KR20200123883A - 파이어 히터 - Google Patents

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우재영
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Abstract

본 발명은 히팅 박스 내에 다수의 U자형 가열튜브와 U자형 가열튜브와 유체 연통되는 유입부 매니폴드 및 유출브 매니폴드를 포함하는 파이어 히터에 관한 것으로, 유입부 매니폴드 또는 유출부 매니폴드의 형상을 변경하여 매니폴드에 연결된 복수의 U자형 가열튜브간 유량 편차를 줄이고, 유량과 유체의 온도 상승 분포를 균일하게 하여 탄화수소 변환 공정에 적용 시에 부반응을 최소화하고 반응물의 순도를 높일 수 있다.

Description

파이어 히터{FIRED HEATER}
본 발명은 열원에 의해 제공된 복사 에너지에 의해 반응물이 간접 가열되는 하나 이상의 복사 섹션을 포함하는 유형의 파이어 히터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 U자형 튜브간 유속을 조절하여 열분포를 개선함으로써 열적 깨짐 현상을 감소시킬 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.
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.
종래의 파이어 히터의 구조는 단열 박스 내에 배치되는 가스가 지나가는 튜브를 버너로부터 나온 불꽃이 복사, 대류, 전도 등의 방법으로 가열하는 것이다. 일반적으로 파이어 히터는 히팅 박스 내에 다수의 U자형 가열튜브와 열원으로 구성된다. 이러한 종래의 파이어 히터는, 국제특허공개 WO 2017/095600에 개시된 바와 같이, 다수의 U자형 가열튜브로의 유체의 유입과 유출을 동일하게 하기 위하여 유출부 매니폴드 및 유입부 매니폴드를 이용해서 복수의 U자형 가열튜브들이 연결되는 구조로 되어 있다. 이러한 구조로 이루어짐에 따라 많은 양의 유체를 수많은 얇은 U자형 가열튜브 다발로 나누어 가열함으로써 가열 시간을 감소시킬 수 있고, 전열 면적을 늘려 효율적인 유체의 가열이 가능하게 된다.
그러나 이러한 일반적인 구조의 파이어 히터에서는, 파이어 히터 내부의 온도 불균형에 따라 유체의 열적 깨짐 현상(thermal cracking)이 과도하게 발생하는 경향이 있다. 또한 기존의 매니폴드(120, 125)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 일자형 튜브 구조로 되어 있는데, 일자형 튜브 구조의 매니폴드의 경우 유체의 초기 유입 부분에서 유속이 다른 영역에 비해 빠르고, 그에 따른 U자형 가열튜브간 유량 및 유속 편차가 발생한다. 이에 따라서 U자형 가열튜브 내 체류시간이 각각의 U자형 가열튜브 별로 달라지기 때문에 편차가 생겨 영향을 미치는 열량의 차이가 생기는 문제점이 있다. 또한 U자형 가열튜브의 유출부 부분에 연결된 매니폴드에서 유출 속도가 빠르지 않기 때문에 체류시간 증가에 따른 열적 깨짐 현상이 심화되는 문제점도 있다. 이와 같이 열적 깨짐이 많이 발생할수록 탄화수소 변환 공정의 반응물의 순도가 낮아지므로, 고순도의 생성물을 생성할 수 없게 되는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 유입부 매니폴드에서의 유속을 조절함으로써 U자형 가열튜브 간 유량 편차를 줄이고, 유출부 매니폴드 내에서의 체류 시간을 감소시킴으로서, 각각의 U자형 가열튜브 간 유량과 유체의 온도 상승 분포를 균일하게 하여 열적 깨짐 현상을 감소시킬 수 있는 파이어 히터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 파이어 히터 내부의 복수의 U자형 가열튜브간 열분포를 균일하게 하여, 탄화수소 변환 공정에서 반응물의 가열에 사용 시에 열분해 반응과 같은 부반응을 최소화하고, 고순도의 생성물을 생성할 수 있는 파이어 히터를 제공하는 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,
히팅 박스, 상기 히팅 박스 내에 설치된 내부에 반응물이 유동하는 하나 이상의 U자형 가열튜브 및 상기 U자형 가열튜브의 외부면을 복사열에 노출시키기 위한 다수의 열원, 상기 U자형 가열튜브와 유체 연통되고, 유입구in 및 유출구in를 갖는 유입부 매니폴드 및 상기 U자형 가열튜브와 유체 연통되고, 유입구out 및 유출구out를 갖는 유출부 매니폴드를 포함하는 파이어 히터로서, 상기 유입부 매니폴드는 유입구에서 유출구로 갈수록 내경이 감소되도록 구성되거나, 상기 유출부 매니폴드는 유입구에서 유출구로 갈수록 내경이 확대되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이어 히터에 관한 것이다.
하나의 실시예에서, 상기 유입부 매니폴드는 유입구in에서 유출구in로 갈수록 내경이 감소되는 구조로 형성되고, 상기 유출부 매니폴드의 유입구의 내경과 유출구의 내경은 동일하게 형성될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 유입부 매니폴드의 유입구in의 내경과 유출구in의 내경은 동일하고, 상기 유출부 매니폴드는 유입구out에서 유출구out로 갈수록 내경이 확대되는 구조로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 유입부 매니폴드는 유입구in에서 유출구in로 갈수록 내경이 감소되는 구조로 형성되고, 상기 유출부 매니폴드는 유입구out에서 유출구out로 갈수록 내경이 확대되는 구조로 형성될 수 있다.
상기 유입부 매니폴드가 유입구in에서 유출구in로 갈수록 내경이 감소되는 구조로 형성되는 경우에, 상기 유입부 매니폴드의 유출구in 내경에 대한 유입구in 내경의 비는 1.03~2.3의 범위내 일 수 있다.
상기 유출부 매니폴드가 유입구에서 유출구로 갈수록 내경이 확대되는 구조로 형성되는 경우에, 상기 유출부 매니폴드의 유입구out 내경에 대한 유출구out 내경의 비는 1.03~2.3의 범위 내일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예의 파이어 히터에 의하면, 매니폴드의 유체(Feed) 초기 유입 부분의 내경의 크기를 증가시키고 점차 감소하는 구조로 변경하여 유속을 조절함에 따라 U자형 가열튜브 간 유량 편차를 줄이고, U자형 가열튜브의 유출부 부분에 연결된 매니폴드는 최종 유출 영역 방향으로 내경이 점차 증가하는 구조로 변경하여 내부 체류 시간을 감소시킴으로써, 각 튜브 간 유량이 치우치는 현상 및 U자형 가열튜브 별 체류 시간의 차이가 줄어들며 유량과 유체의 온도 상승 분포가 균일하게 개선됨에 따라 열적 깨짐 현상을 감소시켜 히터의 효율성을 높일 수 있다.
본 발명에 히팅 박스 내의 튜브 내의 온도 편차를 보다 안정적으로 유지함에 따라 열적 깨짐 현상을 감소시켜 히터의 효율성을 높일 수 있다. 또한 파이어 히터 내부의 열분포를 균일하게 하여 원하지 않는 부반응이 발생하는 것을 억제하여 탄화수소 변환 공정에 적용 시에 고순도의 생성물을 수득할 수 있다.
도 1은 종래의 파이어 히터의 일례를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 파이어 히터의 개략 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 파이어 히터의 개략 측단면도이다.
도 4a-4b는 실시예와 비교예의 파이어 히터에서 각각의 U자형 가열튜브의 유량의 변화를 측정한 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
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 "열원"은 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 가열튜브"는 반응물 유입부와 반응물 유출부 및 상기 유입부와 유출부 사이의 중간부를 포함하고, 상기 유립부와 상기 유출부가 일정한 간격을 두고 서로 평행하게 배열된 관형 수단을 의미하는 것으로 절대적으로 U자형 가열튜브만을 의미하는 것이 아니고, 역U자형이나 중간부가 코일형으로 구성된 구조 등을 모두 포괄하는 넓은 의미이다.
본 발명에서 “유입부 매니폴드”는 파이어 히터의 U자형 튜브의 유입 부분에 연결된 매니폴드를 의미하고, “유출부 매니폴드“는 U자형 가열튜브의 유출부에 연결된 매니폴드를 의미한다.
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, 매니폴드의 유체 초기 유입 부분의 내경의 크기를 증가시키고 점차 감소하는 구조로 변경하여 유속을 조절함으로써 U자형 가열튜브 간 유량 편차를 줄이고, 유출부 매니폴드는 최종 유출 영역 방향으로 내경이 점차 확대되는 구조로 변경하여 내부 체류 시간을 감소시켜, 각각의 가열튜브 간 유량이 치우치는 현상을 감소시키고 유량과 유체의 온도 상승 분포를 균일하게 하여, 히팅 박스 내부의 열분포를 균일하게 하여 열분해반응과 같은 부반응을 최소화할 수 있다.
유입부 매니폴드의 초기 유속/유량이 빠르므로 유입부 후단의 직경을 작게 함에 따라 유체가 빠르게 다수의 U자형 가열 튜브로 분배되어 그에 따라 각 가열튜브의 유속/유량 편차를 적게 할 수 있다. 유출부 매니폴드의 경우 유출부와 가까운 쪽으로 갈수록 다수의 U자형 가열 튜브에서 나오는 유체들이 더해지므로 유출부와 가까운 쪽의 직경을 크게 함에 따라 각각의 U자형 가열 튜브의 균일도를 높일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 파이어 히터의 개략 측단면도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예의 파이어 히터의 개략 측단면도이다.
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.
반응물은 복사 섹션 입구 분배기로 도입되기 이전에, 바람직하게는 대략 800℃ 내지 1,300℃의 온도를 갖는 고온 연소 가스에 의해 대략 400℃ 내지 1,300℃의 온도로 예열되는 하나 이상의 입구 라인을 통해 대류 섹션으로 도입된다. 예열된 공급물은 복사 섹션 입구 분배기로부터 U자형 가열튜브(200)로 도입되며, 이 U자형 가열튜브는 복사 섹션을 포함하는 히팅 박스(10) 내부에 위치된다. 히팅 박스(10)는 열 에너지를 보존하기 위해 단열 내화재로 커버되어 있다.
히팅 박스(10)는 다수의 U자형 가열튜브(200)를 포함한다. 본 발명에 따라, U자형 가열튜브는, 문자 "U"자와 다소 유사한 형상을 취하고 있다. U자형 가열튜브(200)의 특성은 히팅 박스를 통과하는 2개의 통로를 효과적으로 형성하는 것이다. 이러한 U자형 가열튜브(200)는 U 자형 또는 역U자형일 수 있다.
히팅 박스(10)는 U자형 가열튜브의 외부면을 복사열에 노출시키기 위한 다수의 열원(20), 상기 U자형 가열튜브와 유체 연통되고, 유입구in(321) 및 유출구in(322)를 갖는 유입부 매니폴드(320) 및 상기 U자형 가열튜브와 유체 연통되고, 유입구out(312) 및 유출구out(311)를 갖는 유출부 매니폴드(310)를 포함하고 있다. 열원(110, 120)은 차지 히터(charge heater) 또는 인터히터(interheater)일 수 있다. 공지된 다양한 구조의 열원은 비정제가스 또는 미리혼합된 열원을 포함하여 사용될 수 있다. 연소 공기 공급원은 주위 공기, 또는 가스 터빈 배기로부터 예열된 공기로부터 취해질 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 하나의 양상은 다수의 U자형 가열튜브가 내부에 배치된 히팅 박스(10), 상기 히팅 박스 내에 설치된 내부에 반응물이 유동하는 하나 이상의 U자형 가열튜브(200) 및 상기 U자형 가열튜브의 외부면을 복사열에 노출시키기 위한 다수의 열원(미도시), 상기 U자형 가열튜브와 유체 연통되고, 유입구in(321) 및 유출구int(322)를 갖는 유입부 매니폴드(320) 및 상기 U자형 가열튜브와 유체 연통되고, 유입구out(312) 및 유출구out(311)를 갖는 유출부 매니폴드(310)를 포함하는 파이어 히터로서, 상기 유입부 매니폴드(320)는 유입구in(321)에서 유출구out(322)로 갈수록 내경이 감소되도록 구성되거나, 상기 유출부 매니폴드(310)는 유입구out(312)에서 유출구out(311)로 갈수록 내경이 확대되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이어 히터에 관한 것이다.
하나의 실시예에서, 상기 유입부 매니폴드(320)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 유입구in (321)를 통해 유입된 반응물의 유속을 높이도록 유입구in(321)에서 유출구in(322)로 갈수록 내경이 점차 작아지도록 구성되고(d1>d2), 상기 유출부 매니폴드의 유입구의 내경과 유출구의 내경은 동일하도록 구성될 수 있다(d3=d4).
다른 실시예에서, 상기 유입부 매니폴드(320)의 유입구in(321)의 내경과 유출구in(322)의 내경은 동일하고(d1=d2), 상기 유출부 매니폴드(310)는 유입구out(312)에서 유출구out(311)쪽으로 최종 유출 영역 방향으로 내경이 점차 커지도록 형성될 수 있다 (d5>d6). 파이어 히터의 유입부 매니폴드(320) 및 유출부 매니폴드(310)에는 복수의 U자형 가열튜브(200)들이 연결되어 있는데, 유출부 매니폴드(310)에는 복수의 U자형 가열튜브에서 가열된 유체들이 최종 유출 영역으로 넘어오기 때문에 최종 유출 영역으로 갈수록 유체의 양이 급증하게 된다. 따라서 이 구간에서 과히팅에 의한 열적 깨짐이 발생할 수 있기 때문에, 본 발명에서 유출부 매니폴드(310)는 유입구out(312)에서 최종 유출 영역 방향으로 갈수록 내경이 점차 확대되도록 형성하여 고온의 반응물의 내부 체류 시간을 줄일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 유입부 매니폴드(320)는 유입구in(321)에서 유출구in(322)로 갈수록 내경이 감소되는 구조(d1>d2)로 형성되고, 상기 유출부 매니폴드(310)는 유입구out(312)에서 유출구inout(311)로 갈수록 내경이 확대되도록 형성될 수 있다(d5>d6). 이러한 파이어 히터에서는 유입부 매니폴드에서는 유속이 빨라지도록 조절하여 U자형 가열튜브 간 유량 편차를 줄이고, 유출부 매니폴드에서는 배출되는 유량을 증가시켜 내부 체류 시간을 감소시킴으로서, 각 튜브 간 유량을 균일하게 조정할 수 있다. 본 발명에서 상기 유입부 매니폴드(320)가 유입구in에서 유출구in로 갈수록 내경이 감소되는 구조로 형성되는 경우에, 유출구in(322)의 내경에 대한 유입구in(321)의 내경의 비는 1.03~2.3 정도로 할 수 있다.
한편, 상기 유출부 매니폴드(310)가 유입구in(312)에서 유출구in(311)로 갈수록 내경이 확대되는 구조로 형성되는 경우에, 상기 유출부 매니폴드(310)의 유출구out(311) 내경에 대한 유입구out(312) 내경의 비(d5/d6)는 1.03~2.3 정도로 할 수 있다.
이하에서 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 다만 이러한 실시예는 본 발명의 파이어 히터의 성능을 입증하기 위한 예시적인 것으로, 본 발명이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1~4 및 비교예 1~3
종래 기술과 같이 유출부 매니폴드의 유출구의 내경에 대한 유입구의 내경의 비를 1.00, 0.67, 및 2.42로 한 것을 비교예 1~3으로 하고, 유출부 매니폴드의 유출구의 내경에 대한 유입구의 내경의 비(d1/d2)를 1.03, 1.14, 1.50, 및 2.30으로 한 것을 실시예로 하여, 매니폴드 내경 변화에 따른 U자형 가열 튜브에서의 유량 분포와 열적 깨짐 현상을 유동 해석 프로그램을 이용하여 측정하고, 그 결과를 하기 표 1 및 도 4a-b에 나타내었다.
d1/d2 부피
감소비		 매니폴드
유속		 크랙킹(%)
U자형
가열튜브		 유출부
매니폴드
비교예 1 1.00 0 70 m/s 0.67 0.20
실시예 1 1.03 20% 82 m/s 0.64 0.19
실시예 2 1.14 30% 90 m/s 0.60 0.19
실시예 3 1.50 60% 120 m/s 0.58 0.14
실시예 4 2.30 80% 170 m/s 0.55 0.10
비교예 2 0.67 80% 45 m/s 0.85 1.11
비교예 3 2.42 80% 250 m/s 0.54 0.06
상기 표 1 및 도 4a-b의 결과를 통해서 확인되는 바와 같이, 비교예 1의 경우에 비해서, d2/d1이 1.14인 실시예 2를 포함하여 실시예 1 내지 실시예 4의 경우, 각 튜브 별 유량 분포가 균일해짐에 따라서 U자형 가열튜브 내의 열적 깨짐이 감소되는 것을 확인하였다. 또한 유출부 매니폴드의 부피 감소에 따라 유동 변화가 생기고 고온의 유체가 체류하는 시간이 감소하기 때문에 매니폴드에서의 열적 깨짐 현상이 감소되었다. 또한 d2/d1이 0.67인 비교예 2의 경우 매니폴드 유출 부의 유출부와 거리가 먼 영역에서의 유체 머무름 현상이 과도하게 되어 부피는 감소하지만 오히려 유동 편차가 커지기 때문에 열적 깨짐 현상이 증가하고 d2/d1가 2.42인 비교예 3의 경우와 같은 경우 매니폴드에서의 유속이 과도하게 빨라질 수 있기 때문에 안정성에 문제를 야기할 수 있다. 이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련된 당업자들은 하기의 특허청구범위에 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 200: U자형 가열튜브
310: 유출부 매니폴드
312: 유입구out 311: 유출구out
320: 유입부 매니폴드
321: 유입구in 322: 유출구in

Claims (6)

  1. 히팅 박스, 상기 히팅 박스 내에 설치된 내부에 반응물이 유동하는 하나 이상의 U자형 가열튜브 및 상기 U자형 가열튜브의 외부면을 복사열에 노출시키기 위한 다수의 열원, 상기 U자형 가열튜브와 유체 연통되고, 유입구in 및 유출구in를 갖는 유입부 매니폴드 및 상기 U자형 가열튜브와 유체 연통되고, 유입구out 및 유출구out를 갖는 유입부 매니폴드를 포함하는 파이어 히터로서, 상기 유입부 매니폴드는 유입구에서 유출구로 갈수록 내경이 감소되도록 구성되거나, 상기 유출부 매니폴드는 유입구에서 유출구로 갈수록 내경이 확대되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유입부 매니폴드는 유입구in에서 유출구in로 갈수록 내경이 감소되는 구조로 형성되고, 상기 유출부 매니폴드의 유입구의 내경과 유출구의 내경은 동일한 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유입부 매니폴드의 유입구in의 내경과 유출구in의 내경은 동일하고, 상기 유출부 매니폴드는 유입구out에서 유출구out로 갈수록 내경이 확대되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유입부 매니폴드는 유입구in에서 유출구in로 갈수록 내경이 감소되는 구조로 형성되고, 상기 유출부 매니폴드는 유입구에서 유출구로 갈수록 내경이 확대되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
  5. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 유입부 매니폴드가 유입구in에서 유출구in로 갈수록 내경이 감소되는 구조로 형성되는 경우에, 상기 유입부 매니폴드의 유출구in 내경에 대한 유입구in 내경의 비(d1/d2)가 1.03~2.3인 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
  6. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 유출부 매니폴드가 유입구에서 유출구로 갈수록 내경이 확대되는 구조로 형성되는 경우에, 상기 유출부 매니폴드의 유입구out 내경에 대한 유출구out 내경의 비(d5/d6)가 1.03~2.3인 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
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