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KR102291451B1 - 스팀 메탄 개질기 튜브 출구 조립체 - Google Patents

스팀 메탄 개질기 튜브 출구 조립체 Download PDF

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KR102291451B1
KR102291451B1 KR1020197025722A KR20197025722A KR102291451B1 KR 102291451 B1 KR102291451 B1 KR 102291451B1 KR 1020197025722 A KR1020197025722 A KR 1020197025722A KR 20197025722 A KR20197025722 A KR 20197025722A KR 102291451 B1 KR102291451 B1 KR 102291451B1
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크와미나 베두-아미사
트로이 엠. 레이볼드
로비 엘. 랜슨
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 스팀 메탄 개질기 튜브 출구 조립체 및 이를 조립 또는 개장하는 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 금속 더스팅 부식, 이슬점 응축-관련 금속 피로 및 균열, 및 과열 유도 금속 파괴, 예를 들어 수소 공격을 완화시키도록 설계된 개질기의 노출된 플랜지형 튜브 출구에 관한 것이다.

Description

스팀 메탄 개질기 튜브 출구 조립체
본 발명은 스팀 메탄 개질기의 플랜지형 튜브 출구 조립체 및 이를 조립 또는 개장(retrofit)하는 방법에 관한 것이다.
스팀 메탄 개질 공정은 수소 및/또는 일산화탄소를 제조하는 산업에서 널리 사용된다. 전형적으로, 스팀 개질 공정에서는 화석-연료 탄화수소 함유 공급물, 예를 들어 천연 가스, 스팀 및 선택적인 재순환 스트림, 예를 들어 이산화탄소가 촉매-충전된 튜브 내로 공급되며, 이 튜브에서 일련의 순 흡열 반응을 겪는다. 촉매-충전된 튜브는 스팀 메탄 개질기의 방사형 부분 내에 위치된다. 개질 반응은 흡열성이기 때문에, 스팀 메탄 개질기의 이러한 방사형 부분 내로 발화하는 버너에 의해, 반응을 지원하도록 튜브에 열이 공급된다. 버너를 위한 연료는 주로 부산물 공급원, 예를 들어 압력 순환 흡착(pressure swing adsorption; PSA)으로부터의 퍼지 가스(purge gas), 및 일부 보충(make-up) 천연 가스로부터 유래한다. 촉매 패킹된 튜브 내에서는 하기 반응들이 일어난다:
CH4 + H2O <=> CO + 3H2
CH4 + CO2 <=> 2CO + 2H2
CO + H2O <=> CO2 + H2
주로 수소, 일산화탄소, 및 물을 함유하는, 개질기로부터의 조질(crude) 합성 가스 생성물(즉, 합성가스(syngas))은 하류 유닛 작동에서 추가로 처리된다. 스팀 메탄 개질기 작동의 예가 드르네비치(Drnevich) 등(미국 특허 제7,037,485호)에 개시되어 있으며, 이는 전체적으로 참고로 포함된다.
스팀 메탄 개질기를 빠져나가는 합성가스는 고온이며, 플랜트 속도 및 생성물 슬레이트(product slate)에 따라 전형적으로 1450 내지 1650℉이다. 개질기의 가열된 구역 밖에서, 개별 튜브로부터의 합성가스가 수집되고 전술한 유닛 작동에서의 추가 처리를 위해 하류로 보내진다. 튜브 출구가 내화물에 싸여 있지 않거나 내화물 라이닝된 인클로저 내에 배치되지 않은 개질기에서, 노출된 플랜지형 튜브 출구에는 내부 단열재 및 외부 단열재 둘 모두가 전형적으로 장착된다. 불충분한 단열재는 튜브 출구의 일부 영역에서의 금속 더스팅(metal dusting) 및 다른 부분에서의 이슬점 응축-관련 파괴(dew point condensation-related failure)에 유리한 온도로 이어질 수 있기 때문에, 조기 튜브 파괴를 방지하기 위해서는 튜브 출구 조립체 단열재의 설계가 중요하다. 반면에, 너무 많은 단열재는 플랜지에서의 고온 및 궁극적인 약화 또는 탈탄(decarburization)을 초래할 수 있다. 외부 단열재는 튜브 출구 둘레에 감싸진 고온 섬유질 단열 블랭킷(blanket)을 포함한다. 내부 단열재는, 이하에서 캔(can)으로 지칭되는 형상으로 성형되고 고온 섬유질 단열 재료로 충전된 시트 금속이다. 캔의 한 쪽 단부는 용접에 의해서와 같이 블라인드 플랜지(blind flange)에 단단히 부착되고, 다른 쪽 단부는 밀봉되어 단열 재료를 둘러싼다. 캔은 틈새(clearance) 또는 간극(gap)을 갖고서 개질기 튜브 내에 위치되는데, 이는 본 명세서에 사용되는 바와 같이 캔의 외측 표면과 개질기 튜브의 내벽 사이의 간격을 지칭한다.
가랜드(garland) 등(미국 특허 제8,776,344 B2호)은 개질기 튜브 조립체의 입구에 사용하기 위한 '시일'(seal), 및 경사진 밑면(base)을 갖는 원통형 캔을 개시한다. 개질 노(reforming furnace)에서, 고온 공급물 가스(전형적으로 1300℉ 미만)가 개별 개질기 튜브 내로 전달된다. 입구 포트(port)가 측면으로부터 들어가는 튜브 조립체에서는, 고온 공정 가스가 튜브로 들어갈 때 스월(swirl)이 일어나며 일부 가스가 플랜지를 향해 상향으로 유동하여 과열될 수 있음이 발견되었다. 이는 개질기 튜브의 수명 및 성능에 해가 된다. 이 특허에 개시된 원통형의 경사진 밑면의 플러그(plug)는 입구 포트에 인접하게 위치되어 상기 입구 포트를 통해 도입되는 유체를 플랜지로부터 멀어지게 한다. 간극 내에 배치된 시일은 고온 유체가 간극을 따라 상향으로 통과하는 것을 제한하여, 플랜지의 과열을 방지한다. 그러나, 가랜드 등의 개시 내용의 발명은 오직 개질기 튜브 입구 조립체에만 적용가능하다. 이는 튜브 입구의 플랜지 및 용접 넥(weld neck) 온도를 낮추는 것을 목표로 한다. 공정 공급물 가스에는 일산화탄소(CO)가 없고 수소(H2)가 매우 적기 때문에 튜브 입구의 금속 더스팅 또는 수소 공격은 고려되지 않았다.
호만(Hohmann) 등(미국 특허 제5,490,974호), 롤(Roll) 등(미국 특허 제5,935,517호) 및 볼(Boll) 등(미국 특허 제6,099,922호)은 합성가스를 수용하는 출구 파이프 및 헤더(header)에서 금속 더스트 부식(metal dust corrosion)을 방지하기 위한 일부 방법들을 개시하고 있으며, 이들 문헌의 개시 내용은 단지 내측 상에서 내화물로 라이닝된 출구 파이프 및 헤더에만 관련된다. 그러한 경우에, 일산화탄소는 내화물을 통해 확산되어, 금속 더스팅에 유리한 범위 내의 온도를 갖는 금속의 부분들과 접촉하게 될 수 있다. 이는 재료의 탈탄 및 파국적인 파괴로 이어질 수 있다. 미국 특허 제5,490,974호 및 제5,935,517호의 문서에서는, 고온 가스 퍼지를 내화물에 적용하여 합성가스 확산을 저지하고 금속 더스팅을 방지한다. 미국 특허 제6,099,922호의 문헌에서는, 합성가스 내의 수소 및 물과 일산화탄소의 반응을 촉진시켜 CO2, H2O, H2 또는 CH4를 형성하는 니켈계 촉매를 내화물에 주입하여, 금속 더스트 부식에 대한 잠재성을 없앤다.
튜브 출구가 주위에 노출되는 개질기 노의 경우, 유해한 온도 프로파일을 방지하기 위해서는 단열 설계가 중요하다. 개질기 튜브에서 전형적으로 일어나는 바와 같이, 높은 CO 분압의 존재 하에, 900 내지 1400℉의 온도의 튜브 내벽 금속 표면의 영역은 고속의 금속 더스팅에 민감하다. 또한, 이슬점 응축 관련 파괴를 방지하기 위해 벽 온도는 합성가스의 이슬점 온도 초과로 유지되는 것이 중요하다. 그러나, 2가지 전술한 재료 파괴 메커니즘을 피하기 위해 튜브 출구 상에 너무 많은 단열재를 두는 것은 높은 플랜지 온도를 초래할 것이며, 이는 강(steel)의 탈탄 또는 약화 및 균열로 이어질 수 있다. 조기 튜브 파괴는 장기간의 계획되지 않은 공장 조업 중지(plant shutdown) 및 있을 수 있는 계약상 페널티를 초래할 수 있다.
따라서, 관련 기술에서의 단점을 극복하기 위해, 본 발명의 목적들 중 하나는 원하는 튜브 금속 온도 프로파일로 이어지는 내부 단열 설계를 튜브 출구 조립체에 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 튜브 출구 조립체 단열재가, 금속 더스팅 부식의 속도를 크게 최소화하기 위해, 금속 더스팅에 유리한 온도를 갖는 튜브 출구의 영역이 내부 단열 캔과 개질기 튜브 내벽 사이의 환형 간극 내의 낮은 합성가스 유동 영역에서만 발생하도록 보장하는 것이다.
튜브 출구 조립체 단열재가 플랜지로의 고온 합성가스의 대류를 감소시켜 플랜지 온도를 낮추고 강 플랜지의 고온 수소 공격을 방지하는 것이 본 발명의 다른 목적이다.
본 발명의 추가의 목적은 튜브 출구의 전체 길이를 합성가스 이슬점 온도 초과로 유지함으로써 이슬점 응축 관련 파괴를 방지하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 태양이 본 출원에 첨부된 명세서, 도면 및 청구범위의 검토 시 당업자에게 명백해질 것이다.
본 발명은 스팀 메탄 개질기 튜브 조립체의 플랜지형 출구에 관한 것이다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 스팀 메탄 개질기 조립체의 플랜지형 튜브 출구 조립체가 제공된다. 본 조립체는:
공정 가스의 제거를 위한 튜브 출구 조립체 내로 공정 가스가 도입될 수 있게 하는 입구를 갖는 적어도 하나 이상의 개질기 튜브를 포함하며, 여기서 출구 포트를 빠져나가는 공정 가스는 합성가스이고,
튜브 출구 조립체는 개질기의 경계 밖에 배치되며 내부 단열 캔을 내부에 수용하는 내부 공간을 갖는 개질기 튜브를 포함하고, 단열 캔은 개질기 튜브의 내부 공간에 끼워맞춰지고, 개질기 튜브의 외부는 튜브-플랜지 용접 넥에 매우 근접하게 연장되는 단열재로 덮이고;
출구 포트는 합성가스를 하류 공정 유닛으로 전달하기 위해 단열 캔의 말단부의 상류에 배치되고,
단열 캔은 블라인드 플랜지에 연결되고 출구 포트를 향해 개질기 튜브 내로 연장되고, 캔과 개질기 튜브의 내부 사이의 간극은 블라인드 플랜지 단부에서보다 말단부에서 더 크다.
본 발명의 다른 태양에서, 개질기 튜브 출구 조립체의 플랜지형 출구가 제공된다. 이는 공정 가스의 제거를 위한 튜브 출구 조립체 내로 공정 가스가 도입될 수 있게 하는 입구를 갖는 적어도 하나 이상의 개질기 튜브를 포함하며, 여기서 출구 포트를 빠져나가는 공정은 합성가스이다.
튜브 출구 조립체는 개질기의 경계 밖에 배치되고,
공정 가스의 제거를 위한 튜브 출구 조립체 내로 공정 가스가 도입될 수 있게 하는 입구를 갖는 적어도 하나 이상의 개질기 튜브를 포함하며, 여기서 출구 포트를 빠져나가는 공정은 합성가스이고,
튜브 출구 조립체는 개질기의 경계 밖에 배치되며 내부 단열 캔을 내부에 수용하는 내부 공간을 갖는 개질기 튜브를 포함하고, 단열 캔은 개질기 튜브의 내부 공간에 테이퍼 형성(tapered)되거나 단차 형성(stepped)되고, 개질기 튜브의 외부는 튜브-플랜지 용접 넥에 매우 근접하게 연장되는 단열재로 덮이고;
출구 포트는 합성가스를 하류 공정 유닛으로 전달하기 위해 단열 캔의 말단부의 상류에 배치되고,
단열 캔은 블라인드 플랜지에 연결되고 출구 포트를 향해 개질기 튜브 내로 연장되고 블라인드 플랜지에 단단히 연결되고, 캔과 개질기 튜브의 내부 사이의 간극은 튜브 출구의 블라인드 플랜지 단부에서 약 0.1 내지 0.5 인치의 범위이고 말단부에서 0.1 내지 1 인치의 범위여서, 더 큰 부피의 고온 합성가스가 간극의 말단부에서 유지되게 하므로, 캔의 말단부 부근의 튜브 금속 온도는 금속 더스팅에 유리한 온도를 초과하지만, 플랜지를 향한 고온 가스의 유동을 조절하여 튜브 출구의 전체 길이를 합성가스 이슬점 온도 초과로 유지하여 응축/증발 열 사이클링 유도 피로 균열을 없애는 한편 플랜지 온도를 낮추어서 과열 유도 금속 파괴(over-temperature induced metal failure)의 발생을 최소화한다.
본 발명의 상기 및 다른 태양, 특징 및 이점이 하기의 도면으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 튜브 출구가 개질기의 경계 외측에 배치된 관련 기술의 하부-발화식(bottom-fired) 원통형 개질기의 개략도이고;
도 2a 및 도 2b는 관련 기술의 튜브 출구 조립체의 개략도이고;
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명의 하나의 예시적인 실시 형태에 따른 개질기 튜브의 플랜지형 튜브 출구 조립체의 개략도이고;
도 4a 및 도 4b는 단열 캔이 테이퍼 형성되고 말단부가 경사지거나 만곡된, 튜브 출구 조립체의 다른 예시적인 실시 형태의 도면이고;
도 5a 및 도 5b는 통상적인 튜브 출구 조립체의 컴퓨터 유체 역학(computational fluid dynamics)을 도시하고;
도 6은 도 3a에 따른 튜브 출구 조립체의 컴퓨터 유체 역학을 도시하고;
도 7은 도 4a에 따른 튜브 출구 조립체의 컴퓨터 유체 역학을 도시한다.
도 8은 관련 기술에 비해 본 발명에 대한 다양한 재료 열화 메커니즘에 대한 튜브 출구 신뢰성의 개선을 보여주는 컴퓨터 유체 역학 결과를 도시한다.
본 발명은 스팀 메탄 개질기에서 조기 튜브 파괴를 초래하는 전술한 재료 열화 메커니즘에 대한 튜브 출구의 민감성을 다룬다. 구체적으로, 본 발명은 스팀 메탄 개질기의 플랜지형 튜브 출구 조립체와 함께 이용되는데, 이의 예는 하부-공급식 원통형 개질기이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "하부-공급식 원통형 개질기 또는 반응기"는, 공급물 가스가 개질기 튜브의 하부 내로 도입되고, 버너가 개질기의 하부에서 발화되고, 공정 가스 및 연도 가스(flue gas)가 개질기의 하부로부터 상부까지 병류로(co-currently) 유동하는 캔 개질기 등을 지칭하는 것으로 당업자에 의해 이해될 것이다. 이러한 유형의 개질기에서, 튜브 출구는 노 내화성 벽/루프(roof) 밖에 있으며 주위에 노출된다.
도면을 참조하되 도 1에서 시작하면, 개질기 튜브(101)를 포함하는 하부 발화식 캔 개질기가 일반적으로 100으로 도시되어 있으며, 개질기 튜브(101)를 통해 합성가스가 1450 내지 1650℉의 범위의 온도에서 개질기를 빠져나간다. 합성가스는 상향으로 유동하여 측면 포트(102)를 통해 개질기 튜브를 빠져나간다. 원통-형상의 캔을 포함하고 세라믹 섬유 블랭킷과 같은 단열 재료로 충전된 내부 단열재(도시되지 않음)가 튜브 출구(101)의 내부에 위치되어, 고온 합성가스가 플랜지와 직접 접촉하여 플랜지를 과열시키는 것을 방지한다. 일반적으로, 플랜지는 탄소강으로 제조되며 그의 온도를 400℉ 미만으로 유지하는 것이 필요하다. 플랜지가 스테인리스 강으로 제조되는 경우에는, 더 높은 온도(최대 800℉)가 용인가능하다. 외부 단열재(103)가 또한 튜브 출구로부터의 열 손실을 제한하고 합성가스의 급속한 냉각을 방지한다. 상기에 언급된 바와 같이, 튜브 출구는 개질기(100) 밖에 위치되며, 단열재 설계에 의해 튜브 출구 및 플랜지의 내부 표면이 특정 온도 범위에 진입하는 것이 방지되지 않는다면, 튜브 출구가 금속 더스팅, 고온 수소 공격 및 이슬점 응축 유도 파괴와 같은 재료 열화 메커니즘에 민감할 수 있다.
도 2a를 참조하면, 외부 단열재(206a)는 전형적으로 1 인치 두께이고 출구 포트(207a) 위로 수 인치만큼 연장된다. 내부 단열 캔(208a)은 전형적으로 원통 형상이다. 파괴의 근본 원인 분석(root cause analysis) 및 컴퓨터 유체 역학(CFD) 모델링을 통해 결정할 때, 이러한 단열재 배열의 효과가 결여된 것으로 밝혀졌다. 도 5a의 모델링 결과는 이러한 단열 방식이 불충분하며 튜브 출구의 급속한 파괴로 이어질 것임을 나타내는데, 그 이유는 단열 캔의 말단부 아래의 그리고 출구 포트(207a) 부근의 튜브 금속의 영역이 합성가스 환경에서의 고속의 금속 더스팅 부식에 유리한 900 내지 1400℉의 온도 범위 내에 있기 때문이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "금속 더스팅 또는 금속 더스팅 부식"은 570℉ 내지 1550℉의 높은 탄소 활성 환경에서 일어나는, 재료 손실로 이어지는 탈탄의 형태를 의미하는 것으로 당업자에 의해 이해될 것이며, 이때 최대 속도는 전형적으로 900 내지 1400℉에서 일어나지만 공정 조건에 따라 크게 좌우된다.
외부 단열재의 매우 짧은 높이는 증가된 열 손실 및 낮은 플랜지 온도로 이어진다. 이러한 예에서, 용접 플랜지의 최대 온도는 약 237℉인 것으로 밝혀졌다. 이는 고온 수소 공격의 발생을 최소화하는 데 유익하지만, 튜브 출구의 상측 부분에 대한 금속 온도는 합성가스 이슬점 온도(이 경우에, 약 311℉임)보다 낮다. 그 결과, 물이 튜브의 내벽 상에 응축될 것이다. 튜브가 더 뜨거운 더 낮은 위치에서는, 물이 증발한다. 이러한 반복되는 응축/증발 사이클은 개질기 튜브의 열 피로 및 균열을 야기할 수 있다. 또한 다른 경우에, 응축된 물은 CO2와 같은 용해된 가스로 인해 약간 산성으로 될 수 있고 튜브의 부식을 야기할 수 있다. 이러한 재료 열화 메커니즘은 본 명세서에서 이슬점 응축 관련 파괴로 지칭된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "고온 수소 공격"은, 수소가 원자 형태로 해리되고 강 내로 확산되어, 불안정한 탄화물과 반응하여 메탄 가스를 형성할 수 있는, 승온(탄소강에 대해 전형적으로 400℉ 초과)에서의 탈탄의 형태를 의미하는 것으로 당업자에게 이해될 것이다. 이는 결국 균열 및 장비 파괴로 이어진다.
도 2b는 외부 단열재(206b)의 두께 및 높이가 증가되어 있는 관련 기술의 다른 실시 형태를 예시한다. 내부 단열 캔(208b)은 원통 형상이다. 도 5b의 CFD 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 이는 열 손실을 감소시키고, 금속 더스팅에 유리한 온도를 갖는 튜브 출구의 영역들을 더 위로 이동시킨다. 이는 플랜지 온도가 더 높다는(최대가 330℉라는) 점에서 이전의 설계에 비해 개선되지만, 단열 캔의 말단부 아래의 튜브 금속 영역은 여전히 금속 더스팅에 유리한 온도 대역에 속한다. 환형 간극의 크기를 증가시켜 그러한 영역에서의 고온 합성가스의 대류 유동을 증가시켜서 금속 더스팅에 유리한 온도 대역을 더 위로 이동시키는 것은 플렌지를 변함없이 더 고온의 합성가스에 노출시키며 과열을 야기할 수 있다. 따라서, 이러한 반대되는 온도 제약 조건(constraint)의 균형을 이루고 원하는 튜브 금속 온도 프로파일을 얻게 하는 단열 설계가 필요하다.
이제 본 발명의 예시적인 실시 형태를 참조하면, 도 3a, 도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 튜브 출구 조립체(300a 내지 300c)는 도 1에 도시된 스팀 개질기(100)에 이용되며, 도 2a 또는 도 2b의 통상적인 튜브 조립체를 대체한다.
튜브 출구 조립체(300a 내지 300c)의 내부 단열 캔은 블라인드 플랜지(311a 내지 311c), 및 스팀 개질기 튜브(305a 내지 305c)의 내부 공간에 위치된 비-원통형 캔(308a 내지 308c)을 포함한다. 캔 부분(308a 내지 308c)은 개질기 튜브의 내측에 끼워맞춰지고, 예를 들어 용접을 통해 블라인드 플랜지(311a 내지 311c)에 단단히 부착된다. 내부 단열 캔(308a 내지 308c)은, 비-원통형 캔으로 성형되고 단열 재료로 충전된 시트 금속이며, 그의 말단부는 출구 포트(307a 내지 307c)를 향해 연장된다.
도시된 바와 같이 튜브 조립체(300a 내지 300c)의 조립된 형태에서, 내부 단열 캔(308a 내지 308c)은 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이 튜브(305a 내지 305c) 내로 연장되는 말단부를 향해 테이퍼 형성되거나 단차 형성된다. 테이퍼 형성 또는 단차 형성은 부분적일 수 있으며, 즉 캔의 임의의 길이까지일 수 있는데, 예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같이 블라인드 플랜지까지 완전히 또는 도 3b에 도시된 바와 같이 절반까지 있을 수 있다. 테이퍼 형성의 정도는 환형 간극 내에서 플랜지를 향해 순환하는 고온 합성가스의 양에 영향을 미쳐, 더 큰 부피의 고온 합성가스가 간극의 입구에서 유지되게 하여 캔의 말단부까지의 튜브 금속 온도가 고속 금속 더스팅 온도를 초과하게 하지만, 플랜지를 향한 고온 가스의 유동은 제한한다. 바람직하게는, 단열 캔과 개질기 튜브 내경부 사이의 간극은 말단부에서 약 0.25 내지 1 인치의 범위이고, 블라인드 플랜지 단부에서 0.1 내지 0.25 인치의 범위이다. 이럼으로써, 캔의 말단부와 튜브/플랜지 용접 넥(312a 내지 312c) 사이의 튜브 출구의 부분은 이슬점 응축 유도 파괴를 피하기 위해 합성가스 이슬점 온도 초과로 유지되지만, 플랜지는 고온 수소 공격의 발생을 방지하기에 충분히 낮은 온도(예를 들어, 탄소강 플랜지의 경우 400℉ 미만)로 유지되는 것이 보장된다. 도 3c는 내부 캔이 단차 형성된 실시 형태를 나타낸다. 블라인드 플랜지 단부에서보다 말단부에서 더 큰 간극을 갖는 단차 형성된 캔의 효과는 도 3a에 도시된 테이퍼 형성과 유사하지만, 제조가 더 용이할 수 있다. 도 3b와 유사한 부분적으로 단차 형성된 캔이 또한 이용될 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 예시된 바와 같이, 튜브 출구 조립체가 말단부에서 경사지거나 또는 만곡된 테이퍼 형성된 캔(413a 또는 413b)을 갖는 다른 예시적인 실시 형태가 나타나 있으며, 더 긴 측이 합성가스 출구 포트(407a 및 407b)의 반대편에 위치된다. 이러한 배열은 튜브 출구의 비-출구 측이 금속 더스팅에 유리한 온도 초과로 항상 유지되게 한다. 말단부에서의 단열 캔의 경사지거나 만곡된 단부는 또한 고온 가스를 튜브의 반대편으로 향하게 하는 역할을 하여, 그쪽 편이 금속 더스팅에 유리한 온도 초과로 유지되는 것을 보장한다. 이러한 방식으로, 금속 더스팅에 유리한 온도를 갖는 튜브 출구의 부분들이 내부 단열 캔의 하부의 하류의 낮은 합성가스 유동 영역으로 이동되며, 여기서 금속 더스팅 부식의 속도가 크게 감소된다. 이 실시 형태는 튜브 출구로 들어가는 공정 가스의 온도가 약 1500℉ 정도로 비교적 낮은 상황에서 적합하다.
튜브 조립체 출구를 위한 내부 캔 설계의 선택은 공정 조건 및 개질기의 지리적 위치에 따라 좌우될 것이다. 개질기를 빠져나가는 합성가스의 온도가 매우 높은 (1600℉ 초과인) 공정의 경우, 큰 부피의 매우 뜨거운 합성가스가 플랜지와 접촉하게 하는 것은 바람직하지 않기 때문에 얕은 테이퍼 또는 단차가 가장 적절할 것이다. 반대로, 개질기가 매우 추운 기후에 위치된 경우, 더 두드러진 테이퍼 형성 또는 스텝 형성이 적절할 것이며, 이는 더 많은 합성가스가 간극 내로 향하여 이슬점 초과의 온도를 유지하는 데 도움을 줄 수 있기 때문이다. 공정 조건 및 기후를 고려함으로써, 신뢰성 및 수명을 크게 개선하는 적절한 내부 및 외부 단열 튜브 출구 조립체 설계가 선택될 수 있다.
본 발명은 출구 튜브에서 표준 설계를 갖는 기본적인 경우와 본 발명의 다양한 실시 형태에 기초한 경우들을 비교하는 하기 예들을 통해 추가로 설명되며, 이는 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
비교예
도 5a는 도 2a에 도시된 관련 기술의 플랜지형 튜브 출구 조립체 설계에 대한 CFD 모델링 결과를 도시한다. 이 설계에서, 외부 단열재는 1 인치 두께이며 출구 포트의 중심선에서 3.5 인치 위에 있다. 내부 단열 캔은 원통 형상이다. 합성가스가 노를 빠져나가서 튜브 출구 조립체로 들어갈 때, 합성가스는 방사형 부분에서 가열되는 것으로부터 튜브 출구에서 주위로 열을 손실하는 것으로 진행한다. 도시된 튜브 출구 조립체 설계에서, 불충분한 외부 단열재 및 통상적인 내부 캔 설계는 열 손실로 이어지고, 내부 캔의 말단부 아래의 튜브 금속 온도는 도 5a에 도시된 바와 같이 고속의 금속 더스팅에 유리한 온도 범위, 900 내지 1400℉에 속할 수 있다. 이러한 설계에서, 나타난 최대 플랜지 온도는 약 237℉이다. 이는 높은 플랜지 온도를 피하는 데 유리하다. 반면에, 튜브의 상부 부분의 온도는 합성가스 이슬점(이 경우에 311℉임)보다 낮다. 그 결과, 튜브 출구는 이슬점 응축 관련 파괴를 겪기 쉬울 것이다.
관련 기술의 대안적인 예에서 그리고 도 2b에 도시된 바와 같이, 외부 단열재의 두께 및 높이가 증가되었지만 내부 단열 캔(208b)은 여전히 원통 형상이다. 도 5b에 나타난 CFD 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 이는 열 손실을 감소시키며 최대 플랜지 온도는 330℉이다. 이는 금속 더스팅에 유리한 온도를 갖는 튜브 출구의 영역들을 더 위로 이동시키지만, 단열 캔의 말단부 아래의 튜브 금속 영역은 여전히 금속 더스팅에 유리한 온도 범위에 속한다. 환형 간극 크기를 증가시킴으로써, 그러한 영역에서의 고온 합성가스의 대류 유동을 증가시킬 것이고 원하는 플랜지 온도보다 더 높은 온도를 초래할 가능성이 있을 것이다.
실시예 1
본 발명의 주제가 되는 설계는 테이퍼 형성된 내부 단열 캔을 포함하는데, 이 캔은 환형 간극이 블라인드 플랜지 단부에서보다 말단부에서 더 크다(도 6). 이 실시예에서, 말단부 및 블라인드 플랜지 단부에서의 간극은 각각 0.25 인치 및 0.1 인치이다. 이 설계에 의하면, 더 큰 부피의 고온 합성가스가 초기에 간극으로 들어간다. 이는 금속 더스팅에 유리한 온도를 갖는 튜브의 영역들을, 합성가스의 매우 적은 유동 때문에 금속 더스팅 부식 속도가 크게 감소되는 단열 캔의 말단부 위로 이동시키는 데 도움을 준다. 그러나, 블라인드 플랜지를 향해 간극이 좁아지기 때문에, 감소된 양의 고온 가스가 플랜지와 접촉하게 되고, 그에 의해 플랜지는 더 차갑게 유지되어 과열을 피하지만, 합성가스 이슬점 온도 초과로 유지되어 이슬점 응축 유도 파괴를 피한다. 종래 기술 및 도 6에 대한 원주방향으로 평균된 내벽 튜브 온도의 플롯(plot)이 도 8에 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 캔의 말단부 아래의 모든 영역은 고속의 금속 더스팅에 대한 온도 상한(약 1400℉)을 초과하는 반면, 둘 모두의 관련 기술의 경우에 대한 튜브 온도는 이들 영역에서 금속 더스팅에 대해 민감성을 나타낸다. 이러한 민감성은 도 5a의 구성에 대해 더 두드러진다. 최대 플랜지 온도가 또한 더 높아서(즉, 도 6의 설계의 경우 341℉), 이슬점 응축 유도 파괴에 대한 민감성을 감소시킨다.
실시예 2
도 7에 도시된 결과는 본 발명의 다른 실시 형태를 도시한다. 이 경우에, 외부 단열재는 도 5b 및 도 6에서와 동일하지만(2.75" 두께이며 용접 넥 아래로 2"까지 연장됨), 내부 캔은 테이퍼 형성되고 그의 말단부는 경사진다. 경사진 단부가 더 길기 때문에, 튜브 출구의 출구 측 반대편의 튜브 금속의 영역들은 항상 금속 더스팅에 유리한 온도 초과로 유지된다. 단열 캔의 경사지거나 만곡된 단부는 또한 고온 가스를 튜브의 반대편으로 향하게 하는 역할을 하여, 그쪽 편이 또한 금속 더스팅에 유리한 온도 초과로 유지되도록 보장한다. 이러한 방식으로, 금속 더스팅에 유리한 온도를 갖는 튜브 출구의 부분들이 내부 단열 캔의 하부 위의 낮은 합성가스 유동 영역으로 이동되며, 여기서 금속 더스팅 부식의 속도가 크게 감소된다. 다시 도 8을 참조하면, 도 7에 대한 원주방향으로 평균된 내벽 튜브 온도가 또한 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 내부 캔 설계는 캔의 하부 아래의 모든 영역이 고속의 금속 더스팅 부식에 대한 상한 임계치(약 1400℉)를 훨씬 초과하게 한다. 더욱이, 도 7의 설계에 대한 최대 플랜지 온도는 391℉여서, 튜브 출구의 전체 길이가 합성가스 이슬점 온도 초과로 유지되게 하여 열 사이클링 피로를 중단시키지만, 플랜지 온도를 최소화하여 플랜지에서의 고온 수소 공격의 발생을 없애는 데 도움을 준다.
다양한 실시 형태가 도시되고 기재되었지만, 본 발명은 그렇게 제한되지 않으며, 당업자에게 명백한 바와 같은 모든 그러한 수정 및 변형을 포함하는 것으로 이해될 것이다.

Claims (10)

  1. 스팀 메탄 개질기 조립체의 플랜지형 튜브 출구 조립체로서,
    공정 가스의 제거를 위한 상기 튜브 출구 조립체 내로 상기 공정 가스가 도입될 수 있게 하는 입구를 갖는 적어도 하나 이상의 개질기 튜브를 포함하며, 여기서 출구 포트를 빠져나가는 상기 공정 가스는 합성가스(syngas)이고,
    상기 튜브 출구 조립체는 개질기의 경계 밖에 배치되며 내부 단열 캔을 내부에 수용하는 내부 공간을 갖는 개질기 튜브를 포함하고, 상기 단열 캔은 개질기 튜브의 내부 공간에 끼워맞춰지고, 상기 개질기 튜브의 외부는 튜브-플랜지 용접 넥(weld neck)에 근접하게 연장되는 단열재로 덮이고;
    출구 포트는 상기 합성가스를 하류 공정 유닛으로 전달하기 위해 상기 단열 캔의 말단부의 상류에 배치되고,
    상기 단열 캔은 블라인드 플랜지에 연결되고 출구 포트를 향해 개질기 튜브 내로 연장되고, 캔과 상기 개질기 튜브의 내부 사이의 간극은 블라인드 플랜지 단부에서보다 말단부에서 더 큰, 플랜지형 튜브 출구 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 내부 단열 캔은 완전히 테이퍼 형성된(tapered) 캔, 부분적으로 테이퍼 형성된 캔, 완전히 단차 형성된(stepped) 캔 또는 부분적으로 단차 형성된 캔으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 플랜지형 튜브 출구 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 내부 캔은 경사지거나 만곡된 말단부를 갖는, 플랜지형 튜브 출구 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 개질기 튜브의 내부에 배치된 단열 캔은, 단열 캔의 말단부의 상류의 튜브 출구의 영역을 금속 더스팅(metal dusting)에 유리한 온도 범위를 초과하여 유지하는 한편, 고속의 금속 더스팅에 유리한 온도를 갖는 영역을 환형 간극 내의 낮은 합성가스 유동의 영역으로 제한함으로써 감소된 속도의 금속 더스팅 부식을 갖도록 설계되는, 플랜지형 튜브 출구 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 단열 캔의 말단부에서의 더 큰 간극 크기는 튜브 출구를 합성가스 이슬점 온도 초과로 유지할 수 있고, 블라인드 플랜지를 향하여 감소되는 간극 크기는 플랜지를 고온 수소 공격에 대한 임계 온도 미만으로 유지하는, 플랜지형 튜브 출구 조립체.
  6. 제2항에 있어서, 테이퍼 형성되거나 단차 형성된 단열 캔의 말단부에서의 간극은 0.15 내지 1 인치의 범위이고, 블라인드 플랜지 단부에서의 간극은 0.1 내지 0.5 인치의 범위인, 플랜지형 튜브 출구 조립체.
  7. 스팀 메탄 개질기 조립체의 플랜지형 튜브 출구 조립체로서,
    공정 가스의 제거를 위한 튜브 출구 조립체 내로 공정 가스가 도입될 수 있게 하는 입구를 갖는 적어도 하나 이상의 개질기 튜브를 포함하며, 여기서 출구 포트를 빠져나가는 상기 공정 가스는 합성가스이고,
    상기 튜브 출구 조립체는 개질기의 경계 밖에 배치되며 내부 단열 캔을 내부에 수용하는 내부 공간을 갖는 개질기 튜브를 포함하고, 상기 단열 캔은 개질기 튜브의 내부 공간에 테이퍼 형성되거나 단차 형성되고, 상기 개질기 튜브의 외부는 튜브-플랜지 용접 넥에 근접하게 연장되는 단열재로 덮이고;
    출구 포트는 상기 합성가스를 하류 공정 유닛으로 전달하기 위해 상기 단열 캔의 말단부의 상류에 배치되고,
    상기 단열 캔은 블라인드 플랜지에 연결되고 출구 포트를 향해 개질기 튜브 내로 연장되고 블라인드 플랜지에 단단히 연결되고, 캔과 상기 개질기 튜브의 내부 사이의 간극은 상기 튜브 출구의 블라인드 플랜지 단부에서 0.1 내지 0.5 인치의 범위이고 말단부에서 0.1 내지 1 인치의 범위여서, 더 큰 부피의 고온 합성가스가 간극의 말단부에서 유지되게 하므로, 캔의 말단부 부근의 튜브 금속 온도는 금속 더스팅에 유리한 온도를 초과하지만, 플랜지를 향한 고온 가스의 유동을 조절하여 튜브 출구의 전체 길이를 합성가스 이슬점 온도 초과로 유지하여 응축/증발 열 사이클링 유도 피로 균열을 없애는 한편 플랜지 온도를 낮추어서 과열 유도 금속 파괴(over-temperature induced metal failure)의 발생을 최소화하는, 플랜지형 튜브 출구 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 내부 캔은 부분적으로 또는 완전히 테이퍼 형성되거나 단차 형성되고, 선택적으로 경사지거나 만곡된 말단부를 갖는, 플랜지형 튜브 출구 조립체.
  9. 제7항에 있어서, 내부 단열 캔은 완전히 테이퍼 형성된 캔, 부분적으로 테이퍼 형성된 캔, 완전히 단차 형성된 캔 또는 부분적으로 단차 형성된 캔으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 플랜지형 튜브 출구 조립체.
  10. 제7항에 있어서, 내부 캔은 경사지거나 만곡된 말단부를 갖는, 플랜지형 튜브 출구 조립체.
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