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KR102143481B1 - 열 전달 튜브 및 이를 사용한 분해로 - Google Patents

열 전달 튜브 및 이를 사용한 분해로 Download PDF

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KR102143481B1
KR102143481B1 KR1020130131030A KR20130131030A KR102143481B1 KR 102143481 B1 KR102143481 B1 KR 102143481B1 KR 1020130131030 A KR1020130131030 A KR 1020130131030A KR 20130131030 A KR20130131030 A KR 20130131030A KR 102143481 B1 KR102143481 B1 KR 102143481B1
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ratio
gap
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리쥔 장
셴펑 저우
쥔졔 류
즈궈 두
융강 장
자오빈 장
충 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

본 발명은 열 전달 튜브 및 열 전달 튜브를 사용한 분해로에 관한 것이다. 열 전달 튜브는 그 내벽에 배치된 비틀린 배플을 포함하고, 상기 비틀린 배플은 상기 열 전달 튜브의 축 방향을 따라 나선형으로 연장된다. 비틀린 배플은, 비틀린 배플의 일단에서 타단으로 열 전달 튜브의 축 방향을 따라 연장되는 비관통 갭을 포함한다. 본 발명에 따른 열 전달 튜브 및 분해로는 열 전달 효과가 우수하고 압력 손실이 작다.

Description

열 전달 튜브 및 이를 사용한 분해로 {HEAT TRANSFER TUBE AND CRACKING FURNACE USING THE SAME}
본 발명은 가열로(heating furnace)에 특히 적합한 열 전달 튜브에 관한 것이다. 본 발명은 또한 열 전달 튜브를 사용한 분해로(cracking furnace)에 관한 것이다.
석유화학산업에 주요 장비인 분해로는 주로 대량의 열을 필요로 하는 분해 반응을 얻기 위해 탄화수소 재료를 가열하는 데 사용된다. 푸리에 이론(Fourier's theorem)은 다음을 설명한다.
Figure 112013099101648-pat00001
여기서, q는 전달된 열이고, A는 열 전달 면적을 나타내고, k는 열 전달 계수를 나타내고, dt/dy는 온도 기울기이다. 석유화학산업에서 사용되는 분해로를 예를 들면, 열 전달 면적 A(분해로의 용량에 의해 결정됨)와 온도 기울기 dt/dy(노 코일 재료(furnace coil material) 및 버너 용량(burner capacity)에 의해 결정됨)가 결정되어 있을 때, 단위 면적당 전달된 열 q/A를 개선하는 유일한 방법은, 주된 유체(main fluid), 경계층의 열 저항 등에 의해 영향을 받는 열 전달 계수 k의 값을 개선하는 것이다.
프란틀의 경계층 이론(Prandtl's boundary layer theory)에 따르면, 실제 유체가 고체 벽을 따라 유동할 때, 벽면(wall surface)에 가까운 매우 얇은 층의 유체는 미끄러지지 않고 벽에 부착될 것이다. 즉, 벽면에 부착된, 경계층을 형성하는 유체의 속도는 영(zero)이다. 이 경계층의 두께가 매우 얇기는 하지만, 그 열 저항은 대단히 크다. 열이 그 경계층을 통과할 때, 열은 주된 유체에 신속하게 전달될 수 있다. 따라서, 경계층을 어떻게든 얇게 할 수 있다면, 전달된 열이 효과적으로 증가될 것이다.
종래기술에서, 석유화학산업에서 대개 사용되는 분해로의 노 파이프(furnace pipe)는 보통 아래에 설명하는 바와 같이 구성되어 있다. 한편, 분해로의 노 코일(furnace coil)의 축 방향으로 따라 입구단(inlet end)에서 출구단(outlet end)까지의 하나 이상 또는 모든 구역(region)의 내면에는 리브(rib)가 설치되고, 노 코일의 내면에 그 축 방향을 따라 나선형으로 연장된다. 상기 리브가 경계층의 두께를 최소화하도록 유체를 휘젓는 목적을 달성할 수 있지만, 그 내면에 형성된 코크스(coke)는 시간이 흐름에 따라 리브의 역할을 지속적으로 약화시킬 것이므로, 그 경계층을 감소시키는 기능이 점점 작아질 것이다. 한편, 서로 간격을 둔 복수의 핀(fin)이 노 파이프의 내면에 설치되어 있다. 이들 핀이 또한 경계층의 두께를 감소시킬 수 있다. 그러나, 노 파이프의 내면 위의 코크스가 증가함에 따라, 이들 핀은 마찬가지로 그 효과가 덜할 것이다.
그러므로, 이 기술분야에서는 노 코일의 열 전달 효과를 더욱 개선시키기 위해 열 전달 요소를 향상시키는 것이 중요하다.
종래기술의 기술적 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 우수한 전달 효과를 가진 열 전달 튜브를 제공한다. 본 발명은 또한 상기 열 전달 튜브를 사용한 분해로에 관한 것이다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 열 전달 튜브의 내벽 위에 배치된 비틀린 배플(twisted baffle)을 포함하고, 상기 비틀린 배플은, 상기 열 전달 튜브의 축 방향을 따라 나선형으로 연장되며, 상기 비틀린 배플의 일단에서 타단으로 열 전달 튜브의 축 방향을 따라 연장되는 비관통 갭(non-through gap)을 포함하는 열 전달 튜브를 개시한다.
본 발명에 따른 열 전달 튜브에서는, 비틀린 배플의 배치로, 유체가 비틀린 배플을 따라 유동하여 회전 유동(rotating flow)으로 바뀔 수 있다. 유체의 접선 속도(tangential speed)가 경계층을 파괴하므로, 열 전달을 향상시키고자 하는 목적을 달성한다. 게다가, 갭의 배열에 의해, 유체의 압력 손실을 더욱 감소시키도록, 열 전달 튜브 내의 유체의 저항을 감소시키게 된다. 나아가, 갭이 비관통(non-through)로 되어, 즉 비틀린 배플이, 열 전달 튜브와 연결되는 그 2개의 측부 에지(edge)를 모두 가지는 중요한 부분이 되어, 유체의 영향 하에서도 비틀린 배플의 안정성이 증가한다.
일 실시예에서, 상기 비틀린 배플은 90°에서 1080°사이의 비틀림 각(twist angle)을 가진다. 비틀림 각이 비교적 작을 때, 유체의 압력 강하와 회전 유체의 접선 속도는 모두 작다. 그러므로, 열 전달 튜브는 효과가 나쁘다. 상기 비틀림 각이 커질수록, 유체의 접선 속도는 증가할 것이므로, 열 전달 튜브의 효과는 개선될 것이지만, 유체의 압력 강하는 증가될 것이다. 상기 비틀림 각이 120°∼ 360°범위일 때, 열 전달 튜브의 용량과 유체의 압력 강하 모두가 적절한 범위 내에 들게 된다. 열 전달 튜브의 내경(inner diameter)에 대한 상기 비틀린 배플의 축 길이의 비율은 1:1에서 10:1의 범위이다. 이 비율이 비교적 작을 때, 회전 유동의 접선 속도는 비교적 커서, 열 전달 튜브는 고용량이지만 유체의 압력 강하는 비교적 크다. 비율의 값이 점차 증가함에 따라, 회전 유동의 접선 속도는 더 작아질 것이고, 따라서 열 전달 튜브의 용량은 감소할 것이지만, 유체의 압력 강하는 더 작아질 것이다. 이 비율이 2:1에서 4:1의 범위일 때, 상기 열 전달 튜브의 용량과 상기 유체의 압력 강하는 각각의 적절한 범위 내에 들 것이다. 이러한 크기의 상기 비틀린 배플은 또한 상기 열 전달 튜브의 내의 유체가 상기 경계층을 파괴할 정도로 충분한 접선 속도를 갖게 할 수 있어, 더 우수한 열 전달 효과를 달성할 수 있고 열 전달 벽에 코크스가 형성되는 경향은 더 작아질 것이다.
일 실시예에서, 비틀린 배플에 대한 갭의 면적 비율은 0.05:1에서 0.95:1의 범위 내에 든다. 이 비율이 상대적으로 작을 때, 비틀린 배플은 유체에 대해 큰 전환 효과(diversion effect)를 가지게 되어, 튜브의 열 전달 효율은 향상되나, 유체의 압력 강하 또한 증가한다. 이 비율이 더 커지면, 유체에 대한 비틀린 배플의 전환 효과와 유체에 대한 압력 강하는 더 작아질 것이나, 그에 따라 열 전달 효율는 더 나빠지게 된다. 이 비율이 0.6:1 내지 0.8:1의 범위 내에 머문다면, 열 전달 튜브의 용량과 유체의 압력 강하 모두가 적절한 정도에 이르게 된다. 또한, 이 범위 내의 면적 비율에 의해, 유체의 압력 손실은 작게 되고, 비틀린 배플은 충격에 대해 높은 저항을 가지게 된다. 일 실시예에서, 갭은 매끄러운 곡선의 외곽선을 가져서, 유체의 흐름을 촉진하고, 유체의 저항을 감소시키며, 나아가 유체의 압력 손실도 감소시킨다. 특정 실시예에서, 이 매끄러운 곡선은, 열 전달 튜브의 중앙선의 관점에서 중심 대칭(centrosymmetric)되는 2개의 동일한 곡선 세그먼트를 포함한다. 일 실시예에서, 열 전달 튜브의 내경에 대한 갭의 개시단(starting end)의 폭의 비율은 0.05:1 내지 0.95:1 사이, 바람직하게는 0.6:1 내지 0.8:1 사이의 범위 내에 있고, 각 곡선 세그먼트는 갭의 개시단으로부터 꼬리단(tail end) 방향으로 연장된다. 열 전달 튜브의 내경에 대한 곡선 세그먼트의 곡률 반경 변화율(curvature radius change rate)의 x-축 구성요소의 비율은 0.05:1 내지 0.95:1 사이의 범위 내이고; 열 전달 튜브의 내경에 대한 곡선 세그먼트의 곡률 반경 변화율의 y-축 구성요소의 비율은 0.05:1 내지 0.95:1 사이의 범위 내이며; 열 전달 튜브의 내경에 대한 곡선 세그먼트의 곡률 반경 변화율의 z-축 구성요소의 비율은 1:1 내지 10:1 사이의 범위 내이다. 열 전달 튜브의 내경에 대한 곡선 세그먼트의 곡률 반경 변화율의 z-축 구성요소의 비율이 상대적으로 작은 경우, 회전 유체의 접선 속도가 크게 되어 열 전달 효율은 좋아지나, 유체의 압력 강하 또한 증가한다. 이 비율이 더 커지면, 회전 유체의 접선 속도와 유체의 압력 강하 모두가 작아지게 되나, 열 전달 효율 또한 이에 따라 나빠지게 된다. 이 비율이 2:1 내지 4:1의 범위 내에 머무는 경우에는, 열 전달 튜브의 용량과 유체의 압력 강하 모두가 적절한 범위로 달성된다. 이 방법으로 형성된 갭 외곽선은 최상의 유체 역학 효율, 즉 수력에 의한 압력(hydraulic pressure)의 최소화 및 비틀린 배플의 충격 저항의 최대화를 달성하게 된다.
일 실시예에서, 비틀린 배플의 상이한 단부로부터 서로를 향해 열 전달 튜브의 축 방향을 따라 교차됨이 없이 연장되는 2개의 갭이 존재한다. 다운 스트림 갭에 대한 상류갭(upstream gap)의 면적 비율은 20:1 내지 0.05:1 사이의 범위 내이다. 이 비율이 상대적으로 커지면, 유체의 압력 강하와 회전 유체의 접선 속도 모두가 작아져서, 열 전달 효율이 나빠진다. 이 비율이 더 작아지면, 회전 유체의 접선 속도가 더 커지고, 열 전달 튜브의 용량이 더 향상되나, 유체의 압력 강하는 더 증가한다. 이 비율이 2:1 내지 0.5:1의 범위 내에 머무는 경우, 열 전달 튜브의 용량과 유체의 압력 강하 모두가 적정한 범위에 있게 된다. 또한, 하류갭(downstream gap)이 유체의 저항을 더 낮추는데에 유익하므로, 압력 강하를 낮추게 된다. 나아가, 상류갭과 하류갭의 배치에 의해, 비틀린 배플의 무게가 감소되는 이점을 가지게 되므로, 그 배치와 이용이 용이하게 된다.
일 실시예에서, 상기 비틀린 배플은 복수의 구멍을 구비한다. 축 방향과 반경 방향으로 유동하는 유체는 모두, 구멍을 통과할 수 있는데, 즉, 이들 구멍은, 열 전달 튜브 내의 난류(turbulence)를 향상시키기 위해, 유체의 유동 방향을 변경할 수 있으므로, 경계층을 파괴하여 열 전달 향상의 목적을 달성한다. 또, 다른 방향으로부터의 유체는 모두 쉽게 이들 구멍을 통과하여 하류로 유동할 수 있으므로, 유체의 유동에 대한 저항을 더욱 줄이고 압력 손실을 줄인다. 유체 내에 속에 포함되는 코크스 편(coke piece)이 또한 이들 구멍을 통과하여 하류로 이동할 수 있고, 이는 코크스 편의 방출을 용이하게 한다. 바람직한 실시예에서, 비틀린 배플의 축 길이에 대한 인접한 2개의 구멍의 중앙선 사이의 축 거리의 비율은 0.2:1에서 0.8:1 사이의 범위 내에 있다.
본 발명의 제2 태양에 따르면, 본 발명의 제1 태양에 따르는 적어도 하나, 바람직하게는 2개 내지 10개의 열 전달 튜브를 포함하는 분해로를 개시한다.
일 실시예에서, 복수의 열 전달 튜브는 상기 방사 코일 내에 그 축 방향을 따라 서로 간격을 두고 배치되어 있는데, 열 전달 튜브의 직경에 대한 간격의 비율은 15:1 내지 75:1의 범위 내이고, 바람직하게는 25:1 내지 50:1의 범위 내이다. 서로 간격을 두고 있는 복수의 열 전달 튜브는, 상기 방사 코일 내의 유체를 피스톤 유동(piston flow)에서 회전 유동으로 연속적으로 변경시킬 수 있으므로, 열 전달 효율을 개선한다.
본 발명의 문맥에서, "피스톤 유동"이라는 용어는 이상적으로는 유체가 유동 방향으로는 서로 혼합되지만 반경 방향으로는 결코 서로 혼합되지 않는 것을 의미한다. 그러나 실제로는, 절대적인 피스톤 유동보다는 근사 피스톤 유동만을 달성할 수 있을 뿐이다.
종래기술과 비교하면, 본 발명은 이하의 측면에서 뛰어나다. 먼저, 열 전달 튜브 내의 비틀린 배플의 배치는 비틀린 배플을 따라 유동하는 유체가 회전 유동으로 바뀌므로, 유체의 접선 속도 개선, 경계층 파괴 및 열 전달 향상의 목적을 달성한다. 다음으로, 비틀린 배플이, 비틀린 배플의 일단으로부터 타단을 향해 열 전달 튜브의 축 방향을 따라 확장하는 비관통 갭을 포함한다. 이 갭이 열 전달 튜브 내의 유체의 저항을 감소시켜, 유체의 압력 손실을 감소시킨다. 게다가, 갭이 비관통으로 되어, 즉 비틀린 배플이, 실제로 열 전달 튜브와 연결되는 그 2개의 측부 에지(edge)를 모두 가지는 중요한 부분이 되어, 유체의 영향 하에서도 비틀린 배플의 안정성이 증가한다. 또한, 비틀린 배플이 복수의 구멍을 구비하여, 열 전달 튜브 내의 난류(turbulence)를 향상시키기 위해, 유체의 유동 방향을 변경할 수 있으므로, 열 전달 향상의 목적을 달성한다. 나아가, 이들 구멍이 유체의 유동에 대한 저항을 더욱 감소시켜서, 압력 손실을 더욱 감소시킨다. 또한, 유체 내에 속에 포함되는 코크스 편이 또한 이들 구멍을 통과하여 하류로 이동할 수 있고, 이는 코크스 편의 방출을 용이하게 한다.
이하, 구체적인 실시예에 비추어, 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 비틀린 배플을 가지는 열 전달 튜브의 측면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 비틀린 배플의 제1 실시예의 개략 사시도이다.
도 4 내지 도 6은 도 2의 비틀린 배플을 이용한 도 1의 A-A, B-B, C-C의 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 비틀린 배플의 제2 실시예의 개략 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 비틀린 배플의 제3 실시예의 개략 사시도이다.
도 10은 종래기술의 비틀린 배플의 개략 사시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 열 전달 튜브를 이용한 분해로의 방사 코일을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도면에서, 동일한 구성요소는 동일한 참조 부호로 나타낸다. 도면은 실제 스케일에 따라 그려진 것은 아니다.
이하에 본 발명을 도면에 비추어 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 열 전달 튜브(10)의 측면도를 도시한다. 열 전달 튜브(10)는 유체가 회전 유동하도록 유도하는 비틀린 배플(11)을 포함한다. 비틀린 배플(11)은 열 전달 튜브(10)의 축 방향을 따라 나선형으로 연장된다. 비틀린 배플(11)의 구조는 도 2, 도 3, 도 7, 도 8, 및 도 9에서 개략적으로 도시되며, 이하에서 설명될 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 비틀린 배플(11)의 제1 실시예의 개략 사시도이다. 비틀린 배플(11)은 90°에서 1080°사이의 비틀림 각을 가진다. 열 전달 튜브의 내경에 대한 비틀린 배플의 축 길이 비율은 1:1 내지 10:1 사이의 범위 내에 든다. 비틀린 배플(11)에, 열 전달 튜브(10)의 축 방향을 따라, 비틀린 배플(11)의 상류단으로부터 하류단으로, 비틀린 배플(11)을 완전히 관통하지 않으면서 연장되는 갭(12)이 배치된다. 일반적으로 갭(12)은 U자형으로 이해될 수 있다. 이러한 조건 하에서, 비틀린 배플(11)에 대한 갭(12)의 면적 비율은 0.05:1 내지 0.95:1 사이의 범위 내이다.
비틀린 배플(11)의 축 길이는 "피치(pithch)"라고 할 수 있고, 열 전달 튜브의 내경에 대한 "피치"의 비율은 "비틀림 비율(twist ration)"이라고 할 수 있다. 비틀림 각과 비틀림 비율은 모두 열 전달 튜브(10) 내의 유체의 회전 정도(rotation degree)에 영향을 미칠 것이다. 비틀림 비율이 결정되면, 비틀림 각이 클수록 유체의 접선 속도는 더 높을 것이지만, 유체의 압력 강하도 그에 따라 더 높을 것이다. 비틀린 배플(11)은, 열 전달 튜브(10) 내의 유체가 충분히 높은 접선 속도를 가져 경계층을 파괴할 수 있게 하는 비틀림 비율 및 비틀림 각을 가지도록 선택되므로, 우수한 열 전달 효과를 달성할 수 있다. 이 경우에, 열 전달 튜브의 내벽에 코크스가 형성되는 경향이 더 적은 결과를 얻을 수 있고, 유체의 압력 강하는 수용 가능한 범위 내에서 제어될 수 있다. 갭(12)을 비틀린 배플(11)에 배치함으로써, 비틀린 배플(11)과 유체의 접촉 면적이 상당히 감소되므로, 열 전달 튜브(10) 내의 유체의 저항과 유체의 압력 강하가 모두 감소한다. 또한, 갭(12)이 비관통으로 되어, 즉 비틀린 배플이 실제로 열 전달 튜브(10)와 모두 연결되는 2개의 측부 에지를 가지는 중요한 부분이 되므로, 열 전달 튜브(10) 내의 비틀린 배플(11)의 안정성이 향상된다.
도 2 및 도 3은, 유체의 저항을 감소시켜 유체의 압력 강하를 감소시킬 수 있는 매끄러운 곡선으로 된, 비틀린 배플(11)의 갭(12)의 외곽선을 도시한다. 이 매끄러운 곡선은 2개의 동일한 곡선 세그먼트(13, 13')를 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 여기서, 갭(12)은 다음과 같은 기술적 특징을 가진다. 열 전달 튜브(10)의 내경에 대한 갭(12)의 개시단의 폭의 비율은 0.05:1 내지 0.95:1 사이의 범위 내에 있고, 곡선 세그먼트(13)(설명을 위해 일례로서 제시됨)는 갭(12)의 개시단(14)으로부터 꼬리단(15)을 향해 연장된다. 열 전달 튜브의 내경에 대한 곡선 세그먼트의 곡률 반경 변화율의 x-축 구성요소의 비율은 0.05:1 내지 0.95:1 사이의 범위 내이고; 열 전달 튜브의 내경에 대한 곡선 세그먼트의 곡률 반경 변화율의 y-축 구성요소의 비율은 0.05:1 내지 0.95:1 사이의 범위 내이며; 열 전달 튜브의 내경에 대한 곡선 세그먼트의 곡률 반경 변화율의 z-축 구성요소의 비율은 1:1 내지 10:1 사이의 범위 내이다. 본 명세서에서, "x-축", "y-축", 및 "z-축"의 용어들은 각각 열 전달 튜브(10)의 직경 방향, 도면과 수직을 이루는 방향, 및 열 전달 튜브(10)의 축 방향을 나타낸다. 이러한 형상의 갭(12)은 최상의 유체 역학 효율, 즉 최소의 유체 압력 강하와 비틀린 배플의 충격에 대한 최대 저항을 달성하게 된다.
사실, 도 2 및 도 3에 나타난 비틀린 배플(11)은, 열 전달 튜브(10)의 중심점 부근에서 열 전달 튜브(10)의 하나의 직경 선(diameter line)을 회전시키는 동시에 이를 열 전달 튜브(10)의 축 방향을 따라 상방 또는 하방으로 전환(translate)시켜서, 회전 타원체 또는 유사하게 궤적 표면과 교차시키고 그 교차된 부분을 제거함으로써 얻어지는 하나의 궤적 표면(trajectory surface)으로 이해될 수 있다. 이 방법으로, 비틀린 배플(11)은 서로 평행한 상부 에지와 하부 에지를 포함하고, 한 쌍의 비틀린 측부 에지는 항상 열 전달 튜브(10)의 내벽과 갭의 외곽선과 접촉하게 된다. 도 4 내지 도 6은 비틀린 배플(11)의 비트는 방법을 알 수 있는, 상이한 위치에서의 열 전달 튜브(10)의 상이한 단면을 개략적으로 도시한다. 도 4에서 나타난 갭(12)의 단면은 도 5에서 나타낸 것보다 더 큰데, 이는 단면 A-A가 갭(12)을 형성하는 회전 타원체의 작은 축과 더 가깝기 때문이다. 도 6에서 나타난 비틀린 배플은 갭을 가지지 않는데, 이는 단면 C-C가 갭(12)에 의해 관통되지 않는 비틀린 배플(11)의 부분에 배치되기 때문이다.
도 2는 비틀린 배플(11)의 갭(12)이 상류와 맞닿는 개구(opening)와 하류와 맞닿는 가느다란 종단(top end)을 가지도록 배치됨을 나타내지만, 갭(12)은 실제로는 또한 상류와 맞닿는 가느다란 종단과 하류와 맞닿는 개구를 가지도록 배치될 수 있다. 이러한 조건 하에서, 유체로부터의 비틀린 배플(11)에 대한 충격력이 상당히 감소할 것이고, 따라서 비틀린 배플(11)의 충격에 대한 저항이 향상될 것이다.
도 7 및 도 8은 비틀린 배플(11)의 제2 실시예를 개략적으로 도시한다. 본 실시예는 도 2 및 도 3에서 나타난 비틀린 배플(11)과 유사하다. 다만, 상이한 점은, 비틀린 배플(11)이 2개의 갭(12, 12')을 포함하고, 이 갭은 비틀린 배플(11)의 상류 단부 및 하류 단부로부터 서로를 향해 각각 연장되나, 서로 간격을 두고 있다는 것이다. 하류 갭(12')은 유체의 저항을 더 감소시켜 유체의 압력 강하를 감소시킨다. 또한, 상류 갭과 하류 갭의 배치에 의해, 비틀린 배플(11)의 중량이 낮아지고, 열 전달 튜브(10)의 배치와 이용이 용이해지는 이점을 가진다. 바람직하게는, 하류갭(12')에 대한 상류갭(12)의 면적 비율이 2:1 내지 0.5:1 사이의 범위 내이다. 이 경우에, 비틀린 배플(11)의 면적에 대한 갭(12, 12')의 총 면적의 비율이 0.05:1 내지 0.95:1 상이의 범위 내에 들게 된다.
도 9는 비틀린 배플(11)의 제3 실시예를 개략적으로 나타낸다. 본 실시예에서, 비틀린 배플(11)이 구멍(41)을 포함하여 유체가 구명을 통해 통과하여 하류로 부드럽게 흘러갈 수 있게 되므로, 유체의 압력 강하를 더 감소시킨다. 특정 일 실시예에서, 비틀린 배플(11)의 축 길이에 대한 2개의 인접한 중앙선 사이의 축 거리의 비율은 0.2:1 내지 0.8:1 사이의 범위 내이다.
본 발명은, 전술된 열 전달 튜브(10)를 이용하는 분해로(cracking furnace)(도시되지 않음)에 대해서도 관련된다. 분해로에 대해서는 당해 기술분야에서의 통상의 지식을 가진 자가 충분이 잘 알고 있는 것이므로, 본 명세서에서는 논의하지 않는다. 분해로의 방사 코일(50)은 적어도 하나의 전술한 열 전달 튜브(10)을 포함한다. 도 11은 3개의 열 전달 튜브(10)를 개략적으로 나타낸다. 바람직하게는, 이러한 열 전달 튜브(10)는 서로 공간을 가지는 방법으로 방사 코일 내에 축 방향을 따라 배치된다. 예를 들어, 열 전달 튜브(10)의 내경에 대한 2개의 인접한 열 전달 튜브(10) 축 거리의 비율은 15:1 내지 75:1 사이, 바람직하게는 25:1 내지 50:1 사이의 범위가 되어, 방사 코일 내의 유체가 피스톤 유동에서 회전 유동으로 연속적으로 변경될 것이므로, 열 전달 효율이 개선된다. 당연하게, 복수의 열 전달 튜브가 존재할 수 있으며, 이러한 열 전달 튜브(10) 각각의 비틀린 배플은 도 2, 도 7, 및 도 9 중 어느 하나에 도시된 방법으로 배열될 수 있다.
이하에서는, 구체적인 예를 사용하여 본 발명에 따른 열 전달 튜브(10)가 사용될 때, 분해로의 방사 코일(50)의 열 전달 효율 및 압력 강하를 설명한다.
예 1
분해로의 방사 코일에는 도 2에 나타낸 바와 같은 비틀린 배플을 가지는 열 전달 튜브(10)가 6개 배치되어 있다. 열 전달 튜브(10) 각각의 내경은 51 mm이다. 열 전달 튜브의 내경에 대한 곡면 세그먼트의 곡률 반경 변화율의 x-축 구성요소의 비율은 0.6:1이고; 열 전달 튜브의 내경에 대한 곡선 세그먼트의 곡률 반경 변화율의 y-축 구성요소의 비율은 0.6:1이며; 열 전달 튜브의 내경에 대한 곡선 세그먼트의 곡률 반경 변화율의 z-축 구성요소의 비율은 2:1이다. 비틀린 배플(11, 11')은 각각의 비틀림 각이 180°이고 비틀림 비율이 2.5이다. 두 개의 인접한 열 전달 튜브(10) 사이의 거리는 열 전달 튜브의 내경의 50배이다. 실험으로 방사 코일의 열 전달 부하(heat transfer load)가 1,278.75KW이고 압력 강하가 70,916.4Pa임을 알았다.
비교예 1
분해로의 방사 코일에는 종래 기술의 열 전달 튜브(50')가 6개 장착되어 있다. 열 전달 튜브(50')는, 열 전달 튜브(50')의 케이싱 내에 비틀린 배플(51')을 구비하여 구성되어 있고, 비틀린 배플(51')은 열 전달 튜브(50')를 도 10에 나타낸 바와 같이 서로 연통하지 않는 두 개의 재료 통로(material passge)로 나눈다. 열 전달 튜브(50')의 내경은 51mm이다. 비틀린 배플(51')은, 뒤틀림 각이 180°이고 뒤틀림 비율이 2.5이다. 두 개의 인접한 열 전달 튜브(50') 사이의 거리는 열 전달 튜브(50')의 내경의 50배이다. 실험으로 방사 코일의 열 전달 부하가 1,264.08KW이고 압력 강하가 71,140Pa임을 알았다.
상기 예 및 비교예에 비추어, 종래 기술의 열 전달 튜브를 사용한 분해로 내의 방상 코일의 열 전달 효율과 비교되는, 본 발명에 따른 열 전달 튜브를 사용한 분해로 내의 방사 코일의 열 전달 효율이 상당히 개선되었고, 압력 강하 역시 감소하였음을 알 수 있다. 이상의 특징은 탄화수소 분해 반응에 매우 유익하다.
본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 구체적으로 개시된 실시예를 넘어 다른 대안적인 실시예 및/또는 본 발명의 사용과, 명백한 변경 및 그 등가물에까지 확장된다. 특히, 구조적인 충돌이 없는 한, 본 발명의 실시예 하나하나에 개시된 기술적 특징은 임의의 방식으로 서로 조합될 수 있다. 본 명세서에 개시된 본 발명의 범위는 전술한 구체적인 개시된 실시예로 한정되는 것이 아니라, 이하의 특허청구범위 내의 모든 기술적 해결방안을 포함한다.

Claims (13)

  1. 열 전달 튜브의 내벽에 배치된 비틀린 배플(twisted baffle)을 포함하는 열 전달 튜브로서,
    상기 비틀린 배플은, 상기 열 전달 튜브의 축 방향을 따라 나선형으로 연장되고, 상기 열 전달 튜브의 축 방향을 따라 상기 비틀린 배플의 일단으로부터 타단으로 연장되는 비관통 갭(non-through gap)을 포함하고,
    상기 비틀린 배플의 상이한 단부로부터 서로를 향해 상기 열 전달 튜브의 축 방향을 따라 교차하지 않고 연장되는 2개의 갭이 존재하는, 열 전달 튜브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비틀린 배플에 대한 상기 갭의 면적 비율이 0.05:1에서 0.95:1 사이 또는 0.6:1에서 0.8:1 사이의 범위 내에 포함되는, 열 전달 튜브.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비관통 갭은 매끄러운 곡선의 외곽선을 가지는, 열 전달 튜브.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 매끄러운 곡선은, 상기 열 전달 튜브의 중앙선을 기준으로 중심 대칭인 2개의 동일한 곡선 세그먼트(curve segment)를 포함하는,열 전달 튜브.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열 전달 튜브의 내경에 대한 상기 비관통 갭의 개시단(starting end)의 폭의 비율은 0.05:1에서 0.95:1 사이 또는 0.6:1에서 0.8:1 사이의 범위 내에 있고,
    상기 곡선 세그먼트 중 하나는 상기 갭의 개시단으로부터 꼬리단(tail end) 방향으로 연장되며,
    상기 열 전달 튜브의 내경에 대한 상기 곡선 세그먼트의 곡률 반경 변화율(curvature radius change rate)의 x-축 성분의 비율은 0.05:1에서 0.95:1 사이의 범위 내이고; 상기 열 전달 튜브의 내경에 대한 상기 곡선 세그먼트의 곡률 반경 변화율의 y-축 성분의 비율은 0.05:1에서 0.95:1 사이의 범위 내이며; 상기 열 전달 튜브의 내경에 대한 상기 곡선 세그먼트의 곡률 반경 변화율의 z-축 성분의 비율은 1:1에서 10:1 사이 또는 2:1에서 4:1 사이의 범위 내인, 열 전달 튜브.
  6. 제1항에 있어서,
    하류갭에 대한 상류갭의 면적 비율이 20:1에서 0.05:1 사이 또는 2:1에서 0.5:1 사이의 범위 내인, 열 전달 튜브.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 비틀린 배플이 복수의 구멍을 더 포함하는, 열 전달 튜브.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 비틀린 배플의 축 길이에 대한 2개의 인접하는 구멍의 중앙선 사이의 축 거리의 비율이 0.2:1에서 0.8:1 사이의 범위 내인, 열 전달 튜브.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 비틀린 배플은 90°에서 1080°사이 또는 120°에서 360°사이의 비틀림 각(twist angle)을 가지는, 열 전달 튜브.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 열 전달 튜브의 내경에 대한 상기 비틀린 배플의 축 길이의 비율이 1:1에서 10:1 사이 또는 2:1에서 4:1 사이의 범위 내인, 열 전달 튜브.
  11. 방사 코일을 포함하는 분해로로서,
    상기 방사 코일은 제1항에 따른 열 전달 튜브를 적어도 하나 또는 2개 내지 10개를 포함하는, 분해로.
  12. 제11항에 있어서,
    복수의 열 전달 튜브는, 상기 방사 코일 내에 그 축 방향을 따라 서로 간격을 두고 배치되어 있고,
    상기 열 전달 튜브의 직경에 대한 상기 간격 거리의 비율은 15:1에서 75:1 사이 또는 25:1에서 50:1 사이의 범위 내인, 분해로.
  13. 삭제
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