KR20190010580A - 노 코일(furnace coil) 변형 핀 - Google Patents

노 코일(furnace coil) 변형 핀 Download PDF

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Abstract

본 발명은 증기 분해로에서 코일 또는 튜브의 표면상의 두꺼운 핀을 제공한다. 핀의 그 기부에서의 두께는 노 튜브의 반경의 1/4에서 3/4까지이다. 핀은 주 표면의 약 10 % 이상에 홈 또는 돌출부를 갖는다. 핀은 노에서 벽과 연소 가스로부터 튜브가 흡수하는 복사열을 증가시킨다.

Description

노 코일(furnace coil) 변형 핀
본 발명은 파라핀(paraffins)을 올레핀(olefins)으로 분해하는 분야에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분해로의 복사 부분에 있는 공정 코일(들)의 외부 표면상의 실질적인 핀에 관한 것이다. 핀은 횡(수평) 또는 종 방향일 수 있다. 상기 핀은 상기 핀의 최대 두께의 4 분의 1 미만의 깊이를 갖는 상향 또는 외향 개방 홈으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어레이를 가지며; 또는 핀의 최대 두께의 10 %를 초과하지 않는 베이스와 핀의 최대 두께의 15 %를 초과하지 않는 높이를 갖고 적어도 하나의 핀의 주 표면의 적어도 10 % 이상을 덮는 규칙적인 또는 반(semi) 규칙적인 패턴의 돌출부를 갖는다.
열교환기 설계 분야는 열 전달을 향상시키기 위한 핀의 적용이 주를 이룬다. 일반적으로 이는 강제 대류 메커니즘에 의한 열 전달이다. 강제 대류에 의한 열전달은 고체 표면과 이동중인 유체(기체 또는 액체일 수 있음) 사이에서 발생하며 전도 및 대류의 복합 효과를 포함한다. 이러한 유형의 열 전달은 온수 또는 전기의 일반적인 난방 시스템 및 산업용 열교환기의 대부분에서 발생한다.
파라핀, 전형적으로 에탄 또는 나프타 또는 이들의 혼합물과 같은 C2-4 파라핀을 포함하는 공급물의 분해에서, 전형적으로 희석 스팀과 함께 공급물은 노(furnace)의 몇몇 섹션들을 통과하는 일련의 파이프 또는 튜브를 포함하는 크래커로 공급된다. 먼저, 공급물은 노의 하류 복사 섹션에서부터 흐르는 배기 가스가 튜브의 외부 표면을 가열하는 노(furnace)의 대류 섹션의 튜브를 통과한다. 거기에서, 공급물은 분해가 시작될 수 있는 수준 또는 그 근처의 온도로 가열된다. 그 다음, 공급 물은 노의 복사 구역 내의 튜브로 흐르고, 이 튜브는 노의 내화 벽으로부터의 복사 및 복사 섹션의 바닥 또는 벽에 통상적으로 장착된 버너에 의해 생성된 연소 가스로부터 일차적으로 가열된다. 연소 가스에 의해 튜브의 강제 대류 가열이 또한 제공된다. 공급물은 약 800℃- 950℃의 온도까지 가열로 복사 구역에서 가열된다. 이러한 온도에서, 공급물은 자유 라디칼 분해(크래킹), 새로운 불포화 생성물의 개질 및 수소의 공동 생성을 포함하는 다수의 반응을 겪는다. 이러한 반응은 코일 내의 공급 체류 시간에 상응하는 매우 짧은 시간에 일어난다. 체류 시간은 전형적으로 약 0.01 내지 약 10초, 경우에 따라 0.01 내지 2초, 경우에 따라 0.01 내지 1초이다. 반응물은 200 내지 500 kPa의 압력으로 경우에 따라 250 내지 550 kPa의 압력으로 750 내지 950 ℃의 온도에서 경우에 따라 800 내지 900 ℃의 온도로 가열될 수 있다.
노의 복사 부분의 내부는 열 흡수/복사 내화물로 연결돼 있으며 일반적으로 가스 연소 버너에 의해 가열된다. 분해된 가스는 노의 복사 섹션을 빠져 나간 다음, 이송 라인 교환기부터 ?차(quencher)까지 통과하여 반응이 정지하는 온도까지 생성물 스트림을 신속하게 냉각시킨다. 생성된 생성물 스트림은 에틸렌, 프로필렌 등의 다양한 성분으로 분리된다. 공정 비용과 온실 가스 배출을 줄이기 위해 분해로의 효율을 향상시킬 수 있는 방법이 있다. 효율성 향상을 위한 두 가지 주요 접근 방식이 존재한다. 첫 번째는 노 코일(furnace coil)에 대한 용전달의 향상 즉, 화염, 연소 가스 및 내화 벽에서부터 공정 코일의 외부 표면으로의 열전달을 개선; 및 두 번째는 코일 내에서의 열 전달의 향상 즉, 코일 내부 벽으로부터 코일 내부로 유동하는 공급 물 내로의 열전달을 개선하는 것이다.
두 번째 접근법을 나타내는 방법 중 하나는 노 코일(furnace coil)의 내벽에 대한 부가적 내부 핀으로, 코일 내부의 “소용돌이 치기(swirling)" 또는 강화된 공급물의 혼합을 촉진한다. 이는 공급물 흐름의 난류가 증가하고 코일의 고온 내벽의 열전달 표면이 증가함에 따라 코일 벽으로부터 공급물로의 대류 열 전달을 향상시킨다.
Sugitani 등의 1999년 9월 14일자로 발행되어 Kubota Corporation로 양도된 미국 특허 제5,950,718호는 이러한 기술유형의 한 예를 제공한다.
T. Detemmerman, G.F. Froment(Universiteit Gent, Krijgslaan 281, b9000 Gent - Belgium, mars-avri, 1998)의 논문 “탄화수소의 열분해를 위한 노와 반응기 튜브의 3차원 결합 시뮬레이션"; Jjo de Saegher, T. Detemmerman, G.F. Froment(Universiteit Gent1, Laboratorium voor Petrochernische Techniek, Krijgslaan 281, b-9000 Gent, Belgium, 1998)의 논문 "올레핀 생성 엄격도를 위한 내부 핀이 있는 높은 크래킹 코일의 3차원 시뮬레이션"은 나선형 및 종 방향 내부 핀(또는 오히려 릿지(ridges) 또는 범프(dumps))을 가진 코일 내의 크래킹 과정에 대한 이론적인 시뮬레이션을 제공한다. 시뮬레이션 결과는 열풍이 내부 핀이 있는 튜브를 통해 흐르는 실험실 규모 실험에 의해 검증된다. 이 논문은 내부에 나선형 핀을 구비한 튜브가 내부 종 방향 핀을 구비한 튜브보다 더 나은 성능을 보이며 "내부 나선형 핀이 있는 튜브는 산업 관측과 매우 잘 일치한다"라고 결론지었다. 그러나 이러한 결론을 뒷받침하는 실험 데이터는 제공되지 않았다. 내부 립(ribs)이나 핀이 없는 기본 튜브의 성능에 대한 비교도 없다. 저자들은 내부 핀이 있는 코일의 잠재적인 단점 중 하나로 탄소 침전물이 핀에 축적되어 튜브 내의 압력 강하가 증가한다는 점에 동의한다.
2003년 1월 23일에 공개된 Burkay의 미국 특허 출원 제20030015316호는 내부 핀 및 외부 핀을 갖는 열교환기 튜브를 교시한다. Burkay에는 외부 핀이 외부 표면에 추가 홈이 있어야 한다는 교시나 제안이 존재하지 않는다. 상기 특허 출원은 본 출원의 주제를 벗어나 교시한다.
NOVA Chemicals의 미국 특허 제7,128,139호(2006년 10월 31일 발행)는 코일로의 대류 열교환을 증가시키기 위해 분해로 코일상의 외부 환형 핀을 교시한다. 상기 특허는 핀이 그 핀의 주요 외부 표면상에 추가 홈을 구비함을 교시하거나 제안하지 않는다.
Chang 등에게 2006년 8월 29일에 발행되어 ExxonMobil Research and Engineering Company에 양도된 미국 특허 제7,096,931호는 슬러리 반응(Fischer Tropsch synthesis)으로 외부 핀 부착 열교환 기 튜브를 교시하고 있다. 반응에서 촉매를 함유한 탄화수소 희석제 내의 CO와 수소의 슬러리는 흐르는 냉각수가 들어있는 열교환기 튜브의 외부 표면 위로 흐른다. 열 교환기 튜브는 종횡비가 5 미만인 립(ribs)을 갖는다. 상기 특허에는 핀이 그 주요 외부 표면에 추가의 홈을 구비함을 교시하거나 제안하지 않는다.
Petela 등의 이름으로 공개되어 NOVA Chemicals(International) S.A.에 양도된 미국 특허 출원 제2012/0251407호는 분해로의 복사 구역 내의 노 튜브(furnace tube)상의 종 방향 핀을 교시한다. 상기 핀은 그 표면에 홈을 구비하지 않고, 문단 54는 그 기부에서의 핀의 두께를 교시한다. 전형적으로, 핀은 핀의 기부에서의 튜브의 직경의 6 % 내지 25 %, 바람직하게는 노 튜브(furnace tube)의 직경의 7.5 % 내지 15 %의 두께를 갖는다.
Petela 등의 2014년 7월 29일자로 발행되어 NOVA Chemicals(International) S.A.에 양도된 미국 특허 제8,790,602호는 표면에 돌출부를 갖는 분해로의 복사 섹션에 사용되는 노 튜브(furnace tube) 또는 코일을 교시하고 있다. 이 특허는 노(furnace)의 복사 부분에 사용되는 코일의 표면에 돌출부를 구비하는 핀을 교시하거나 암시하지 않는다.
Bunker 등에게 2010년 6월 29일자로 발행되어 General Electric Company에 양도된 미국 특허 제7,743,821호는 주 표면의 적어도 일부상에 파이거나, 기계적 또는 성형된 환형 핀을 갖는 열교환기 튜브를 교시하고 있다. 열 교환기는 가스 또는 공기(즉, 에어 컨디셔너)를 냉각시키는데 사용된다. 열 교환기는 주로 복사열 교환보다는 대류 열교환과 관련이 있다. 열 교환기는 분해로의 튜브와 비교할 수 없다. 열 교환기 튜브의 벽 두께 또는 핀의 두께에 대한 서면 공개가 없다. 도면으로부터, 함몰부(dimples)는 본 발명에서 요구되는 핀의 두께의 1/4의 최대치보다 현저히 큰 핀의 두께인 약 1/2 내지 1/3인 것으로 나타난다.
Robidou 등에게 2013년 2월 19일에 발행되어 GEA Batignolles Technologies Thermique에 양도된 미국 특허 제8,376,033호는 홈이 핀의 기부로부터 외부 엣지까지 깊이가 감소하는 것을 제외하고는 대류 열 교환기에서와 유사한 핀을 교시한다. 상기 특허는 핀의 내측 가장자리(기부)가 약 0.4 내지 1 mm이고 외측 가장자리가 0.15 내지 0.4 mm의 두께를 가질 수 있음을 교시하고 있다. (Col. 5 lines 25 내지 30) 상기 특허는 또한 홈이 0.4 내지 1.5 mm의 깊이(두께)를 가질 수 있음을 교시한다. 홈은 핀의 두께의 약 절반의 두께를 갖는 것으로 보인다. 다시, 이 핀은 대류 가열용이며 분해로에서와 같이 복사 가열용이 아니다.
본 발명은 개선된 효율을 갖는 파라핀을 올레핀으로 분해하기 위한 노 튜브(furnace tube)를 제공한다.
본 발명은 적어도 하나의 주 표면 상에 다음과 같은 그룹으로부터 선택된 어레이를 갖는 노 튜브(furnace tube)용의 두꺼운 또는 실질적인 핀을 제공하고자 한다: 상기 핀의 두께의 4 분의 1 미만의 깊이를 갖는 상향 또는 외향 개방 홈; 또는 주 치수가 핀의 최대 두께의 10 %를 초과하지 않는 기부, 및 핀의 최대 두께의 15 %를 초과하지 않는 높이를 갖는 돌출부; 또는 상기 핀의 적어도 하나의 주 표면의 표면적의 적어도 10 %를 차지하는 규칙적인 또는 반(semi) 규칙적인 패턴이 존재한다.
일 실시예에서, 상기 노 튜브(furnace tube)의 외면 상에 그 핀의 기부에 상기 노 튜브(furnace tube)의 반경의 1/4 내지 3/4의 두께를 갖고, 평행한 측면 또는 상기 핀의 주축에 대해 15 °보다 작은 상향 내향의 테이퍼를 갖는 측면을 갖는 하나 이상의 두꺼운 핀을 갖는 노 튜브(furnace tube)가 제공되며, 상기 핀은 적어도 하나의 주 표면 상에, 상기 표면 영역의 적어도 10 % 이상을 규칙적 또는 반(semi) 규칙적인 패턴으로 덮는 외측으로 개방된 홈으로서 상기 핀의 최대 두께의 4 분의 1보다 작은 깊이를 갖는 외측으로 개방된 홈; 상기 핀의 최대 두께의 10 %를 초과하지 않는 기부 치수 및 상기 핀의 최대 두께의 15 %를 초과하지 않는 높이를 갖는 돌출부; 또는 상기 핀의 적어도 하나의 주 표면의 표면적의 적어도 10 %를 규칙적인 또는 반(semi) 규칙적인 패턴으로 덮는 홈 및 돌출부로 구성된 그룹으로부터 선택된 어레이를 갖는다.
또 다른 실시예에서, 홈이 핀의 최대 두께의 8 분의 1에서 10 분의 1의 깊이를 갖는 노 튜브(furnace tube)가 제공된다.
또 다른 실시예에서, 홈들의 어레이가 핀의 적어도 하나의 주 표면의 1/4 이상을 덮는 노 튜브(furnace tube)가 제공된다.
또 다른 실시예에서, 홈은 외측으로 개방된 V형, 절두형으로 개방된 V형, 외측으로 개방된 U형 및 외측으로 개방된 평행한 측면 채널의 형태인 노 튜브(furnace tube)가 제공된다.
또 다른 실시예에서, 상기 핀은 원, 타원, 또는 N-측면 다각형의 형태로 횡 방향 판을 형성하는 노 튜브(furnace tube)를 제공한다.
다른 실시예에서, 핀의 기부는 노 튜브(furnace tube)의 반경의 3 분의 1에서 2 분의 1의 두께를 갖는다.
또 다른 실시예에서, 핀은 외측으로 연장된 포물선, 평행 사변형 또는 "E" 형(평행한 종 방향 채널을 갖는 단일체) 또는 뭉툭한 "V" 형의 형태를 갖는 종 방향 핀인 노 튜브(furnace tube)가 제공된다.
또 다른 실시예에서, 홈들의 어레이가 핀의 적어도 하나의 주 표면의 1/4 이상을 덮는 노 튜브(furnace tube)가 제공된다.
또 다른 실시예에서, 홈은 핀의 최대 두께의 8 분의 1에서 10 분의 1의 깊이를 갖는 노 튜브(furnace tube)를 제공한다.
또 다른 실시예에서, 홈은 외측으로 개방된 V 형, 외측으로의 절두형 V 형, 외측으로 개방된 U 형, 외측으로 개방된 평행한 측면 채널의 형태인 노 튜브(furnace tube)가 제공된다.
추가 실시예에서, 노 튜브(furnace tube)의 외부 직경의 2 배 이상 이격된 수평 핀을 갖는 노 튜브(furnace tube)가 제공된다.
또 다른 실시예에서, 핀의 기부가 노 튜브(furnace tube)의 반경의 3 분의 1에서 2 분의 1을 덮는 종 방향 핀을 갖는 노 튜브(furnace tube)가 제공된다.
추가의 실시예에서, 노 튜브(furnace tube)가 제공되며, 어레이는 돌출부를 포함하고, 상기 돌출부는:
i) 핀의 기부의 3 내지 15 %의 최대 높이;
ii) 주 치수가 핀 두께의 0.1 % 내지 10 % 인 핀 또는 기부와의 접촉면; 및
iii) 상대적으로 작은 부피를 포함하는 상대적으로 큰 외부 표면을 갖는 기하학적 형상을 포함한다.
또 다른 실시 예에서, 상기 돌출부는 다음과 같은 그룹으로부터 선택된 형상을 갖는 노 튜브(furnace tube)가 제공된다:
정사면체;
존슨 사각 피라미드;
4개의 이등변 삼각형 측면을 가진 피라미드;
이등변 삼각형 측면을 가진 피라미드;
구의 한 부분;
타원체의 한 부분;
눈물 방울의 한 부분; 및
포물선의 단면.
또 다른 실시예에서, 노 튜브(furnace tube) 및 핀은 동일한 금속 조성물을 포함하는 노 튜브(furnace tube)가 제공된다.
추가 실시예에서, 노 튜브(furnace tube) 및 약 55 내지 65 중량 %의 Ni; 약 20 내지 10 중량 %의 Cr; 약 20 내지 10 중량 %의 Co; 및 약 5 내지 9 중량 %의 Fe 및 나머지 1 종 이상의 미량 원소를 포함하는 핀이 제공된다.
또 다른 실시예에서, 노 튜브(furnace tube) 및 0.2 내지 3 중량 %의 Mn; 0.3 내지 2 중량 %의 Si; 5 중량 % 미만의 티타늄, 나이오븀 및 기타 모든 미량 금속; 및 0.75 중량 % 미만의 탄소를 포함하고, 조성물들의 합은 100 중량 % 이하인 핀이 제공된다.
또 다른 실시예에서, 노 튜브(furnace tube) 및 40 내지 65 중량 %의 Co; 15 내지 20 중량 %의 Cr; 20 내지 13 중량 %의 Ni; 4 중량 % 미만의 Fe 및 20 중량 %이하의 1 종 이상의 미량 원소와 나머지 W를 포함하고, 조성물들의 합은 100 중량 % 이하인 핀이 제공된다.
또 다른 실시예에서, 노 튜브(furnace tube) 및 0.2 내지 3 중량 %의 Mn; 0.3 내지 2 중량 %의 Si; 5 중량 % 미만의 티타늄, 나이오븀 및 기타 모든 미량 금속들; 및 0.75 중량 % 미만의 탄소를 포함하는 핀이 제공된다.
또 다른 실시예에서, 노 튜브(furnace tube) 및 25 내지 48 중량 %의 크롬, 20 내지 38 중량 %의 Ni을 포함하는 핀이 제공된다.
또 다른 실시예에서, 노 튜브(furnace tube) 및 0.2 내지 3 중량 %의 Mn, 0.3 내지 2 중량 %의 Si; 5 중량 % 미만의 티타늄, 나이오븀 및 기타 모든 미량 금속들; 0.75 중량 % 미만의 탄소를 포함하고, 잔여물은 실질적으로 철인 핀이 제공된다.
추가 실시예에서, 상기와 같은 노 튜브(furnace tube)를 갖는 복사 섹션을 포함하는 분해로가 제공된다.
또 다른 실시예에서, 파라핀을 가스 상태로 상기와 같은 분해로의 복사 부분을 통해 600 ℃ 내지 950 ℃의 온도에서 0.001 내지 0.01초 동안 통과시키는 단계, 공급원료 및 부산물로부터 생성된 올레핀을 분리하는 단계를 포함하는 파라핀을 분해하는 방법이 제공된다..
본 발명은 또한 전술한 실시예의 임의의 및 모든 조합을 제공한다.
도 1은 표면상에 홈을 갖도록 개선된 본 발명의 종 방향 핀을 갖는 노 튜브(furnace tube)를 도시한다.
도 2는 본 발명의 돌출부를 갖도록 개선된 본 발명의 핀을 도시한다.
도 3은 본 발명의 상이한 돌출부를 갖도록 개선된 핀의 표면적의 퍼센트 증가를 나타내는 그래프이다.
숫자 범위
실시예 또는 별도로 언급이 있는 것 이외에는, 명세서 및 청구의 범위에서 사용되는 성분의 양, 반응 조건 등을 나타내는 모든 숫자 또는 표현은 모든 경우에서 "약"이라는 용어로 수식된 것으로 이해할 수 있다. 따라서, 달리 지시되지 않는 한, 하기의 명세서 및 첨부된 청구항에 설명된 수치 파라미터는 본 발명이 얻고자 하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다. 적어도, 청구 범위에 대한 균등론의 적용을 제한하려는 시도는 아니며, 각 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 자릿수의 수에 비추어 일반적인 반올림 기법을 적용하여 해석되어야 한다.
본 발명의 넓은 범위를 설명하는 수치 범위 및 파라미터가 근사값 임에도 불구하고, 특정 실시 예에 기재된 수치 값은 가능한 정확하게 보고된다. 그러나 모든 수치는 본질적으로 각각의 시험 측정에서 발견된 표준 편차로 인해 반드시 발생하는 특정 오류를 포함한다.
또한, 본원에 열거된 임의의 수치 범위는 그 안에 포함된 모든 하위 범위를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "1 에서 10"의 범위는 열거된 최소값 1과 열거된 최대값 10을 포함하는 그 사이의 모든 하위 범위를 포함한다. 즉, 1 이상의 최소값 및 10 이하의 최대값을 갖는다. 공개된 수치 범위는 연속적이기 때문에 최소값과 최대값 사이의 모든 값을 포함한다. 달리 명시되어 있지 않는 한, 본 출원에서 특정된 다양한 수치 범위는 근사치이다.
여기에 표현된 모든 조성 범위는 실제적으로 100 %(부피 % 또는 중량 %)를 초과하지 않는다. 조성물 내에 다수의 성분이 존재할 수 있는 경우, 각 성분의 최대량의 합은 100 %를 초과할 수 있으나, 통상의 기술자에 의해 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 실제로 사용되는 성분의 합은 최대 100 %이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 홈을 언급할 때 외측이란 용어는 홈이 있는 핀의 주 평면에 대해 외측이다.
이 명세서에서 사용되는 핀 높이는 핀이 노 튜브(furnace tube)의 외부 표면으로부터 멀어지는 거리를 나타낸다.
본 발명에 따르면, 노 튜브(furnace tube)는 고결정성, 양호한 응력 저항성 구비한 상당히 두꺼운 핀을 갖는다. 전형적으로, 핀은 노 튜브(furnace tube)의 반경의 약 33 % 이상, 전형적으로는 약 40 %, 바람직하게는 약 45 % 이상, 일부 실시예에서는 반경의 50 % 이하의 기부에서의 두께를 가질 것이다. 핀은 두껍거나 길다. 그것들은 약 0.5에서 5, 일반적으로 1에서 3까지의 높이 대 최대 너비 비율을 가지고 있다. 핀의 측면(모서리)은 핀의 외부 엣지를 향하여 내측으로 평행하거나 가볍게 테이퍼될 수 있다. 테이퍼 각도는 핀의 중심선에 대해 약 15º이하, 일반적으로 약 10º이하가 되야 한다. 핀의 가장자리는 편평하고, 뾰족하며(각 표면에서 30º에서 45º각도로), 또는 뭉툭하고 둥근 코를 갖는다. 핀은 뭉툭한 "V" 형, 외측으로 연장된 포물선, 평행 사변형의 형태로 단면 형상을 가질 수 있다. 몇몇 경우, 바람직하게는 종 방향 핀에 대해, 핀 단면은 "E" 형일 수 있다(평행한 종 방향 연장 부를 갖는 단일체(평행한 홈을 갖는)).
일 실시예에서, 핀의 적어도 하나의 주 표면은 핀의 적어도 하나의 주 표면의 표면 영역의 적어도 10 %를 덮는 규칙적인 또는 반(semi) 규칙적인 패턴으로 외측으로 개방된 홈의 어레이를 갖는다(예를 들어, 수평 핀의 상부 또는 바닥 또는 종 방향 핀에 대한 측면)을 가지며, 상기 홈은 4 분의 1 미만의 깊이를 가지며, 경우에 따라 핀의 최대 두께의 8 분의 1 내지 10 분의 1의 깊이를 갖는다. 어레이는 핀의 하나 이상의 주 표면의 표면적의 25 % 이상, 어떤 경우에는 50 % 이상, 바람직하게는 75 % 이상, 가장 바람직하게는 85 % 이상 내지 100 %까지 덮을 수도 있다. 어레이는 평행 선, 직선 또는 곡선, 핀의 주축에 각도를 이루거나 혹은 평행한, 교차 선, 물결 선, 정사각형 또는 직사각형의 형태일 수 있다. 홈은 외측으로 개방된 V형, 외측으로 개방된 절두형 V형, 외측으로 개방된 U형, 및 외측으로 개방된 평행한 측면 채널의 형태일 수 있다.
핀은 노 튜브(furnace tube)의 주축에 대해 횡 방향 또는 평행(예를 들어 종 방향)일 수 있다. 횡 방향 핀은 노 튜브(furnace tube)의 주축에 대하여 수직 방향으로 약 0 ° 내지 25 °의 각도일 수 있다. 그러나 튜브의 주축에 직각을 이루지 않는 각도에서 횡 방향 핀을 만드는 것은 더 많은 비용과 어려움이 있다. 횡 방향 핀은 원형, 타원 또는 N 형 다각형(N은 3 이상의 정수)에서 선택된 모양을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, N은 4 내지 12이다. 횡 방향 핀의 주 표면은 핀의 윗면 및 아래면이다. 횡 방향 핀은 노 튜브(furnace tube)의 바깥 지름보다 적어도 2 배 이상, 경우에 따라서는 3 내지 5배는 떨어져야 한다.
　종 방향 핀은 평행 사변형, 타원 또는 원의 일부분을 가질 수 있으며 복사 구역의 노 튜브(furnace tube)(어떤 경우에는, 패스로 언급됨)의 길이의 약 50 % 에서 길이의 100 %까지의 및 그 사이의 모든 범위의 길이를 갖는다.
종 방향 핀의 기부는 노 튜브(furnace tube)의 반경의 1/4 이상일 수 있으며, 경우에 따라 1/4 내지 3/4, 전형적으로 약 1/3 내지 3/4 또는 일부 경우에는 1/3 내지 5/8 일 수 있다. 핀은 두껍거나 길다. 이들은 약 0.5 내지 5, 전형적으로는 1 내지 3의 높이 대 최대폭의 비를 갖는다. 핀의 측면(엣지)은 핀의 끝을 향하여 내측으로 평행하거나 가볍게 테이퍼될 수 있다. 테이퍼 각도는 핀의 중심선에 대해 내측으로 약 15 °이하, 일반적으로 약 10 °이하가 되어야 한다. 핀의 끝이나 리딩 엣지는 평평하고 가늘어지며(핀의 위와 아래면에서 30 ° ~ 45 °각도로), 또는 뭉툭한 둥근 코를 갖는다. 횡 방향 핀의 리딩 엣지는 일반적으로 노 튜브(furnace tube)의 중심 축과 평행하다. 핀이 노 튜브(furnace tube)의 길이의 100 % 미만으로 연장되는 경우에, 핀의 선단 엣지는 대부분 노 튜브(furnace tube)의 중심 축에 평행할 것이고 약 60°~ 30°일반적으로 45°의 각도로 노 튜브(furnace tube) 벽에 대해 각도를 맞출 것이다. 어떤 경우에는 핀이 튜브 표면에 수직인 평평한 표면에서 끝날 수도 있다.
홈이 있는 핀을 갖는 노 튜브(furnace tube) 또는 패스는 도 1에 따라 설명될 것이다. 노 튜브(furnace tube)(1)는 중앙 채널(2) 및 환형 벽(3)을 포함한다. 이 실시예에서, 핀(4, 5)은 직선형이고 팁(6, 7)에 대해 내향으로 경사지거나 테이퍼드 되지 않는다. 핀은 그 표면에 일련의 평행한 홈 채널(10)을 갖는다.
돌출부의 배열은 핀의 외부 표면의 10 %에서 100 %(및 그 사이의 모든 범위)를 덮을 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 돌출부는 핀 복사 코일의 외부 표면의 40 내지 100 %, 전형적으로는 50 내지 100 %, 일반적으로 70 내지 100 %를 덮을 수도 있다. 돌출부가 핀의 전체 표면을 덮지 않으면, 돌출부는 핀의 바닥, 중간 또는 상단에 위치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 핀은 돌출부의 어레이를 포함할 수 있다.
도 2는 그 표면(21)이 하나 이상의 돌출부로 덮인 본 발명의 핀(20)을 도시한다. 돌출부는 사각 피라미드(23), 등변 원뿔(24) 또는 반구(25)의 형상일 수 있다.
돌출부는 핀의 주조 또는 기계 가공에 의해 또는 핀 표면(21)이 텍스쳐링된 표면을 갖도록 널링 롤(knurl roll)을 사용함으로써 적용될 수 있다.
돌출부의 배열은 핀의 외부 표면의 10 %에서 100 %(및 그 사이의 모든 범위)를 덮을 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 돌출부는 핀 복사 코일의 외부 표면의 40 내지 100 %, 전형적으로는 50 내지 100 %, 일반적으로 70 내지 100 %를 덮을 수도 있다. 돌출부가 핀의 전체 표면을 덮지 않으면, 돌출부는 핀의 바닥, 중간 또는 상단에 위치될 수 있다.
돌출부 기부가 외부 코일 표면과 접촉한다. 돌출부의 기부는 핀의 최대 두께의 0.1 % 내지 10 %보다 크지 않은 면적을 갖는다. 바람직하게는, 돌출부는 예를 들어 사면체, 피라미드, 정육면체, 원뿔, 구체를 통한 단면(예를 들어, 반구형 또는 그 이하), 타원을 통한 단면, 또는 변형된 타원형(예를 들어, 눈물)을 통한 단면 등과 같은 비교적 작은 부피를 갖고 비교적 큰 외부 표면적을 갖는 기하학적 형상을 갖는다. 돌출부의 유용한 모양은:
정사면체(삼각형의 밑면과 정삼각형인 3개의 면을 가진 피라미드);
존슨 사각 피라미드(사각형 기부와 정삼각형인 측면을 가진 피라미드);
4개의 이등변 삼각형 측면을 가진 피라미드;
이등변 삼각형 측면을 갖는 피라미드(예를 들어, 사각형이 4각형 피라미드 인 경우, 기부는 정사각형이 아니거나 직사각형 또는 평행 사변형이 될 수 있음);
구체의 섹션(예: 반 구체 이하);
타원체의 섹션(예를 들어, 타원이 그것의 장축 또는 단축을 통해 회전 될 때 형성된 형상 또는 체적을 통한 섹션);
눈물 방울의 섹션(예를 들어, 비 균일하게 변형된 타원형이 변형 축을 따라 회전될 때 형성된 형상 또는 체적을 통한 섹션); 과
포물선의 섹션(예를 들어, 포물선이 그 주축 둘레로 회전될 때 형성된 형상 또는 체적을 통한 단면 - 변형된 반구), 예를 들어, 다른 유형의 삼각익 같은.
돌출부의 형상 선택은 주로 핀 제조의 용이성에 기초한다. 핀 표면에 돌출부를 형성하는 한가지 방법은 주형 벽 내에 돌출부 형상을 갖는 주형에 주조하는 것이다.
이는 상대적으로 간단한 모양에 효과적이다. 돌출부는 또한 널링 장치, 예를 들면 널 롤(knurl roll)의 사용에 의한 주조 핀의 외부 표면을 기계 가공함으로써 생산될 수 있다.
상기 돌출부는 닫힌 고형물이다.
돌출부는 핀의 표면 위에 핀의 최대 두께의 3 % 내지 15 %, 그 사이의 모든 범위, 바람직하게는 핀의 최대 두께의 3 % 내지 10 %의 높이(Lz)를 갖는다.
일부 실시예에서, 돌출부의 밀집도는 균일하고 본질적으로 핀의 외부 표면을 덮는다. 그러나, 밀집도는 또한 코일 통과 위치에서의 복사 열 유속에 기초하여 선택될 수 있다(예를 들어, 일부 위치는 다른 곳보다 높은 열 유속을 가질 수 있다 - 코너).
돌출부를 설계할 때 방사할 수 있는 것보다 더 많은 복사 에너지를 흡수하도록 주의를 기울여야 한다. 이는 동일한 동작 조건에서 돌출부 바닥을 통해 핀 표면으로의 열의 전달이 노출된 평평한 핀의 등가 표면으로 전달된 열을 초과해야 하기 때문이라고 할 수 있다. 돌출부의 밀집도가 과도하게 되고 그 형상이 적절하게 선택되지 않으면, 본 발명의 목적을 상실하는 과도한 전도성 저항의 열 효과로 인해 열 전달을 감소시키기 시작할 수 있다. 제대로 설계되고 제조된 돌출부는 순 복사 및 대류열을 핀으로 전달하고 주위의 흐르는 연소 가스, 화염 및 노(furnace) 내화물로부터 코일로 전달한다. 복사열 전달에 대한 돌출부의 긍정적 영향은 증가된 핀 외부 표면을 통해 더 많은 열을 흡수할 수 있어 연소 가스와 핀 사이의 접촉 면적이 증가할뿐만 아니라 방사 핀 표면을 통한 상대적 열 손실이 감소되기 때문이기도 하다. 핀 표면이 더 이상 부드럽지 않기 때문이다. 따라서, 돌출부가 그 주위로 에너지를 방출함에 따라, 이 에너지의 일부는 다른 돌출부에 전달되고 그 돌출부에 의해 포착되어, 다시 핀 표면으로 향하게 된다. 돌출부는 유동 연소 가스와 접촉하는 핀 외부 표면의 증가시키고 핀 표면을 따라 난류를 증가시켜 인접한 가스 경계층의 두께를 감소시킴으로써 핀으로의 대류 열 전달을 증가시킬 것이다.
도 3은 돌출부가 주 치수 'a'(피라미드의 측면 길이 또는 원추 또는 반구의 직경) mm를 갖는 등변 피라미드(26), 사각 피라미드(23), 등변 원뿔(24) 및 반구(25)일 때의 핀(20)의 표면(21)의 면적의 퍼센트 증가의 선도이다(plot).
돌출부의 크기는 신중하게 선택해야 한다. 일반적으로 크기가 작을수록 돌출부의 표면 대 부피 비율이 높아지지만, 이러한 질감을 주조하거나 가공하는 것이 더 어려울 수 있다. 또한, 돌출부가 지나치게 작은 경우, 핀 표면상의 상이한 불순물의 정착으로 인해 시간의 경과에 따라 그 존재의 이점이 점차 감소될 수 있다. 그러나, 돌출부는 이상적으로 대칭일 필요는 없다. 예를 들어, 타원형기부는 눈물 방울 형태로 변형될 수 있으며, 그렇게 바람직하게 형성되면 코일이 노(furnace) 내에 위치될 때 "꼬리"가 연도 가스 흐름의 전체 방향과 일치하여 아래로 향할 수 있다.
홈 또는 돌출부가 있는 핀의 또 다른 중요한 이점은 핀의 접촉 표면이 증가함에도, 중량이 감소될 수 있다는 것이다.
상기 핀과 노 튜브(furnace tube)는 동일한 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 핀은 노 튜브(furnace tube)의 일부로서 주조하기가 가장 쉽다. 다른 실시예에서, 핀은 개별적으로 주조되고 소정 위치에서 용접될 수 있다.
튜브 및 핀은 약 55 내지 65 중량 %의 Ni; 약 20 내지 10 중량 %의 Cr; 약 20 내지 10 중량 %의 Co; 및 약 5 내지 9 중량 %의 Fe 및 나머지 1 종 이상의 미량 원소를 포함할 수 있다. 튜브 및 핀이 제조되는 합금은 0.2 내지 3 중량 %의 Mn; 0.3 내지 2 중량 %의 Si; 5 중량 % 미만의 티타늄, 나이오븀 및 기타 모든 미량 금속들; 및 0.75 중량 % 미만의 탄소를 더 포함할 수 있고, 성분들의 합이 100 중량 % 이하이다.
노 튜브(furnace tube) 및 핀은 40 내지 65 중량 %의 Co; 15 내지 20 중량 %의 Cr; 20 내지 13 중량 % Ni; 4 중량 % 미만의 Fe 및 20 중량 % 이하의 나머지 1 종 이상의 미량 원소들 W를 포함 할 수 있고, 각 성분들의 합계가 100 중량 %이하이다. 노 튜브(furnace tube) 및 핀이 제조되는 합금은 0.2 내지 3 중량 %의 Mn; 0.3 내지 2 중량 %의 Si; 5 중량 % 미만의 티타늄, 나이오븀 및 기타 모든 미량 금속; 및 0.75 중량 % 미만의 탄소를 더 포함할 수 있고, 성분들의 합은 100 중량 % 이하이다.
노 튜브(furnace tube) 및 핀은 20 내지 38 중량 %의 크롬, 25 내지 48 중량 %의 Ni을 포함할 수 있다. 노 튜브(furnace tube) 및 핀이 제조될 수 있는 합금은 0.2 내지 3 중량 %의 Mn, 0.3 내지 2 중량 %의 Si; 5 중량 % 미만의 티타늄, 나이오븀 및 기타 모든 미량 금속; 및 0.75 중량 % 미만의 탄소 및 나머지는 실질적으로 철인, 합계가 100 중량 %이하인 성분들을 포함할 수 있다.
홈 또는 돌출부는 주조 핀의 표면에서 기계 가공될 수 있다. 일부 실시예에서, 재료를 제거하지 않고 홈/돌출부를 생성하기 위해 핀을 냉간 압연(강재의 재결정 온도 미만의 온도에서)시키는 것이 바람직하다. 이것은 핀이 실질적으로 편평한 경우에 특히 유용할 수 있다.
홈 또는 돌출부는 종 방향 또는 횡 방향 평행선, 대각선, 교차 해치 패턴, 사각형, 직사각형, 원, 타원 등과 같은 기하학적 패턴일 수 있다. 패턴은 규칙적 또는 반(semi) 규칙적일 수 있다.
1: 노 튜브(furnace tube) 10: 홈 채널(grooves-channels)
2: 중앙 채널(central channel) 20: 핀(fin)
3: 환형 벽(annual wall) 21: 핀 표면(fin surface)
4: 핀(fin) 23: 정사각피라미드(square pyramid)
5: 핀(fin) 24: 등변 원뿔(equilateral cone )
6: 끝(tip) 25: 반구(hemisphere)
7: 끝(tip) 26: 등변 피라미드(equilateral pyramid )

Claims (21)

  1. 그 외주면 상에 하나 이상의 두꺼운 핀을 갖는 노 튜브(furnace tube)로서,
    상기 두꺼운 핀은,
    그 기부(base)에 상기 노 튜브의 반경의 1/4 내지 3/4의 두께;
    평행한 측면 또는 상기 핀의 주축에 대하여 15 °미만의 내측 상향의 테이퍼드된 측면
    을 가지며,
    상기 핀은 적어도 하나의 주 표면 상에,
    상기 표면 영역의 적어도 10 % 이상을 규칙적 또는 반(semi) 규칙적인 패턴으로 덮는 외측으로 개방된 홈으로서 상기 핀의 최대 두께의 4 분의 1보다 작은 깊이를 갖는 외측으로 개방된 홈;
    상기 핀의 최대 두께의 10 %를 초과하지 않는 기부 치수 및 상기 핀의 최대 두께의 15 %를 초과하지 않는 높이를 갖는 돌출부; 또는
    상기 핀의 적어도 하나의 주 표면의 표면적의 적어도 10 %를 규칙적인 또는 반(semi) 규칙적인 패턴으로 덮는 홈 및 돌출부
    로 구성된 그룹으로부터 선택된 어레이를 갖는,
    노 튜브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 어레이는 상기 핀의 적어도 하나의 주 표면의 1/4 이상을 덮는, 노 튜브.
  3. 제2항에 있어서, 상기 핀은 그 기부에 노 튜브(furnace tube)의 반경의 1/3 내지 1/2 인 두께를 갖는, 노 튜브.
  4. 제3항에 있어서, 상기 핀은 외측으로 연장된 포물선, 평행사변형, E 형 또는 뭉툭한 V 형의 단면을 갖는, 노 튜브.
  5. 제4항에 있어서, 상기 어레이는 상기 핀의 최대 두께의 8 분의 1 내지 10 분의 1의 깊이를 갖는 홈을 포함하는, 노 튜브.
  6. 제5항에 있어서, 상기 홈은 외측으로 개방된 V 형, 외측으로 개방된 절두형 V 형, 외측으로 개방된 U 형 및 외측으로 개방된 평행한 측면 채널에서 선택된 형태인, 노 튜브.
  7. 제3항에 있어서, 상기 어레이는,
    i) 상기 핀의 기부의 3 내지 15 %의 최대 높이;
    ii) 주 치수가 상기 핀 두께의 0.1 % 내지 10 % 인 핀 또는 기부와의 접촉면; 및
    iii) 상대적으로 작은 체적을 함유하고 상대적으로 큰 외부 표면적을 갖는 기하학적 형상
    을 갖는 돌출부를 포함하는,
    노 튜브.
  8. 제7항에 있어서, 상기 돌출부는,
    정사면체;
    존슨 사각 피라미드;
    4개의 이등변 삼각형 측면을 가진 피라미드;
    이등변 삼각형 측면을 가진 피라미드;
    구의 한 부분;
    타원체의 한 부분;
    눈물 방울의 한 부분; 및
    포물선의 한 부분;
    으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 형상을 갖는,
    노 튜브
  9. 제5항에 있어서, 상기 핀은 원형, 타원형 또는 N면 다각형의 형태로 횡 방향 플레이트를 형성하는, 노 튜브.
  10. 제7항에 있어서, 상기 핀은 원형, 타원형 또는 N면 다각형의 형태로 횡 방향 플레이트를 형성하는, 노 튜브.
  11. 제5항에 있어서, 상기 핀은 외측으로 연장된 포물선, 평행사변형 또는 E 형 단면을 갖는 종 방향 핀인, 노 튜브.
  12. 제7항에 있어서, 상기 핀은 외측으로 연장하는 포물선, 평행사변형 또는 E 형 단면을 갖는 종 방향 핀인, 노 튜브.
  13. 제1항에 있어서, 상기 노 튜브 및 핀은 동일한 금속 조성물을 포함하는, 노 튜브.
  14. 제13항에 있어서,
    약 55 내지 65 중량 %의 Ni;
    약 20 내지 10 중량 %의 Cr;
    약 20 내지 10 중량 %의 Co; 및
    약 5 내지 9 중량 %의 Fe 및 나머지 1 종 이상의 미량 원소를 포함하는,
    노 튜브.
  15. 제14항에 있어서,
    0.2 내지 3 중량 %의 Mn;
    0.3 내지 2 중량 %의 Si;
    5 중량 % 미만의 티타늄, 나이오븀 및 기타 모든 미량 금속들; 및
    0.75 중량 % 미만의 탄소를 더 포함하고,
    상기 성분들의 합이 100 중량 % 이하인,
    노 튜브.
  16. 제13항에 있어서,
    40 내지 65 중량 %의 Co;
    15 내지 20 중량 %의 Cr;
    13 내지 20 중량 %의 Ni;
    4 중량 % 미만의 Fe; 및
    20 중량 % 이하의 나머지 1 종 이상의 미량 원소들 W를 포함하고,
    상기 성분들의 합은 100 중량 % 이하인,
    노 튜브.
  17. 제16항에 있어서,
    0.2 내지 3 중량 %의 Mn;
    0.3 내지 2 중량 %의 Si;
    5 중량 % 미만의 티타늄, 나이오븀 및 기타 모든 미량 금속들; 및
    0.75 중량 % 미만의 탄소를 더 포함하는,
    노 튜브.
  18. 제13항에 있어서, 25 내지 48 중량 %의 크롬, 20 내지 38 중량 %의 Ni을 포함하는, 노 튜브.
  19. 제18항에 있어서,
    0.2 내지 3 중량 %의 Mn, 0.3 내지 2 중량 %의 Si;
    5 중량 % 미만의 티타늄, 나이오븀 및 기타 모든 미량 금속들; 및
    0.75 중량 % 미만의 탄소를 더 포함하고,
    잔여물은 실질적으로 철인,
    노 튜브.
  20. 제1항에 따른 노 튜브를 갖는 복사 섹션을 포함하는 분해로.
  21. 제20항에 따른 분해로의 복사 부분을 통해 가스 상태의 파라핀을 600 ℃ 내지 1000 ℃의 온도에서 0.001 내지 0.01초 동안 통과시키는 단계를 포함하는, 파라핀 분해 방법.
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