된다.
스팀 크래킹 동안 가스-상태로 공급되는 전구체 공급원료는 고속으로 반응기로 유동하며, 여기서 스팀으로 희석되고 산소의 존재 없이 가열된다. 그러나, 이러한 공정의 결과로, 코크스, 즉 탄소로 구성된 고체 잔류물의 침착물이 반응기의 내벽 상에 축적될 수 있다. 코크스의 이러한 침착은 이들 반응기의 생산성에 여러 유해 효과를 갖는다:
(1) 코크스는 낮은 열 전도성을 가지므로, 코크스의 침착이 시스템의 열 효율을 낮출 수 있고, 이는 결국 동일한 수준의 생산을 유지하기 위해 연료 유량의 증가를 요구하며, 그에 따라 코크스 침착 속도를 더욱 증가시킬 것이다. 더욱이, 공동 퍼니스에 매달린 일련의 반응기에 걸쳐 상이한 코크스 침착 속도는 목적하는 생산 선택성을 유지하기 위해 필요한 적절한 온도 제어를 방해할 것이다. 코크스 층의 낮은 열 전도성은 또한 보다 높은 튜브 금속 온도를 유도하여, 이는 사용되는 합금의 디자인 한계에 이를 수 있다.
(2) 코크스의 지속적인 침착은 공급원료 가스를 위해 이용가능한 반응기의 단면적을 감소시켜, 보다 고속의 공정 가스 속도 및 반응기 상에서의 보다 높은 압력 강하를 유도할 수 있다. 이러한 압력 강하를 보상하기 위해, 반응기 내부의 전체 압력은 증가되어야 할 것이며, 이는 경질 올레핀에 대한 공정 선택성을, 이들 올레핀 사이의 증가된 2차 반응 속도로 인해 의도치 않게 감소시킨다.
(3) 코크스의 존재는, 그렇지 않으면 경질 올레핀으로서 수집되었을 모든 탄소 원자가 대신 코크스에 혼입되어 손실되기 때문에 크래킹 공정의 탄소 수율을 감소시킨다.
시간 경과에 따른 코크스 침착의 유해 효과를 제한하기 위해 반응기의 디코킹을 위한 정기적인 셧다운이 요구된다. 디코킹 공정은 전형적으로 코크스 침착물을 산화시키고 이들을 모든 반응기의 내벽으로부터 제거하기 위해 1일 이상 동안 전체 퍼니스를 작동하지 않는 것을 수반한다. 그 결과, 디코킹 공정은 운전-길이의 중단에 의해 퍼니스의 생산성을 대폭 감소시키며, 디코킹 공정을 수행하고 그 후에 크래킹 공정을 재시작하기 위해 필요한 재료 및 에너지 비용의 누적에 의해 생산 비용을 증가시킨다. 게다가, 디코킹의 발열 성질을 고려하면, 디코킹 동안 반응기에 열 손상이 발생할 수 있다.
GB969796에 기재된 바와 같은 내부 핀은 내부 표면적을 증가시킴으로써 개선된 열 전달을 달성할 수 있다. 그러나, 노출된 반응기 표면적이 증가함에 따라, 반응기 벽과 접촉하는 층류 층도 증가한다. 이러한 층에서는 높은 체류 시간이 고온과 결합하여, 가치있는 생성물 수율의 상당한 손실을 발생시킨다. 추가적으로, 코크스 침착물이 형성되는 반응기 벽이 보다 많이 노출된다. 그러므로, 튜브의 열 성능은 개선될 수 있지만, 코크스 형성 및 운전 길이에 대한 효과는 심지어 부정적일 수 있다.
US5950718에서는 층류 층을 파괴하고 난류 혼합을 촉진하기 위해 반응기 벽에 볼록 요소를 추가함으로써 이들 문제를 해결하고자 하였다. 이러한 장치는 열 전달 계수를 개선시킬 수는 있지만, 압력 형태의 위치 에너지가 난류 운동 에너지로 변환됨에 따라 전형적으로 과도한 항력을 겪는다. 추가적으로, 유동에서의 이러한 장애는 국부적으로 높은 체류 시간을 갖는 재순환류 패턴을 유도하여, 코크스 형성의 가능성이 높다. 각각의 요소의 별개의 용접은 또한, 요소가 노출되는 높은 국부적 열 및 전단 응력으로 인해 파괴될 수 있기 때문에 추가의 유지보수 위험을 더한다.
따라서, 스팀 크래킹 반응기 및 퍼니스의 운전-길이 증가를 가능하게 하는 신규 기술이 필요하다. 또한, 열화학적 공정 동안 올레핀 선택성을 개선시키는 것을 목표로 하는 기술이 필요하다. 또한, 열 전달을 개선시키는 것을 목표로 하는 기술이 필요하다. 또한, 열 응력을 감소시키는 것을 목표로 하는 기술이 필요하다. 또한, 최대 공정 가스 온도를 증가시킴으로써 보다 높은 극한에서 작업하는 것을 목표로 하는 기술이 필요하다. 또한, 최대 부하를 증가시킴으로써 보다 높은 처리량으로 작업하는 것을 목표로 하는 기술이 필요하다. 또한, 압력 강하의 발생 및/또는 그 규모를 제한하는 것을 목표로 하는 기술이 필요하다.
본원에 기재된 바와 같은 본 발명은 하나 이상의 상기 언급된 요구에 대한 해결책을 제공한다. 본원에 기재된 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시양태는 하나 이상의 상기 언급된 요구에 대한 해결책을 제공한다.
제1 측면에 따르면, 본 발명은 내벽을 갖는, 탄화수소를 크래킹하기 위한 반응기로서; 내벽이 상기 내벽의 표면에 매립된 복수의 오목한 딤플을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기에 관한 것이다. 바람직하게는, 반응기는 열분해, 열 크래킹 또는 스팀 크래킹 반응기이다.
일부 바람직한 실시양태에서, 복수의 오목한 딤플의 각각의 오목한 딤플은 딤플 깊이 e에 의해 특징화되며, 여기서 e는 적어도 0.01 cm 및 최대 1.0 cm, 바람직하게는 적어도 0.1 cm 및 최대 0.5 cm이다.
일부 바람직한 실시양태에서, 복수의 오목한 딤플의 각각의 오목한 딤플은 딤플 직경 d에 의해 특징화되며, 여기서 d는 적어도 0.1 cm 및 최대 5.0 cm, 바람직하게는 적어도 0.5 cm 및 최대 2.0 cm이다.
일부 바람직한 실시양태에서, 복수의 오목한 딤플의 각각의 오목한 딤플은 하기와 같이 정의되는 깊이-대-직경 비 (DDR)에 의해 추가로 특징화되며;
DDR = e/d
여기서 DDR은 적어도 0.01 및 최대 0.5, 바람직하게는 적어도 0.05 및 최대 0.4; 보다 바람직하게는 적어도 0.1 및 최대 0.3이다.
일부 바람직한 실시양태에서, 복수의 오목한 딤플의 각각의 딤플의 형상은 기하학적 특색에 의해, 바람직하게는 평활한 또는 만곡된 에지, 예를 들어, 구체, 회전타원체, 난형체 또는 눈물방울 형상의 적어도 일부분에 의해 특징화된다.
일부 바람직한 실시양태에서, 복수의 딤플 중 적어도 1개의 딤플은 주요 오목부와 상이한 곡률 반경의 2개 이상의 이차적인 만곡 영역을 추가로 포함하며, 여기서 이차적인 만곡 영역은 주요 오목부의 에지 상에 또는 그 안에 위치된다. 도 3은 이러한 이차적인 만곡 영역을 예시한다.
일부 바람직한 실시양태에서, 복수의 오목한 딤플 중 적어도 일부는 하나 이상의 패턴으로 배열되며, 바람직하게는 여기서 패턴은 선형, 지그재그형 및/또는 교차형이다.
일부 바람직한 실시양태에서, 내벽의 적어도 일부는 평활하며, 즉 임의의 오목한 딤플에 의해 덮여 있지 않고, 하기와 같이 정의되는 면적 점유율 (AC)에 의해 추가로 특징화되며;
AC (%) = 딤플에 의해 덮여 있는 내벽의 총 면적/내벽의 총 면적*100
여기서 AC는 적어도 1% 및 최대 99%, 바람직하게는 적어도 20% 및 최대 90%이다.
일부 바람직한 실시양태에서, 반응기는 튜브형 형상을 가지며, 하기에 의해 특징화된다:
- 적어도 10 m 내지 최대 400 m의 총 반응기 길이;
- 적어도 2 cm 내지 최대 20 cm, 바람직하게는 적어도 3 cm 및 최대 15 cm의 내부 직경;
- 적어도 3.0 cm 및 최대 22.0 cm, 바람직하게는 적어도 5.0 cm 및 최대 17.0 cm의, 내부 직경보다 더 큰 외부 직경; 및
- 적어도 0.3 cm 및 최대 2.0 cm, 바람직하게는 적어도 0.5 cm 및 최대 1 cm의, 외부 직경과 내부 직경 사이의 차이의 절반으로서 정의되는 벽 두께.
일부 바람직한 실시양태에서, 벽 두께는 딤플 깊이 e의 2배 (2*e)보다 더 크며, 바람직하게는 여기서 벽 두께는 3*e보다 더 크다. 전형적으로 벽 두께는 항상 딤플 깊이 e보다 더 크다.
일부 바람직한 실시양태에서, 내벽은 금속, 금속 합금, 세라믹 및/또는 그의 조합을 포함한다.
일부 바람직한 실시양태에서, 복수의 오목한 딤플의 각각의 딤플은 반응기와 동일한 재료를 포함한다.
제2 측면에 따르면, 본 발명은 본 발명의 제1 측면 및 그의 바람직한 실시양태에 따른 반응기를 포함하는 퍼니스에 관한 것이다.
제3 측면에 따르면, 본 발명은 하기 단계 중 하나를 포함하는, 본 발명의 제1 측면 및 그의 바람직한 실시양태에 따른 반응기를 제조하는 방법에 관한 것이다:
- 성형;
- 원심 캐스팅;
- 천착; 및/또는
- 침착.
제4 측면에 따르면, 본 발명은 적어도 700℃ 및 최대 900℃의 온도에서 탄화수소 공급원료를 경질 올레핀으로 크래킹하는 단계를 포함하는, 본 발명의 제1 측면 및 그의 바람직한 실시양태에 따른 반응기에서 또는 본 발명의 제2 측면 및 그의 바람직한 실시양태에 따른 퍼니스에서 경질 올레핀을 생산하는 방법에 관한 것이다.
하기 번호를 참조한다: (100) 반응기 - 열분해, 열 크래킹 또는 스팀 크래킹용; (150) 반응기 내벽 - 표면; (200) 딤플 - 오목.
도 1은 반응기 내부 표면 상에 형성된 딤플 배열의 한 실시양태를 예시하기 위한 본 발명의 튜브의 내부 표면의 전개도이다. 이 도면에서 파라미터 d는 딤플 직경 (유동 방향으로 측정됨)을 지칭한다. t2는 유동 방향으로, 서로 엇갈림 각도 γ로 위치된 다음 딤플 줄 사이의 거리이다. 파라미터 t1은 인접 딤플 사이의 방위 거리를 지칭하며, 단면적당 딤플의 개수 n 및 튜브 직경 D로부터 πD/n으로서 계산될 수 있다.
도 2는 개별 딤플의 다양한 파라미터를 예시하기 위한 만곡된 원통형 표면 상의 딤플의 단면도이며; 실시예 1에 추가로 기재되어 있다. 이 도면에는 반경 R 및 벽 두께 t를 갖는 튜브이며, 그 위에 구형 형상 및 반경 r을 갖는 딤플이 각인된 튜브가 제시되어 있다. 각도 α 및 β는 각각 딤플 중심 및 튜브 중심으로부터의 딤플 원호의 원호각에 상응한다. 원통형 튜브의 만곡된 표면 때문에, 유동 방향의 딤플 직경 d는 방위 방향의 겉보기 직경 d'와 상이하다. 추가적으로, 겉보기 깊이 ε+e는 튜브의 곡률 때문에 실제 딤플 깊이 e보다 더 클 수 있다.
도 3은 각각의 곡률 1/r1, -1/r2 및 -1/r3을 갖는 3개의 동심형 만곡 영역 S1, S2 및 S3의 적용을 통해 잠재적으로 감소된 압력 손실을 갖는 딤플의 디자인을 예시한다. 이러한 경우에 딤플 깊이 e 및 직경 d는 최종 딤플 형상의 극값으로서 계산될 수 있다.
도 4는 구형 (a), 눈물방울 (b), 회전타원체 (c) 및 경사 (d) 회전타원체 딤플 디자인을 포함한, 다양한 딤플 형상을 예시하기 위한 본 발명의 튜브의 내부 표면의 전개도 (상면) 및 반경 방향 단면도 (저면)이다. 경사 회전타원체 딤플의 경우에 각도 δ는 유동 방향과 회전타원체 장축 사이의 각도로서 정의된다.
도 5는 다양한 딤플 파라미터 조합에 대해 참조 베어 튜브 및 선행 기술 튜브와 비교하여 압력 손실 및 열 전달 증진을 제시하는 그래프이며; 실시예 2에 추가로 기재되어 있다.
도 6은 선행 기술 튜브와 비교하여, 본 발명의 2개 실시양태에서 상대 열 전달 증진 및 압력 손실에 있어서의 레이놀즈 수 의존성을 제시하는 그래프이며; 실시예 3에 추가로 기재되어 있다.
도 7(a)는 t = 1.8s 내지 t = 2.0s. 사이의 시간-평균 라지 에디 시뮬레이션 데이터를 사용하여 얻어진, 0.45의 딤플 깊이-대-직경 비를 갖는 딤플형 표면 상의 스트림라인의 플롯이며; 실시예 5에 추가로 기재되어 있다.
도 7(b)는 도 7(a)에 나타나 있는 바와 같은, "좌측" 및 "우측" 위치에서의 순간 유동 방향 속도를 제시하는 그래프이며; 실시예 5에 추가로 기재되어 있다.
본 발명의 본 시스템 및 방법을 기재하기 전에, 기재된 특정한 시스템 및 방법 및 조합은 당연히 달라질 수 있으므로, 본 발명이 이러한 시스템 및 방법 또는 조합으로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 범주는 단지 첨부된 청구범위에 의해 제한될 것이므로, 본원에 사용된 용어는 제한적으로 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
본원에 사용된 단수 형태는, 문맥이 달리 명백하게 지시하지 않는 한, 단수 및 복수 지시대상 둘 다를 포함한다. 본원에 사용된 용어 "포함하는", "포함한다" 및 "로 구성된"은 "포함한", "포함된다" 또는 "함유하는", "함유한다"와 동의어이고, 포괄적이거나 또는 개방형이며 추가의 열거되지 않은 구성원, 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않는다. 본원에 사용된 용어 "포함하는", "포함한다" 및 "로 구성된"은 용어 "로 이루어진", "이루어진다" 및 "로 이루어진다"를 포함한다는 것이 인지될 것이다.
종점에 의한 수치 범위의 열거는 열거된 종점 뿐만 아니라, 각각의 범위 내에 포함된 모든 수 및 분수를 포함한다. 측정가능한 값 예컨대 파라미터, 양, 시간적 기간 등을 언급하는 경우에 본원에 사용된 용어 "약" 또는 "대략"은 명시된 값의 및 그로부터의 +/-10% 이하, 바람직하게는 +/-5% 이하, 보다 바람직하게는 +/-1% 이하, 보다 더 바람직하게는 +/-0.1% 이하의 편차를, 이러한 편차가 개시된 발명에서 수행하기에 적절하다면, 포괄하고자 한다. 수식어 "약" 또는 "대략"이 관련된 값은 또한 그 자체가 구체적으로 및 바람직하게 개시된 것으로 이해되어야 한다.
용어 "하나 이상" 또는 "적어도 하나", 예컨대 구성원들의 군 중 하나 이상의 또는 적어도 하나의 구성원(들)은 추가의 예시에 의해 그 자체가 명확하지만, 상기 용어는 특히 상기 구성원들 중 어느 하나 또는 상기 구성원들 중 어느 둘 또는 그 초과, 예컨대, 예를 들어, 상기 구성원들 중 어느 ≥3, ≥4, ≥5, ≥6 또는 ≥7 등 및 최대 모든 상기 구성원들을 지칭하는 것을 포괄한다.
본 명세서에 인용된 모든 참고문헌은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다. 특히, 본원에 구체적으로 언급된 모든 참고문헌의 교시는 참조로 포함된다.
달리 정의되지 않는 한, 기술 과학 용어를 포함한, 본 발명을 개시하는데 사용된 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 같은 의미를 갖는다. 본 발명의 교시를 더욱 잘 인지하기 위해, 추가의 지침에 의해 용어 정의가 포함된다.
하기 본문에서, 본 발명의 다양한 측면이 보다 상세히 정의된다. 이와 같이 정의된 각각의 측면은, 달리 명백하게 나타내지 않는 한, 임의의 다른 측면 또는 측면들과 조합될 수 있다. 특히, 바람직하거나 또는 유리한 것으로 나타낸 임의의 특색 또는 실시양태는 바람직하거나 또는 유리한 것으로 나타낸 임의의 다른 특색 또는 실시양태와 조합될 수 있다.
본 명세서 전체에 걸쳐 "하나의 실시양태" 또는 "한 실시양태"라는 언급은 그 실시양태와 관련하여 기재된 특정한 특색, 구조 또는 특징이 본 발명의 적어도 하나의 실시양태에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐 다양한 곳에서 "하나의 실시양태에서" 또는 "한 실시양태에서"라는 어구가 있으면 모두가 반드시 동일한 실시양태를 언급하는 것이 아니라, 동일한 실시양태를 언급하는 것일 수도 있다. 게다가, 특정한 특색, 구조 또는 특징은, 본 개시내용으로부터 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 바와 같이, 하나 이상의 실시양태에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 게다가, 본원에 기재된 일부 실시양태가 다른 실시양태에 포함된 특색의 일부를 포함하나 그 밖의 다른 특색은 포함하지 않으면서, 다양한 실시양태의 특색의 조합은 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 의도되며 다른 실시양태를 형성한다. 예를 들어, 첨부된 청구범위에서, 임의의 청구된 실시양태는 임의로 조합되어 사용될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서, 그의 일부를 형성하며 단지 본 발명이 실시될 수 있는 구체적 실시양태의 예로서 제시된 첨부 도면을 참조한다. 각각의 요소에 붙어 있는 괄호 안의 또는 볼드체의 참조 번호는 요소를 단지 예로서 예시하는 것이며, 그에 의해 각각의 요소를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않으면서, 다른 실시양태가 활용될 수 있으며 구조적 또는 논리적 변화가 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 하기 상세한 설명은 제한적인 의미로 이해되지 않아야 하고, 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위에 의해 정의된다.
용어 "스팀 크래킹 공정"은 전구체 공급원료 내에 함유된 1개 이상의 탄소 결합이 열 에너지에 의해 파괴되어, 전구체 공급원료의 큰 분자가 생성물의 보다 짧은, 바람직하게는 불포화 분자로 분열되는 화학 반응을 지칭한다. 용어 "열분해"는 산소 (또는 임의의 할로겐) 부재 하 승온에서의 유기 재료의 열화학적 분해를 지칭하고; 이는 열적분해의 형태이며, 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 관련된 것으로 또는 동의어인 것으로 간주될 수 있는 임의의 용어를 포함한다. 스팀 크래킹에 관한 보다 많은 세부사항은 문헌 [Zimmermann, H.; Walzl, R., Ethylene. In Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: 2000; pp 469-493]에서 찾아볼 수 있으며, 이 문헌은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
용어 "전구체 공급원료"는 열화학적 분해를 겪으면서 생성물로 변형되는 반응기에 공급되는 유기 화합물 군을 지칭하며; 바람직하게는 전구체 공급원료는 스팀 크래킹 공정에 의해 (경질) 올레핀으로 분열되는 탄화수소를 포함한다. 적합한 전구체 공급원료의 예는 에탄, 프로판, 부탄, LPG, (재생가능한) 나프타, 경질 가스 오일, 진공 가스 오일, 가스 응축물, (수소처리된) 원유 등, 및/또는 그의 조합의 코-크래킹을 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다. 코킹 (침착)을 나타내는 임의의 공급원료가 특히 본 발명으로부터 이익을 얻을 것이다.
용어 "생성물"은 열화학적 반응이 전구체 공급원료를 변형시킨 후에 반응기로부터 수득되는 유기 화합물 군을 지칭한다. 바람직하게는 생성물은 스팀 크래킹 공정에 의해 파괴된 탄화수소로부터 수득된 (경질) 올레핀을 포함한다. 목적 생성물의 예는 에틸렌, 프로필렌, 벤젠, 부타디엔 등 및/또는 그의 조합을 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다.
본원에 사용된 용어 "반응기"는 화학 반응을 함유하기 위한 본 발명에 따른 장치 또는 구조를 지칭하며; 바람직하게는 상기 화학 반응은 올레핀 생산을 위한 스팀 크래킹을 수반한다. 본원에 사용된 용어 "내벽"은 반응기 구조 내에 포함된 표면 영역을 지칭하며; 바람직하게는 화학 반응이 일어나는 공간과 접촉해 있다. 본원에 사용된 용어 "외벽"은 반응기 구조의 외부에 포함된 표면 영역을 지칭하며; 바람직하게는 그로부터 열 에너지가 반응기에 공급되는 공간을 갖는다. 반응기 튜브의 다양한 형상의 예는 문헌 [van Goethem, M. W. M.; Jelsma, E., Numerical and experimental study of enhanced heat transfer and pressure drop for high temperature applications. Chem. Eng. Res. Des. 2014, 92 (4), 663-671]에서 찾아볼 수 있으며, 이 문헌은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
또한 "오븐"이라고도 공지되어 있는, 본원에 사용된 용어 "퍼니스"는 화학 반응을 함유하기 위한 본 발명에 따른 1개 이상의 반응기를 포함하는 장치 또는 구조를 지칭하며; 바람직하게는 상기 화학 반응은 올레핀 생산을 위한 스팀 크래킹을 수반한다. 퍼니스는 (초) 고온 가열에 적합하도록 개조된다. 퍼니스의 일반 구조는 관련 기술분야에 공지되어 있으며, 가열 및 열 분배를 위해 구성된 1개 이상의 구조; 예를 들어, 히팅 플레이스 또는 파이어플레이스, 침니, 커넥터 파이프 등을 추가로 포함할 수 있다. 스팀 크래킹에 적합한 퍼니스 디자인에 관한 보다 많은 세부사항은 문헌 [Zimmermann, H.; Walzl, R., Ethylene. In Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: 2000; pp 482-491]에서 찾아볼 수 있으며, 이 문헌은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
본원에 사용된 용어 "딤플"은 반응기의 내벽 표면에서의 오목한 함몰부를 지칭하며; 바람직하게는 여기서 딤플은 오목한 함몰부이고; 바람직하게는 여기서 딤플은 반응기의 내부 영역에 대해 중공부이다. 본원에 사용된 용어 "오목한"은 구체 또는 회전타원체의 내부와 같이 안으로 만곡된 표면 영역을 지칭하며; 이는 용어 함입된, 압입된, 안으로 등을 포함한다. 본원에 사용된 용어 "패턴"은 모델 또는 디자인에 의해 구별가능한 규칙적이고 반복된 포맷의 딤플의 정렬된 배열을 지칭한다.
레이놀즈 수 (Re)는 운동량 힘 (또는 관성력) 대 점성력의 비로서 정의되며, 따라서 결론적으로 주어진 유동 조건에 대해 상대적으로 중요한 이들 2가지 유형의 힘을 정량화한다. 운동량 힘은 유속 및 길이 척도와 관련있을 수 있다. 원통형 튜브의 경우에, 이는 하기 정의를 유도한다: Re = uD/ν, 여기서 ν는 동점도임.
제1 측면에 따르면, 본 발명은 내벽을 갖는, 탄화수소를 크래킹하기 위한 반응기로서; 내벽이 상기 내벽의 표면에 매립된 복수의 오목한 딤플을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기를 포괄한다. 바람직하게는, 모든 딤플은 오목하다. 바람직하게는, 반응기는 열분해, 열 크래킹 또는 스팀 크래킹 반응기이다. 일부 실시양태에서, 반응기는 열화학적 반응기이다. 일부 실시양태에서, 반응기는 열적분해를 위한 반응기, 보다 바람직하게는 열분해를 위한 반응기이다. 가장 바람직한 실시양태에서, 반응기는 스팀 크래킹 반응기이다.
바람직하게는, 반응기 벽은 촉매를 본질적으로 갖지 않으며, 바람직하게는 반응기 내에 촉매 위치를 갖지 않는다. 예를 들어, 개질 반응기에서, 반응기는 전형적으로 반응기 내에 위치된 촉매를 포함할 것이다. 열분해, 열 크래킹 또는 스팀 크래킹 반응기는 통상적으로 반응기 내부에 촉매를 갖지 않는다. 그러나, 벽 자체가 촉매 활성을 갖는 요소를 포함할 수도 있다.
바람직하게는, 반응기는 700 - 1200℃의 온도를 견디도록 구성된다. 열분해, 열 크래킹 또는 스팀 크래킹 반응기는 통상적으로 이러한 온도를 견디도록 구성된다. 예를 들어 반응기는 CrNi + 강철, Cr + 강철, 또는 Al 합금으로 구축될 수 있다.
바람직하게는, 반응기는 디코킹 시스템을 포함한다. 적합한 디코킹 시스템은 US20130239999A1의 단락 [0008] 및 [0009]에서 찾아볼 수 있다. 이들 단락은 본원에 참조로 포함된다. 적합한 디코킹 시스템은 또한 WO2016032730A의 단락 [0006]에서도 찾아볼 수 있다. 이 단락은 본원에 참조로 포함된다.
일부 실시양태에서, 디코킹 시스템은 공기 유입구 및/또는 유출구를 포함한다. 일부 실시양태에서, 디코킹 시스템은 스팀 유입구 및/또는 유출구를 포함한다. 일부 실시양태에서, 디코킹 시스템은 공기 유입구 및 스팀 유입구, 바람직하게는 또한 공기 유출구 및 스팀 유출구를 포함한다. 유출구는 공기 및/또는 스팀을 대기 중으로 방출할 수 있다.
반응기는 "외부 영역"으로부터 "내부 영역"을 부분적으로 실링하는 반응기 벽을 포함하며; 바람직하게는, 반응기 벽은 반응기를 통해 통과하는 분자의 유동을 가능하게 하는 입구 지점 및 배출구 지점을 적어도 갖는다. 전구체 공급원료가 반응기에 공급되는 입구 지점은 본원에서 "입구"라 지칭되고, 생성물이 추출되고/거나 수집되는 배출구 지점은 본원에서 "배출구"라 지칭된다. 반응기는 각각의 배출구 지점에 대한 복수의 입구 지점으로 이루어질 수 있다. 그러면 이들 입구 지점에 연결된 반응기 벽은 입구 지점의 하류에 있는 하나 이상의 위치에서 1개 또는 여러 개의 매니폴드 구조에 의해 연결된다.
일부 실시양태에서, 반응기는 공간상의 반응기의 내부 영역과 연결되는 내벽을 가지며; 바람직하게는 내부 영역은 열화학적 반응이 일어나는 공간이며; 보다 바람직하게는 스팀 크래킹이 수행되는 공간이다. 일부 실시양태에서, 반응기는 공간상의 반응기의 외부 영역과 연결되는 외벽을 가지며; 바람직하게는 외부 영역은 그로부터 에너지가 반응기에 공급되는 공간이며; 보다 바람직하게는 에너지는 열의 형태로 공급되며; 가장 바람직하게는 에너지는 열의 형태로 퍼니스에 의해 공급된다.
바람직하게는, 내벽은 복수의 오목한 딤플을 포함한다. 일부 실시양태에서, 반응기 내벽은 복수의 중공 딤플을 포함하며; 바람직하게는 딤플은 내벽 안으로 함입되며; 가장 바람직하게는 딤플은 오목하다. 일부 실시양태에서, 반응기 내벽은 내벽이 상기 내벽의 표면에 매립된 복수의 오목한 딤플을 포함하는 것을 특징으로 하며; 바람직하게는 딤플은 내벽 표면의 부분을 형성한다.
일부 실시양태에서, 반응기는 내벽이 상기 내벽의 표면에 매립된 복수의 오목한 딤플을 포함하는 것을 특징으로 한다.
반응기의 내벽 내부에 딤플을 제공함으로써, 증진된 열 전달 및 감소된 침착 속도와 같은 여러 이점을 얻는다. 반응기에서의 열 전달을 증진시킴으로써, 보다 높은 극한, 즉 온도에서 작업하는 것이 가능해질 수 있어, 동일한 처리량 및 운전 길이를 유지하면서 보다 높은 에틸렌 및 총 올레핀 선택성을 허용할 수 있고/거나; 증가된 부하에서 작업하는 것이 가능해질 수 있어, 동일한 운전 길이 및 극한에서 보다 많은 처리량을 허용할 수 있다. 추가적으로, 코크스 침착 속도를 감소시킴으로써, 반응기의 운전 길이를 증가시켜 반응기의 생산성을 증가시키고, 스팀 크래킹의 비용 및 에너지 효율을 증가시키며, 침착된 코크스로의 탄소 손실을 낮춤으로써 보다 높은 수율을 얻는 것이 가능해질 수 있다. 추가적으로, 반응기에서의 열 전달을 증진시킴으로써, 감소된 반응기 벽 온도에서 작업하는 것이 가능해질 수 있어, 침탄을 감소시키며 반응기 재료의 수명을 증가시킨다.
실시예에서 입증된 바와 같이, 이차적인 유동 패턴이 딤플에 의해 발생되어, 코크스의 제거를 보조한다. 이러한 유동 패턴은 공동 내부에서의 저압 구역의 발생 때문에, 흡입력에 의한 공정 가스의 딤플 내로의 연행을 특징으로 한다. 추가적으로, 선회류가 공동 내부에서 발생되며, 그 후에 고온 공정 가스가 튜브의 코어를 향해 다시 분출된다. 이러한 분출된 유체는 주류에 대해 접선 방향으로 딤플에서 나와, 공정 가스의 반경 및 접선 방향 혼합을 둘 다 증진시킬 수 있다 (도 7). 이러한 방식으로, 유체가 연속적으로 분출됨에 따라, 높은 국부 체류 시간 및 온도를 갖는 구역의 존재를 피할 수 있다. 체류 시간의 이러한 개선된 분포는 실시예 4에 의해 입증된 바와 같이, 개선된 생성물 수율을 유도할 것으로 예상될 수 있다.
기재된 패턴은 또한 진동 운동을 나타낼 수 있다. 이는 평균 유동이 축 방향을 따르는 반면, 반응기 벽 근처에서의 유체는 일정한 간격으로 자기-지속 방식으로 방향을 변경하는 접선 방향 구성요소를 갖는다는 것을 암시한다. 유동 방향의 변경은 이들 반응기에서 오손에 대해 중요한 영향을 미칠 수 있다. 표면 상의 전단 방향이 연속적으로 변화할 것이므로, 벽 상에 형성된 임의의 코크스는 딤플로 인해 보다 용이하게 파괴될 것으로 예상된다. 이러한 방식으로, 딤플형 실시양태는 "자기-세정" 효과를 나타낼 것으로 예상된다. 이는 실시예 5에서 입증되었으며, 그로부터 표면 파라미터가 이러한 바람직한 유동 패턴을 얻는데 있어서 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있다.
일부 실시양태에서, 반응기는 열화학적 반응기이다. 일부 실시양태에서, 반응기는 열적분해를 위한 반응기, 보다 바람직하게는 열분해를 위한 반응기이다. 가장 바람직한 실시양태에서 반응기는 스팀 크래킹 반응기이다.
일부 실시양태에서, 각각의 딤플은 딤플 깊이 e 및 딤플 직경 d에 의해 특징화된다. 바람직하게는, 복수의 오목한 딤플의 각각의 딤플은 딤플 깊이 e 및 딤플 직경 d에 의해 특징화된다. 동일한 딤플 깊이 e를 공유하는 복수의 딤플로부터의 딤플의 하위세트는 본원에서 "공동 딤플 깊이"를 갖는 딤플이라 지칭된다. 동일한 딤플 직경 d를 공유하는 복수의 딤플로부터의 딤플의 하위세트는 본원에서 "공동 딤플 직경"을 갖는 딤플이라 지칭된다.
딤플 깊이 e는 원통형 내벽 표면과 원통형 표면으로부터 가장 멀리 있는 상기 딤플 내부의 가장 깊은 지점 사이의 거리로서 측정되며; 바람직하게는 가장 깊은 지점은 딤플의 중심과 일치하지만, 반드시 그런 것은 아니며, 임의의 이차적인 구조가 딤플 내에 위치될 것이다. 일부 실시양태에서, 딤플 깊이 e는 적어도 0.01 cm 및 최대 1.0 cm, 바람직하게는 적어도 0.05 cm 및 최대 0.8 cm, 가장 바람직하게는 적어도 0.1 cm 및 최대 0.5 cm이다.
딤플 직경 d는 딤플의 중심을 관통하면서 직선 선분으로서 이어지는 딤플의 에지 상에 놓여 있는 딤플의 2개의 대척점, 즉 정반대 지점 사이의 최대 거리로서 측정된다. 일부 실시양태에서, 딤플 직경 d는 적어도 0.1 cm 및 최대 5.0 cm이며, 바람직하게는 적어도 0.2 cm 및 최대 3.0 cm이며; 가장 바람직하게는 적어도 0.5 cm 및 최대 2.0 cm이다.
일부 실시양태에서, 복수의 딤플 중 적어도 일부는 공동 딤플 깊이 및 공동 딤플 직경을 가지고; 일부 실시양태에서 복수의 딤플 중 모든 딤플은 공동 딤플 깊이 및 공동 딤플 직경을 갖는다. 일부 실시양태에서, 복수의 딤플 중 적어도 일부는 공동 딤플 깊이를 갖지만, 상이한 딤플 직경을 가질 수 있고; 일부 실시양태에서 복수의 딤플 중 모든 딤플은 공동 딤플 깊이를 갖지만, 복수의 상기 딤플 중 적어도 일부는 상이한 딤플 직경을 갖는다. 일부 실시양태에서, 복수의 딤플 중 적어도 일부는 공동 딤플 직경을 갖지만, 상이한 딤플 깊이를 가질 수 있고; 일부 실시양태에서 복수의 딤플 중 모든 딤플은 공동 딤플 직경을 갖지만, 복수의 상기 딤플 중 적어도 일부는 상이한 딤플 깊이를 갖는다. 일부 실시양태에서, 복수의 딤플 중 적어도 일부는 상이한 딤플 깊이 및 상이한 딤플 직경을 가지고; 일부 실시양태에서 복수의 딤플 중 모든 딤플은 상이한 딤플 깊이 및 상이한 딤플 직경을 갖는다.
일부 실시양태에서, 복수의 딤플을 형성하는 딤플 중 2개 이상의 일부는 공동 딤플 깊이 및 공동 딤플 직경을 갖는다. 바람직하게는, 공동 딤플 깊이 및 공동 딤플 직경을 갖는 복수의 딤플을 형성하는 딤플 중 2개 이상의 일부는, 이들이 상이한 딤플 파라미터로부터 이익을 얻게 될 반응기 내벽의 상이한 영역에 포함되도록 구성된다. 상이한 직경 및/또는 깊이를 갖는 딤플의 일부를 구현함으로써, 딤플의 비율은 반응기의 특정 영역에 따라 조정될 수 있으며; 예를 들어 보다 빠른 속도의 스팀 크래킹, 코크스 침착, 보다 높은 분자 유동 및/또는 압력 강하가 존재하는 반응기 굴곡부 또는 만곡부 주위의 특정 핫-스팟은 보다 느린 속도가 존재하는 반응기 배출구에 가까운 영역보다 더 깊고/거나 더 넓은 딤플로부터 더 큰 이익을 얻을 수 있다. 예를 들어, 얕은 딤플, 즉 0.1 cm의 딤플 깊이는 반응기가 굴곡부를 형성하는 영역에 위치될 수 있으며, 반면 보다 깊은 딤플, 즉 0.3 cm의 딤플 깊이는 반응기가 직선으로 이어지는 영역에 위치될 수 있다. 예를 들어, 얕은 딤플은 반응기의 유입구 튜브에 위치될 수 있으며 (보다 낮은 공정 온도, 감소된 압력 강하), 반면 보다 깊은 딤플은 핫스팟 또는 유출구 튜브에 위치될 수 있다. 딤플 파라미터의 이러한 맞춤은 반응기의 운전-길이, 선택성, 열 전달, 압력 강하, 처리량 및 수명 주기 면에서 이점을 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 복수의 오목한 딤플 중 일부 딤플은 하기와 같이 정의되는 깊이-대-직경 비 (DDR)에 의해 추가로 특징화된다:
DDR = 딤플 깊이 e/ 딤플 직경 d; (또는 DDR = e/d).
추가 실시양태에서, 복수의 딤플을 형성하는 각각의 딤플은 DDR에 의해 특징화된다.
바람직하게는, DDR은 적어도 0.01 및 최대 0.5, 바람직하게는 적어도 0.05 및 최대 0.3; 보다 바람직하게는 적어도 0.1 및 최대 0.2; 보다 바람직하게는 적어도 0.15 및 최대 0.25, 예를 들어 약 0.20이다. 일부 실시양태에서, DDR은 적어도 0.01 및 최대 0.5, 바람직하게는 적어도 0.05 및 최대 0.4; 보다 바람직하게는 적어도 0.1 및 최대 0.3이다. 공동 딤플 깊이 및 공동 딤플 직경을 공유하는 복수의 딤플로부터의 딤플의 일부 모두는 본원에서 "공동 딤플 DDR"을 갖는 딤플이라 지칭된다.
딤플의 DDR 규모는 딤플 내부 표면의 오목함 정도와 관련이 있다. 오목함 수준은 반응기의 내부 세그먼트에 존재하는 분자와 딤플의 상호작용에 영향이 있을 수 있다. 오목함 수준의 변경은 반응기의 운전-길이, 열 전달, 처리량 면에서 이점을 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 1개 이상의 딤플의 형상은 기하학적 특색에 의해 특징화되고; 추가 실시양태에서, 복수의 딤플의 각각의 딤플의 형상은 기하학적 특색에 의해 특징화된다. 바람직하게는, 기하학적 특색은 비-선형 에지, 예컨대 평활한, 둥근 또는 만곡된 에지, 바람직하게는 구체, 회전타원체, 난형체 또는 눈물방울 형상 또는 그의 조합의 적어도 일부분에 의해 추가로 특징화된다. 일부 실시양태에서, 복수의 딤플을 형성하는 딤플 중 적어도 일부는 유사한 기하학적 특색에 의해 특징화된다. 일부 실시양태에서, 복수의 딤플을 형성하는 각각의 딤플은 유사한 기하학적 특색에 의해 특징화된다.
일부 실시양태에서, 축방향 단면 상 돌출된 눈물방울의 형상은 하기 파라미터 방정식에 의해 특징화될 수 있다: x(t) = a*cos(t), y(t) = b*sin(t)sinm(t/2), 여기서 m은 적어도 0.5 및 최대 5임. 다른 바람직한 형상은 조롱박 모양 곡선 x(t) = a*(1+sin(t)), y(t) = b*cos(t)*(1+sin(t)); 또는 아령 모양 곡선 x(t) = a*t, y(t) = a*t2*(1-t2)^(-1/2)를 포함한다.
일부 바람직한 실시양태에서, 복수의 딤플을 형성하는 딤플 중 2개 이상의 일부는 유사한 기하학적 특색에 의해 특징화된다. 바람직하게는, 유사한 기하학적 특색에 의해 특징화되는 복수의 딤플을 형성하는 딤플 중 2개 이상의 일부는, 이들이 상이한 딤플 기하구조로부터 이익을 얻게 될 반응기 내벽의 상이한 영역에 포함되도록 구성된다. 상이한 기하학적 특색을 갖는 딤플의 일부를 구현함으로써, 딤플의 기하구조는 반응기의 특정 영역에 따라 조정될 수 있으며, 예를 들어 보다 빠른 속도의 스팀 크래킹, 코크스 침착, 보다 높은 분자 유동 및/또는 압력 강하가 존재하는 반응기 굴곡부 또는 만곡부 주위의 특정 핫-스팟은 보다 느린 속도가 존재하는 반응기 배출구에 가까운 영역보다 더 구형의 딤플을 요구할 수 있다. 예를 들어, 구형 딤플은 반응기가 굴곡부를 형성하는 영역에 위치될 수 있으며, 반면 눈물방울 또는 타원형 딤플은 반응기가 직선으로 이어지는 영역에 위치될 수 있다. 기하학적 특색의 이러한 맞춤은 반응기의 운전-길이, 열 전달, 처리량 및 수명 주기 면에서 이점을 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 1개 이상의 딤플, 바람직하게는 1개 이상의 오목한 딤플은 2개 이상의 이차적인 만곡 영역을 포함하며, 여기서 이차적인 만곡 영역은 1개 이상의 다른 오목한 딤플과 상이한 곡률 반경을 가지고, 여기서 이차적인 만곡 영역은 1개 이상의 오목한 딤플 상에 또는 그 주위에 위치된다. 예시적 실시양태에서, 추가의 돌출 반원이 딤플을 둘러쌀 수 있고, 바람직하게는 이들 반원은 딤플 에지에 평행하게 정렬되며 가스 유동에 대해 볼록한 둥근 에지를 갖는다. 또 다른 예시적인 실시양태에서, 추가의 편평한 또는 볼록한 영역이 딤플 내에, 바람직하게는 딤플의 표면 영역 바깥쪽으로 돌출되지 않으면서 위치될 수 있다.
딤플 주위에 또는 그 내부에 2개 이상의 만곡 영역의 추가는 유사한 압력 손실에서, 이차적인 만곡 영역을 갖지 않는 복수의 딤플의 구현의 경우에 보고된 이점에 더해, 반응기의 운전-길이, 열 전달, 처리량 면에서 추가의 이점을 유도할 수 있다.
일부 실시양태에서, 복수의 딤플 중 적어도 일부는 소정의 패턴으로 배열된다. 일부 실시양태에서, 복수의 딤플 중 모든 딤플은 소정의 패턴으로 배열된다.
일부 실시양태에서, 복수의 딤플 중 적어도 일부는 2개 이상의 패턴으로 배열된다. 다중 패턴의 적용은 반응기 내 특정 영역으로 제한될 수 있으며, 예컨대 반응기의 입구, 중심 영역 또는 배출구에 상이한 패턴이 사용되거나; 또는 대안적으로, 반응기 내 반대 편에, 예를 들어 반응기의 굴곡부 또는 비틀림부 동안 하나의 패턴이 긴 굴곡부에 사용될 수 있고 또 다른 패턴이 반대 편의 짧은 굴곡부에 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 2개 이상의 패턴이 혼합되며, 이에 의해 새로운 패턴 디자인을 형성할 수 있다. 일부 실시양태에서, 패턴은 또한 반응기 튜브 내의 가스 유동을, 예컨대 반응기 벽과 나란히 선형 패턴으로 안내하는데 사용될 수 있다.
적합한 패턴의 예는 선형 패턴, 지그재그형, 교차형 등을 포함한다. 특정 패턴은 열 전달, 압력 강하 또는 침착 속도에 대한 개선된 또는 감소된 효과를 가질 수 있다. 내벽을 따라 소정의 패턴으로의 딤플의 배열은 반응기의 운전-길이, 선택성, 열 전달, 처리량 면에서 추가의 이점을 유도할 수 있다.
임의의 딤플에 의해 덮여 있지 않은 반응기 내벽의 일부는 이후로 "평활한" 것으로 지칭된다. 일부 실시양태에서, 내벽의 적어도 일부는 평활하다. 반응기 내의 특정 영역에 대해서는 딤플의 추가가 유익한 효과를 거의 내지 전혀 갖지 않을 수 있으며, 이러한 영역은 낮은 농도의 침착 전구체 또는 침착 속도를 제시할 수 있다. 이들 영역에 대한 딤플의 추가는 단지 반응기에 비용이 더 많이 들게 할 뿐이므로, 평활한 영역의 구현이 제조 및 제조 비용 면에서 이점을 가질 수 있다. 추가적으로, 반응기의 특정 영역은 내벽이 얇아짐으로 인해 감소된 구조적 완전성을 겪을 수 있고, 따라서 이들 영역은 임의의 반응기 손상의 기회를 감소시키고 상기 반응기의 수명을 증가시키기 위해 전략적으로 평활하게 남겨둘 수 있다.
일부 실시양태에서, 특정 영역은 딤플 및 딤플 패턴의 특정 이점을 보다 잘 구현하기 위해 평활하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 특정 유동 방향은 소정의 패턴의 딤플을 사용하여 재지시되어 특정 반응기 벽 영역으로부터의 유동이 방향전환되고 그것이 평활한 영역의 방향을 따르게 할 수 있다. 일부 실시양태에서, 모서리, 굴곡부 또는 비틀림부와 같은 특정 영역은 공정 가스의 유동을 개선시키기 위해 평활한 영역을 요구할 수 있다.
본원에 사용된 용어 "면적 점유율"은 하기와 같이 정의되는, 딤플에 의해 덮여 있는 내벽의 총 면적의 백분율이다: AC (%) = 딤플에 의해 덮여 있는 내벽의 총 면적/내벽의 총 면적*100. 일부 바람직한 실시양태에서, AC는 적어도 1% 및 최대 99%, 보다 바람직하게는 적어도 20% 및 최대 90%이다. AC가 반드시 결정적 디자인 파라미터는 아닐 수도 있지만, 딤플 직경 및 패턴과 관련된, 다음 딤플 사이의 거리 및/또는 반응기 영역, 즉 입구, 배출구, 굴곡부, 비틀림부, 모서리 등에 따른 딤플 및 평활한 영역의 상기 언급된 디자인의 결과일 수 있다.
일부 실시양태에서, 반응기는 특정 반응기 길이, 내부 직경, 외부 직경 및 벽 두께를 갖는 튜브형 형상을 갖는다. 최대 생성물 선택성을 위한 바람직한 실시양태에서, 튜브형 반응기는 선형 형상을 갖는다. 그러나, 열 효율 및 반응기 수명 주기 때문에 굴곡부, 비틀림부 등에 의해 연결된 다중 경로를 갖는 튜브형 반응기와 같은 다른 실시양태가 또한 존재한다.
반응기는 반응기 길이에 의해 특징화될 수 있으며, 바람직하게는 여기서 길이는 적어도 10m 및 최대 400m, 예를 들어 최대 100m이다. 반응기는 반응기의 내벽을 따라 2개의 대척점으로부터의 직경에 상응하는, 내부 직경에 의해 추가로 특징화될 수 있다. 내부 직경은 바람직하게는 적어도 2 cm 내지 최대 49 cm; 보다 바람직하게는 적어도 2.5 cm 및 최대 29 cm; 가장 바람직하게는 적어도 3 cm 및 최대 15 cm이다. 반응기는 반응기의 외벽을 따라 2개의 대척점으로부터의 직경에 상응하는, 외부 직경에 의해 추가로 특징화될 수 있다. 외부 직경은 바람직하게는 적어도 3 cm 및 최대 50 cm; 보다 바람직하게는 적어도 4 cm 및 최대 30 cm; 가장 바람직하게는 적어도 5 cm 및 최대 17 cm이다. 반응기는 외부 직경과 내부 직경 사이의 차이의 절반에 상응하는, 벽 두께에 의해 추가로 특징화될 수 있으며, 여기서 벽 두께는 바람직하게는 적어도 0.3 cm 및 최대 2.0 cm; 보다 바람직하게는 적어도 0.4 cm 및 최대 1.5 cm; 가장 바람직하게는 적어도 0.5 cm 및 최대 1 cm이다. 길이, 내부 및 외부 직경, 및 더 나아가 벽 두께는 공정 최적화, 운전-길이, 선택성 및 열 효율의 이유로 조정될 수 있다.
일부 실시양태에서, 내벽은 딤플 깊이 e보다 실질적으로 더 두껍고; 그렇지 않으면 열 크래킹 공정 동안 존재하는 강력한 열 에너지로부터 기인하여 구조적 및 재료 완전성이 손상될 수 있다.
보다 두꺼운 반응기 벽은 보다 낮은 열 효율을 유도할 수 있으며, 추가적으로, 비용이 더 많이 들고 제조, 수송 및 설치가 어려울 수 있다. 따라서, 최적의 디자인은 최대 또는 평균 딤플 깊이에 따라 벽 두께를 최적화하고자 할 것이다.
본 발명자들은 원래의 디자인 벽 두께와 관련하여 최소 벽 두께를 일정하게 유지하는 것, 즉 t-e
Figure pct00001
t0이 되도록 하는 것이 구조적 완전성과 열 효율 사이의 최상의 절충을 제시한다는 것을 밝혀내었다.
일부 실시양태에서, 반응기 내벽은 금속, 금속 합금, 세라믹 및/또는 그의 조합을 포함할 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 반응기 내벽은 Ni-Cr-Fe-Al 합금 또는 세라믹을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 내벽은 내벽 상의 고체 재료의 침착을 감소시키고 운전 길이 및 반응기 수명 주기 둘 다를 증가시키기 위해 산화물 층 코팅의 형태로 추가의 제작-후 처리를 포함할 수 있다. 차단 코팅 층은 촉매 부위의 패시베이션에 기여하여, 촉매 침착 공정을 감소시킬 수 있다. 촉매 코팅 층은 또한 이미 침착된 층을 가스화시킴으로써 기여할 수 있다. 대안적으로, 적합한 코팅은 또한 바스프 큐테크(BASF Qtech) 또는 GE (제너럴 일렉트릭(General Electric))와 같은 화학 회사로부터 입수할 수 있다.
일부 실시양태에서, 반응기 내벽은 반응기, 반응기 벽 및/또는 반응기 외벽과 동일한 재료를 포함한다.
일부 실시양태에서, 딤플 및/또는 복수의 딤플들은 금속, 금속 합금, 세라믹 및/또는 그의 조합을 포함할 수 있다. 일부 바람직한 실시양태에서, 복수의 딤플들은 반응기와 동일한 재료; 보다 바람직하게는 Ni-Cr-Fe-Al 합금 또는 세라믹을 포함한다.
일부 바람직한 실시양태에서, 딤플은 줄지어, 바람직하게는 육각형 패턴으로 배열된다. 육각형 패턴은 한 줄에 있는 2개의 딤플 사이의 거리 t1 (도 1에 제시됨)에 의해 또는 엇갈린 줄의 딤플 사이의 거리 t2 (도 1에 제시됨)에 의해 정의될 수 있다. 특정한 실시양태에서, 파라미터 t1은 인접 딤플 사이의 방위 거리를 지칭하며, 단면적당 딤플의 개수 n 및 튜브 직경 D로부터 πD/n으로서 계산될 수 있고; t2는 유동 방향으로, 서로 엇갈림 각도 γ로 위치된 다음 딤플 줄 사이의 거리를 지칭한다.
일부 실시양태에서, 딤플 깊이 e (도 2에 제시됨)는 적어도 0.5 mm, 바람직하게는 적어도 1.0 mm, 바람직하게는 적어도 1.5 mm, 바람직하게는 적어도 2.0 mm, 예를 들어 적어도 2.5 mm이다. 일부 실시양태에서, 딤플 직경 d (도 1, 2 및 3에 제시됨)는 적어도 5.0 mm, 바람직하게는 적어도 7.5 mm, 바람직하게는 적어도 10.0 mm, 바람직하게는 적어도 12.5 mm, 예를 들어 적어도 15.0 mm이다. 일부 실시양태에서, 거리 t1은 적어도 5.0 mm, 바람직하게는 적어도 10.0 mm, 바람직하게는 적어도 15.0 mm, 바람직하게는 적어도 20.0 mm, 바람직하게는 적어도 25.0 mm, 예를 들어 적어도 30.0 mm, 예를 들어 적어도 35.0 mm이다. 일부 실시양태에서, 단면적당 딤플의 개수는 적어도 3개, 바람직하게는 적어도 5개, 예를 들어 적어도 8개이다. 일부 실시양태에서, 거리 t2는 적어도 5.0 mm 및 최대 30 mm, 바람직하게는 적어도 10.0 mm 및 최대 20 mm, 예를 들어 약 15.0 mm이다. 이러한 실시양태는 개선된 열 전달 특징을 갖는다.
일부 실시양태에서, 딤플 깊이 e (도 2에 제시됨)는 최대 2.5 mm, 바람직하게는 최대 2.0 mm, 바람직하게는 최대 1.5 mm, 바람직하게는 최대 1.0 mm, 예를 들어 최대 0.5 mm이다. 일부 실시양태에서, 딤플 직경 d (도 1, 2 및 3에 제시됨)는 최대 15.0 mm, 바람직하게는 최대 12.5 mm, 바람직하게는 최대 10.0 mm, 바람직하게는 최대 7.5 mm, 예를 들어 최대 5.0 mm이다. 일부 실시양태에서, 단면적당 딤플의 개수는 최대 64개, 바람직하게는 최대 16개, 예를 들어 최대 8개이다. 일부 실시양태에서, 거리 t1은 최대 35.0 mm, 바람직하게는 최대 30.0 mm, 바람직하게는 최대 25.0 mm, 바람직하게는 최대 20.0 mm, 바람직하게는 최대 15.0 mm, 예를 들어 최대 10.0 mm, 예를 들어 최대 5.0 mm이다. 일부 실시양태에서, 거리 t2는 최대 15.0 mm, 바람직하게는 최대 10.0 mm, 예를 들어 최대 5.0 mm이다. 이러한 실시양태는 적절한 마찰 계수를 유지한다.
일부 실시양태에서, 딤플 깊이 e (도 2에 제시됨)는 적어도 1.0 mm, 바람직하게는 적어도 1.5 mm, 바람직하게는 적어도 2.0 mm, 예를 들어 적어도 2.5 mm이다. 일부 실시양태에서, 딤플 직경 d (도 1, 2 및 3에 제시됨)는 적어도 5.0 mm, 바람직하게는 적어도 7.5 mm, 바람직하게는 적어도 10.0 mm, 바람직하게는 적어도 12.5 mm, 예를 들어 적어도 15.0 mm이다. 일부 실시양태에서, 단면적당 딤플의 개수는 적어도 3개, 바람직하게는 적어도 5개, 예를 들어 적어도 8개이다. 일부 실시양태에서, 거리 t2는 적어도 5.0 mm 및 최대 30 mm, 바람직하게는 적어도 10.0 mm 및 최대 20 mm, 예를 들어 약 15.0 mm이다. 일부 실시양태에서, 거리 t1은 적어도 5.0 mm, 바람직하게는 적어도 10.0 mm, 바람직하게는 적어도 15.0 mm, 바람직하게는 적어도 20.0 mm, 바람직하게는 적어도 25.0 mm, 예를 들어 적어도 30.0 mm, 예를 들어 적어도 35.0 mm이다. 일부 실시양태에서, 딤플은 적어도 10% 및 최대 90%의 AC를 갖는다. 일부 실시양태에서, 딤플은 적어도 15% 및 최대 40%의 AC를 갖는다. 일부 실시양태에서, 딤플은 적어도 50% 및 최대 90%의 AC를 갖는다. 이러한 실시양태는 개선된 열 증진 계수를 갖는다.
제2 측면에 따르면, 본 발명은 제1 측면 및 그의 바람직한 실시양태에 따른 반응기를 포함하는 퍼니스에 관한 것이다. 일부 실시양태에서, 각각의 내벽 상에 본 발명에 기재된 바와 같은 복수의 딤플을 포함하는 1개 이상의 반응기가 공동 퍼니스에 매달려 있다.
수십 내지 수백 개의 상기 반응기를 함께 하나의 퍼니스에 합체시킴으로써, 열 비용, 즉 반응기를 가열하기 위한 비용을 적절한 열 효율을 유지할 정도로 충분히 낮게 유지하면서, 생산 용량을 연간 수만 킬로톤 (kta)까지 증가시킬 수 있다. 대형 퍼니스는 1일에 500-700 톤의 고부가가치 화학물질을 생산할 수 있다. 증가된 운전 길이는 5 내지 20 kta의 추가의 생산에 상응하는, 5 내지 10회의 디코킹 주기를 피함으로써, 연간 10 내지 30일의 추가의 생산 일수를 유도할 수 있다.
제3 측면에 따르면, 본 발명은 본 발명의 제1 측면 및 그의 바람직한 실시양태에 따른 반응기를 제조하는 방법에 관한 것이다. 일부 실시양태에서, 복수의 딤플은 하기의 방법에 의해 반응기의 내벽 상에 형성될 수 있다:
- 성형;
- 회전캐스팅;
- 천착; 및/또는
- 침착.
성형 제조 방법은, 반응기가 딤플과 함께 제조될 수 있으므로 제조 시간 면에서 이익을 가질 수 있다. 제1 단계에서 전도된 딤플을 포함하는 반응기 금형에 바람직한 재료를 캐스팅함으로써 반응기를 먼저 제조할 수 있고, 이어서 다음 단계에서 반응기를 폴딩하여 열 크래킹에 사용되는 튜브형 반응기의 튜브형 형상 특징을 형성할 수 있다.
회전캐스팅 제조 방법은, 내부 반응기가 회전하는 캐니스터에서 별개로 형성되고 원심력에 의해 캐니스터의 외벽에 대해 압축되게 되므로 제조 시간 면에서 추가의 이익을 가질 수 있다. 이 방법은 낮은 수준의 불순물을 가지므로, 보다 우수한 구조적 완전성을 갖는 반응기를 얻는데 특히 효과적이다.
천착 제조 방법은 반응기 벽이 먼저 형성되도록 한 다음, 자동화된 기계류를 사용하여 딤플의 천착이 이어짐으로써 제조의 용이성 면에서 이익을 가질 수 있다. 이 방법은 오목한 딤플을 형성하는데 보다 적합할 수 있다.
침착 제조 방법은 반응기 벽이 복수의 오목한 딤플을 포함하는 층과 별개로 형성되도록 할 수 있다. 이어서 반응기 벽과 별개의 층은, 아마도 열 접합에 의해 조합되어 하나의 구조를 형성할 수 있다. 그 결과, 별개의 층은 접합 후에 반응기의 내벽을 형성할 수 있다. 이 방법은 상기 구조가 둘 다 동시에 제조되도록 함으로써 제조의 용이성 및 속도 면에서 이익을 가질 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 반응기 및 별개의 층 둘 다는 열 크래킹 동안 반응기 튜브의 구조적 완전성을 위태롭게 하는 상이한 열 팽창률을 방지하기 위해 동일한 재료를 포함한다.
상기 기재된 방법 중에서의 선택은 반응기 재료 (예를 들어 Ni-Cr-Fe-Al 합금 또는 세라믹)의 선택과 관련있을 수 있다. 예를 들어, 회전캐스팅 방법은 세라믹 반응기 대신, 금속성 반응기를 제조하는데 특히 매우 적합하다. 그러나, 특정 방법은 제조 공정 동안 재료의 조합을 요구할 수 있다. 예를 들어, 세라믹 금형 캐스팅은 금형 재료로서 세라믹을 사용하는 금속 캐스팅 공정의 군을 수반하는 방법이다.
상기 기재된 방법 중에서의 선택은 또한 목적하는 반응기 치수 및 구조적 특성과 관련있을 수 있다. 예를 들어, 회전캐스팅 또는 성형 방법은 적어도 10 m 내지 최대 400 m의 길이를 갖는 반응기를 제조하는데 적합할 수 있지만; 천착 방법은 증가되는 제조 시간 때문에 매우 긴 (>300m) 반응기를 제조하는데 덜 적합할 수 있다.
제4 측면에 따르면, 본 발명은 본 발명의 제1 측면 및 그의 바람직한 실시양태에 따른 반응기에서 또는 본 발명의 제2 측면 및 그의 바람직한 실시양태에 따른 퍼니스에서 경질 올레핀을 생산하는 방법에 관한 것이다. 바람직하게는, 방법은 적어도 700℃ 및 최대 900℃의 온도에서 탄화수소 공급원료를 경질 올레핀으로 크래킹하는 단계를 포함한다. 보다 높은 온도를 사용함으로써 경질 올레핀에 대한 선택성을 얻을 수 있다. 저압 (대략 2 내지 4 bar)에서 스팀의 존재 하에 방법을 수행하는 것은 원치 않는 부반응을 감소시키며 생성물 선택성을 개선시키는 것을 추가로 보조한다. 인, 황- 또는 규소-함유 화합물 형태의 추가의 첨가제는 이를 훨씬 더 감소시킬 수 있다. 스팀 크래킹 조건에 관한 보다 많은 세부사항은 문헌 [Zimmermann, H.; Walzl, R., Ethylene. In Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: 2000; pp 469-482]에서 찾아볼 수 있으며, 이 문헌은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
일부 실시양태에서, 방법은 디코킹 단계를 포함한다. 적합한 디코킹 단계는 US20130239999A1의 단락 [0008] 및 [0009]에서 찾아볼 수 있다. 이들 단락은 본원에 참조로 포함된다. 적합한 디코킹 단계는 또한 WO2016032730A의 단락 [0006]에서도 찾아볼 수 있다. 이 단락은 본원에 참조로 포함된다.
일부 실시양태에서, 디코킹 단계는 반응기에 공기를 도입하는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 디코킹 단계는 반응기에 스팀을 도입하는 것을 포함한다.
일부 실시양태에서, 디코킹 단계는 반응기에 공기 및 스팀을 도입하는 것을 포함한다.
일부 실시양태에서, 방법은 프로필렌을 생산하기 위한 것이다.
본 발명의 실시양태는 반응기 처리량 또는 생성물 선택성을 증가시키기 위해 보다 높은 작동 온도의 사용을 가능하게 한다. 감소된 침착 속도로 인해 운전 중 후기 단계에서 심지어 압력의 감소 가능성도 있는, 디자인 파라미터의 신중한 선택으로 작동 압력의 증가는 최소한으로 유지될 것으로 예상된다.
실시예
실시예 1: 딤플의 특성 및 치수
실시예를 보다 잘 예시하기 위해, 딤플 디자인의 특성 및 치수를 나타내는 도 2 및 도 3을 참조한다. 특히, 도 6은 만곡된 원통형 표면 상의 딤플의 단면을 도시하고; 도 3은 각각의 곡률 1/r1, -1/r2 및 -1/r3을 갖는 3개의 동심형 만곡 영역 S1, S2 및 S3의 적용을 통한 딤플의 디자인을 예시한다.
구형 딤플(200)을 형성하는 원의 반경(r)은 원호 이론에 따라 계산된다:
Figure pct00002
접선 방향의 교차점은 각각 구형 표면 및 원통형 튜브로 이루어진 연립 방정식을 풀어 계산할 수 있다:
Figure pct00003
Figure pct00004
해의 일반성에 영향을 미치지 않으면서 단면 평면에서 하기 대입을 할 수 있고:
Figure pct00005
이로부터 딤플의 각도 β 및 폭 (d)을 용이하게 얻는다:
Figure pct00006
딤플에 의해 덮여 있는 표면의 백분율은, 교차점이 원통형 표면 상의 원호 βR을 장축으로 하고 딤플 직경 (d)을 단축으로 하는 타원인 것으로 가정하여, 딤플의 개수를 곱하고, 변형되지 않은 원통형 표면으로 나누어 근사화할 수 있다.
Figure pct00007
실시예 2: 딤플의 예시적 실시양태
딤플 디자인의 본 발명에 따른 예시적 실시양태를 위해, 구형 (a), 눈물방울 (b), 회전타원체 (c) 및 경사 (d) 회전타원체 딤플 디자인을 포함한, 4가지 딤플 형상의 반응기 내벽의 내부 표면의 전개도 (상면도) 및 반경 방향 단면도 (저면도)를 도시하는 도 4를 참조한다.
표 1은 시험된 딤플 디자인의 주요 물리적 특성의 개관을 제시한다. 표 1의 '선행 기술' 튜브는 나선형 리브형 튜브를 포함하며, 여기서 리브는 튜브 직경에 대해 0.04의 최대 높이를 갖는 반원형 볼록 형상을 가지고, 여기서 리브는 추가로 축류 방향에 대해 65°의 각도로 튜브 내부 표면에 부착되며, 이는 안으로 배향된 나선형 핀의 존재에 의해 층류를 주기적으로 파괴하고자 하는, 쿠보타(Kubota)의 '열 교환 튜브' 기술 (US5950718에 기재된 바와 같으며, 또한 '선행 기술 1'이라 표시됨)과 유사하다.
표 1: 시험된 딤플 디자인의 특성.
Figure pct00008
실시예 3: 시험된 딤플 디자인의 결과.
표 1을 참조하여, 실시예 2에 제시된 다양한 딤플 디자인을 열 전달 및 마찰 특징에 대해 11,000의 레이놀즈 수 (Re)에서 시험하였고, 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다. 결과를 보다 잘 예시하기 위해, 도 5는 참조 튜브 (즉, 딤플을 갖지 않는 베어 튜브) 및 선행 기술과 비교하여 압력 손실 및 열 전달 증진을 제시하는 그래프를 도시한다. 추가적으로, 도 6은 선행 기술과 비교하여, 실시예 2에 기재된 바와 같은 본 발명의 2개 실시양태에서 상대 열 전달 증진 및 압력 손실에 있어서의 Re 의존성을 예시한다.
Re에 대한 감소된 감수성은, 특히 레이놀즈 수의 보다 높은 부분에서, 선행 기술보다 더 넓은 범위의 유동 조건에 걸쳐 최적의 성능을 산출할 수 있다.
Nu/Nu0은 열 전달 증진 특징이고, Cf/Cf,0은 마찰 증진 계수이고, (Nu/Nu0)/(Cf/Cf,0)1/3은 동일한 펌핑 동력에서 증진된 표면의 열 증진 계수이다.
표 2: 시험된 딤플 디자인의 결과.
Figure pct00009
실시예 4: 스팀 크래커의 올레핀 수율에 대한 영향
반응성 CFD 시뮬레이션을 기존의 선행 기술에 따른 구성과 함께, 일련의 상이한 딤플 구성에 대해 수행하였다. 기하구조 R1, R2, R3을 전통적인 베어 튜브형 반응기, 뿐만 아니라 종방향 핀형 반응기 (영국 특허 969796에 기재된 바와 같으며, 또한 '선행 기술 2'라 표시됨) 및 유동 방향에 대해 수직으로 적용된 볼록 리브를 갖는 반응기 (미국 특허 5950718의 디자인과 유사하며, 또한 '선행 기술 3'이라 표시됨)와 비교하였다. 이들 디자인의 파라미터는 표 1에 열거되어 있다.
시뮬레이션은 오픈-소스 CFD 패키지 OpenFOAM을 사용하고, 널리 검증된 kω-SST 난류 모델 및 프로판 크래킹에 적합한 자유-라디칼 반응 네트워크를 사용하여 수행하였다. 시뮬레이션된 산업용 기하구조는 30.2mm의 반응기 직경 및 10.56m의 길이를 갖는, 단일-통과 밀리세컨드 유형이었다.
표 3에 얻어진 결과가 열거되어 있으며, 이는 선행 기술을 사용한 것보다 이점을 나타낸다. 튜브 금속 온도 및 코킹 속도에 대한 긍정적 효과가 리브형 디자인의 경우보다 압력 손실에서의 훨씬 낮은 불이익으로 달성될 수 있다는 것이 명백하다. 핀형 디자인은 우수한 열 전달을 제공하지만, 증가된 노출 표면적으로 인해 오손 속도가 참조 기하구조와 거의 동일하였다. 추가적으로, 핀 사이의 거대한 고온 구역으로 인해 원치 않는 부반응이 발생하기 때문에 수율이 손실되었다.
표 3: 시험된 딤플 디자인의 결과.
Figure pct00010
실시예 5: 딤플형 디자인의 자기-세정 효과
단일 딤플 상에서의 유동의 라지 에디 시뮬레이션 (LES) 동안, 유체를 평균 유동에 대해 45°의 각도로 딤플에서 빠져나오게 하여, 튜브에서의 접선 방향 혼합을 증진시키는 유동 패턴이 생겨나는 것으로 관찰되었다 (도 7(a)). 더욱 중요한 것은, 이러한 현상이 불안정하지만 자기-지속적이어서, 유동 방향을 특정 주파수로 자동으로 바뀌게 한다는 것이다. 진동 거동이 반응기를 통한 유동의 시간 척도 (ms)와 코크스 형성의 시간 척도 (시간) 사이에 있는 시간 척도에서 발생한다. 이로 인해, 코크스의 작은 입자의 스폴링이 연속적으로 일어나, 이러한 방식으로 표면에서 일종의 "자기-세정" 효과를 달성할 수 있는 것으로 예상된다. 보다 많은 스폴링은 작업으로의 보다 빠른 복귀 및 감소된 휴지기간을 가능하게 할 것이므로, 이러한 거동은 코크스 제거 공정에서 바람직할 것이다. 하류 장비가 스폴링된 코크스의 파편을 취급할 수 있는 한, 작업 동안 증가된 스폴링이 또한 바람직할 수 있다. 이러한 경우라면, 반응기 디코킹 사이에 실질적으로 증가된 시간이 지나갈 것이고 생산성이 개선될 것이다.
시뮬레이션은 라지 에디 시뮬레이션 프레임워크를 사용하여 수행하였으며, 여기서 동일한 시간-의존성 유입 조건이 다양한 딤플 깊이-대-직경 비 (DDR)를 갖는 3가지 시뮬레이션에 적용되었다. 높이 h/d = 0.33의 채널에서, 고정된 직경을 갖는 단일 딤플 상에서의 유동이 고려되었다. 진동의 시간 척도보다 더 짧은 기간에 걸쳐서의 시간-평균 시간-의존성 속도를, 유동의 그래프 표현과 함께, 도 7(a)에 예시된 바와 같이, 평균 유동과 45°의 상대 각도로, 오목한 딤플의 좌측 및 우측 후단 에지 둘 다에서 모니터링하였다. 도 7(b)는 가장 높은 DDR 비에서의 순간 속도를 제시하며, 이는 딤플로부터 분출된 유체의 변경 방향을 분명히 예시한다. 20,000의 동일한 레이놀즈 수에서 얻어진, 4가지의 시험된 디자인에 대한 정량적 결과가 표 4에 열거되어 있다. DDR이 증가할수록, 진동 유동의 주파수 및 진폭 둘 다에 대한 긍정적 영향이 확인될 수 있다. 가장 얕은 딤플 구성의 경우에, 유동은 여전히 접선 방향으로 딤플에서 빠져나오지만, 항상 대칭적으로 유지되며 대규모 진동은 관찰되지 않았다.
표 4: 시험된 딤플 디자인의 자기-세정 효과.
Figure pct00011
게다가, 유동은 특정한 주파수로, 좌측과 우측 사이에 방향이 바뀌었다. 이와 같이 바뀜으로써 열 전달이 개선되며 오손이 제거된다. 깊은 딤플은 보다 높은 주파수에서 보다 큰 진동을 가졌다.
도 7은 0.26의 깊이-대-직경 비 DDR에서 2 Hz의 주파수로 이와 같이 바뀌는 것을 예시한다.

Claims (15)

  1. 내벽을 갖는, 탄화수소를 크래킹하기 위한 열분해, 열 크래킹 또는 스팀 크래킹 반응기로서; 내벽이 상기 내벽의 표면에 매립된 복수의 오목한 딤플을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 반응기가 스팀 크래킹 반응기인 반응기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 오목한 딤플의 각각의 오목한 딤플이 딤플 깊이 e에 의해 특징화되며, 여기서 e는 적어도 0.01 cm 및 최대 1.0 cm, 바람직하게는 적어도 0.1 cm 및 최대 0.5 cm인 반응기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 오목한 딤플의 각각의 오목한 딤플이 딤플 직경 d에 의해 특징화되며, 여기서 d는 적어도 0.1 cm 및 최대 5.0 cm, 바람직하게는 적어도 0.5 cm 및 최대 2.0 cm인 반응기.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 복수의 오목한 딤플의 각각의 오목한 딤플이 하기와 같이 정의되는 깊이-대-직경 비 (DDR)에 의해 추가로 특징화되며;
    DDR = e/d
    여기서 DDR은 적어도 0.01 및 최대 0.5, 바람직하게는 적어도 0.05 및 최대 0.4; 보다 바람직하게는 적어도 0.1 및 최대 0.3인
    반응기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 오목한 딤플의 각각의 딤플의 형상이 기하학적 특색에 의해, 바람직하게는 평활한 또는 만곡된 에지, 예를 들어, 구체, 회전타원체, 난형체 또는 눈물방울 형상의 적어도 일부분에 의해 특징화되는 것인 반응기.
  7. 제6항에 있어서, 복수의 딤플 중 적어도 1개의 딤플이 딤플 주위에, 그 위에 또는 그 안에 위치된, 딤플과 상이한 곡률 반경의 2개 이상의 이차적인 만곡 영역을 추가로 포함하는 것인 반응기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 오목한 딤플 중 적어도 일부가 하나 이상의 패턴으로 배열되며, 바람직하게는 여기서 패턴은 선형, 지그재그형 및/또는 교차형인 반응기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 내벽의 적어도 일부가 평활하며, 즉 임의의 오목한 딤플에 의해 덮여 있지 않고, 하기와 같이 정의되는 면적 점유율 (AC)에 의해 추가로 특징화되며;
    AC (%) = 딤플에 의해 덮여 있는 내벽의 총 면적/내벽의 총 면적*100
    여기서 AC는 적어도 1% 및 최대 99%, 바람직하게는 적어도 20% 및 최대 90%인
    반응기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 반응기가 튜브형 형상을 가지며, 하기에 의해 특징화되는 것인 반응기:
    - 적어도 10 m 내지 최대 400 m의 총 반응기 길이;
    - 적어도 2 cm 내지 최대 20 cm, 바람직하게는 적어도 3 cm 및 최대 15 cm의 내부 직경;
    - 적어도 3.0 cm 및 최대 22.0 cm, 바람직하게는 적어도 5.0 cm 및 최대 17.0 cm의, 내부 직경보다 더 큰 외부 직경; 및
    - 적어도 0.3 cm 및 최대 2.0 cm, 바람직하게는 적어도 0.5 cm 및 최대 1 cm의, 외부 직경과 내부 직경 사이의 차이의 절반으로서 정의되는 벽 두께.
  11. 제10항에 있어서, 벽 두께가 딤플 깊이 e의 2배보다 더 크며, 바람직하게는 여기서 벽 두께는 3*e보다 더 큰 것인 반응기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 내벽이 금속, 금속 합금, 세라믹 및/또는 그의 조합을 포함하는 것인 반응기.
  13. 제12항에 있어서, 복수의 오목한 딤플의 각각의 딤플이 반응기와 동일한 재료를 포함하는 것인 반응기.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 1개 이상의 반응기를 포함하는 퍼니스.
  15. 적어도 700℃ 및 최대 900℃의 온도에서 탄화수소 공급원료를 경질 올레핀으로 크래킹하는 단계를 포함하는, 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 반응기에서 또는 제14항에 따른 퍼니스에서 경질 올레핀을 생산하는 방법.
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