폭연 압력 감소를 위한 방법 및 장치 document_id A220623110722

가연성 물질의 처리는, 많은 산업 공정 및 시설에서 필요한 반면에, 프로세스 장비에서의 가연성 물질들이 연소, 폭음(detonate) 또는 폭발(explode)하는 잠재력 때문에 종종 위험성을 나타내고, 이에 의해 장비에 손상을 입히고 사람에게 상해를 입힌다. 가연성 물질들은 종종 (메트)아크릴레이트, (메트)아크릴레이트 에스테르, 니트릴, 및 다양한 다른 물질들을 생산하는 것과 같은, 다양한 제조 공정의 반응기들, 도관들(conduits), 저장 용기들, 분리 장치 등에서 액체, 기체 또는 모든 형태로 나타난다. 가연성 기체가 산소를 갖는, 부피만큼, 충분히 응축된 상태로 존재할 때, 스파크(spark), 화학 반응, 열선, 열면(hot surface) 또는 심지어 열점(hot spot; 즉, 유체의 몸체에서의 상승된 온도의 국부화된 영역)과 같은 점화원(ignition source)에 대한 노출은 가연성 기체에서의 국부화된 폭연을 개시할 수 있다. 가연성 기체는 일반적으로 가연성 기체의 폭발 상한도(upper explosive limit) 아래 및 폭발 하한도(lower explosive limit) 위에서 집중적으로 폭연한다. 물론, 가연성 기체는 단일 종의 기체로 포함될 수 있으나, 종종 하나 이상의 상이한 기체의 혼합물, 특히 가연성 혼합물을 정제한 조성물이다. 가연성 기체가 존재하는 경우, 의도하지 않는 점화가 100% 방지되지 않기 때문에 약간의 폭연의 위험이 존재한다. 폭연은, 결국에는, 폭음 또는 폭발과 같은 하나 이상의 이어지는 손상시키는 이벤트(event)로 진행될 수도 있거나 진행되지 않을 수 있다. 물론, 이러한 이벤트들은 장비를 작동시키고 감시하는 사람에게 심각한 부상 또는 심지어 사망뿐만 아니라, 장비에 심한 손상을 초래하는 잠재력을 갖는다. 따라서, 가연성 물질들의 점화, 연소, 폭연 및 폭음 또는 폭발의 제어, 봉쇄 및 억제는 많은 산업 제조 및 공정 작동의 안전하고 진행 중인 작동에 대하여 결정적으로 중요하다. 몇몇 장치 및 기술들이 점화의 회피를 제안하는 반면에, 연소 이벤트를 봉쇄, 억제 및 진화하기 위한 다른 시도들이 다른 점에서 이어지는 의도하지 않는 점화를 전개할 수 있다. 예를들어, 2002년 뉴욕주, 뉴욕에서 AIChE(center for Chemcal Process Satety)에 게재된 Grossel, Stanley의 Deflagration and Detonation Flame Arresters, 77쪽 내지 138쪽을 참조한다. 예를 들어, 미국 특허번호 제3,356,256호는 다른 점에서 점화를 유도할 수 있는 컨테이너 내에 열을 흡수하는 수단으로써 연료 저장 컨테이너 내에서 획득하는 열-소산 금속의 사용을 개시한다. 미국 특허번호 제4,613,054호는 같은 결과를 달성하도록 하는 높은 열전도성을 갖는 알루미늄 포일 볼들의 사용을 개시한다. 접근법들 모두는 지속된 연소가 달성되는 것을 방지하기 위하여 열-싱크(heat-sink)를 채택하는 것을 추구한다. 유사하게, Fauske(2001년 12월, Chemical Engineering Progress에 게재된 Fauske, Hans K.의 Expanded-Metal Networks: A Safety Net to Thwart Gas Explosions, 66쪽 내지 71쪽을 참조한다.)는 연소 영역 열-에너지를 제거함으로써 화염 전면(flame front) 전달을 방지하도록 저장 탱크 내에서 열 싱크들로서 팽창된 금속 포일들의 사용을 제안한다. Fauske는 화염 크웬칭(quenching)을 위한 조인 통로(tight passage)를 갖는 높은 표면적(400㎡/㎥보다 높음) 금속 포일들을 채택함으로써 폭연 방지장치의 설계를 모방한다. 상대적으로 정적인 저장 탱크들에서, 이러한 조인 통로들은 전혀 문제가 되지 않는다. 그러나, 반응기와 같은, 프로세스 용기들에서, 조인 통로들을 통하는 프로세스 유체의 유동은 용기를 가로질러 압력 강하를 높이고 이에 따라 원동력 에너지 소비를 증가시킨다. 게다가, 금속 포일 네트워크(network)가 연소를 효율적으로 크웬칭하도록 (하고, 이에 따라 연속적인 진행이 폭음 또는 폭발을 회피하도록) 하기 위하여, 충분히 커다란 온도 차분(ΔT)이 유지되어야만 해서, 연소 영역으로부터 열 에너지가 금속 호일로 신속하게 전환될 수 있도록 한다. 불행하게도, 가연성 기체들을 처리, 반응 또는 저장하기 위해 사용된 많은 프로세스 용기들은 상승된 온도 및/또는 압력에서 작동된다. 탄화수소 공정의 업계에서 잘 알려진 바와 같이, 증가된 열 및 압력 모두는 (연소를 지지하는 조성의 더 커다란 범위인)가연성 한도를 넓히고 자기-지지 연소를 유지하기 위해 요구된 증분 에너지를 감소시킨다. 따라서 산화 반응기와 같은, 많은 가연성 기체 프로세스 용기에서, 팽창된 금속 포일들과 같은, 열-소산 구성성분들은, 크웬칭 연소에서 상당히 비효율적이다. 이러한 높은 온도 및 압력 프로세스 용기들에서의 화염 전면 및 폭연 압력파의 진행은 단순하게 너무 빨라서 열 흡수가 연소를 충분히 크웬칭하는 비율에서 발생시킬 수 없다. 미국 특허번호 제5,495,893호는 기체의 폭연을 제어하는 장치 및 방법을 개시하고, 여기에서 장치는 유체 억제제 방울들(droplets)의 크기를 제어하기 위한 유체 원자화 장치에 의한, 가연성 물질로의 폭연 억제제의 전달을 유발시키는(trigger) 가연성 물질 디텍터(detector)를 포함한다. 본 특허의 개시는 열에 의해 전달하는 열을 재빨리 제거하도록 신속하게 기화시킬 수 있는 미세 분무 유체 유동(즉, 폭연 억제제)을 이용에 의함과 같은, 열 흡수에 의해 폭연이 효율적으로 억제될 수 있다는 것을 설명한다. 이런 해결책은 폭연에서, 가연성 기체의 연소는 가연성 기체의 인접한 분자들에 자유기(free radical) 및/또는 열을 전달하는 것에 의해 자유 바깥쪽으로 전달하는 화학반응을 개시한다는 이해를 기초로 한다. 열의 전달 및/또는 반경이 없는 것은 인접한 분자를 점화시키고, 이런 방법으로, 폭연은 가연성 기체를 통하여 바깥쪽으로 전달되거나 팽창된다. 미국 특허번호 제6,540,029호는 폭발의 폭연 단계를 억제하는 목표를 갖고 봉쇄 구조물에서 시작되는 폭연 현상이 연관된 도관으로 전달하는 것을 방지하며 이어서 도관에서 폭음 현상으로 이행하는 폭연 억제 및 폭발 차단 시스템을 개시한다. 본 특허에서 설명된 시스템은 압력의 신속한 상승을 감지하고, 초기 폭발을 나타내는 압력 디텍터, 및 연소 발생된 압력 및 화염을 재배향하는 억제 작용제의 방출(release)과 제휴하여 폐쇄되는 게이트 밸브 어셈블리(gate valve assembly) 뿐만 아니라 화염 억제 작용제를 가연성 기체로 배향하는 억제 장치를 포함한다. 다시, 미국 특허번호 제6,540,029호에서의 장치는 추가적인 물질인, 억제 작용제를 다른 점에서 폭연의 전달 및 폭음에 대한 그의 전이를 용이하게 하는 열의 흡수를 위한 가연성 기체로 도입하도록 작동한다. 본 특허는 폭연 이벤트 동안, 압력파 및 화염 전면은 점화의 지점에서 발생되고 화염 전면보다 빨리 이동하는 압력파를 갖는, 그로부터 모든 방향으로 바깥쪽으로 전달하는 것을 인정한다. 더욱이, 가연성 기체를 함유하는 도관 또는 파이프에서 방애물(obstacle) 및 벤드(bend)는, 차례로, 폭연으로부터 폭음까지의 전이를 가속화시키는 터뷸런스(turbulence)(즉, 혼합)을 증가시킬 것이다. 당업계에서 잘 이해된 바와 같이, 폭연 제어 측정이 수행될 때 가연성 기체의 혼합 및 터뷸런스의 증가는 회피되는 것이다. Fuel(2007)에 게재된, Razus D. 등의 Closed vessel combustion of propylene-air mixtures in the presence of exhaust gas, doi:10.1016/j.fuel.2006.12.2009에서, 폐쇄된 용기에서 폭발 진행의 특징적인 파라미터들은 폭연 후의 도달된 피크 압력, 피크 압력에 도달하도록 요구된 시간 및 점화 후의 가연성 기체로의 희석 물질의 도입에 의해 달성된 피크 압력의 감소를 포함한다는 것이 인지된다. 이런 연구 자료는 일반적으로 이산화탄소 및 수증기를 포함하는, 연소 기체가 가연성 연료-공기 혼합물에 중요한 불활성(inerting) 효과를 나타내고, 연료-공기 폭발의 완화를 위한 값싼 희석제로 여겨질 수도 있다는 결론 짓는다. 이런 기술은 가연성 기체의 점화 후에 폭발을 제어하거나 최소화하는 것을 제시하는 한편, 불활성 물질을 추가함으로써 그렇게 행하고, 이는 폭연 동안에 화염 전면의 진행을 늦추고 열을 흡수하는 점화 후에 가연성 기체로 화염 억제제를 도입하는 방법과 유사하다. 미국 특허번호 제6,932,950호에서 설명된 기술은 점화 및 폭연을 포함하나 이에 한정되지 않는 부수적인 반응을 최소화하거나 제거하는 시도가 존재하고, 이는 공급 기체 혼합물이 반응기의 입구 튜브-시트에 근접한 열점에 접촉하여 오는 가연성 기체인 튜브형 반응기의 입구측에서 발생하는 더 큰 위험을 갖는다. 본 특허는 입구 기체 측 상의 입구 튜브 시트에 인접한, 입구 챔버 내의, 와이어 메쉬 또는 세라믹 물질의 층을 배치하나 유입 공급 기체와 열 튜브-시트 사이의 배리어를 생성하도록, 챔버의 부피의 약 20%보다 많이 충진하지 않는 예전에 알려진 실제를 논의한다. 설명된 다른 방법은 (예를 들어, 열 캐리어로부터 튜브-시트를 절연하는 열 캐리어 측 상에, 튜브-시트에 인접한 층을 형성하는 흘린 수지 물질(poured resin material)를 사용하여 솔리드 배리어(solid barrier)를 형성하는 것뿐만 아니라, 열 튜브-시트(챔버는 순환 공기로 충진된다.)에 근접한 냉각 챔버를 생성하는 것을 포함한다. 미국 특허번호 제6,932,950호에서 설명된 해결책은 튜브-시트 상에 및 튜브-시트에 근접한 반응기의 입구 챔버 내에서 분리된 차단 챔버의 내용이다. 차단 챔버는 튜브-시트의 단면에 적합하게 되도록 크기로 되고 형상화되고, 비워지거나 공기, 모래, 기름 또는 열 캐리어와 반응가능하지 않는 어떤 다른 적절한 고체, 유체 또는 기체 물질로 충진된다. 이들 기술들 모두는 점화의 방지 및 유입 기체 공급 흐름과 열 튜브-시트 사이의 물질의 배리어의 배치에 의한 다른 원치않는 부반응에 목표를 두고 있다. 이들 기술들 중 아무런 것도 크웬칭하고 폭연을 포함하고 폭음으로의 진행을 방지하는 점호 후에, 폭연의 압력파를 편향시키는 적절하게 형상 및 크기의 감쇠 물질을 갖는 반응기의 기체 입구 또는 출구 영역을 충진하는 것을 포함하지 않는다. 폭연 이벤트의 화염 전염을 물리적으로 전환하는 장치는 미국 특허번호 제7,000,630호에 설명되고, 여기에서 화염 전면 디버터(diverter)는 파열가능한 디스크가 개방되도록 하고 이에 따라 반대편의 양방향 파열가능한 디스크 상에 애스퍼레이션(aspiration) 효과를 생성하는 양방향 파열가능한 디스크를 향하여 고속 압력파를 배향하고, 이는 희석제로서 신선한 공기로 당길 뿐만 아니라, 화염 전면 및 압력파를 위한 누출 경로를 생성한다. 본 특허에서 설명된 화염 전면 디버터는 폭연이 하나의 용기에서 다른 용기로 진행하는 것을 방지하도록 설계된다. 프로세스 용기에서 가연성 기체의 폭발을 제어, 봉쇄 및 억제하기 위한 효율적이고, 단순하며 경제적인 방법에 대한 필요가 남아 있다. 출원인은 프로세스 용기로 열을 흡수하는 알려진 솔리드(solid) 물질을 제공하거나, 점화가 일어난 후에 화염 지연제 또는 억제제 물질을 도입함으로써 점화되어 온 가연성 기체로부터 열을 제거함으로써 화염 전면을 억제하고 크웬칭하도록 시도하기보다는, 폭연이 폭음으로 전이되는 것을 방지하는 폭연 동안에 생성된 압력파를 감쇠하고 이에 따라 감소시킴으로써 이런 필요를 제시하는 방법 및 장치를 개발하여 왔다.