KR20210110447A - 가열 튜브 모듈 및 이를 포함하는 파이어 히터 - Google Patents

가열 튜브 모듈 및 이를 포함하는 파이어 히터 Download PDF

Info

Publication number
KR20210110447A
KR20210110447A KR1020200025154A KR20200025154A KR20210110447A KR 20210110447 A KR20210110447 A KR 20210110447A KR 1020200025154 A KR1020200025154 A KR 1020200025154A KR 20200025154 A KR20200025154 A KR 20200025154A KR 20210110447 A KR20210110447 A KR 20210110447A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
heating tube
manifold
inlet
outlet
heating
Prior art date
Application number
KR1020200025154A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102320510B1 (ko
Inventor
조부영
김원일
염희철
우재영
정단비
조민정
조재한
Original Assignee
효성화학 주식회사
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 효성화학 주식회사 filed Critical 효성화학 주식회사
Priority to KR1020200025154A priority Critical patent/KR102320510B1/ko
Publication of KR20210110447A publication Critical patent/KR20210110447A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102320510B1 publication Critical patent/KR102320510B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/06—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds in tube reactors; the solid particles being arranged in tubes
    • B01J8/062—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds in tube reactors; the solid particles being arranged in tubes being installed in a furnace
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/2415—Tubular reactors
    • B01J19/2425—Tubular reactors in parallel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/06—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds in tube reactors; the solid particles being arranged in tubes
    • B01J8/065—Feeding reactive fluids
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C5/00—Disposition of burners with respect to the combustion chamber or to one another; Mounting of burners in combustion apparatus
    • F23C5/08—Disposition of burners
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00106—Controlling the temperature by indirect heat exchange
    • B01J2208/00115—Controlling the temperature by indirect heat exchange with heat exchange elements inside the bed of solid particles
    • B01J2208/00132—Tubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00504—Controlling the temperature by means of a burner
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00074—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids
    • B01J2219/00076—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids with heat exchange elements inside the reactor
    • B01J2219/00081—Tubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00157—Controlling the temperature by means of a burner

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)

Abstract

본 발명은 반응기에 공급되는 반응물을 가열하기 위한 파이어 히터의 가열 튜브 모듈로서, 반응기에 가열된 반응물을 공급하는 상단에 형성된 하나 이상의 유출 매니폴드; 상기 유출 매니폴드에 연결되는 ㄱ자형 제1 가열튜브; 상기 유출 매니폴드에 연결되는 ㄱ자형 제2 가열튜브; 상기 제1 가열튜브에 연결되는 제1 유입 매니폴드; 및 상기 제2 가열튜브에 연결되는 제2 유입 매니폴드를 포함하고, 상기 제1 및 제2 가열튜브는 상기 유출 매니폴드에 연결되는 수평부, 상기 수평부로부터 수직 방향 하방으로 절곡 형성되고, 하단부가 각각 제1 및 제2 유입 매니폴드에 연결되는 수직부, 및 상기 수평부와 수직부를 연결하는 절곡부를 포함하여 구성되고, 상기 제1 및 제2 가열튜브는 서로 거울상 대칭 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 가열 튜브 모듈 및 이를 이용하는 파이어 히터에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 매니폴드에서의 체류시간을 1/2로 획기적으로 줄여서, 파이어 히터에서의 크래킹을 획지적으로 감축할 수 있다.

Description

가열 튜브 모듈 및 이를 포함하는 파이어 히터{HEATING TUBE MODULE AND FIRED HEATER COMPRISING THE SAME}
본 발명은 가열 튜브 모듈 및 이를 포함하는 파이어 히터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 매니폴드에서의 체류 시간을 1/2로 단축하여 파이어 히터의 크래킹을 저감할 수 있는 가열 튜브 모듈 및 방사구간의 열효율을 개선할 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.
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 U자형 가열 튜브를 버너로부터 나온 불꽃이 복사, 대류, 전도 등의 방법으로 가열하는 것이다.
미국특허공개 제2016-0334135호는 도 1에 도시된 바와 같은 파이어 히트를 개시하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 파이어 히터는 버너(22, 24, 26, 28)가 설치된 파이어박스(10)와 파이어박스 내부를 관통하며 반응물이 지나가는 U자형 코일들(18)로 구성된다. 버너(22, 24, 26, 28)에서 나온 화염은 고온의 열기로 U자형 코일들(18)에 광범위하게 복사열을 전달하게 되고 U자형 코일들(18)의 외부면에서 달궈진 열은 가열 튜브 재질의 열전도 현상으로 가열 튜브의 내부까지 화염으로부터 받은 열을 전달하고, 튜브 내부에서는 튜브내벽으로부터의 복사열이 튜브 안쪽 중심공간까지 열을 복사하게 되어 반응물을 가열한다.
도 1을 참조하면, 이와 같은 종래의 파이어 히터는 내부에 U자형 가열 튜브(18)가 삽입되어 있어서 버너의 불꽃으로부터 열을 받는 구조이고, 가열튜브의 유입 매니폴드(14) 및 유출 매니폴드(16)는 상단에 배치되고, 반응기의 경우 유입구와 유출구가 하단에 위치하여 파이어 히터와 연결되어 있다. 이러한 종래의 장치는 파이어 히터와 반응기 간 연결을 위한 매니폴드와 반응기 사이의 이격 거리가 한 쪽이 과대하게 설계되는 구조이므로, 크래킹 발생에 취약한 구조이다. 또한 반응기 구조의 경우 유입구와 유출구가 동일 선상에 위치하는 구조이므로, 반응기 상하간 유속 편차가 심하게 발생하는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제를 해소하기 위한 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 파이어 히터 내부에서 발생하는 크래킹을 최소화하고, 복사 영역에서 열효율을 향상시켜서 공정 경제성을 확보할 수 있는 가열 튜브 모듈 및 파이어 히터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 탄화수소 탈수소화 장치에 연결 시에 탈수소화 반응기와 파이어 히터 간 최단 연결 거리를 제공함으로써 촉매의 크래킹을 최소화하고, 상하부 유속 편차를 줄임으로써 생산량을 극대화하기 위한 가열 튜브 모듈 및 이를 포함하는 파이어 히터를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 크래킹을 최소화하고 탈수소화 반응기 내부에서 피드 스트림 유입구와 유출구의 위치를 대칭으로 구성하여 생산성을 향상시키면서도 고순도의 생성물을 생성할 수 있는 탄화수소 탈수소화 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,
반응기에 공급되는 반응물을 가열하기 위한 파이어 히터의 가열 튜브 모듈로서,
반응기에 가열된 반응물을 공급하는 상단에 형성된 하나 이상의 유출 매니폴드;
상기 유출 매니폴드에 연결되는 ㄱ자형 제1 가열튜브;
상기 유출 매니폴드에 연결되는 ㄱ자형 제2 가열튜브;
상기 제1 가열튜브에 연결되는 제1 유입 매니폴드; 및
상기 제2 가열튜브에 연결되는 제2 유입 매니폴드를 포함하고,
상기 제1 및 제2 가열튜브는 상기 유출 매니폴드에 연결되는 수평부, 상기 수평부로부터 수직 방향 하방으로 절곡 형성되고, 하단부가 각각 제1 및 제2 유입 매니폴드에 연결되는 수직부, 및 상기 수평부와 수직부를 연결하는 절곡부를 포함하여 구성되고, 상기 제1 및 제2 가열튜브는 서로 거울상 대칭 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 가열 튜브 모듈에 관한 것이다.
상기 유출 매니폴드는 제1 가열튜브 및 제2 가열튜브에 대해서 튜브별로 유출 매니폴드가 서로 분리되어 형성될 수 있다.
본 발명에서 상기 유출 매니폴드는 상단에 형성되고, 상기 유입 매니폴드는 상기 유출 매니폴드와 대향하여 하단에 형성되어, 피드 스트림이 하단의 유입 매니폴드로 유입되어, 상단의 유출 매니폴드로 배출되도록 구성될 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은,
히팅 박스 내부에 설치된 하나 이상의 버너, 유입 매니폴드, 유출 매니폴드, 상기 유입 매니폴드와 유체 연통되는 유입구를 갖고, 상기 유출 매니폴드와 유체 연통되는 유출구를 갖는 하나 이상의 가열 튜브를 포함하고, 상기 가열 튜브는
반응기에 가열된 반응물을 공급하는 상단에 형성된 하나 이상의 유출 매니폴드;
상기 유출 매니폴드에 연결되는 ㄱ자형 제1 가열튜브;
상기 유출 매니폴드에 연결되는 ㄱ자형 제2 가열튜브;
상기 제1 가열튜브에 연결되는 제1 유입 매니폴드; 및
상기 제2 가열튜브에 연결되는 제2 유입 매니폴드를 포함하고,
상기 제1 및 제2 가열튜브는 상기 유출 매니폴드에 연결되는 수평부, 상기 수평부로부터 수직 방향 하방으로 절곡 형성되고, 하단부가 각각 제1 및 제2 유입 매니폴드에 연결되는 수직부, 및 상기 수평부와 수직부를 연결하는 절곡부를 포함하여 구성되고, 서로 거울상 대칭 구조로 배치되며,
상기 버너는 제1 및 제2 유입 매니폴드와 마찬가지로 하단에 배치되는 것을 특징으로 하는 파이어 히터에 관한 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은,
복수의 반응기들 및 히팅 박스, 유입 매니폴드, 유출 매니폴드, 유입구 및 유출구를 갖는 하나 이상의 가열 튜브를 포함하는 하나 이상의 파이어 히터를 포함하는 탄화수소 탈수소화 장치로서, 상기 파이어 히터는 본 발명의 파이어 히터인 것을 특징으로 하는 탄화수소 탈수소화 장치에 관한 것이다.
탈수소화 반응기 구조의 경우, 입구와 출구가 동일 선상에 위치하는 구조이므로, 반응기 상하간 유속 편차가 큰 문제가 있는데, 본 발명의 파이어 히터를 이용하면 탈수소화 반응기의 상하간 유속편차를 30% 이상 줄여서 열분포를 균일하게 함으로써 탄화수소 탈수소화 공정에 적용 시에 부반응을 최소화하고 반응물의 순도를 높일 수 있다.
본 발명에 의하면 매니폴드의 체류시간을 최대 1/2로 단축하여, 고온으로 운전되는 후단의 파이어 히터 크래킹을 획기적으로 감축할 수 있고, 유출 매니폴드에 튜브 연결거리가 단축되어 튜브에서 흐르는 빠른 유속 흐름이 매니폴드에서 저하하는 현상이 감소하여 결국 매니폴드의 흐름이 원활하게 되어 크래킹이 추가적으로 개선되는 효과를 제공할 수 있다
도 1은 종래의 파이어 히터의 일례를 도시한 개략단면도이다.
도 2는 반응기에 파이어 히터가 연결된 종래의 탄화수소 변환시스템의 일례를 도시한 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 가열 튜브 모듈 구조를 갖는 파이어 히터와 반응기가 연결된 탄화수소 변환 시스템의 개략적인 구성도이다.
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 "가열 튜브 모듈"은 피드 스트림이 유입되는 유입부와 피드 스트림이 유출되는 유출부가 일정한 간격을 두고 서로 평행하게 배열된 다수의 관형 수단들이 유입 매니폴드와 유출 매니폴드 사이에 연결된 것을 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 가열 튜브 모듈 구조를 갖는 파이어 히터와 반응기가 연결된 탄화수소 변환 시스템의 개략적인 구성도이다. 도 3에는 단지 본 발명의 이해를 위해 필요한 설비 및 라인만이 도시되어 있고, 본 발명의 이해에 필요하지 않고 탄화수소 처리의 분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있는 세부 구성요소들에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 가열 튜브 모듈은, 반응기에 공급되는 반응물을 가열하기 위한 파이어 히터의 가열 튜브 모듈로서, 반응기에 가열된 반응물을 공급하는 상단에 형성된 하나 이상의 유출 매니폴드(320); 상기 유출 매니폴드에 연결되는 ㄱ자형 제1 가열튜브(100); 상기 유출 매니폴드에 연결되는 ㄱ자형 제2 가열튜브(200); 상기 제1 가열튜브(100)에 연결되는 제1 유입 매니폴드(310); 및 상기 제2 가열튜브에 연결되는 제2 유입 매니폴드(310')를 포함하고, 상기 제1 및 제2 가열튜브(100, 200)는 상기 유출 매니폴드(320)에 연결되는 수평부(110, 210), 상기 수평부로부터 수직 방향 하방으로 절곡 형성되고, 하단부가 각각 제1 및 제2 유입 매니폴드에 연결되는 수직부(120, 220), 및 상기 수평부와 수직부를 연결하는 절곡부(130, 230)를 포함하여 구성되고, 상기 제1 및 제2 가열튜브(100, 20)는 유출 매니폴드(320)를 사이에 두고 서로 거울상 대칭 구조로 배치된다.
본 발명의 가열 튜브 모듈은 ㄱ자형 가열튜브들(100, 200)이 서로 마주보는 구조로 배치되고, 이러한 ㄱ자형 튜브에 상부에 위치한 유출 매니폴드(320)를 단일 구조로 연결하거나, 대안으로 개별 유출 매니폴드(320)가 연결될 수 있다.
각각의 가열튜브(100, 200)가 유출 매니폴드(320)와 결합되어 있을 경우, 분리되어 있는 경우보다 고온의 피드가 머무르는 유출 매미폴드(320)에서 체류시간이 짧기 때문에 크래킹 발생량을 감소하는 효과가 있다.
가열 튜브(100, 200)는 복사 가열 표면을 제공하는데, 버너(20)로부터의 복사열 및 화염은 가열 튜브(100, 200)의 복사 가열 표면에 제공된다. 복사 가열 표면은 열을 가열 튜브 내의 반응물에 전달한다. 본 발명의 파이어 히터에서 가열 튜브(100, 200)는 탄화수소의 탈수소화 반응기와 같은 반응기(10)에 연결 시에 반응기와 파이어 히터 간 연결 거리를 최단거리로 연결하여 크래킹을 최소화하고 피드 스트림 유입구와 유출구 위치를 대칭으로 구성하여 가열튜브의 상하부 유속 편차를 줄임으로써 생산량을 극대화시킬 수 있다.
상기 가열 튜브(100, 200)는 히팅 박스를 통과하는 2개의 통로를 효과적으로 형성하는 것이다. 가열 튜브는 수평부(110, 210), 상기 수평부(110, 210)로부터 수직 방향 하향으로 절곡 형성되는 수직부(120, 220) 및 상기 수평부(110, 210)와 상기 수직부(120, 220)를 절곡 각도로 연결하는 절곡부(130, 230)를 포함한다. 이러한 가열 튜브(100, 200)는 문자 "ㄱ"자와 다소 유사한 형상을 취할 수 있다. 또한, 가열 튜브 모듈(100, 200)은 각각은 유입구 및 다수의 유출구를 갖는 유입 매니폴드(310, 310') 및 다수의 유입구 및 유출구를 갖는 유출 매니폴드(320)를 갖는다. 가열 튜브(100, 200)의 유출구는 유출 매니폴드(320)의 다수의 유입구와 유체 연통하고, 유출 매니폴드(320)의 유출구는 일련의 다음 단 반응기(10)의 피드 입구와 유체연통한다.
본 발명에서 상기 절곡부(130, 230)는 약 60°내지 120°의 절곡 각도로 절곡되고, 바람직하게는 실질적으로 수직으로 절곡될 수 있다.
상기 수평부(110, 210)의 길이와 수직부(120, 220)의 길이는 서로 같거나 상이할 수 있다. 상기 수평부(110, 210)의 길이는 수직부(120, 220)의 길이보다 짧게 형성될 수 있는데, 수직부(120, 220)의 길이에 대한 수평부(110, 210)의 길이의 길이의 비는 0.5 내지 1의 범위 내일 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 유출 매니폴드(320)는 상단에 형성되고, 상기 유입 매니폴드(310, 310')는 상기 유출 매니폴드(320)와 대향하여 하단에 형성되어, 피드 스트림이 하단의 유입 매니폴드(310, 310')로 유입되어, 상단의 유출 매니폴드(320)로 배출되도록 구성될 수 있다.
본 발명에서는 ㄱ자형 튜브들이 서로 거울상으로 대칭되게 배치되고, 유출 매니폴드(320)가 반응기(10)의 피드 입구와 마찬가지로 상단에 형성되기 때문에, 유출 매니폴드의 길이를 U자형 튜브를 이용하는 파이어 히터에 비해서 기존 대비 약 1/2로 축소하여 연결할 수 있다.
본 발명의 다른 양상은 히팅 박스(미도시) 내부에 설치된 하나 이상의 버너(20), 유입 매니폴드(310, 310'), 유출 매니폴드(320), 상기 유입 매니폴드와 유체 연통되는 유입구를 갖고, 상기 유출 매니폴드와 유체 연통되는 유출구를 갖는 하나 이상의 가열 튜브(100, 200)를 포함하고, 상기 가열 튜브는 반응기에 가열된 반응물을 공급하는 상단에 형성된 하나 이상의 유출 매니폴드(320); 상기 유출 매니폴드에 연결되는 ㄱ자형 제1 가열튜브(100); 상기 유출 매니폴드에 연결되는 ㄱ자형 제2 가열튜브(200); 상기 제1 가열튜브에 연결되는 제1 유입 매니폴드(310); 및 상기 제2 가열튜브에 연결되는 제2 유입 매니폴드(310')를 포함하고, 상기 제1 및 제2 가열튜브는 상기 유출 매니폴드에 연결되는 수평부(110, 210), 상기 수평부로부터 수직 방향 하방으로 절곡 형성되고, 하단부가 각각 제1 및 제2 유입 매니폴드에 연결되는 수직부(130, 230), 및 상기 수평부와 수직부를 연결하는 절곡부(120, 220)를 포함하여 구성되고, 서로 거울상 대칭 구조로 배치되며, 상기 버너는 제1 및 제2 유입 매니폴드와 마찬가지로 하단에 배치되는 것을 특징으로 하는 파이어 히터에 관한 것이다.
상기 가열 튜브(100, 200)의 상기 절곡부(130, 230)는 수평부(110, 210)에서 수직으로 절곡되는 수직부(120, 220) 사이에 형성되어, 절곡 각도는 약 60°내지 120°각도가 되고, 바람직하게는 약90° 정도로 수직으로 절곡될 수 있다.
상기 수평부(110, 210)의 길이와 수직부(120, 220)의 길이는 서로 같거나 상이할 수 있다. 상기 수평부(110, 210)의 길이는 수직부(120, 220)의 길이보다 짧게 형성될 수 있는데, 수직부(120, 220)의 길이에 대한 수평부(110, 210)의 길이의 길이의 비는 0.2 내지 1의 범위 내일 수 있다.
상기 유출 매니폴드(320)는 상단에 형성되고, 상기 유입 매니폴드(310, 310')는 상기 유출 매니폴드(320)와 대향하여 하단에 형성되어, 피드 스트림이 하단의 유입 매니폴드(310, 310')로 유입되어, 상단의 유출 매니폴드(320)로 배출되도록 구성될 수 있다.
히팅 박스는 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 비정제 가스 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 내부에 위치된다. 히팅 박스는 열에너지를 보존하기 위해 단열 내화재로 커버될 수 있다.
종래의 U자형 튜브를 이용하는 파이어 히터에서는 중심부와 측면 사이에 20~40℃의 온도 편차가 발생하였다. 이에 비해서 본 발명의 가열 튜브 모듈을 적용하고, 버너를 하단의 중심부 또는 중심부와 좌우 측면에 배치하면, 파이어 히터의 방사 영역에서 열효율이 향상되어, 가열 튜브 별 표면 온도 편차를 5~15℃ 미만으로 줄일 수 있다. 또한 본 발명에서는 매니폴드에서의 체류 시간을 최대 1/2로 단축하여, 이로 인하여 매니폴드에서 크래킹을 기존 대비 1/2 이하로 획기적으로 줄일 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상은 복수의 반응기들(10) 및 히팅 박스, 유입 매니폴드(310, 310'), 유출 매니폴드(320), 유입구 및 유출구를 갖는 하나 이상의 가열 튜브(100, 200)를 포함하는 하나 이상의 파이어 히터를 포함하는 탄화수소 탈수소화 장치로서, 상기 파이어 히터는 위에서 설명한 본 발명의 파이어 히터인 것을 특징으로 하는 탄화수소 탈수소화 장치에 관한 것이다.
도 3에 도시되어 있는 다른 예시적인 실시예에서, 탄화수소 탈수소화 장치의 적어도 일부는 적어도 하나의 히터 또는 노(미도시)와 하나 이상의 반응기(10)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 반응기(10)의 하나의 예로는 탄화수소의 탈수소화 장치를 예로 들 수 있는데, 이러한 탄화수소의 탈수소화 장치는 직렬로 3단 이상의 다단으로 연결된 반응기들(10)로 구성될 수 있다. 각각의 반응기에는 본 발명의 파이어 히터가 하나씩 연결되거나 2개의 파이어 히터가 2단으로 병렬로 연결될 듀얼 파이어 히터로 구성될 수 있다. 상기 반응기(10)의 피드 스트림 유입구 (11)는 반응기의 상단에 형성되고, 유출구(12)는 반응기의 하단에 형성될 수 있다. 이와 같이 구성되면 반응기의 유입구(11)와 유출구(12)가 동일 선상에 위치하지 않게 되어 반응기 상하간 유속 편차가 최소화될 수 있다. 복사 섹션에서 피드 스트림은 가열 튜브의 하단 부분으로 진입하여 상단 부분으로 유출될 수 있다.
본 발명의 탄화수소 탈수소화 장치에서 저온의 피드 스트림은 파이어 히터의 하부의 유입 매니폴드(310, 310')를 지나서 ㄱ자형 가열튜브(100, 200)에서 가열된 후 상부의 유출 매니폴드(320)를 지난 후에 다음 단의 반응기(10)의 상단 유입구(11)로 들어가서 촉매층을 거쳐 반응기 하단의 유출구(12)로 배출된다. 이와 같이 본 발명에서는 반응기와 파이어 히터 사이의 연결 거리를 최소화할 수 있다. 본 발명의 ㄱ자형 가열 튜브를 포함하는 파이어 히터와 기존의 U자형 가열 튜브를 포함하는 파이어 히터를 이용해서 동일한 조건에서 프로판 탈수소 반응을 진행하고, 연결부 크래킹, 반응기 총수율, 및 파이어 히터에서의 크래킹을 비교하여 하기 표 1에 나타내었다.
결 과 U자형 튜브 본 발명
연결부 크래킹(%) 0.2 0.08
반응기 총 수율 (%) 34 36.5
파이어 히터 크래킹(%) 0.7 0.25
이와 같이 본 발명의 파이어 히터를 포함하는 탈수소 반응화 장치는 크래킹을 최소화하고 수율을 증가시킬 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 기술분야의 통상의 전문가들은 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: 탈수소화 반응기
100, 200: 가열튜브
110, 310: 수평부
120, 320: 절곡부
130, 230: 수직부
310: 유입 매니폴드 320: 유출 매니폴드

Claims (12)

  1. 반응기에 공급되는 반응물을 가열하기 위한 파이어 히터의 가열 튜브 모듈로서,
    반응기에 가열된 반응물을 공급하는 상단에 형성된 하나 이상의 유출 매니폴드;
    상기 유출 매니폴드에 연결되는 ㄱ자형 제1 가열튜브;
    상기 유출 매니폴드에 연결되는 ㄱ자형 제2 가열튜브;
    상기 제1 가열튜브에 연결되는 제1 유입 매니폴드; 및
    상기 제2 가열튜브에 연결되는 제2 유입 매니폴드를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 가열튜브는 상기 유출 매니폴드에 연결되는 수평부, 상기 수평부로부터 수직 방향 하방으로 절곡 형성되고, 하단부가 각각 제1 및 제2 유입 매니폴드에 연결되는 수직부, 및 상기 수평부와 수직부를 연결하는 절곡부를 포함하여 구성되고, 상기 제1 및 제2 가열튜브는 서로 거울상 대칭 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 가열 튜브 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유출 매니폴드는 제1 및 제2 가열튜브에 대한 매니폴드가 분리되어 형성된 것임을 특징으로 하는 가열 튜브 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유출 매니폴드는 상단에 형성되고, 상기 유입 매니폴드는 상기 유출 매니폴드와 대향하여 하단에 형성되어, 피드 스트림이 하단의 유입 매니폴드로 유입되어, 상단의 유출 매니폴드로 배출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가열 튜브 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가열튜브의 절곡부는 약 60°내지 120°의 각도로 절곡되는 부분인 것을 특징으로 하는 가열 튜브 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가열튜브의 수평부의 길이와 수직부의 길이는 서로 같거나 상이한 것을 특징으로 하는 가열 튜브 모듈.
  6. 히팅 박스 내부에 설치된 하나 이상의 버너, 유입 매니폴드, 유출 매니폴드, 상기 유입 매니폴드와 유체 연통되는 유입구를 갖고, 상기 유출 매니폴드와 유체 연통되는 유출구를 갖는 하나 이상의 가열 튜브를 포함하고, 상기 가열 튜브는
    반응기에 가열된 반응물을 공급하는 상단에 형성된 하나 이상의 유출 매니폴드;
    상기 유출 매니폴드에 연결되는 ㄱ자형 제1 가열튜브;
    상기 유출 매니폴드에 연결되는 ㄱ자형 제2 가열튜브;
    상기 제1 가열튜브에 연결되는 제1 유입 매니폴드; 및
    상기 제2 가열튜브에 연결되는 제2 유입 매니폴드를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 가열튜브는 상기 유출 매니폴드에 연결되는 수평부, 상기 수평부로부터 수직 방향 하방으로 절곡 형성되고, 하단부가 각각 제1 및 제2 유입 매니폴드에 연결되는 수직부, 및 상기 수평부와 수직부를 연결하는 절곡부를 포함하여 구성되고, 서로 거울상 대칭 구조로 배치되며,
    상기 버너는 제1 및 제2 유입 매니폴드와 마찬가지로 하단에 배치되는 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 절곡부는 약 60°내지 120°각도로 절곡되는 부분인 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
  8. 제6항에 있어서, 상기 수평부의 길이와 수직부의 길이는 서로 같거나 상이한 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
  9. 제6항에 있어서, 상기 유출 매니폴드는 상단에 형성되고, 상기 유입 매니폴드는 상기 유출 매니폴드와 대향하여 하단에 형성되어, 피드 스트림이 하단으로 유입되어, 상단으로 배출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 파이어 히터.
  10. 제6항에 있어서, 상기 하나 이상의 버너는 하단의 중심부에만 배치되거나 또는 중심부, 및 좌우에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 파이어 히터.

  11. 복수의 반응기들 및 히팅 박스, 유입 매니폴드, 유출 매니폴드, 유입구 및 유출구를 갖는 하나 이상의 가열 튜브를 포함하는 하나 이상의 파이어 히터를 포함하는 탄화수소 탈수소화 장치로서, 상기 파이어 히터는 제6항 내지 제10항 중 어느 하나의 항의 파이어 히터인 것을 특징으로 하는 탄화수소 탈수소화 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 가열 튜브는 하나의 반응기 당 2대의 파이어 히터가 병렬로 연결되는 듀얼 파이어 히터로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 탈수소화 장치.
KR1020200025154A 2020-02-28 2020-02-28 가열 튜브 모듈 및 이를 포함하는 파이어 히터 KR102320510B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200025154A KR102320510B1 (ko) 2020-02-28 2020-02-28 가열 튜브 모듈 및 이를 포함하는 파이어 히터

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200025154A KR102320510B1 (ko) 2020-02-28 2020-02-28 가열 튜브 모듈 및 이를 포함하는 파이어 히터

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210110447A true KR20210110447A (ko) 2021-09-08
KR102320510B1 KR102320510B1 (ko) 2021-11-03

Family

ID=77787831

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200025154A KR102320510B1 (ko) 2020-02-28 2020-02-28 가열 튜브 모듈 및 이를 포함하는 파이어 히터

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102320510B1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110106893A (ko) * 2009-01-26 2011-09-29 루머스 테크놀로지 인코포레이티드 올레핀을 생산하기 위한 단열 리액터
KR20140064810A (ko) * 2011-07-28 2014-05-28 차이나 페트로리움 앤드 케미컬 코포레이션 에틸렌 분해로
US20180051912A1 (en) * 2015-06-30 2018-02-22 Uop Llc Reactor and heater configuration synergies in paraffin dehydrogenation process
US20180051906A1 (en) * 2015-06-30 2018-02-22 Uop Llc Alternative coil for fired process heater
KR20190123158A (ko) * 2018-04-23 2019-10-31 효성화학 주식회사 탈수소화 장치 및 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110106893A (ko) * 2009-01-26 2011-09-29 루머스 테크놀로지 인코포레이티드 올레핀을 생산하기 위한 단열 리액터
KR20140064810A (ko) * 2011-07-28 2014-05-28 차이나 페트로리움 앤드 케미컬 코포레이션 에틸렌 분해로
US20180051912A1 (en) * 2015-06-30 2018-02-22 Uop Llc Reactor and heater configuration synergies in paraffin dehydrogenation process
US20180051906A1 (en) * 2015-06-30 2018-02-22 Uop Llc Alternative coil for fired process heater
KR20190123158A (ko) * 2018-04-23 2019-10-31 효성화학 주식회사 탈수소화 장치 및 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR102320510B1 (ko) 2021-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1252254B1 (en) Multi zone cracking furnace
US3407789A (en) Heating apparatus and process
US5554347A (en) Apparatus for carrying out chemical reactions requiring addition of heat at least during start up
US3487121A (en) Hydrocarbon process
US20020015670A1 (en) Flameless combustor process heater
CN1029235C (zh) 热裂解炉
CN101333147A (zh) 一种乙烯裂解炉
US3274978A (en) Vertical tube fluid heater
KR100658052B1 (ko) 개량 균열 분해로
EP0366270B1 (en) Cracking furnace
KR102320510B1 (ko) 가열 튜브 모듈 및 이를 포함하는 파이어 히터
US3667429A (en) Fired heater
US20030066782A1 (en) Pyrolysis furnace with new type heat supply and method of high temperature cracking using the same
KR20210110467A (ko) 파이어 히터 및 이를 포함하는 탄화수소 탈수소화 장치
CA2929752A1 (en) Process and device for the steam reforming and steam cracking of hydrocarbons
KR101857885B1 (ko) 파이어 히터
US3630176A (en) Tube furnace for heating
US7204966B2 (en) Method and apparatus for improved fired heaters
KR102220200B1 (ko) 파이어 히터
KR20200123883A (ko) 파이어 히터
CA2983181C (en) Alternative coil for fired process heater
CN111019688B (zh) 低碳烯烃裂解设备以及裂解方法
US20160334135A1 (en) Double fired u-tube fired heater
CN111019690B (zh) 低碳烯烃裂解设备以及裂解方法
CN111019689B (zh) 低碳烯烃裂解设备以及裂解方法

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant