KR101028052B1 - 나선형상 핀부착 크래킹 튜브 - Google Patents

나선형상 핀부착 크래킹 튜브 Download PDF

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Abstract

에틸렌 등을 제조하는 열분해 반응로에서 사용되는 크래킹 튜브(50)로서, 관의 내면에, 관내 유체의 교반작용을 갖는 핀(1)이 관축에 대해 경사져서 형성되어 있고, 핀은 1라인 내지 복수 라인의 나선궤적을 그리고 나선방향으로 단속적으로 배치되고, 관축의 일방의 단면으로부터 타방의 단면까지, 관축방향의 전체에 걸치고, 관내면에 핀이 존재하지 않는 영역 ZB를 갖고 있다.
핀, 크래킹 튜브, 나선궤적, 경사각, 호 길이, 에틸렌, 프로필렌, 열분해 반응로, 연속나선, 단속나선

Description

나선형상 핀부착 크래킹 튜브{CRACKING TUBE WITH SPIRAL FIN}
본 발명은 에틸렌 등 제조용 열분해 반응로의 크래킹 튜브에 관한 것으로서, 특히 관내 유체의 교반작용을 갖는 핀이 관내면에 설치된 크래킹 튜브에 있어서, 관내 유체에 대한 열전달 촉진효과를 유지하면서, 압력 손실을 가급적으로 억제할 수 있도록 한 것이다.
에틸렌, 프로필렌 등의 올레핀은 탄화수소(나프타, 천연가스, 에탄 등)의 원료 가스를 열분해 함으로써 생성된다. 열분해 반응은, 외부로부터 열공급 되는 가열로내에 배치된 크래킹 코일중에, 탄화수소 원료 가스를 수증기와 함께 도입하고, 크래킹 코일내를 고속으로 유통하는 동안에, 반응온도 영역까지 가열함으로써 행해진다.
크래킹 코일은 전형적으로는, 복수의 튜브(직관)에, 굴곡된 벤드관을 접속하고, 사행(蛇行) 형상으로 구성되어 있다.
열분해 반응을 효율 좋게 행하기 위해서는, 고속 유통하는 관내 유체를 단시간에 관로의 직경방향 중심부까지 열분해 반응온도역으로 가열 승온하고, 또한 고온가열을 가능한 한 회피하는 것이 중요하다. 고온에서의 가열시간이 길어지면, 탄화수소류의 과도한 경질화(메탄, 유리탄소 등의 생성)나 분해생성물의 중축합 반 응 등에 의해, 목적 제품의 수율 저하가 커진다. 또, 코킹(유리탄소의 관내면에의 침적)이 조장되어, 관체의 열전달계수의 저하를 초래하기 때문에, 디코킹 작업의 실시를 빈번히 행할 필요가 발생한다.
그래서, 크래킹 코일의 튜브 내면에 관내 유체의 교반요소로서 핀을 설치하는 것이 행해져 있고, 고속 유통하는 유체는 핀의 교반에 의해 난류를 형성하여, 급속하게 가열 승온하는 것이 가능하게 된다. 이 결과, 반응은 단시간에 완결되어, 과분해에 수반되는 경질화가 방지된다. 또, 관체의 열전달 효율의 향상에 의해, 관체 온도를 낮게 하는 것이 가능하게 되어, 관체의 내용수명 향상의 효과를 가져올 수 있다.
크래킹 튜브의 핀 형성 예로서, 예를 들면, 도 12 내지 도 14의 전개도로 도시되는 형태의 것이 제안되어 있다(일본 특개평 9-241781호).
도 12의 예는, 핀(1)이 관축에 대해 일정한 경사각 θ로 연속되는 나선으로 형성되어 있다.
도 13의 예는, 도 12의 연속 나선핀을 단속적으로 형성한 것으로, 나선궤적상에서의 핀(1)과 비핀부(2)가, 1선회마다 교체된 지그재그 형상의 분포 패턴을 가지고 형성되어 있다.
이것들의 예는, 관내 유체의 교반효과가 크고, 관내 유체에 대한 열전달 성능이 우수하지만, 한편으로는, 관내 유체의 압력 손실이 크기 때문에, 내압이 상승하여, 열분해 조업에서 에틸렌, 프로필렌 등의 수율의 저하를 초래할 문제가 있다.
도 14의 예는, 관축에 평행한 복수의 선상에 핀(1)과 비핀부(2)가 번갈아 분 포되는 분포 패턴을 가지고 형성되어 있다. 그러나, 핀이 관축에 대해 평행하기 때문에, 관내 유체의 교반효과가 불충분하여, 원하는 열전달 성능이 얻어지지 않는다.
상기를 감안하여, 본 발명의 목적은 관내 유체에 대한 열전달 촉진효과를 유지하면서, 압력 손실을 가급적 억제하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 크래킹 튜브는, 관의 내면에, 관내 유체의 교반작용을 갖는 핀이 관축에 대해 경사져서 형성되고, 이 핀은 1라인 내지 복수 라인의 나선 궤적을 그리고 나선방향으로 단속적으로 배치되어 있고, 관축의 일방의 단면으로부터 타방의 단면까지, 관축방향의 전체 길이에 걸쳐서, 관내면에 핀이 존재하지 않는 영역을 갖도록 한 것이다.
이 구성에 의해, 나선형상 핀에 의한 관내 유체에의 높은 열전달 작용을 유지하면서, 관내 유체의 압력 손실을 가급적으로 적게 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 크래킹 튜브의 관내면에 형성된 핀의 분포 패턴의 하나의 실시예를 설명하기 위한 관내면의 전개도이다.
도 2는 본 발명의 크랭킹 튜브의 관내면에 형성된 핀의 분포 패턴의 다른 실시예를 설명하기 위한 관내면의 전개도이다.
도 3은 본 발명의 크래킹 튜브의 관내면에 형성된 핀의 분포 패턴의 다른 실시예를 설명하기 위한 관내면의 전개도이다.
도 4는 본 발명의 크래킹 튜브의 관내면에 형성된 핀의 분포 패턴의 다른 실시예를 설명하기 위한 관내면의 전개도이다.
도 5는 본 발명의 크래킹 튜브의 관내면에 형성된 핀의 분포 패턴의 다른 실시예를 설명하기 위한 관내면의 전개도이다.
도 6은 도 3에 도시하는 핀의 분포형태의 설명도이다.
도 7은 도 1에 도시하는 실시예의 튜브의 횡단면도이다.
도 8은 나선형상 핀을 덧붙임 비드로서 형성하는 덧붙임 용접의 시공방법을 설명하는 도면이다.
도 9는 실험에 의한 공시관의 열전달특성을 도시하는 그래프이다.
도 10은 실험에 의한 공시관의 압력 손실 특성을 도시하는 그래프이다.
도 11은 공시 코일의 개략형상을 설명하는 도면이다.
도 12는 종래의 크래킹 튜브의 관내면에 형성된 핀의 분포 패턴을 설명하기 위한 관내면의 전개도이다.
도 13은 종래의 크래킹 튜브의 관내면에 형성된 핀의 다른 분포 패턴을 설명하기 위한 관내면의 전개도이다.
도 14는 종래의 크래킹 튜브의 관내면에 형성된 핀의 다른 분포 패턴을 설명하기 위한 관내면의 전개도이다.
발명을 실시하기 위한 최량의 형태
본 발명의 크래킹 튜브에 대해, 도면에 도시하는 실시예를 참조하여, 이하에 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 나선형상 핀의 분포형태의 1실시예를 도시하는 관내면의 전개도이다.
핀(1)은 관축방향(x)에 대해 일정한 경사각 θ를 이루는 나선궤적을 따라 단속적으로 형성되어 있다. 기울어진 점선은 나선궤적, 수직인 점선은 나선의 이어짐을 각각 나타내고 있고, 수평의 쇄선은 관축방향으로 핀(1)이 배열되는 분포되는 대역 ZA와, 핀이 존재하지 않는 비핀부(non-fin portion)(2)의 대역 ZB를 나타내고 있다.
도 1에서는, 1선회당의 핀의 개수가 4개인 예를 도시하고 있는데, 각 선회선상의 서로 대응하는 핀(1)과 비핀부(2)는 관축에 평행한 방향으로 배열되어 있다.
도 2 내지 도 5는, 본 발명의 나선형상 핀의 분포형태의 다른 실시예를 도시하는 관내면의 전개도이다.
도 2는 경사각 θ가 상이한 나선궤적이 연속된 나선형상 핀의 예이다. 관로의 영역 I에서의 나선의 경사각 θI은, 영역 II에서의 나선의 경사각 θII보다도 크게 되어 있고, 핀(1)과 비핀부(2)는 각각이 관축에 평행한 대역 ZA와 ZB내에 배치되어 있다.
도 3은 나선궤적을 2라인으로 한 예이고, 핀은 동일한 경사각 θ에서, 나선궤적(S1 및 S2)을 따라서 단속적으로 형성되어 있다. 핀(11)과 비핀부(21)는 나선궤적(S1)상에 형성되고, 핀(12)과 비핀부(22)는 나선궤적(S2)상에 형성되고, 핀 (l1, 12)은 대역 ZA, 비핀부(21, 22)는 대역 ZB내에 배치되어 있다.
도 4는 2라인의 나선궤적(S1 및 S2)으로 이루어지는 나선형상 핀에 있어서, 각 나선궤적의 핀을 다른 사이즈로 형성한 예를 도시하고 있다. 나선궤적(S1)의 핀(11)은, 나선궤적(S2)의 핀(12)보다도 길게 형성되어 있다. 이 경우도, 핀(11, 12)은 대역 ZA내에 있고, 비핀부(21, 22)의 전부 또는 일부분은 대역 ZB내에 배치되어 있다.
도 5의 나선형상 핀은, 4라인의 나선궤적(S1-S4)을 갖고, 각 나선궤적(S1-S4)의 각각에 속하는 핀(11-14)을 원주방향으로 조금씩 간격을 바꾸어서 형성한 예이다. 4라인의 나선궤적(S1-S4)에서, 각 나선궤적상의 핀 군(11-14)은 대역 ZA내에, 비핀부군(21-24)은 대역 ZB 내에 배치되어 있다. 게다가, 각 나선궤적의 핀(11-14)은, 대역 ZA내에서 파도 형상(쇄선으로 표시)을 그리고 있다.
그 때문에, 도 2 내지 도 5의 예는 모두, 관축의 일방의 단면으로부터 타방의 단면까지, 관축방향의 전체 길이에 걸쳐서, 관내면에 핀이 존재하지 않는 영역 ZB를 갖고 있다.
도 6은, 도 3에 도시하는 핀의 분포형태의 설명도이고, θ는 나선형상 핀의 경사각, p는 피치이며, 인접하는 선회선상의 마주 대하는 핀끼리의 관축방향 의 중심간 거리이고, 이들 관의 내경(D)에 따라 적당하게 정해진다.
예를 들면, 내경(D)이 약 30-150mm의 튜브에서, 경사각 θ는 약 15-85도, 피 치(p)는 약 20-400mm의 예를 들 수 있다. 피치(p)는 나선의 경사각 θ와 나선 라인수(N)에 따라 확대축소가 조정된다(p=E/N, 단, E는 나선 리드).
핀의 높이(H)(관내면으로부터의 돌출높이)는 예를 들면, 관내직경의 약 1/30 내지 1/10, 핀의 길이(L)는 예를 들면, 약 5-100mm이고, 구체적으로는 관내직경(D) 및 나선궤적의 1선회선당의 분단수 등에 따라 설정된다.
도 7은, 관축 직교면에 있어서의 나선형상 핀의 단면도이고, 1선회 선상의 핀수가 4개인 예를 도시하고 있다. 각 핀의 호 길이(투영면)를 w, 1선회선상의 핀의 개수를 n으로 나타내면, 핀의 호 길의 총 합계(TW)는 TW=w×n이다.
또한, 호 길이 총 합계(TW)가 관의 내면 둘레길이(C(C=πD))에 차지하는 비율(R(R=TW/C))은 약 0.3-0.8인 것이 바람직하다. 나선형상 핀에 의한 관내 유체에 대한 열전달 촉진작용을 유지하면서, 압력 손실을 가능한 한 낮게 억제하기 위해서이며, 이 값이 너무 작으면 열전달 촉진작용이 저하되고, 너무 크면 압력 손실이 너무 커지기 때문이다.
나선형상 핀은, 예를 들면, 분체 플라즈마 용접(PTA 용접) 등의 덧붙임 용접법에 의해, 덧붙임 비드로서 효율적으로 형성할 수 있다. 도 8은 그 시공예를 도시하고 있다.
튜브(50)는 회전구동장치(도시 생략)에 수평담지되고, 관축(x)을 중심으로 회전가능하다. 용접 토치(51)는 지지 암(52)에 고정되어 있다. 지지 암(52)은 관축에 평행한 자세를 유지하고 관축방향으로 진퇴이동하도록 배치되어 있다.
용접토치(51)는 분체(덧붙임용 재료)가 공급관(53)에 의해 공급되어, 관내면 에 덧붙임 비드를 형성한다. 튜브(50)의 회전과 용접토치(51)의 수평이동(관축방향)에 의해, 플라즈마 용접을 단속적으로 행하고, 덧붙임 비드로 이루어지는 나선형상 핀이 형성된다.
도면한 바와 같이, 2대의 용접 토치(51)를 설치하고 있는 경우에는, 2라인의 나선형상 핀이 형성된다.
형성되는 나선형상 핀의 라인수, 경사각 θ, 피치(p), 핀의 대역 ZA의 수와 폭(도 6의 투영상에 있어서의 호 길이) 등은, 튜브(50)의 회전속도, 용접토치(51)의 설치대수, 수평이동 속도, 플라즈마 아크의 단속 주기 등에 따라 적당하게 조절할 수 있다.
나선형상 핀은 튜브의 입구측단으로부터 출구측단에 이르는 관로 전체 길이에 걸쳐서, 또는 관로의 적당한 개소, 예를 들면 관로의 입구측 부근의 영역, 중간영역, 출구측 부근의 영역 등과 같이, 1내지 복수개 영역을 선택하여 배열 설치된다.
또한, 나선형상 핀을 형성하는 재료는, 튜브와 동종의 내열합금, 예를 들면 25Cr-Ni(SCH22), 25Cr-35Ni(SCH24), 인코로이(상표명) 등이고, 이외에 튜브의 사용환경에 견딜 수 있는 여러 내열합금이 적당하게 사용된다.
다음에 구체적 실시예를 들어서 설명한다.
실시예 1
공시관(供試管:Test Tube) T1-T5를 제작하고, 경계막 열전달계수(h(W/m2/K)) 와 압력 손실(dP(Pa))를 측정했다.
T1은 발명예, T2-T5는 비교예이며, 그것들의 형태를 표 1에 나타낸다.
Figure 112009072705712-pct00020
(주) * : 호길이 비R=(관축직교면 상의 투영상에 있어서의 1 선회당 핀의 호길이의 합)/(관의 내면 둘레 길이)
** : T4의 호길이 비에 대해서는, (핀의 두께의 합계)/(관의 내면 둘레 길이)로 구하였다.
실험조건은 다음과 같다.
·시험유체: 공기
·유체온도(입구측단): 실온
·레이놀즈수: 20,000-60,000
·압력 손실의 측정구간: 1000mm
측정결과를, 도 9(경계막 열전달계수(h)) 및 도 10(압력 손실(dP))에 도시되어 있고, 각각, 공시관(T5)의 레이놀즈수 20,000에서의 값을 1.0(기준값)으로 하는 비율로 나타내고 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 발명예의 공시관 T1은, 열전달특성에 대해서는 연속 나선 핀의 공시관 T2 및 단속 나선 핀의 T3와 거의 동등하고, 압력 손실 에 대해서는 공시관 T4와 거의 동등하다.
그러나, 공시관 T2 및 T3는, 공시관 T1과 비교하여 압력 손실이 커, 후술한 바와 같이, 수율의 저하를 초래한다.
한편, 공시관 T4는, 공시관 T1과 비교하여 열전달특성이 떨어지므로, 수율저하의 이외에, 코킹 발생의 문제가 있다.
또한, 공시관 T5는 무핀의 평활관이기 때문에, 압력 손실의 점에서는, 본 발명의 공시관 T1보다도 우수하지만, 열전달특성의 점에서 뒤떨어져, 공시관 T4와 동일하게, 수율과 코킹의 문제가 생긴다.
이에 반해 발명예의 공시관 T1은, 원하는 열전달 특성을 유지하면서, 압력 손실을 가급적으로 억제할 수 있다.
실시예 2
다음에 도 11에 도시하는 W형 코일에 대하여, 에틸렌 제조용 반응관의 사용조건을 모의한 열유체 해석을 행하여, 관내 유체의 압력 손실과, 에틸렌 및 프로필렌의 수율을 구하였다.
도 11에 도시하는 코일의 튜브(직관부)는 내경 63.5mm, 두께는 6.4mm, 길이 9.6m이고, 상류측으로부터 제 1 패스, 제 2 패스, 제 3 패스, 제 4 패스이고, 공시관 T6-T9의 구조를 표 2에 기재하고 있다.
공시관 T6는 발명예, 공시관 T7-T9은 비교예이고, 튜브(직관부)의 핀의 분포형태는 공시관 T6는 도 1, T7은 도 13, T8은 도 12에 도시하는 것과 동일하다. 또한, T9은 핀을 형성하지 않은 예이다.
Figure 112005021729549-pct00002
(주) *핀A : 도 1에 도시하는 분포형태의 단속 나선(핀수=4개/1선회)
경사각 60도, 핀 높이 3.5mm, 피치 115.2mm
**핀B : 도 13에 도시하는 분포형태의 단속 나선
경사각 60도, 핀 높이 3.5mm, 피치 115.2mm
***핀C: 도 12에 도시하는 분포형태의 연속 나선
경사각 60도, 핀 높이 3.5mm, 피치 115.2mm
해석조건은, 코일 출구의 유체압력을 1.98kg/cm2(절대 압력), 코일 입구 온도를 600℃, 코일 출구온도를 830℃로 설정했다. 또한, 1코일당의 유량설정은 나프타가 840kg/h, 스팀이 420kg/h이다.
튜브의 제 1 패스―제 4 패스에서의 온도를 표 3에 나타내고 있다.
코일의 입구와 출구에서의 관내 유체의 압력 및 온도, 압력 손실, 에틸렌 및 프로필렌의 수율의 해석결과를 표 4에 나타내고 있다.
Figure 112005021729549-pct00003
Figure 112005021729549-pct00004
(주) *절대 압력
표 3에 나타내어지는 바와 같이, T6의 관온도는 T7-T8과 동일한 정도이고, T9과 비교하면 약 20℃ 이상 낮다. 이것은, T6-T8이 거의 동일 정도의 열전달 효율을 갖고 있어, 보다 낮은 관온도에서 조업할 수 있는 것을 의미한다.
표 4를 참조하면, T6는 T7-T8보다도 압력 손실이 적고, 에틸렌 및 프로필렌의 수율이 우수하다. 또한, T9은 압력 손실은 적지만 열전달 효율이 떨어지기 때문에, 에틸렌 및 프로필렌의 수율이 뒤떨어진다.
본 발명의 크래킹 튜브는, 관내면에 형성된 나선형상 핀의 분포형태에 따라, 핀의 교반작용에 의한 높은 열전달 특성을 유지하면서, 관내 유체의 압력 손실을 가급적 적게 할 수 있다.
따라서, 에틸렌, 프로필렌 등의 수율의 향상 이외에, 튜브의 디코킹 작업의 저감, 튜브의 내용수명의 향상을 가져올 수 있는 등, 에틸렌 등 제조용 열분해로에 있어서의 크래킹 튜브로서 유용하다.

Claims (4)

  1. 탄화수소의 열분해에 의해 올레핀을 제조하기 위하여 사용되는, 관의 내면에 가늘고 긴 핀이 1 라인 내지 복수 라인의 나선궤적을 그리며 나선방향으로 단속적으로 배치된 크래킹 튜브에 있어서,
    핀은, 관내 유체에 대하여 교반작용에 의한 전열효과를 촉진하기 위하여, 그 길이방향이 나선궤적 상에 배열되고, 관축에 대하여 경사각(θ)을 형성하고 있고,
    핀은, 상기 전열촉진효과를 유지하면서 압력손실을 억제하는 것에 의해, 올레핀의 수율을 향상시키기 위하여, 관축방향의 전체 길이에 걸쳐서, 관내면에 핀이 존재하지 않는 대역(ZB)이 관축에 평행하게 배치되어 있고,
    핀은, 관내면의 둘레 길이 C(C=πD, 이때, D는 관의 내경)에 대한 핀의 호 길이의 합 TW(TW=w×n, 이때, w는 핀의 호 길이로서 관축 직교면에서의 투영면상의 길이, n은 1선회선 상의 핀의 수)의 비 TW/C가 0.3 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 크래킹 튜브.
  2. 제 1 항에 있어서, 핀의 경사각은 15도 내지 85도인 것을 특징으로 하는 크래킹 튜브.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 핀은 용접 덧붙임 비드인 것을 특징으로 하는 크래킹 튜브.
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