KR20100014478A - 관형 분해로 - Google Patents

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KR20100014478A KR1020097019550A KR20097019550A KR20100014478A KR 20100014478 A KR20100014478 A KR 20100014478A KR 1020097019550 A KR1020097019550 A KR 1020097019550A KR 20097019550 A KR20097019550 A KR 20097019550A KR 20100014478 A KR20100014478 A KR 20100014478A
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샨펑 저우
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차이나 페트로리움 앤드 케미컬 코포레이션
베이징 리서치 인스티튜트 오브 케미컬 인더스트리, 차이나 페트로리움 앤드 케미컬 코포레이션
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Abstract

관형 분해로, 특히 에틸렌 분해로는 대류부(2)와 복사부(5)를 포함한다. 적어도 1개의 열전달강화부재(7)는 복사부(5)의 단일의 분해로 관(3)의 적어도 1개의 통로 내에 위치되어 있다. 적어도 1개의 열전달강화부재(7)는 제1 열전달강화부재(7)를 포함한다. 제1 열전달강화부재(7)는 분해로 관벽의 한계온도점 전 10D와 25D 사이에 배치되어 있고, 여기서 D는 열전달강화부재(7)가 구비되어 있는 분해로 관(3)의 내경이다. 관형 분해로는, 복사부 분해로 관(3)에 추가된 열전달강화부재(7)의 수가 일정할 때, 열전달을 강화하는 최적 효과를 달성하기 위해 열전달강화부재(7)들을 복사부 분해로 관(3) 내에 충분히 분포시킬 수 있다.
분해로, 에틸렌, 열전달강화, 관형, 비틀림 테이프

Description

관형 분해로{A TUBE TYPE CRACKING FURNACE}
본 발명은 관형 분해로(tubular cracking furnace)에 관한 것으로, 특히 에틸렌 분해로 내에 열전달강화부재(heat transfer intensifying memeber)들을 배치하는 방법 및 그 방법을 사용한 관형 분해로에 관한 것이다.
산업상, 탄화수소 열분해(pyrolysis)는 관형 분해로 내에서 실행된다. 잘 알려진 바와 같이, 이론상으로 탄화수소 열분해의 화학반응은 1차 반응과 2차 반응을 포함하는 강한 흡열반응이다. 일반적으로 말하면, 1차 반응은 큰 탄화수소 분자가 더 작은 분자로 되는 반응, 즉 선형 탄화수소가 탈수소되어 사슬이 끊어지고 나프탈렌과 아렌(arene)이 탈수소되어 고리가 끊어지는 반응에 관한 것이며, 따라서 에틸렌과 프로필렌 등은 1차 반응에서 생성된다. 2차 반응은 1차 반응의 생성물, 즉 올레핀과 알킨이 중합, 탈수소 축합하도록 실행될 뿐만 아니라 나프탈렌과 방향족 화합물이 탈수소 축합과 탈수소 융합 고리화(fused cyclization) 등을 하도록 실행되는 반응에 관한 것이다. 2차 반응은 목표 생성물의 수율을 크게 감소시킬 뿐만 아니라 심할 정도로 코크스(coke)를 생성할 것이다. 코크스는 복사관(radiant tube)의 내벽에 퇴적될 것이다. 복사관 내벽에의 코크스의 형성은 분해로를 정상 작동하는데 큰 단점이 된다. 복사관의 내벽에 부착된 코크스는 전체 반응계에서의 반응물 유체의 흐름 저항(stream resistance)과 열전도 저항을 증대시킬 것이다. 열전도 저항과 흐름 저항의 증대는 1차 반응에 거슬리게 될 것이다.
산업상, 분해로 상의 코킹(coking) 때문에 분해로의 코크스 제거(decoking)를 주기적으로 실행하여야 한다. 코크스 제거 사이의 구간(interval)은 "운전 주기(run length)"라고 불리운다. 통상, 모든 "운전 주기"의 말기에서는 코크스 층으로 인하여, 관금속온도(tube metal temperature; 간단히 TMT)가 관 물질 요건의 최대(일반적으로는 1125℃)를 초과하는 경향이 있을 것이다.
따라서, 분해로 내의 코크스를 억제하면, "운전 주기"를 줄이고 분해로의 처리 부하를 증대시키는데 도움이 될 것이다. 코킹을 억제하기 위해서는, 복사관 내에서 1차 분해반응(craking reaction)을 유지하면서 2차 반응을 가능한 많이 감소시키는 것이 필요하다. 따라서, 1차 반응의 생성물을 분해온도(cracking temperture)의 최고 온도 이상으로 불필요하게 가열하여 복사관 내에 과잉 반응을 유지하는 것을 회피하여야 한다. 또한, 반대의 제한 요인은, 열분해가 체적을 증대시키는 반응이므로 1차 반응을 위해 보다 낮은 압력이 도움이 된다는 것이다.
중국특허 CN1133862C는 일정 간격으로 복사관에 배치되는 비틀림 테이프관(twisted-tape tube)(도 4 및 도 5 참조)을 개시하고 있다. "비틀림 테이프관"의 작동원리는 다음과 같이 간략히 설명될 수 있다: 잘 알려진 바와 같이, 에틸렌 분해로에서의 복사부의 열전달 과정은 다음과 같은 단계들을 포함할 수 있다. 먼저, 가스 내부로(gas inside hearth)는 열을 복사와 대류를 통해 복사관의 외벽으로 전달하고, 다음으로 외벽은 열을 내벽과 벽 열전도에 의해 있음직한 코크스 층 으로 전달하며, 최종적으로 열을 대류에 의해 내벽으로부터 내부 유체로 전달한다. 프란틀(Prandtl)의 경계층 이론에 따르면, 유체가 고체 벽면을 따라 흐를 때, 그 벽면 가까이에 있는 얇은 유체층은 미끄러짐이 없이 관벽면 상에 부착될 것이며, 이에 따라 유동 경계층이 형성된다. 경계층이 전도에 의해 열을 전달하기 때문에, 경계층이 매우 얇더라도 그 열저항은 매우 높다. 다음으로 열은 대류에 의해 경계층을 통해 난류의 중심으로 전달된다. 상기 분석에 따르면, 관 열전달의 대부분의 저항은 관 내벽면에 부착된 코크스 층과 경계층 상에 있다. 경계층에 의한 저항이 감소되었다면, 열전달 효율이 크게 증대될 것이다. 중국특허 CN1133862C에서의 비틀림 테이프관은 이러한 원리에 기초하여 개발된 것이다. 복사관에 배치된 비틀림 테이프관은 유체 흐름을 관류(plug flow)에서 난류로 강제로 바꾸도록 하게 될 것이다. 이에 의해, 유체는 관벽에 강하게 횡방향으로 유출되는 작용을 할 것이고, 이에 따라 경계층은 파괴되어 얇아지게 될 것이다. 그 결과, 유동 경계층 가까이에 열전달 저항은 감소되며 열전달 효율이 증대된다.
본 발명에 있어서, "비틀림 테이프관" 및 관련 부재들은 모두 "열전달강화부재" 라는 일반적인 용어로 불리워지며, 이 용어는 유체를 관류에서 난류로 강제 변경하고 그에 따라 경계층을 파괴하여 얇게 할 수 있는 복사관에 배치된 모든 부재에 관련된다. 이는 "비틀림 테이프관"에만 한정되지 않는다.
복사관과 내부 유체 사이의 열전달이 비틀림 테이프관 및 유사 부재를 배치한 것에 의해 강화될 수 있더라도, 이는 반드시 많을수록 좋다는 것을 의미하는 것은 아니다. 그 이유는, 상기 부재들을 복사관에 배열한 경우, 압력강하가 관 내에 서 그에 따라 증가될 수 있기 때문이다. 또한 상술한 바와 같이, 압력강하의 증가는 분해로를 작동시키는데 불리하다.
따라서 관 압력강하를 고려하면, 비틀림 테이프관은 가능한 많이 배치될 수 없다. 본 발명은 이러한 갈등을 제기하는 것, 즉 소정 수의 비틀림 테이프관을 배치하여 열전달을 최대로 함과 함께 코킹을 최대한 억제하고, 그에 따라 처리부하를 크게 향상시켜 코크스 제거 전에 운전 주기를 연장시키는 것에 있다.
발명의 요약
본 발명은 대류부(convection section) 및 이중 복사부(dual radiant section) 중 적어도 하나와, 상기 복사부에 배치되어 적어도 하나의 열전달강화부재를 포함하는 관형 분해로, 특히 에틸렌 분해로를 제공한다. 상기 적어도 하나의 열전달강화부재는 상기 적어도 하나의 통로 복사관(pass radiant tube) 금속온도의 극한점(extreme point) 상류에 10D와 25D(D: 열전달강화부재를 갖는 상기 적어도 하나의 통로 복사관의 내경) 사이의 위치에 배치되어 있는 제1 열전달강화부재를 포함한다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 열전달강화부재는 상기 제1 열전달강화부재의 하류에, 상기 제1 열전달강화부재의 최대 영향거리(maximum affected distance)인 Y보다 작은 거리, 바람직하게는 0.7Y와 1.0Y 사이에 배치되어 있는 제2 열전달강화부재를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 열전달강화부재는 상기 제2 열전달강화부재의 하류에, 상기 제2 열전달강화부재의 최대 영향거리인 Y보다 작은 거리, 바람직하게는 0.7Y와 1.0Y 사이에 배치되어 있는 제3 열전달강화부재를 포함한다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 열전달강화부재는 상기 제3 열전달강화부재의 하류에, 상기 제3 열전달강화부재의 최대 영향거리인 Y보다 작은 거리, 바람직하게는 0.7Y와 1.0Y 사이에 배치되어 있는 제4 열전달강화부재를 포함한다.
바람직하게는, 상기 열전달강화부재는 비틀림 테이프관(twisted-tape tube)이다.
바람직하게는, 상기 비틀림 테이프관의 비틀림비(twist ratio)는 2∼3이며, 상기 테이프는 180°의 비틀림각(twisted angle)을 갖는다.
바람직하게는, 상기 Y는 약 50D∼60D이다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 통로 복사관은 타입 2-1 또는 타입 4-1이다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 통로 복사관은 타입 2-1이고, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 열전달강화부재는 비틀림 테이프관이며, 상기 제2 통로 복사관에만 배치되어 있다.
바람직하게는, 상기 복사관은 타입 2-1이고, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 열전달강화부재는 비틀림 테이프관이며, 각각 상기 제1 및 제2 통로 복사관에 배치되어 있다.
바람직하게는, 상기 복사관은 타입 4-1이고, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 열전달강화부재는 비틀림 테이프관이며, 상기 제2 통로 복사관에만 배치되어 있다.
바람직하게는, 상기 복사관은 타입 4-1이고, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 열전달강화부재는 비틀림 테이프관이며, 각각 상기 제1 및 제2 통로 복사관에 배치되어 있다.
본 발명은 다음과 같은 이점이 있다.
1. 본 발명은 복사관 내에 열전달강화부재들의 위치를 최적화함으로써, 소정 수의 열전달강화부재로 최상으로 향상된 열전달 결과를 성취할 수 있다.
2. 복사관에 비틀림 테이프관과 같은 열전달강화부재들을 추가하기 때문에, 열전달 경계층은 얇아지게 되어 열저항이 감소된다. 이와 같이, 본 발명에 따른 방법은 에틸렌 분해로의 열전달 효율을 크게 개선함과 함께 코킹 경향을 최소화하고, 그에 따라 에틸렌 분해로의 처리부하가 향상되어 운전 주기가 연장된다.
3. 본 발명의 에틸렌 분해로를 사용하여 종래 분해로의 그 자체 잠재력에 의존함으로써, 에틸렌 분해로는 5%∼7%까지 그 처리부하를 향상시킬 수 있고 30%∼100%까지 운전 주기를 연장시킬 수 있다.
도 1은 2개의 통로 복사관 타입 2-1 또는 타입 4-1을 사용한 에틸렌 분해로의 개략도.
도 2는 도 1에 도시한 바와 같은 분해로에 배치된 복사관들의 개략도로서, 복사관로 관 타입 2-1을 사용하고 모든 통로 각 관에 2개의 열전달강화부재를 배치한 상태를 나타낸 도면.
도 3은 도 1에 도시한 바와 같은 분해로에 배치된 복사관들의 개략도로서, 복사관로 관 타입 2-1을 사용하고 모든 통로 각 관에 4개의 열전달강화부재를 배치한 상태를 나타낸 도면.
도 4는 도 1에 도시한 바와 같은 분해로에 배치된 복사관들의 개략도로서, 복사관로 관 타입 4-1을 사용하고 모든 통로 각 관에 2개의 열전달강화부재를 배치한 상태를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 방법에 사용된 비틀림 테이프관의 종단면도.
도 6은 본 발명의 방법에 사용된 비틀림 테이프관의 횡단면도.
발명을 실시하기 위한 형태
본 발명에서 열전달강화부재들은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 중국특허 CN1133862C의 "비틀림 테이프관"를 사용할 수 있다. 비틀림비(비틀림각 180°의 비틀림 테이프관의 축 길이 대 내경 비)은 바람직하게는 2∼3이며, 본 실시형태들에서는 2.5이다. 복사관에 배치된 열전달강화부재들은 제조과정 물질(in-process material)을 똑바로 전방으로 흐르게 하기보다 나선상으로 전방으로 흐르게 할 수 있으므로, 내부의 비틀림 테이프관을 통과하는 제조과정 물질은 비틀림 테이프관의 내면을 접선방향(tangentially)으로 강하게 유출된다. 그리고 이에 의해, 비틀림 테이프관의 내면상의 경계층의 두께가 파괴되어 훨씬 더 얇아지게 되므로, 유동 경계층 가까이에 열저항이 훨씬 더 작아진다. 따라서, 비틀림 테이프관의 열전달 효율이 증가될 수 있다.
복사관 내의 제조과정 물질이 비틀림 테이프관의 표면을 통과하기 전에, 제 조과정 물질은 관류 타입으로 흐르며, 그 접선속력(tangential speed)은 거의 영(zero)이다; 제조과정 물질이 비틀림 테이프관을 통하여 흐른 직후에, 제조과정 물질의 흐름 형태가 갑작스럽게 변경되어, 제조과정 물질의 접선속력이 빠르게 증가한다. 제조과정 물질이 비틀림 테이프관을 통과한 후에, 제조과정 물질의 접선속력은 관의 축방향을 따라 영까지 하락하여 떨어지는 경향이 있다. 비틀림 테이프관의 "최대 영향거리" 란, 제조과정 물질이 비틀림 테이프관을 통하여 흐르기 시작하는 지점부터 제조과정 물질의 접선속력이 다시 영으로 되는 지점까지 계산된 복사관의 거리를 의미한다. 비틀림비가 2-3인 비틀림 테이프관에 관하여, 180°의 비틀림각을 갖는 비틀림 테이프관의 최대 영향거리는 대략적으로 약 50D∼60D이며, 여기서 D는 복사관의 내경인 것으로 정의된다. 본 실시형태에서의 비틀림 테이프관은 180°의 비틀림각에 대해 2.5의 비틀림비를 사용한다.
종래기술에서는, 분해로의 복사부에 열전달강화부재들을 배치하지 않고, 복사관이 약간의 극한점들을 갖는 온도 프로파일(profile)을 항시 갖고 있다. 이러한 극한점들은 복사관벽에서 관금속온도의 최대온도에 관련된다. 일반적으로, 각 통로관(pass tube)은 예를 들면, 복사관 타입 2-1에 대해 극한점을 갖는데, 그 제1 통로관은 하나의 극한점을 가지며, 제2 통로관 또한 하나의 극한점을 갖지만, 2개의 통로관에서의 극한점들의 위치는 서로 다르다. 통상적으로, 극한점들의 위치는, 분해로 구조가 결정되기만 하면 지정될 수 있을 것이다. 분해로를 사용하는 모든 공장은 분해로의 극한점들의 상응하는 위치를 제공할 수 있다.
본 발명의 분해로에 따르면, 제1 비틀림 테이프관은 각 통로 복사관에서의 관금속온도의 최대온도 전 0∼40D, 바람직하게는 10∼25D인 위치에 배치되어 있다; 제2 비틀림 테이프관은 제1 비틀림 테이프관의 최대 영향거리인 Y보다 작은 거리, 바람직하게는 0.7Y와 1.0Y 사이에 배치되게 제1 비틀림 테이프관의 하류측에 배치되어 있다; 제3 비틀림 테이프관은 제2 비틀림 테이프관의 최대 영향거리인 Y보다 작은 거리, 바람직하게는 0.7Y와 1.0Y 사이에 배치되게 제2 비틀림 테이프관의 하류측에 배치되어 있다. 또한, 각 통로에서의 마지막의 비틀림 테이프관의 위치는 기계적 강도 요건을 충족하기 이해 각 통로관 단부와 간격을 두고 40D미만이 되지 않아야 한다. 복사관 단부에 그 이상의 비틀림 테이프관이 배치될 수 없을 때, 그리고 다른 파라미터, 특히 압력강하가 요건을 충족할 수 있는 경우, 그 비틀림 테이프관은 제1 비틀림 테이프관보다 앞에 배치될 수도 있다. 이 비틀림 테이프관과 제1 비틀림 테이프관 사이의 거리는 이 비틀림 테이프관의 "최대 영향거리 Y"보다 작게, 바람직하게는 0.7Y와 Y 사이어야 한다. 복사관이 수개의 통로를 갖는 경우, 각 통로관은 각 통로 내에 동일한 규칙을 따라야 한다. 그러나, 비틀림 테이프관의 정확한 위치는 반드시 동일하지 않아도 된다. 또한, 비틀림 테이프관들의 전체 개수는 여전히 다른 파라미터, 예를 들면 압력강하에 따라 결정될 필요가 있다.
본 발명에 있어서, 비틀림 테이프관은 분해로 내의 가장 효율적인 지점들에 놓여진다. 그러나, 반드시 이런 모든 지점에 비틀림 테이프관이 배치되어야 한다는 것을 의미하는 것은 아니며, 또한 반드시 비틀림 테이프관이 다른 위치에 설치될 수 없다는 것을 의미하는 것도 아니다.
본 발명을 실시예들에 의해 더 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 이 실 시예들에 의해 한정되지는 않을 것이다. 본 발명의 범위는 청구범위에 기재되어 있다.
＜실시예 1＞
에틸렌 분해로는 2개의 통로 복사관 타입 2-1(도 1 참조)을 사용하고 고압 스팀드럼(steam drum)(1), 대류부(2), 복사관(3)들, 버너(burner)(4)들, 복사부(5), 담금질 보일러(quenching boiler)(6)를 포함한다. 이 분해로는 연간 100KT(킬로톤)의 에틸렌 수율을 갖는다. 분해물질은 나프타(naphtha)를 사용한다.
운전 주기의 말기에 의한 복사관의 압력강하와 허용가능한 압력강하 한계 사이의 차이에 따라, 배치될 비틀림 테이프관의 개수를 결정한다. 각 통로 복사관에 2개의 열전달강화부재(7)가 배치되어 있다. 즉, 복사관의 각 그룹은 전부 합하여 6개의 열전달강화부재(7)를 구비하고 있는데(도 2 참조), 이 열전달강화부재는 비틀림 테이프관이다(도 5 참조).
프로젝트( project ) A : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도(TMT)의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 25배인 위치, 즉 25D인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 30D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 25배인 위치, 즉 25D인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 30D인 위치에 배치된다.
프로젝트 B : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 45배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 10D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 45배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 10D인 위치에 배치된다.
프로젝트 C : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 40배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제1 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 15D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 40배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 15D인 위치에 배치된다.
프로젝트 D : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 35배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제1 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 20D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 35배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 20D인 위치에 배치된다.
프로젝트 E : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 30배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 25D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 30배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 25D인 위치에 배치된다.
프로젝트 F : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 20배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 35D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 20배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 35D인 위치에 배치된다.
프로젝트 G : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 15배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 40D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 15배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 40D인 위치에 배치된다.
프로젝트 H : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 10배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 45D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 10배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 45D인 위치에 배치된다.
프로젝트 I : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 5배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 50D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 5배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 50D인 위치에 배치된다.
상술한 프로젝트들은 표 1에 보여진다.
표 1. 각 프로젝트의 비틀림 테이프관의 상이한 위치
제1 통로에서의 비틀림 테이프관의 위치 제2 통로에서의 비틀림 테이프관의 위치
TMT의 최대온도의 상류 TMT의 최대온도의 하류 TMT의 최대온도의 상류 TMT의 최대온도의 하류
프로젝트 A 25 30 25 30
프로젝트 B 45 10 45 10
프로젝트 C 40 15 40 15
프로젝트 D 35 20 35 20
프로젝트 E 30 25 30 25
프로젝트 F 20 35 20 35
프로젝트 G 15 40 15 40
프로젝트 H 10 45 10 45
프로젝트 I 5 50 5 50
상이한 프로젝트에 따라 비틀림 테이프관이 구비된 분해로의 작동 파라미터들을 비교함으로써(표 2, 3 참조), 동일한 작동 조건하에서, 복사관벽 온도가 최종적으로 TMT의 최대온도보다 높고, 동시에 복사관의 압력강하가 작동 한계에 도달하지 않는다는 사실에 기인하여 9가지의 프로젝트의 모든 분해로가 "운전 주기"의 말기에 도달함을 알았다. 분해로의 운전 주기가 분명하게 길어지게 되므로, 프로젝트 A, F, G, H의 효과는 다른 프로젝트보다 훨씬 좋다(A가 최상). 표들에 있어서, SOR은 분해로의 운전 개시를 나타내며, EOR은 분해로의 운전 종료를 나타낸다.
표 2. 모든 종류의 프로젝트 대비
프로젝트 A 프로젝트 B 프로젝트 C
SOR EOR SOR EOR SOR EOR
이송량(Feed rate) (T/h) 41.2 41.2 41.2 41.2 41.2 41.2
증기-오일비 (steam to oil ratio) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
COT(coil outlet temperature)(℃) 830 830 830 830 830 830
운전 주기에 미치는 영향 TMT TMT TMT
운전 주기(일) 56 41 44
표 3. 모든 종류의 프로젝트 대비
프로젝트 D 프로젝트 E 프로젝트 F
SOR EOR SOR EOR SOR EOR
이송량(Feed rate) (T/h) 41.2 41.2 41.2 41.2 41.2 41.2
증기-오일비 (steam to oil ratio) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
COT(coil outlet temperature)(℃) 830 830 830 830 830 830
운전 주기에 미치는 영향 TMT TMT TMT
운전 주기(일) 46 48 54
표 4. 모든 종류의 프로젝트 대비
프로젝트 G 프로젝트 H 프로젝트 I
SOR EOR SOR EOR SOR EOR
이송량(Feed rate) (T/h) 41.2 41.2 41.2 41.2 41.2 41.2
증기-오일비 (steam to oil ratio) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
COT(coil outlet temperature)(℃) 830 830 830 830 830 830
운전 주기에 미치는 영향 TMT TMT TMT
운전 주기(일) 52 49 42
＜실시예 2＞
에틸렌 분해로는 2개의 통로 복사관 타입 4-1(도 1 참조)을 사용하고 고압 스팀드럼(steam drum)(1), 대류부(2), 복사관(3)들, 버너(4)들, 복사부(5), 담금질 보일러(6)를 포함한다. 이 분해로는 연간 100KT(킬로톤)의 에틸렌 수율을 갖는다. 본 실시예의 복사관(3)는 2개의 통로 복사관 타입 4-1이다. 분해물질은 나프타(naphtha)를 사용한다.
운전 주기의 말기에 의한 복사관의 압력강하와 허용가능한 압력강하 한계 사이의 차이에 따라, 배치될 비틀림 테이프관의 개수를 결정한다. 각 통로 복사관에 2개의 열전달강화부재(7)가 배치되어 있다. 즉, 복사관의 각 그룹은 전부 합하여 10개의 열전달강화부재(7)를 구비하고 있는데(도 2 참조), 이 열전달강화부재는 비틀림 테이프관이다(도 5 참조).
프로젝트 A : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 25배인 위치, 즉 25D인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제1 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 30D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 25배인 위치, 즉 25D인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제2 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 30D인 위치에 배치된다.
프로젝트 B : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 45배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 10D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 45배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 10D인 위치에 배치된다.
프로젝트 C : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 40배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제1 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 15D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 40배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 15D인 위치에 배치된다.
프로젝트 D : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 35배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제1 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 20D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 35배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 20D인 위치에 배치된다.
프로젝트 E : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 30배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 25D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 거리에서 제2 통로 복사관 직경 D의 30 배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 25D인 위치에 배치된다.
프로젝트 F : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 20배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 35D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 20배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 35D인 위치에 배치된다.
프로젝트 G : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 15배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 40D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 15배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 40D인 위치에 배치된다.
프로젝트 H : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 10배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 45D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통 로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 10배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 45D인 위치에 배치된다.
프로젝트 I : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 5배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 50D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 5배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 50D인 위치에 배치된다.
상술한 프로젝트들은 표 5에 보여진다.
표 5. 각 프로젝트의 비틀림 테이프관의 상이한 위치
제1 통로에서의 비틀림 테이프관의 위치 제2 통로에서의 비틀림 테이프관의 위치
TMT의 최대온도의 상류 TMT의 최대온도의 하류 TMT의 최대온도의 상류 TMT의 최대온도의 하류
프로젝트 A 25 30 25 30
프로젝트 B 45 10 45 10
프로젝트 C 40 15 40 15
프로젝트 D 35 20 35 20
프로젝트 E 30 25 30 25
프로젝트 F 20 35 20 35
프로젝트 G 15 40 15 40
프로젝트 H 10 45 10 45
프로젝트 I 5 50 5 50
상이한 프로젝트에 따라 비틀림 테이프관이 구비된 분해로의 작동 파라미터들을 비교함으로써(표 6, 7, 8 참조), 동일한 작동 조건하에서, 프로젝트 A, F, G, H의 효과는 다른 프로젝트보다 훨씬 좋다(F가 최상). 이는 복사관의 최대온도가 SOR에서 분명하게 감소되었기 때문이다. SOR에서 TMT는 엄청나게 감소되었고, 이는 SOR에서의 TMT와 EOR에서의 TMT(1125℃) 사이에 더 많은 공간이 있다는 것, 즉 분해로의 운전 주기가 더 길다는 것을 가리킨다.
표 6. 모든 종류의 프로젝트 대비
프로젝트 A 프로젝트 B 프로젝트 C
SOR EOR SOR EOR SOR EOR
이송량(Feed rate) (T/h) 41.2 41.2 41.2 41.2 41.2 41.2
증기-오일비 (steam to oil ratio) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
COT(coil outlet temperature)(℃) 830 830 830 830 830 830
SOR에서의 최대 관금속온도(℃) 기준 +13 +10
표 7. 모든 종류의 프로젝트 대비
프로젝트 D 프로젝트 E 프로젝트 F
SOR EOR SOR EOR SOR EOR
이송량(Feed rate) (T/h) 41.2 41.2 41.2 41.2 41.2 41.2
증기-오일비 (steam to oil ratio) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
COT(coil outlet temperature)(℃) 830 830 830 830 830 830
SOR에서의 최대 관금속온도(℃) +8 +2 -2
표 8. 모든 종류의 프로젝트 대비
프로젝트 G 프로젝트 H 프로젝트 I
SOR EOR SOR EOR SOR EOR
이송량(Feed rate) (T/h) 41.2 41.2 41.2 41.2 41.2 41.2
증기-오일비 (steam to oil ratio) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
COT(coil outlet temperature)(℃) 830 830 830 830 830 830
SOR에서의 최대 관금속온도(℃) 0 +2 +8
＜실시예 3＞
에틸렌 분해로는 2개의 통로 복사관 타입 2-1(도 1 참조)을 사용하고 고압 스팀드럼(1), 대류부(2), 복사관(3)들, 버너(4)들, 복사부(5), 담금질 보일러(6)를 포함한다. 이 분해로는 연간 60KT(킬로톤)의 에틸렌 수율을 갖는다. 분해물질은 나프타를 사용한다.
운전 주기의 말기에 의한 복사관의 압력강하와 허용가능한 압력강하 한계 사이의 차이에 따라, 배치될 비틀림 테이프관의 개수를 결정한다. 각 통로 복사관에 2개의 열전달강화부재(7)가 배치되어 있다. 즉, 복사관의 각 그룹은 전부 합하여 6개의 열전달강화부재(7)를 구비하고 있는데(도 2 참조), 이 열전달강화부재는 비틀림 테이프관이다(도 5 참조).
프로젝트( project ) A : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 25배인 위치, 즉 25D인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 30D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 25배인 위치, 즉 25D인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제2 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 30D인 위치에 배치된다.
프로젝트 B : 제1 통로 복사관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 45배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 60D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 45배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 60D인 위치에 배치된다.
프로젝트 A와 B를 사용한 분해로를 비교하였을 때, 운전 주기가 정규 처리부 하하에서 큰 비율(big percentage)만큼 증가하였음을 알았다.
분해로의 처리부하가 7%만큼 증가되었을 때, 2개의 상이한 프로젝트를 사용한 에틸렌 분해로를 비교하여 보면, 본 발명의 프로젝트 A를 사용한 분해로의 운전 주기가 동일한 다른 조건하에서 프로젝트 B의 것보다 더 길다는 것을 알았다(표 10 참조).
표 9 및 표 10으로부터, 프로젝트 A를 사용함으로써 개선된 분해로의 처리부하가 7%만큼 증가되었더라도, 본 발명의 프로젝트 A를 사용한 분해로의 운전 주기가 정규 처리부하에서 프로젝트 B를 사용한 분해로의 것보다 길다는 것이 관찰되었다.
표 9. 모든 종류의 프로젝트 대비
프로젝트 B 프로젝트 A
SOR EOR SOR EOR
이송량(Feed rate) (T/h) 25.6 25.6 25.6 25.6
증기-오일비 (steam to oil ratio) 0.7 0.7 0.7 0.7
COT(coil outlet temperature)(℃) 830 830 830 830
운전 주기에 미치는 영향 TMT TMT
운전 주기(일) 40 60
표 10. 모든 종류의 프로젝트 대비
프로젝트 B 프로젝트 A
SOR EOR SOR EOR
이송량(Feed rate) (T/h) 27 27 27 27
증기-오일비 (steam to oil ratio) 0.7 0.7 0.7 0.7
COT(coil outlet temperature)(℃) 830 830 830 830
운전 주기에 미치는 영향 TMT TMT
운전 주기(일) 35 54
＜실시예 4＞
에틸렌 분해로는 2개의 통로 복사관 타입 2-1(도 1 참조)을 사용하고 고압 스팀드럼(1), 대류부(2), 복사관(3), 버너(4)들, 복사부(5), 담금질 보일러(6)를 포함하며, 그 중 복사관은 타입 2-1 관의 48개 그룹을 포함한다. 이 분해로는 연간 100KT(킬로톤)의 에틸렌 수율을 갖는다. 분해물질은 나프타를 사용한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 열전달강화부재(7)는 유체 흐름 방향을 따라 복사관(3)에 배치되어 있으며, 이 열전달강화부재는 도 5에 도시된 바와 같이 비틀림 테이프관이다.
제1 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제1 통로 복사관 직경 D의 25배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제1 통로 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 30D인 위치에 배치된다. 제2 통로관에 있어서, 하나의 비틀림 테이프관은 제2 통로 복사관 금속 온도의 극한점의 상류측에 제2 통로 복사관 직경 D의 25배인 위치에 배치된다. 또 다른 비틀림 테이프관은 제2 복사관 금속온도의 극한점의 하류측에 30D인 위치에 배치된다.
"개선 전"은 열전달강화부재가 없는 종래의 분해로의 예이며, "개선 후"는 본 방법에 의해 열전달강화부재가 구비된 분해로의 예이다. 동일한 조건하에서 2개의 분해로의 파라미터들을 비교함으로써, 운전 주기가 실질적으로 길어지고, 분해로에 비틀림 테이프관을 구비한 후에 연료 소비율(fuel rate)이 감소됨을 알았다.
표 11. 분해로 대비
개량 전 개량 후
SOR EOR SOR 39일째 EOR
이송량(Feed rate) (kg/h) 46 41.2 46.0 41.2 41.2
증기-오일비 (steam to oil ratio) 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75
연료소비량 (Kg/h) 노상 버너 (hearth burner) 7140 7672.9 6724.4 7202.0 7178.5
벽 버너 (wall burner) 1650 1687.8 1650.0 1700.0 1650
합계 8790 9360.7 8374.4 8902 8828.5
운전 주기(일) 38 56

Claims (12)

  1. 대류부(convection section) 및 이중 복사부(dual radiant section) 중 적어도 하나와, 상기 복사부에 배치되어 적어도 하나의 열전달강화부재를 갖는 적어도 하나의 통로 복사관(pass radiant tube)을 포함하는 관형 분해로(tubular cracking furnace), 특히 에틸렌 분해로에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열전달강화부재는 상기 적어도 하나의 통로 복사관 금속온도의 극한점(extreme point)의 상류에, 10D와 25D(D: 열전달강화부재를 갖는 상기 적어도 하나의 통로 복사관의 내경) 사이의 위치에 배치되어 있는 제1 열전달강화부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 관형 분해로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열전달강화부재는 상기 제1 열전달강화부재의 하류에, 상기 제1 열전달강화부재의 최대 영향거리인 Y보다 작은 거리, 바람직하게는 0.7Y와 1.0Y 사이에 배치되어 있는 제2 열전달강화부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 관형 분해로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열전달강화부재는 상기 제2 열전달강화부재의 하류에, 상기 제2 열전달강화부재의 최대 영향거리인 Y보다 작은 거리, 바람직하게는 0.7Y 와 1.0Y 사이에 배치되어 있는 제3 열전달강화부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 관형 분해로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열전달강화부재는 상기 제3 열전달강화부재의 하류에, 상기 제3 열전달강화부재의 최대 영향거리인 Y보다 작은 거리, 바람직하게는 0.7Y와 1.0Y 사이에 배치되어 있는 제4 열전달강화부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 관형 분해로.
  5. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 열전달강화부재는 비틀림 테이프관(twisted-tape tube)인 것을 특징으로 하는 관형 분해로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 비틀림 테이프관의 비틀림비(twist ratio)는 2∼3이며, 상기 테이프는 180°의 비틀림각을 갖는 것을 특징으로 하는 관형 분해로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 Y는 약 50D∼60D인 것을 특징으로 하는 관형 분해로.
  8. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 통로 복사관은 타입 2-1 또는 타입 4-1인 것을 특징으로 하는 관형 분해로.
  9. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 통로 복사관은 타입 2-1이고, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 열전달강화부재는 비틀림 테이프관이며, 상기 제2 통로 복사관에만 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 관형 분해로.
  10. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 복사관은 타입 2-1이고, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 열전달강화부재는 비틀림 테이프관이며, 각각 상기 제1 및 제2 통로 복사관에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 관형 분해로.
  11. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 복사관은 타입 4-1이고, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 열전달강화부재는 비틀림 테이프관이며, 상기 제2 통로 복사관에만 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 관형 분해로.
  12. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 복사관은 타입 4-1이고, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 열전달강화부재는 비틀림 테이프관이며, 각각 상기 제1 및 제2 통로 복사관에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 관형 분해로.
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