KR20230147273A - 유체 가열 장치 - Google Patents

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KR20230147273A
KR20230147273A KR1020220046066A KR20220046066A KR20230147273A KR 20230147273 A KR20230147273 A KR 20230147273A KR 1020220046066 A KR1020220046066 A KR 1020220046066A KR 20220046066 A KR20220046066 A KR 20220046066A KR 20230147273 A KR20230147273 A KR 20230147273A
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이수경
최준원
임예훈
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 출원은 열 에너지를 적시적소에 공급하면서 효율적인 열분해가 가능하고, 장치 내 구성을 효율적으로 배치할 수 있으므로 공간 효율을 향상시킬 수 있으며, 가열 대상인 유체에 적절한 수준의 열 에너지를 전달할 수 있고, 이산화탄소의 배출을 최소화한 유체 가열 장치를 제공할 수 있다.

Description

유체 가열 장치{Fluid heating device}
본 출원은 유체 가열 장치에 관한 것이다.
석유 화학의 기초 원료인 올레핀(예를 들면, 에틸렌, 프로펠렌 및 부타디엔 등) 등을 생성하기 위해서는 원유를 정제하여 얻은 납사(naphtha) 또는 에탄(ethane)을 스팀으로 희석시킨 후 고온의 분해로(furnace)에서 열분해를 수행하였다.
상기 열분해를 수행하는 분해로는 크게 복사부, 대류부 및 스팀(steam) 발생장치로 구성되어 있다. 열분해 대상이 납사 또는 에탄은 흐름 라인을 통해 이송되면서 예열기에서 1차 예열한 후 다시 대류부에서 2차 예열되어 부분적으로 증발하고, 여기서 스팀과 혼합되어 복사부에 유입됨으로써 고온의 열에 의해 열분해가 수행된다.
한편, 분해로의 복사부는 전술한 바와 같이 흐름 라인을 통해 이송하는 열분해 대상이 높은 열 에너지를 전달 받음으로써 열분해 반응이 수행되는 위치이다. 상기 열분해 대상이 효율적을 열분해 되기 위해서는 적시적소에 적절한 열 유량(heat flux)을 공급하는 것이 중요하다. 적시적소에 적절한 열 유량이 공급되지 않는다면 부반응이 활성화되거나 더 많은 코크(coke)가 발생되어 비효율적인 열분해 반응이 수행될 수 있다. 특히, 상기 코크(coke)는 흐름 라인 내부에 누적되어 상기 흐름 라인의 벽면 온도를 상승시키고, 누적된 코크(coke)로 인해 흐름 라인 내부에 열분해 대상이 흐를 수 있는 면적이 감소하여 차압이 증가함으로써 운전 주기가 감소될 수 있다. 전술한 바와 같이 벽면 온도가 상승하거나 차압 증가로 인해 운전 주기가 감소되면 열분해가 비효율적으로 수행되게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위한 예시로 일본국 특허공개번호 2016-150968호가 있다.
종래의 분해로는 열분해 대상이 흐르는 흐름 라인을 중앙에 배치하고 상기 흐름 라인의 양 옆에 대칭되도록 버너(burner)를 배치하여, 상기 흐름 라인에 균일한 열 유량의 프로파일을 공급함으로써 전술한 문제점을 개선하는 방식이 있었다.
도 1은 종래의 분해로(10)를 위에서 바라본 모습을 간략히 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 분해로(10) 내부에는 흐름 라인(12)이 구비되어 있고 그 양 옆으로 대칭되도록 복수 개의 버너(11)가 구비되어 있다. 여기서, 버너(11)에서 발생되는 화염과 직접 접촉을 회피하기 위해 흐름 라인(12)과 버너(11)는 일정 간격을 두었다. 이러한 방식으로 버너(11) 및 흐름 라인(12)을 배치하는 경우에는 화염과 직접 접촉하는 것을 회피할 수 있었지만, 흐름 라인(12)에 따라 진행하는 유체에 요구되는 열량을 각 위치마다 제어할 수 없었고 흐름 라인(12)과 버너(11)의 배치와 간격으로 인해 공간 활용이 비효율적이었으며, 버너(11)와 흐름 라인(12)의 배치도 자유롭지 못하였다.
한편, 상기 흐름 라인(12)을 복수 개로 사용하는 경우에는 흐름 라인(12)의 그림자 효과(shading effect)로 인해 버너(11)에서 발생된 복사열이 각각의 흐름 라인(12)에 고르게 전달되지 않는 문제가 있었고, 이를 개선하고자 상기 복수 개의 흐름 라인(12)은 서로 엇갈리도록 배열시켰다.
도 2는 종래 흐름 라인(12)을 2열로 사용하는 경우를 간략히 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 제1 흐름 라인(12a)은 제2 흐름 라인(12b)에 비해 뒤쪽에 위치하면서 서로 엇갈리게 배치되어 있다. 이러한 방식으로 배치하여 복사열의 그림자 효과를 최소화하여 불균일한 열 전달을 최소화 하였다. 다만, 이러한 방식은 버너의 직접 화염을 회피하기 위해 흐름 라인과 버너 사이의 간격이 강제되었고, 균일한 열 유량의 프로파일을 제공하기 위해서 흐름 라인의 양 옆으로 대칭되도록 버너를 구비해야 하면서 2열의 흐름 라인을 엇갈리게 설치해야 하므로, 이 역시 비효율적으로 공간을 차지하면서 버너와 흐름 라인의 설치 위치도 자유롭지 못하였다.
일본국 특허공개번호 2016-150968호
본 출원은 열 에너지를 적시적소에 공급하면서 효율적인 열분해가 가능한 유체 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 출원은 장치 내 구성을 효율적으로 배치할 수 있으므로 공간 효율을 향상시킨 유체 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 출원은 가열 대상인 유체에 적절한 수준의 열 에너지를 전달하는 유체 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 출원은 이산화탄소의 배출을 최소화한 유체 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치는 유체가 흐를 수 있는 내부 통로를 가진 파이프 라인을 포함하는 반응 라인 및 열 에너지를 생성하는 열원을 각각 적어도 하나 이상 포함하고, 상기 반응 라인과 열원이 각각 교대로 배치되며, 하기 일반식 1에 따른 이격 거리 대비 열 에너지(QR)가 150 내지 250 W/m3의 범위 내일 수 있다.
[일반식 1]
QR = QH/d
일반식 1에서 QH는 상기 적어도 하나의 열원에서 생성되는 열 에너지의 열 유량을 의미하고, d는 상기 적어도 하나의 열원과 가장 가까운 반응 라인 사이의 이격 거리를 의미한다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치에서 적어도 하나 이상의 반응 라인과 열원이 서로 평행하게 배치된 평행 배열 단위를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치에서 서로 평행하게 배치된 2개의 반응 라인 사이에 열원이 위치할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치에서 2개의 반응 라인과 열원이 서로 평행하게 위치될 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치에서 적어도 하나의 열원과 가장 가까운 반응 라인 사이의 이격 거리인 d는 0.3 내지 0.75 m의 범위 내일 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치에서 적어도 하나의 열원에서 생성되는 열 에너지의 열 유량은 100 내지 150 W/m2의 범위 내일 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치에서 열원에서 생성되는 열 에너지는 파이프 라인의 내부 통로에 흐르는 유체를 가열할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치에서 열원은 전기 에너지를 열 에너지로 전환할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치에서 열원은 직류 또는 교류 전류를 통해 전기 에너지를 공급받을 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치에서 열원은 통전됨으로써 저항열이 발생되고, 상기 저항열이 상기 열원에서 생성되는 열 에너지일 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치에서 반응 라인은 일체형 파이프 라인을 포함할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치에서 일체형 파이프 라인은 유체가 유입되는 유입부, 상기 유체가 유출되는 유출부 및 상기 유입부와 유출부 사이를 관통 연결하는 이동부를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치에서 이동부는 하나 이상의 U자형 라인이 서로 관통 연결되어 반복적으로 구비된 형태일 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치에서 적어도 하나 이상의 열원은 복수개의 서브 열원을 포함하고, 상기 서브 열원 중 적어도 하나 이상은 내부 통로에 따라 흐르는 유체에 2회 이상 열 에너지를 전달하도록 구비될 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치에서 복수개의 서브 열원에서 생성되는 열 에너지는 각각 독립적일 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치에서 적어도 하나 이상의 열원은 복수개의 서브 열원을 포함하고, 상기 각각의 서브 열원은 내부 통로에 따라 흐르는 유체에 2회 이상 열 에너지를 전달하도록 구비되며, 상기 서브 열원은 유입부에 흐르는 유체에 열 에너지를 전달하는 제1 서브 열원 및 유출부에 흐르는 유체에 열 에너지를 전달하는 제2 서브 열원을 포함할 수 있다.
본 출원은 열 에너지를 적시적소에 공급하면서 효율적인 열분해가 가능한 유체 가열 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 출원은 장치 내 구성을 효율적으로 배치할 수 있으므로 공간 효율을 향상시킨 유체 가열 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 출원은 가열 대상인 유체에 적절한 수준의 열 에너지를 전달하는 유체 가열 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 출원은 이산화탄소의 배출을 최소화한 유체 가열 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 분해로를 위에서 바라본 모습을 간략히 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 흐름 라인을 2열로 사용하는 경우를 간략히 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치를 간략히 나타낸 도면이다.
도 5는 본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치의 파이프 라인의 단면 형태에 대한 예시를 간략히 나타낸 도면이다.
도 6은 본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치의 파이프 라인의 예시를 간략히 나타낸 도면이다.
도 7은 일체형 파이프 라인이 아닌 경우의 예시를 간략히 나타낸 도면이다.
도 8은 본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치를 간략히 나타낸 도면이다.
본 출원에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도 및/또는 압력이 그 물성에 영향을 미치는 경우, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 해당 물성은 상온 및 상압에서 측정한 물성이다. 또한, 특별히 달리 규정하지 않는 한 온도의 단위는 섭씨(℃) 이고, 압력의 단위는 atm이다.
본 출원에서 사용하는 용어인 상온은 가열되거나 냉각되지 않은 자연 그대로의 온도이고, 예를 들면, 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 예를 들면, 약 15 ℃ 이상, 약 18 ℃ 이상, 약 20 ℃ 이상, 약 23℃ 이상, 약 27℃ 이하이거나 또는 25 ℃인 온도를 의미할 수 있다.
본 출원에서 사용하는 용어인 상압은 가압되거나 감압되지 않은 자연 그대로의 압력이고, 예를 들면, 0.9 내지 1.2 atm의 범위 내의 어느 한 기압을 의미할 수 있다.
본 출원에서 사용하는 용어인 a 내지 b는, a 및 b를 포함하면서 a와 b 사이의 범위 내를 의미한다. 예를 들면, a 내지 b 중량부로 포함한다는 a 내지 b 중량부의 범위 내로 포함한다는 의미와 동일하다.
본 출원에서 사용하는 용어인 유체는 기체상(gas phase) 및/또는 액체상(liquid phase)를 포함하는 것일 수 있고, 예를 들면 물, 스팀, 공기 및 탄화수소 화합물 등으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 유체는 가열 대상으로서 열 에너지를 받아 크래킹(cracking)이 수행될 수 있고, 탄화수소 화합물을 포함할 수 있다. 여기서, 탄화수소 화합물은 납사, 에탄, 프로판, 메탄, 폐플라스틱 및 바이오 디젤 등일 수 있고 당업계의 일반 상식에 따라 필요한 대상을 선택할 수 있다. 또한, 상기 유체는 열 에너지로 인한 크래킹을 수행하기 위해서 물 또는 스팀을 추가로 포함할 수 있고, 충진된 촉매를 사용할 수도 있다. 또한, 상기 유체는 반응 전 또는 반응 후인 상태를 모두 의미할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치는 설비의 일부일 수 있고, 상기 설비는 예를 들면 스팀 크래커, 개질기 및 알칸 탈수소화기일 수 있다. 본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치는 상기 설비에서 적어도 하나의 공정을 수행할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치는 스팀 크래커의 일부일 수 있다. 상기 스팀 크래커는 스팀 크래킹을 수행하는 것으로 탄소 사슬이 긴 탄화수소를 스팀의 존재 하에서 열 에너지를 가하여 탄소 사슬이 짧은 탄화수소로 전환하는 설비를 의미할 수 있다. 여기서, 상기 탄소 사슬이 긴 탄화수소는 예를 들면 납사, 프로판, 부탄 및 에탄 등이 있을 수 있다. 상기 스팀 크래킹을 통해, 수소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로필렌 및 부타디엔 등을 생산할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치는 개질기의 일부일 수 있다. 상기 개질기는 천연 가스, 경질 가솔린, 메탄올, 바이오 가스 및 바이오매스로부터 스팀 및 탄소 산화물을 생산하는 설비를 의미할 수 있다. 또한, 상기 개질기는 메탄과 이산화탄소로부터 수소를 생산하는 설비를 의미할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치는 알칸 탈수소화기의 일부일 수 있다. 상기 알칸 탈수소화기는 알칸을 탈수소화 하여 알켄을 생산하기 위한 설비를 의미할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로 본 발명의 범주가 이에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면에서 도시된 각 구성의 형태는 예시이고 그에 특별히 한정하는 것은 아니다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)는 유체가 흐를 수 있는 내부 통로(211)를 가진 파이프 라인(210)을 포함하는 반응 라인(200) 및 열 에너지를 생성하는 열원(100)을 각각 적어도 하나 이상 포함하고, 상기 반응 라인(200)과 열원이 각각 교대로 배치되며, 하기 일반식 1에 따른 이격 거리 대비 열 에너지(QR)가 150 내지 250 W/m3의 범위 내일 수 있다.
[일반식 1]
QR = QH/d
일반식 1에서 QH는 상기 적어도 하나의 열원(100)에서 생성되는 열 에너지의 열 유량을 의미하고, d는 상기 적어도 하나의 열원(100)과 가장 가까운 반응 라인(200) 사이의 이격 거리를 의미한다. 또한, 구체적으로, 상기 QH는 열원(100)에서 발생되는 열량(단위: W)에 대해서 열이 발생되는 면적(단위: m2)으로 나눈 값으로서 특정 위치에서 측정한 값이 아닌 평균 열 유량을 의미한다. 즉, 본 출원에서 열원(100)은 열이 발생되는 면적 중 특정 위치에서 상기 범위 외의 값을 가질 수 있으나, 전체 평균 열 에너지(QH)는 상기 범위 내일 수 있다. 또한, d는 구체적으로 열원(100)과 직선 거리 상 가장 가까운 반응 라인(200) 사이의 이격 거리를 의미할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)는 전술한 일반식 1에 따른 이격 거리 대비 열 에너지(QR)가 155 W/m3 이상, 160 W/m3 이상, 165 W/m3 이상, 170 W/m3 이상, 175 W/m3 이상, 180 W/m3 이상, 185 W/m3 이상, 190 W/m3 이상, 195 W/m3 이상 또는 200 W/m3 이상이거나 245 W/m3 이하, 240 W/m3 이하, 235 W/m3 이하, 230 W/m3 이하, 225 W/m3 이하, 220 W/m3 이하, 215 W/m3 이하, 210 W/m3 이하 또는 205 W/m3 이하일 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)는 전술한 일반식 1에 따른 이격 거리 대비 열 에너지(QR)를 상기 범위 내로 만족시킴으로써, 종래에 비해 반응 라인(200)과 열원(100)에 대한 설치 위치의 자유도를 향상시킬 수 있고 효율적으로 공간을 활용함으로써 단위 면적 당 열분해 처리 비율을 향상시킬 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 적어도 하나의 열원(100)과 가장 가까운 반응 라인(200) 사이의 이격 거리 또는 구체적으로 열원(100)과 직선 거리 상 가장 가까운 반응 라인(200) 사이의 이격 거리인 d는 0.3 m 내지 0.75 m의 범위 내일 수 있다. 다른 예시에서, 상기 d는 0.32 m 이상, 0.34 m 이상, 0.36 m 이상, 0.38 m 이상 또는 0.4 m 이상이거나, 0.725 m 이하, 0.7 m 이하, 0.675 m 이하, 0.65 m 이하, 0.625 m 이하 또는 0.6 m 이하일 수 있다. 본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)가 전술한 일반식 1에 따른 이격 거리 대비 열 에너지(QR)를 상기 범위 내로 만족하면서 상기 d를 전술한 범위 내로 제어하는 경우에는 가열 대상인 유체에 적절한 수준의 열 에너지를 전달하여 COT(coil outlet temperature)를 낮출 수 있고 코크(coke)로 인한 문제를 방지할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 적어도 하나의 열원(100)에서 생성되는 열 에너지의 열 유량인 QH는 100 내지 150 W/m2의 범위 내일 수 있다. 다른 예시에서, 상기 QH는 105 W/m2 이상, 110 W/m2 이상, 115 W/m2 이상 또는 120 W/m2 이상이거나, 145 W/m2 이하, 140 W/m2 이하, 135 W/m2 이하 또는 130 W/m2 이하일 수 있다. 본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)가 전술한 일반식 1에 따른 이격 거리 대비 열 에너지(QR)를 상기 범위 내로 만족하면서 상기 QH를 전술한 범위 내로 제어하는 경우에는 가열 대상인 유체에 적절한 수준의 열 에너지를 전달하여 COT(coil outlet temperature)를 낮출 수 있고 코크(coke)로 인한 문제를 방지할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 반응 라인(200)과 열원(100)이 각각 교대로 배치된다는 것은, 상기 반응 라인(200)과 열원(100)이 반드시 평행하게 배치될 필요는 없고 순서대로 반응 라인(200)-열원(100)-반응 라인(200)-열원(100)-(계속적으로 배치 가능)으로 배치되는 것을 의미할 수 있다. 도 3은 본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)를 나타낸 도면으로서, 상기 유체 가열 장치(10)는 반응 라인(200) 및 열원(100)을 포함하고, 2개의 반응 라인(200) 사이에 하나의 열원(100)이 포함되어 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 열원(100)은 열 에너지를 생성하는 것을 의미할 수 있다. 상기 열원(100)에서 생성되는 열 에너지는 파이프 라인(210)의 내부 통로에 흐르는 유체를 가열할 수 있다. 가열된 유체는 화학 반응이 수행될 수 있다. 본 출원에서 사용하는 용어인 유체를 가열한다는 것은 상기 유체의 온도를 상승시키는 것을 의미할 수 있다. 상기 유체가 열 에너지에 의해 가열되어 적정한 온도가 되면 화학 반응이 수행(예를 들면, 크래킹 등)되어 필요한 석유 화학의 기초 원료인 주요 올레핀(에틸렌 및 프로필렌 등)이나 수소 등을 생산할 수 있다.
또한, 본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 열원(100)은 전기 에너지를 열 에너지로 전환할 수 있다. 다른 예시에서, 상기 열원(100)은 전기 에너지를 공급받아 열 에너지로 전환할 수 있는 장치일 수 있다. 본 출원의 일 예에서, 열원(100)으로 전기 에너지를 열 에너지로 전환할 수 있는 장치를 사용함으로써 종래에 비해 반응 라인(200)과 열원(100)에 대한 설치 위치의 자유도를 향상시킬 수 있고 효율적으로 공간을 활용함으로써 단위 면적 당 열분해 처리 비율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 열원(100)은 통전(通電)됨으로써 저항열이 발생되는 장치일 수 있다. 여기서, 상기 저항열은 열 에너지 형태로 방출될 수 있다. 상기 통전되는 전류는 직류 또는 교류 전류일 수 있다. 즉, 상기 열원(100)은 직류 또는 교류 전류를 통해 전기 에너지를 공급받고 이를 저항열의 형태로 열 에너지를 방출할 수 있으며, 상기 열 에너지는 파이프 라인(210)의 내부 통로에 흐르는 유체를 가열할 수 있다. 본 출원에서 사용하는 용어인 직류는 시간에 의존하지 않고 일정한 방향으로 흐르는 전류를 의미하고, 교류는 시간에 따라 크기와 위상이 주기적으로 변하는 전류를 의미할 수 있다.
또한, 본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 열원(100)은 전압원을 통해 직류 또는 교류 전류를 공급받을 수 있다. 전압원은 전류를 발생시키기 위해 전압을 형성하는 장치로서, 직류를 공급하기 위해 시간에 의존하지 않는 전압을 제공하는 직류 전압원 또는 교류를 공급하기 위해 시간에 따라 크기와 위상이 주기적으로 변하는 전압을 제공하는 교류 전압원일 수 있다. 공급되는 전류의 세기는 가열 대상인 유체에 포함된 탄화수소 화합물, 스팀 및 기타 물질의 물리화학적 성질과 혼합 비율을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 열원(100)은 열 및/또는 전기가 전도 형식으로 흐를 수 있고, 이에 적합한 재료를 사용할 수 있다. 상기 재료는 당업계에 알려진 재료를 사용할 수 있고, 구체적으로 열전도도가 우수하고 열에 대한 내구성이 높으며 전류를 통과시키는 경우 저항열이 발생되는 소재를 선택하여 적용할 수 있다. 예를 들어 상기 재료는 니켈; 크롬; 및 니켈과 크롬을 포함하는 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 반응 라인(200)은 유체가 흐를 수 있는 내부 통로(211)를 가진 파이프 라인(210)을 포함할 수 있다. 상기 파이프 라인(210)의 내부 통로(211)로 흐르는 유체는 열 에너지를 받아 화학 반응이 수행될 수 있다. 즉, 반응 라인(200) 또는 파이프 라인(210)은 유체의 화학 반응이 수행되는 곳을 의미할 수 있다. 여기서, 화학 반응이란 분자 내의 원소와 원소 사이의 결합이 끊기거나 분자 간 결합이 이루어지는 반응을 의미한다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 반응 라인(200)의 파이프 라인(210)은 가열 대상인 유체에 포함된 탄화수소 화합물, 스팀 및 기타 물질의 물리화학적 성질과 혼합 비율을 고려하고, 유체의 체류 시간과 운전 주기 및 장치를 포함하는 설비의 종류와 크기 등을 종합적으로 고려하여 가장 적절한 형태로 선택할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 반응 라인(200)의 파이프 라인(210)은 전도성 라인일 수 있다. 본 출원에서 전도성이란 열 및/또는 전기가 흐르는 성질을 의미하고, 전도성 라인이란 열 및/또는 전기가 흐르는 라인을 의미한다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 반응 라인(200)의 파이프 라인(210)은 내부 통로(211) 및 표면부(212)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 표면부(212)는 열 및/또는 전기가 전도 형식으로 흐를 수 있고, 이에 적합한 재료를 사용할 수 있다. 상기 재료는 당업계에 알려진 재료를 사용할 수 있고, 구체적으로 열전도도가 우수하고 열에 대한 내구성이 높은 소재를 선택하여 적용할 수 있으며, 예를 들면 니켈; 크롬; 및 니켈과 크롬을 포함하는 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 내부 통로(211)는 유체가 흐를 수 있도록 빈 공간으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 내부 통로(211)에서 유체가 흐를 수 있다는 것은 흐르면서 화학 반응이 수행되는 경우와 흘러 들어와 정체된 채 화학 반응이 수행된 후 흘러 나가는 경우를 의미한다. 즉, 유체는 연속적인 흐름으로 흐를 수 있고, 경우에 따라서는 화학 반응을 위해 유입되었다가 정채된 채로 화학 반응이 수행된 후 유출되는 흐름으로 흐를 수 있다. 다만, 효율적인 생산을 고려하면 상기 유체는 연속적인 흐름인 것이 좋다.
본 출원의 일 예에 따른 파이프 라인(210)의 단면 형태는 특별히 제한되는 것은 아니고, 가열 대상인 유체에 포함된 탄화수소 화합물, 스팀 및 기타 물질의 물리화학적 성질과 혼합 비율을 고려하여 적절하게 채택될 수 있다. 도 5를 참조하면 상기 파이프 라인(210)의 단면 형태에 대한 예시를 확인할 수 있다. 다만, 도 5에 도시한 파이프 라인(210)의 단면은 예시일 뿐이고, 삼각형, 마름모형, 평행사변형 및 타원형 등 다양한 형태일 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 파이프 라인(210)의 크기는 특별히 제한되는 것은 아니고, 가열 대상인 유체에 포함된 탄화수소 화합물, 스팀 및 기타 물질의 물리화학적 성질과 혼합 비율을 고려하여 적절하게 채택될 수 있다. 여기서, 상기 파이프 라인(210)의 크기란 파이프 형태일 때 유체가 흐르는 방향에서의 길이를 의미할 수 있고, 배치 형태일 때 내부 공간의 부피를 의미할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)는 효과적인 공간 활용을 위해서, 적어도 하나 이상의 반응 라인(200)과 열원(100)이 서로 평행하게 배치된 평행 배열 단위(300)를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 평행 배열 단위(300)는 예를 들면 하나의 열원(100)과 하나의 반응 라인(200)을 포함할 수 있고, 상기 열원(100)과 반응 라인(200)은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 여기서, 평행은 실질적으로 평행이란 의미로서 완전 평행에서 10도 이하, 5도 이하, 3도 이하 또는 1도 이하로 차이나는 배열을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 평행 배열 단위(300)는 상하좌우로 자유롭게 추가 배치될 수 있다. 도 4를 참조하면, 본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)는 서로 평행한 하나의 열원(100)과 하나의 반응 라인(200)을 포함하는 평행 배열 단위(300)를 다수 개 포함할 수 있다. 여기서, 상기 평행 배열 단위(300)는 상하(도 4에서 +x 및 -x 방향) 및/또는 좌우(도 4에서 +y 및 -y 방향)로 추가 배치될 수 있고, 이렇게 배치하면서 상기 일반식 1에 따른 이격 거리 대비 열 에너지(QR)를 상기 범위 이내로 만족시키면 공간 효율을 향상시키면서도 가열 대상인 유체에 적절한 수준의 열 에너지를 전달하여 COT(coil outlet temperature)를 낮출 수 있고 코크(coke)로 인한 문제를 방지할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)는 서로 평행하게 배치된 2개의 반응 라인(200) 사이에 열원(100)이 위치할 수 있다. 이렇게 배치하면서 상기 일반식 1에 따른 이격 거리 대비 열 에너지(QR)를 상기 범위 이내로 만족시키면 공간 효율을 향상시키면서도 가열 대상인 유체에 적절한 수준의 열 에너지를 전달하여 COT(coil outlet temperature)를 낮출 수 있고 코크(coke)로 인한 문제를 방지할 수 있다. 또한, 하나의 열원(100)으로 2개의 반응 라인(200)에 열 에너지를 전달할 수 있고, 이로 인해 종래와 같이 그림자 효과를 고려하지 않을 수 있으므로 종래에 비해 공간 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)는 서로 평행하게 배치된 2개의 반응 라인(200) 사이에 열원(100)이 위치하고 있을 때, 상기 열원(100)은 서로 평행하게 배치된 2개의 반응 라인(200)과 평행하게 위치하고 있을 수 있다. 이러한 배치를 토대로 가열 대상인 유체에 적절한 수준의 열 에너지를 전달하여 코크(coke)로 인한 문제를 방지하면서 종래에 비해 공간 효율을 향상시킬 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 반응 라인(200)에서 파이프 라인(210) 또는 하기에서 설명할 일체형 파이프 라인(210)은 유체가 유입되는 유입부(211), 상기 유체가 유출되는 유출부(213) 및 상기 유입부와 유출부 사이를 관통 연결하는 이동부(212)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 반응 라인(200)에서 파이프 라인(210)은 상기 유입부(211), 이동부(212) 및 유출부(213)는 모두 관통 연결되어 있을 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 반응 라인(200)은 일체형 파이프 라인(210)을 포함할 수 있다. 다른 예시에서, 상기 유체 가열 장치(10)에서 반응 라인(200)은 일체형 파이프 라인(210)으로 이루어질 수 있다. 본 출원에서 사용하는 용어인 일체형 파이프 라인(210)은 하나의 파이프 라인(210) 또는 둘 이상의 파이프 라인(210)을 포함하는 경우에는 상기 파이프 라인(210)이 모두 관통 연결되어 있는 것을 의미한다.
도 6을 참조하면, 본 출원의 일 예에 따른 반응 라인(200)에 포함된 파이프 라인(210)을 나타낸 것이다. 여기서, 파이프 라인(210)은 일체형으로서 하나의 파이프 라인(210)으로 이루어져있다. 이렇게 일체형으로 파이프 라인(210)을 구성하는 경우에는, 상기 일반식 1에 따른 이격 거리 대비 열 에너지(QR)를 상기 범위 이내로 만족시킬 때 공간 효율을 향상시키면서도 가열 대상인 유체에 적절한 수준의 열 에너지를 전달하여 COT(coil outlet temperature)를 낮출 수 있고 코크(coke)로 인한 문제를 방지할 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 바람직하게는 파이프 라인(210)의 이동부(212)는 하나 이상의 U 자형 라인이 서로 관통 연결되어 반복적으로 구비된 형태를 가질 수 있다. 상기 파이프 라인(210)이 이러한 형태를 가지면서 상기 일반식 1에 따른 이격 거리 대비 열 에너지(QR)를 상기 범위 이내로 만족시키는 경우에는 가열 대상인 유체에 적절한 수준의 열 에너지를 전달하여 COT(coil outlet temperature)를 낮출 수 있고 코크(coke)로 인한 문제를 방지할 수 있다.
도 7을 참조하면, 일체형 파이프 라인(210)이 아닌 경우의 예시를 확인할 수 있다. 도 7의 파이프 라인(210)은 모두 관통 연결되지 않고 복수개로 반응 라인(200)을 이루고 있다. 이 경우, 일체형 파이프 라인(210)에 비해 유체에 대한 가열 효율이 좋지 않을 수 있다. 또한, 도 7의 파이프 라인(210)과 같이 구성하는 경우, 이격 거리 대비 열 에너지(QR)를 상기 범위 이내로 만족시키는 경우에도 일체형 파이프 라인(210)을 적용한 것에 비해 유체에 대한 가열 효율이 좋지 않을 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 적어도 하나 이상의 열원(100)은 복수개의 서브 열원을 포함하고, 상기 서브 열원 중 적어도 하나 이상은 내부 통로(211)에 따라 흐르는 유체에 2회 이상 열 에너지를 전달하도록 구비될 수 있다. 여기서, 유체에 2회 이상 열 에너지를 전달하도록 구비된다는 것은, 상기 유체가 상기 적어도 하나 이상의 서브 열원을 2회 이상 통과하면서 상기 서브 열원이 생성하는 열 에너지를 2회 이상 전달받는 것을 의미할 수 있다. 이와 같이 서브 열원을 통해 2회 이상의 열 에너지를 공급함으로써 적시적소에 열 에너지를 효율적으로 공급할 수 있고, COT(coil outlet temperature)를 낮출 수 있으며 코크(coke)로 인한 문제를 방지할 수 있다. 상기 열원(100)은 전술한 바와 같이 전기 에너지를 열 에너지로 전환할 수 있는 장치를 통해 상기 서브 열원을 도입할 수 있다. 특히, 전술한 바와 같이 상기 서브 열원 중 적어도 하나 이상은 내부 통로(211)에 따라 흐르는 유체에 2회 이상 열 에너지를 전달하도록 구비되면서 상기 일반식 1에 따른 이격 거리 대비 열 에너지(QR)를 상기 범위 이내로 만족시키는 경우에는 공간 효율을 향상시키면서도 가열 대상인 유체에 적절한 수준의 열 에너지를 전달하여 COT(coil outlet temperature)를 낮출 수 있고 코크(coke)로 인한 문제를 방지할 수 있다.
추가로, 상기 열원(100)이 복수개의 서브 열원을 포함하고 있는 경우, 상기 각각의 서브 열원에 대한 일반식 1에 따른 이격 거리 대비 열 에너지(QR)의 평균이 150 내지 250 W/m3의 범위 내일 수 있다. 또한, 상기 평균은 155 W/m3 이상, 160 W/m3 이상, 165 W/m3 이상, 170 W/m3 이상, 175 W/m3 이상, 180 W/m3 이상, 185 W/m3 이상, 190 W/m3 이상, 195 W/m3 이상 또는 200 W/m3 이상이거나 245 W/m3 이하, 240 W/m3 이하, 235 W/m3 이하, 230 W/m3 이하, 225 W/m3 이하, 220 W/m3 이하, 215 W/m3 이하, 210 W/m3 이하 또는 205 W/m3 이하일 수 있다.
또한, 상기 열원(100)이 복수개의 서브 열원을 포함하고 있는 경우, QH는 상기 복수개의 서브 열원에서 발생되는 열량(단위: W)에 대해서 열이 발생되는 면적(단위: m2)으로 나눈 값을 의미할 수 있다. 또한, 상기 열원(100)이 복수개의 서브 열원을 포함하고 있는 경우, d는 각각의 서브 열원과 직선 거리 상 가장 가까운 반응 라인(200) 사이의 이격 거리의 평균을 의미할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 적어도 하나 이상의 열원(100)은 상기 서브 열원 중 적어도 하나 이상은 내부 통로(211)에 따라 흐르는 유체에 2회 이상 열 에너지를 전달하도록 구비된다면 다른 서브 열원은 상기 유체에 1회 열 에너지를 전달하도록 구비될 수도 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 복수개의 서브 열원에서 생성되는 열 에너지는 각각 독립적일 수 있다. 한편, 종래에는 버너로 열 에너지를 전달하다보니 개별 위치에서의 열 에너지를 전달할 수 없어서 코크(coke) 발생에 대해 유연한 대처가 어려웠다. 본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)의 경우에는, 상기 복수개의 서브 열원이 각각 독립적으로 열 에너지를 생성하여 적재적소에 열 에너지를 전달함으로써 종래에는 구현할 수 없는 효과를 달성할 수 있다. 예를 들면, 코크(coke)가 많이 발생하는 지점인 경우에는 열 에너지의 출력을 낮추는 등으로 조절하여 코크(coke) 발생으로 인한 문제점을 감소시킬 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)에서 상기 서브 열원은 유입부에 흐르는 유체에 열 에너지를 전달하는 제1 서브 열원 및 유출부에 흐르는 유체에 열 에너지를 전달하는 제2 서브 열원을 포함할 수 있다. 상기 서브 열원이 유체가 유입되는 유입부(211) 및 유체(열분해가 수행됨)가 유출되는 유출부(213)에 각각 구비됨으로써 열 에너지를 효율적으로 공급할 수 있고, COT(coil outlet temperature)를 낮출 수 있으며 코크(coke)로 인한 문제를 방지할 수 있다. 또한, 상기 제1 서브 열원 및 제2 서브 열원에서 생성되는 각각의 열 에너지는 독립적일 수 있다. 여기서, 상기 생성되는 각각의 열 에너지가 독립적이라는 의미는 생성되는 열 에너지는 열 유량(heat flux) 값 및/또는 생성 방식이 각각 독립적이란 의미일 수 있다. 또한, 상기 제1 서브 열원(110)은 유입부(211)에 흐르는 유체에 열 에너지를 전달하면서도 이동부(212)의 적어도 일부분에서 흐르는 유체에 열 에너지를 전달할 수도 있다. 상기 제2 서브 열원(120)도 마찬가지로 유출부(213)에 흐르는 유체에 열 에너지를 전달하면서도 이동부(212)의 적어도 일부분에서 흐르는 유체에 열 에너지를 전달할 수도 있다. 이 때, 상기 제1 서브 열원(110)과 제2 서브 열원(120)이 이동부(212)에서 열 에너지를 전달하는 부분은 중첩되지 않을 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)의 서브 열원을 포함하는 열원(100) 및 반응 라인(200)을 확인할 수 있다. 도 8의 (1) 부분에서 서브 열원(100a)은 유입구(121)에서 유입된 유체를 (A)라인에서 2회 열 에너지를 전달하고, (B)라인에서 1회 열 에너지를 전달하여, 총 3회 열 에너지를 전달하고 있다. 반응 라인(200)에서 열 에너지가 필요한 부분은 이런 방식으로 열 에너지를 전달하여 공간적 및 반응 효율을 모두 확보할 수 있다. 도 8의 (2) 부분에서 서브 열원(100a)은 (B)라인을 통과한 유체에 대해서 (C)라인에서 1회 열 에너지를 전달하고 있는데, 이는 (1) 부분에서 이미 2회 이상 열 에너지를 전달하는 서브 열원을 포함하고 있는 경우 1회 열 에너지를 전달하는 서브 열원을 포함할 수 있음을 의미한다. 도 8의 (3) 부분에서 서브 열원(100a)은 가로로 나란한 방향으로 평행하게 2개로 배치되어 있으면서, 각각의 서브 열원(100a)은 (D)라인, (E)라인, (F)라인 및 (G)라인에 흐르는 유체에 대해서 열 에너지를 전달하고 있다.
또한, 계속하여 도 8을 참조하면, 본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(10)의 열원(100)은 제1 서브 열원(110) 및 제2 서브 열원(120)을 포함할 수 있다. 제1 서브 열원(110)과 제2 서브 열원(120)은 적어도 하나 이상이 유체에 2회 이상 열 에너지를 전달하도록 구비될 수 있고, 이동부(122)에 구비된 다른 서브 열원이 유체에 2회 이상 열 에너지를 전달하도록 구비되어 있는 경우에는 상기 제1 및/또는 제2 서브 열원(110, 120)은 1회 열 에너지를 전달하도록 구비되어 있을 수도 있다. 도 8에서 제1 서브 열원(110)은 이동부(122)에 구비된 다른 서브 열원이 유체에 2회 이상 열 에너지를 전달하도록 구비되어 있어서, 유입구(121)로 유입되는 유체에 1회 열 에너지를 전달하도록 구비되어 있음을 알 수 있다. 또한, 도 8에서 제2 서브 열원(120)은 (H)라인으로 유입된 유체에 열 에너지를 전달하고 유출하기 전에 한번 더 열 에너지를 전달하여 총 2회 열 에너지를 전달하도록 구비되어 있다.
100: 열원
200: 반응 라인

Claims (16)

  1. 유체가 흐를 수 있는 내부 통로를 가진 파이프 라인을 포함하는 반응 라인 및 열 에너지를 생성하는 열원을 각각 적어도 하나 이상 포함하고,
    상기 반응 라인과 열원이 각각 교대로 배치되며,
    하기 일반식 1에 따른 이격 거리 대비 열 에너지(QR)가 150 내지 250 W/m3의 범위 내인 유체 가열 장치:
    [일반식 1]
    QR = QH/d
    일반식 1에서 QH는 상기 적어도 하나의 열원에서 생성되는 열 에너지의 열 유량을 의미하고, d는 상기 적어도 하나의 열원과 가장 가까운 반응 라인 사이의 이격 거리를 의미한다.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나 이상의 반응 라인과 열원이 서로 평행하게 배치된 평행 배열 단위를 적어도 하나 이상 포함하는 유체 가열 장치.
  3. 제1항에 있어서, 서로 평행하게 배치된 2개의 반응 라인 사이에 열원이 위치하는 유체 가열 장치.
  4. 제3항에 있어서, 2개의 반응 라인과 열원이 서로 평행하게 위치된 유체 가열 장치.
  5. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 열원과 가장 가까운 반응 라인 사이의 이격 거리인 d는 0.3 내지 0.75 m의 범위 내인 유체 가열 장치.
  6. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 열원에서 생성되는 열 에너지의 열 유량은 100 내지 150 W/m2의 범위 내인 유체 가열 장치.
  7. 제1항에 있어서, 열원에서 생성되는 열 에너지는 파이프 라인의 내부 통로에 흐르는 유체를 가열하는 유체 가열 장치.
  8. 제1항에 있어서, 열원은 전기 에너지를 열 에너지로 전환하는 유체 가열 장치.
  9. 제8항에 있어서, 열원은 직류 또는 교류 전류를 통해 전기 에너지를 공급받는 유체 가열 장치.
  10. 제8항에 있어서, 열원은 통전됨으로써 저항열이 발생되고, 상기 저항열이 상기 열원에서 생성되는 열 에너지인 유체 가열 장치.
  11. 제1항에 있어서, 반응 라인은 일체형 파이프 라인을 포함하는 유체 가열 장치.
  12. 제11항에 있어서, 일체형 파이프 라인은 유체가 유입되는 유입부, 상기 유체가 유출되는 유출부 및 상기 유입부와 유출부 사이를 관통 연결하는 이동부를 포함하는 유체 가열 장치.
  13. 제11항에 있어서, 이동부는 하나 이상의 U자형 라인이 서로 관통 연결되어 반복적으로 구비된 형태인 유체 가열 장치.
  14. 제1항에 있어서, 적어도 하나 이상의 열원은 복수개의 서브 열원을 포함하고, 상기 서브 열원 중 적어도 하나 이상은 내부 통로에 따라 흐르는 유체에 2회 이상 열 에너지를 전달하도록 구비되는 유체 가열 장치.
  15. 제14항에 있어서, 복수개의 서브 열원에서 생성되는 열 에너지는 각각 독립적인 유체 가열 장치.
  16. 제12항에 있어서, 적어도 하나 이상의 열원은 복수개의 서브 열원을 포함하고, 상기 각각의 서브 열원은 내부 통로에 따라 흐르는 유체에 2회 이상 열 에너지를 전달하도록 구비되며,
    상기 서브 열원은 유입부에 흐르는 유체에 열 에너지를 전달하는 제1 서브 열원 및 유출부에 흐르는 유체에 열 에너지를 전달하는 제2 서브 열원을 포함하는 유체 가열 장치.
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