KR20220107623A - 열분해 히터의 단열구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 석유화학 기초원료인 에틸렌과 프로필렌을 생산하는 나프타 분해공정의 필수 설비인 열분해 히터 내부의 열기가 외부로 방출되는 것을 최소화시킬 수 있도록 한 열분해 히터의 단열구조에 관한 것이다.
본 발명의 열분해 히터의 단열구조는
벽면(10)과, 상기 벽면에 일정두께로 시공된 단열보드(11)와, 상기 단열보드의 표면에 적층 시공된 내화 단열벽돌(40)과, 상기 벽면을 따라 일정 높이 간격으로 설치되어 상기 내화 단열벽돌의 하중을 지탱하는 수평플레이트(100)를 구비하고;
상기 수평플레이트(100)가 벽면에 부착되는 수직부(110)와 상기 수직부로부터 벽면의 내측으로 돌출되게 형성되어 상기 내화 단열벽돌을 지지하는 수평지지부(120)로 구성되며;
상기 수평지지부에는 수직부(110)로의 열전달 경로를 차단하는 열전도 차단부(130)가 형성된다.

Description

열분해 히터의 단열구조{Insulation structure of pyrolysis heater}
본 발명은 석유화학 기초원료인 에틸렌과 프로필렌을 생산하는 나프타 분해공정의 필수 설비인 열분해 히터 내부의 열기가 외부로 방출되는 것을 최소화시킬 수 있도록 한 열분해 히터의 단열구조에 관한 것이다.
일반적으로 석유화학 플랜트의 종류로는 상압정제공정(Atmospheric Distillation Unit), 감압정제공정(Vacuum Distillation Unit), 수첨탈황공정(HDS Unit), 수소처리 및 분해공정(Hydrotreating & Cracking Unit), 비스브레이킹 및 딜레이드 코킹 공정(Visbreaking & Delayed Coking Unit), 방향족 공정(Aromatic Unit), 탈수소공정(Dehydrogenation Unit), 에틸벤젠/스타이렌모너머 공정(EB/SM Unit), 나프타분해공정(NCC Unit), 피티에이 & 피에이 공정(PTA & PA Unit), 수소 및 암모니아 합성가스 공정(Hydrogen & Ammonia Unit) 이외에 가스처리, LNG 관련설비가 있다.
이중 나프타분해공정은 나프타를 열분해(Cracking Heater)하는 공정과 열분해하여 얻어진 에틸렌과 프로필렌 가스들을 분리하는 공정으로 크게 이루어진다.
그리고 열분해 공정을 수행하기 위해서는 나프타(Naphtha)의 탄소 연결고리가 분해(Cracking)될 수 있도록 섭씨 1100℃ 정도까지 가열할 수 있는 열분해 히터의 설비가 필수적이다.
도 1은 종래의 열분해 히터의 단열구조를 나타내는 단면도로서, 도시된 바와 같이, 이러한 열분해 히터는 고온으로 운전되기 때문에 성능이 우수한 내화 단열내장재(20)로 마감 처리된다. 상기 내화 단열내장재(20)는 최하부에 설치된 버너의 화염에 직접 영향을 받는 부위와, 간접 영향을 받는 부위를 구분하여 각기 다른 재질과 형태로 열분해 히터의 벽면(10)에 시공된다.
즉, 버너의 화염에 직접영향을 받는 벽면(10)에는 내화 단열벽돌로 이루어진 내화 단열내장재(20a)가 시공되며, 간접영향을 받는 벽면(10)에는 알루미나 섬유와 실리카 섬유에 크로미아를 첨가하여 면 또는 모포 형태나 정형화된 모듈 형태로 제작된 블랑킷(blanket)으로 이루어진 내화 단열내장재(20b)가 시공되는 것이다.
이러한 내화 단열내장재(20) 중, 내화 단열벽돌로 이루어진 내화 단열내장재(20a)는 열분해 히터의 벽면(10)에 일정두께로 시공된 단열보드와, 상기 단열보드의 표면에 적층 시공된 내화 단열벽돌로 구성된다.
그러나, 상기와 같은 내화 단열벽돌로 이루어진 내화 단열내장재(20a)는 내화 단열벽돌에 의한 하중이 상당하기 때문에 장기간 사용시 열분해 히터 내부의 열기로 인하여 내화 단열벽돌에 변형이나 균열이 발생하는 경우 적층된 내화 단열벽돌이 붕괴되는 사고가 발생할 가능성이 높다.
도 2는 수평플레이트를 구비한 종래의 열분해 히터의 단열구조를 나타내는 요부단면도로서, 도시된 바와 같이, 상기와 같은 사고를 방지하기 위해서, 최근에는 벽면(10)의 내주면을 따라 수평플레이트(30)들을 일정 높이 간격으로 설치하여 상기 수평플레이트(30)들이 내화 단열벽돌(40)의 하중을 지탱할 수 있도록 하고 있으나, 열분해 히터 내부의 열기가 상기 수평플레이트(30)를 통해 내벽(10)으로 방출되면서 열분해 히터의 열효율이 떨어지는 것은 물론 열분해 히터 내부의 온도가 하강하게 되면서 고순도의 열분해 제품을 생산할 수 없게 되는 문제가 발생되고 있어 그 대책마련이 시급한 실정이다.
국내등록특허공보 제10-1562353호
본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 벽면의 내주면을 따라 수평플레이트들을 매개로 하여 열분해 히터 내부의 열기가 내벽으로 방출되는 것을 최소화시킬 수 있는 열분해 히터의 단열구조를 제공함에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 열분해 히터의 단열구조는 벽면과, 상기 벽면에 일정두께로 시공된 단열보드와, 상기 단열보드의 표면에 적층 시공된 내화 단열벽돌과, 상기 벽면을 따라 일정 높이 간격으로 설치되어 상기 내화 단열벽돌의 하중을 지탱하는 수평플레이트를 구비하고; 상기 수평플레이트가 벽면에 부착되는 수직부와 상기 수직부로부터 벽면의 내측으로 돌출되게 형성되어 상기 내화 단열벽돌을 지지하는 수평지지부로 구성되며; 상기 수평지지부에는 수직부로의 열전달 경로를 차단하는 열전도 차단부가 형성된다.
또한, 상기 열전도 차단부는 수평지지부에 형성된 관통공일 수 있다.
아울러, 상기 열전도 차단부는 수평지지부에 형성된 홈부이며, 상기 홈부는 상기 수직부에 밀착된 단부에 형성될 수 있다.
또한, 상기 수평플레이트는 전구간이 내화 단열페이퍼로 감싸여지도록 할 수도 있다.
한편, 상기 수평플레이트의 수평지지부 상단에 위치한 내화 단열벽돌과 수평지지부의 하단에 위치한 내화 단열벽돌은 대응되는 요철결합면을 가지며, 상기 수평지지부는 상기 요철결합면 사이에 위치할 수 있다.
이 경우, 상기 요철결합면들의 틈새에는 수평지지부로 열기가 전달되는 것을 차단하는 내화 단열내장재가 충전되는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 수평플레이트는 수직부의 처짐을 막도록 상기 수직부와 수평지지부 사이에 설치된 보강지지대를 더 구비할 수도 있다.
이 경우, 상기 보강지지대는 열전도 차단부를 가로지르는 위치에 설치되도록 하는 것이 좋다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 열분해 히터의 단열구조는 열분해 히터에 설치된 수평플레이트가 열전달 경로를 차단하는 열전도 차단부를 구비하고 있기 때문에 열분해 히터 내부의 열기가 수평플레이트롤 매개로 하여 외부로 방출되는 열손실을 최소화시킬 수 있게 되며, 이로 인하여 열분해 히터 내부의 온도를 일정하게 제어하는 것이 가능해지면서 고순도의 열분해 제품을 생산할 수 있게 되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 열분해 히터의 단열구조를 나타내는 단면도.
도 2는 수평플레이트를 구비한 종래의 열분해 히터의 단열구조를 나타내는 요부단면도.
도 3은 본 발명에 따른 열분해 히터의 단열구조를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명을 구성하는 수평플레이트와 단열페이퍼의 분해사시도.
도 5는 본 발명을 구성하는 열전도 차단부의 다른 실시예에 따른 수평플레이트의 사시도.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
아울러, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
예컨대, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 아울러, "포함한다" 또는 "구비한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
아울러, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명함에 있어, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하며, 명료성을 위하여 가능한 중복되지 않게 상이한 부분만을 주로 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 열분해 히터의 단열구조를 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명을 구성하는 수평플레이트와 단열페이퍼의 분해사시도로서, 도시된 바와 같이, 본 발명의 열분해 히터의 단열구조는 벽면(10)과, 상기 벽면(10)에 일정두께로 시공된 단열보드(11)와, 상기 단열보드(11)의 표면에 적층 시공된 내화 단열벽돌(40)과, 상기 벽면(10)을 따라 일정 높이 간격으로 설치되어 상기 내화 단열벽돌(40)의 하중을 지탱하는 수평플레이트(100)를 구비한 열분해 히터에 적용된다.
본 발명에 따르면, 상기 수평플레이트(100)는 강도가 우수한 금속소재로 제작되며 수직부(110)와 수평지지부(120)로 구성된다.
상기 수직부(110)는 벽면(10)에 부착되는 부재로서, 용접을 통해 견고하게 부착되도록 하는 것이 바람직하나 이에 국한될 필요는 없고 다양한 방법을 통해 결합될 수 있음은 물론이다.
상기 수평지지부(120)는 내화 단열벽돌(40)을 지지하는 부재로서, 상기 수직부(110)로부터 전방을 향해 직각으로 돌출되게 형성되어 상부에 적층되는 내화 단열벽돌(40)들을 지지한다.
상기 수평지지부(120)는 수직부(110)에 용접을 통해 견고하게 부착되도록 하는 것이 바람직하나 다양한 방법으로 결합될 수 있음은 물론이다.
한편, 상기 수평지지부(120)에는 열전도 차단부(130)가 형성된다.
상기 열전도 차단부(130)는 수평지지부(120)를 통해 수직부(110)로 열이 전도되는 경로를 차단한다. 수직부(110)를 향하는 열전도 경로가 차단되면, 수직부(110)를 통해 벽면(10)으로 전도되는 열분해 히터 내부의 열이 외부로 방출됨으로써 발생되는 열손실을 최소화시킬 수 있게 된다.
이 경우, 상기 열전도 차단부(130)는 수평지지부(120)에 형성된 관통공일 수 있다.
상기 관통공 형태의 열전도 차단부(130)는 수평지지부(120)의 강도에 지장을 주지 않는 한도 내에서 좌우방향을 따라 최대한 길게 형성되어 수평지지부(120)의 전단으로부터 후방에 위치한 수직부(110)를 향하는 전후방향의 열전도 경로를 최대한 차단하도록 구성되는 것이 바람직하다.
도시되지는 않았으나, 상기 열전도 차단부(130)는 복수로 형성되어도 무방하다.
아울러, 상기 열전도 차단부(130)의 모서리부(131)는 응력이 집중되면서 균열이 발생하지 않도록 라운드 처리되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 수평플레이트(100)는 수직부(110)의 처짐을 막도록 상기 수직부(110)와 수평지지부(120) 사이에 설치된 보강지지대(140)를 더 구비할 수도 있다.
본 실시예에서는 상기 보강지지대(140)는 수평지지부(120)의 상부에 설치된 것을 예를 들어 도시하였으나, 이에 국한될 필요는 없고 수평지지부(120)의 하부에 설치되어도 무방하다.
상기 보강지지대(140)는 용접을 통해 견고하게 부착되도록 하는 것이 바람직하나 다양한 방법으로 결합될 수 있음은 물론이다.
한편, 상기 보강지지대(140)는 열전도 차단부(130)를 가로지르는 위치에 설치되도록 하는 것이 좋다.
이 경우, 상기 보강지지대(140)가 강도가 가장 취약한 열전도 차단부(130)를 직,간접적으로 보강해 주게 되므로 수평플레이트(100)의 전체적인 구조적 강도가 크게 향상된다.
아울러, 상기 수평플레이트(100)는 전구간이 내화 단열페이퍼(200)로 감싸여지도록 구성될 수도 있다.
이 경우, 내화 단열페이퍼(200)가 열분해 히터 내부의 열기가 수평플레이트(100)로 전도되는 것을 선제적으로 차단해 주기 때문에 수평플레이트(100)를 통해 벽면(10)으로 전도되는 열분해 히터 내부의 열이 외부로 방출됨으로써 발생되는 열손실 더욱 더 최소화시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 수평플레이트(100)의 수평지지부(120) 상단에 위치한 내화 단열벽돌(300)과 수평지지부(120)의 하단에 위치한 내화 단열벽돌(400)은 각각 대응되는 요철결합면(310,410)을 가질 수 있다.
이 경우, 상기 수평지지부(120)는 상기 요철결합면(310,410) 사이에 위치하게 된다.
상기 요철결합면(310,410)은 수평플레이트(100)의 수평지지부(120)의 전단이 열분해 히터 내부로 노출되는 것을 차단하여 열분해 히터 내부의 열기가 수평지지부(120)로 전도되는 것을 원천적으로 차단시킴으로써 수평플레이트(100)를 통해 벽면(10)으로 전도되는 열분해 히터 내부의 열이 외부로 방출됨으로써 발생되는 열손실을 막아준다.
한편, 상기 요철결합면(310,410)들의 틈새에는 수평지지부(120)로 열기가 전달되는 것을 보다 완벽하게 차단할 수 있도록 내화 단열내장재(500)가 충전되는 것이 바람직하다.
상기 내화 단열내장재(500)로는 알루미나 섬유와 실리카 섬유에 크로미아를 첨가하여 면 또는 모포 형태나 정형화된 모듈 형태로 제작된 블랑킷이 적당하다. 상기 블랑킷은 무게가 가볍고 화학적으로 안정하여 물이나 증기 또는 기름 등의 침투에도 건조 또는 소성되지 아니하고, 유기질 바인더를 사용하지 않기 때문에 연소로 인한 파단이나 바인더가 연소하여 열분해 히터 내부를 오염시키지 않는다는 점을 고려할 때 요철결합면(310,410)들의 틈새를 충전하는데 매우 적합하다.
아울러, 상기 수평플레이트(100)의 열변형을 감안하여, 상기 요철결합면(310,410)들은 수평지지부(120)의 전단과 여유를 갖도록 형성되는 것이 바람직하며, 이 경우, 상기 여유부에는 상기 내화 단열내장재(500)가 충전될 수 있다.
이와 같이 열분해 히터가 상기와 같은 단열구조를 갖게 되면, 수평플레이트(100)롤 매개로 열분해 히터 내부의 열기가 내벽으로 방출되는 열손실이 최소화되므로 열분해 히터 내부의 온도를 일정하게 제어하는 것이 가능해지면서 고순도의 열분해 제품을 생산할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명을 구성하는 열전도 차단부의 다른 실시예에 따른 수평플레이트의 사시도로서, 도시된 바와 같이, 상기 열전도 차단부(130a)는 수평지지부(120)에 형성된 홈부일 수도 있다.
이 경우, 상기 열전도 차단부(130a)는 수직부(110)에 밀착된 수평지지부(120)의 후단을 따라 수직부(110)의 강도에 지장을 주지 않는 한도 내에서 좌우방향으로 최대한 길게 형성되어 수평지지부(120)의 전단으로부터 후방에 위치한 수직부(110)를 향하는 전후방향의 열전도 경로를 최대한 차단하도록 하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 열전도 차단부(130a)의 모서리부(131)는 응력이 집중되면서 균열이 발생하지 않도록 라운드 처리되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 상기 열전도 차단부(130a)가 수직부(110)에 밀착된 후단에 홈부의 형태로 이루어지면, 상술한 관통공 형태의 열전도 차단부(130)에 비하여 열전도 경로를 확실하게 차단할 수 있게 된다.
왜나하면, 관통공의 경우에는 관통공의 후방과 수직부(110)가 연결되어 있기 때문에 상기 연결부분을 통해 부분적으로 열전도가 이루어질 수 있기 때문이다.
이와 같이, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상술하였으나 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 변형 가능하며, 이러한 변형은 본 발명의 권리범위에 속할 것이다.
100...수평플레이트 110...수직부
120...수평지지부 130,130a...열전도 차단부
140...보강지지대 200...내화 단열페이퍼
300,400...내화 단열벽돌 310,410...요철결합면
500...내화 단열내장재

Claims (8)

  1. 벽면과, 상기 벽면에 일정두께로 시공된 단열보드와, 상기 단열보드의 표면에 적층 시공된 내화 단열벽돌과, 상기 벽면을 따라 일정 높이 간격으로 설치되어 상기 내화 단열벽돌의 하중을 지탱하는 수평플레이트를 구비한 열분해 히터의 단열구조에 있어서,
    상기 수평플레이트가 벽면에 부착되는 수직부와 상기 수직부로부터 벽면의 내측으로 돌출되게 형성되어 상기 내화 단열벽돌을 지지하는 수평지지부로 구성되며;
    상기 수평지지부에는 수직부로의 열전달 경로를 차단하는 열전도 차단부가 형성된 열분해 히터의 단열구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열전도 차단부는 수평지지부에 형성된 관통공인 것을 특징으로 하는 열분해 히터의 단열구조.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열전도 차단부는 수평지지부에 형성된 홈부이며;
    상기 홈부는 상기 수직부에 밀착된 단부에 형성된 것을 특징으로 하는 열분해 히터의 단열구조.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 수평플레이트는 전구간이 내화 단열페이퍼로 감싸여지도록 한 열분해 히터의 단열구조.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 수평플레이트의 수평지지부 상단에 위치한 내화 단열벽돌과 수평지지부의 하단에 위치한 내화 단열벽돌은 대응되는 요철결합면을 가지며,
    상기 수평지지부는 상기 요철결합면 사이에 위치하는 열분해 히터의 단열구조.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 요철결합면들의 틈새에는 수평지지부로 열기가 전달되는 것을 차단하는 내화 단열내장재가 충전된 것을 특징으로 하는 열분해 히터의 단열구조.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 수평플레이트는 수직부의 처짐을 막도록 상기 수직부와 수평지지부 사이에 설치된 보강지지대를 더 구비한 열분해 히터의 단열구조.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 보강지지대는 열전도 차단부를 가로지르는 위치에 설치되도록 한 것을 특징으로 하는 열분해 히터의 단열구조.
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