JP2007517941A - 機能強化された放射熱交換器 - Google Patents

Abstract

外部熱源から熱を受け取る管路（１１）からなる機能強化された熱交換器（１０）。加熱される流体（Ｆ）は、管路（１１）内側に導入された胴体（１２，１２’）と管路自身との間に形成される自由空間を通して流れる。管路（１１）および胴体（１２，１２’）の両方が流体（Ｆ）を加熱する。胴体は、伝熱の三つのすべてのモード、すなわち、伝導、対流および放射により、管路（１１）が受け取ったエネルギーを流体に伝達する。
【選択図】 図２ａ

Description

本発明は、機能強化された熱交換器に関する。本発明は、また、いくつかのこのような機能強化熱交換器により形成されている熱交換装置に関する。本発明は、さらに、熱の伝達を改善するための方法に関する。

本発明の特定される用途は、スチーム・クラッキング燃焼装置の放射コイル内に導入される数種の機能強化放射熱交換器に関する。

熱伝達には、伝導、対流および放射の三つのモードがある。

従来の熱交換器においては、熱は、本質的には二つの機構、すなわち対流および伝導により管路壁部を通して高温の流体から低温の流体に伝達される。

熱伝達率は、熱表面、熱伝達係数および管路壁部と加熱される（冷却される）流体との間の温度差の関数である。

熱の伝達を改善するための現在の技術的解決方法は、熱伝達面を広くするためにフィン（ひれ）付き管路を使用する方法であり、または壁部でできた乱流流体の流れを利用する方法である。

例えば、４００℃を超える高温で動作する熱交換器の場合には、特に、炭化水素のスチーム・クラッキング用処理燃焼装置の放射コイルにおいては（この場合、管路壁部温度は１１５０℃以上の温度に達する場合がある）、追加の工程が必要になる。

エチレン・プラントにおいては、基本的には、できるだけ高い変換効率および選択性でスチーム・クラッキング燃焼装置が稼働する。

高い選択性とは、価値の少ない製品（メタン、燃料油等）を犠牲にしてエチレン、プロピレン、ブタジエンのような価値のより高い製品の百分率を増大させることを意味する。

滞在時間が短く、プロセス・ガスの温度が原料の変換を効率的にするのに十分なくらい高ければ、選択性は高くなる。

熱流束を増大し（それにより、金属の温度がその冶金的限界に近い温度になると）、上記目標を達成することができる。

金属の温度が高ければ高いほど、コークスの堆積、クリープおよび浸炭の速度が速くなるような、望ましくない事態が起こる。

また、これら特定の場合には、技術は、種々の形状（横方向、縦方向または特定の角度を有する形状）の内部フィンを有する管路を使用して、熱伝達係数を改善する方向を目指している。

広い表面を使用する場合の欠点は、製造コストが高いこと、現在のエチレン分解燃焼装置の放射コイル内側にはフィンを設置することが難しいことである。

ある場合には、分解管路内の内部突起は、原料ガスの滞留によりコークス発生の原因になる場合があり、それによる過度の分解が起こる。

上記技術は、対流機構による熱の伝達の改善に焦点を当てている。

本出願人は、熱の伝達は、第３の機構、すなわち放射熱の伝達によりかなり強化することができることを発見した。

より詳細に説明すると、工程が、例えば、４００℃を超える高温を必要とする場合には、放射による熱伝達が重要な役割を演ずる。何故なら、放射熱の伝達は、胴体の絶対温度の四乗に比例するからである。これは、ステファン−ボルツマンの法則と呼ばれる。

すなわち、異なる温度の二つの表面間のエネルギーの交換は、二つの胴体の絶対温度の４乗の差に比例する。

スチーム・クラッキング燃焼装置においては、金属の温度は、９００℃〜１１７５℃の範囲内であり、一方、プロセス・ガスの温度はそれより低く６００℃〜９００℃の範囲内である。

これらの動作条件において、放射熱の伝達はかなりの値になるが、実際には、現在の燃焼装置の放射コイルにおいては、下記の理由のために放射熱の伝達は起こらない。

１．幾何学的理由のために、管路はそれ自身上に放射し、そのため放射エネルギーの正味の交換は無視できる程度である。

２．分解中のガスが吸収する放射熱は、無視できる程度である。何故なら、ガスの密度が非常に低いからである。

本発明の１つの目的は、対流熱伝達係数、熱交換面積、とりわけ放射機構による熱伝達率を増大することができる熱交換器を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、すべてのタイプの燃焼装置内で、しかし特に、エチレン分解燃焼装置で使用する機能強化された熱交換器を提供することである。本発明のさらにもう１つの目的は、熱伝達率を改善するための方法を提供することである。

本発明による機能強化放射熱交換装置（ＥＲＨＥ）器具を使用した場合の利点は、外部管路上の管路壁部温度を低く維持しながら、エチレン分解燃焼装置の熱交換効率を劇的に増大することができることである。

コークスが堆積する速度が遅くなるために燃焼装置の寿命が延びる他に、より高い選択性（すなわち、裸の管路と比較した場合、エチレンおよびプロピレンの生産量の増大）が期待できる。

保守コストも低減する。何故なら、コークス除去の間隔が長くなるからである。

ＴＭＴ（熱処理）およびコークスの堆積に関連するクリープおよび浸炭の速度も、最小限度まで遅くなり、生産の経済的利点が得られる。

本発明による上記および他の範囲および利点は、請求項１に記載の本発明のＥＲＨＥを使用することにより達成することができる。

本発明の他の特徴および詳細は、他の従属請求項の目的である。

管路と、管路自身内、特にスチーム・クラッキング燃焼装置の放射コイル内を流れる流体との間の熱伝達を改善するための方法は、請求項１１の主題である。本発明によるＥＲＨＥは、外部熱源により加熱される管路を含む。

この管路は内側に少なくとも１つの胴体を備え、その胴体が周囲の管路からの放射によるエネルギーを受け取り、そのエネルギーを、環状空間内を流れるプロセス・ガスに伝達する。

下記の詳細な説明を読めば、本発明をよりよく理解することができるだろうし、上記以外の目的も理解することができるだろう。上記説明は添付の図面を参照しながら行う。

図１のスチーム・クラッキング燃焼装置は、本発明によるＥＲＨＥを使用した場合の利点を説明するために選択したものである。

しかし、例えば４００℃を超える高温で動作する種々の工程で使用される各熱交換装置で、本発明により放射エネルギーが熱伝達を機能強化するために効率的に使用される場合に、一つのＥＲＨＥが備えられることは明らかに違いない。

燃焼装置１は、燃焼室２、床バーナ３、および燃料ガス分配用のバーナ配管４を備える。

燃焼室２内には放射コイル５が設置されていて、流体Ｆが特定の処理要件（加熱、分解、または一般的には熱伝達）により流れる。

放射コイル５は、熱伝達バンク（熱交換器）６に接続されている。

熱交換器６においては、流体Ｆが高温燃焼排ガス８により予熱される。高温燃焼排ガス８は排気筒Ｂの方向へ熱伝達ゾーンを経て燃焼室から排出される。

放射コイル５は、直列に配置されているいくつかの機能強化熱交換器１０からなり、内部を流れるプロセス・ガスが必要とする熱量を吸収するために適切な表面を有するように設計されている。

図２ａおよび図２ｂは、本発明によるＥＲＨＥ部分を示す。

本発明による熱交換器１０は、円筒状のボア管路１１を含んでいる。しかし、異なる形状の管路および異なる構成の交換器も技術的には使用可能である。

少なくとも１つの胴体１２が、管路１１の内側に設置され、その胴体１２を包囲する管路１１により放射される放射エネルギーを受け取る。

放射コイルは、（バーナ、燃焼排ガスおよび耐火壁からの）エネルギーを吸収し、流体Ｆを加熱する。

本発明の第１の用途の場合（図２ａおよび図２ｂ）、胴体１２は一つの円筒である。その円筒は、二つの端部それぞれに、流体の流れ方向を向く上流のロケット先端形状１５と、別の反対の下流端部上のロケット先端形状１５’とを有する。

二つのロケット先端形状による航空力学的外形が、管路１１の入口点および出口点のところで、環状空間内部を流れる流体の圧力降下を小さくする。放射コイルの容積が小さくなると、接触時間が短くなり、それにより選択性（全流出液に対する価値の高い製品の量）が高くなる。

環状空間内部の流体Ｆの速度を必要な適切な速度に維持しつつかつＥＨＲＥの圧力降下が少なくなるように、胴体１６の直径および長さが計算される。

それ故、燃焼室内で発生したエネルギーは、下記の理由により、より効率的に流体Ｆに伝達される。

ａ）熱伝達のために使用することができる表面が増大する：管路１１および胴体１６の両方が能動的になり効果的になる。

ｂ）熱伝達係数が改善される。

胴体１６は、熱流束を均一に分配するために環状空間の横断面積が一定になるように管路１１内側の中心線上に位置する。

胴体１６は、流体の流れの不規則な擾乱を避けるために、少なくとも一つスペーサ１３好ましくは一組のスペーサにより、中心線上へ設置される。一つスペーサ１３は１２０度の角度で配置されている三つの素子からなる。

胴体１２は、下流の終端縁部１５’の近傍に支持体１４を有することが好ましい。

管路１１の内部においては、全放射コイル５全体の熱交換を増大するために、さらに、いくつかの胴体１２を設置することができる。

本発明によるいくつかの胴体１２は、最終的に、すでに存在する燃焼装置のコイル内に設置することができる。

図３は、本発明のもう１つの実施形態の略図である。

管路１１内側にミサイル形状の胴体１２を挿入する代わりに、金属の球体（または金属の中空の円筒）または他の放射材料で管路１１を満たすことができる。これらは、管路１１の内径の半分より大きい直径を有する。

このような球体１２’は、いかなるスペーサまたはいかなる他の支持体をも必要としない。これら球体１２’は、すべての管路１０および折り返り湾曲部１０’の自由空間を占拠しようとする。流体Ｆは、これらの球体１２’が詰まった管路で放射された粒子を通して強制的に流される。

当然、これらの球体１２’における充填素子には、いかなる構成および形状のものをも使用することができ、また、その充填素子は熱伝達を増大することができる不活性および放射性の材料からできている。

圧力降下はあまり大きくなってはならない。

処理燃焼装置内、および、特にスチーム・クラッキング燃焼装置の放射コイル内の熱伝達を強化するための方法は、すでに説明したように直列に位置するいくつかのＥＲＨＥ１０を使用する。

本発明の好ましい実施形態を図示し、説明してきたが、本発明は、これら実施形態に制限されないで、添付の特許請求の範囲内で他の収容方法で実施および実行することができることをはっきりと理解されたい。

本発明による種々の機能強化された放射熱交換器を有する放射コイルを備えるスチーム・クラッキング燃焼装置構成の実施の一形態を模式的に示す略図である。 本発明によるＥＲＨＥの実施の一形態を流体の流れに沿って示す縦断面略図である。 本発明によるＥＲＨＥの実施の一形態を流体の流れに対し垂直面で示す横断面略図である。 本発明によるＥＲＨＥの図２ａとは異なる実施の一形態を示す縦断面略図である。

Claims (18)

1. 燃焼室（２）と、床バーナ（３）と、前記燃焼室（２）内に直列に配置されているいくつかの放射熱交換器（１０）を備える放射コイル（５）とを含むスチーム・クラッキング燃焼装置であって、
   前記放射熱交換器（１０）のそれぞれが、前記バーナ（３）により加熱される管路（１１）と、包囲する前記管路（１１）が放射した放射エネルギーを前記管路（１１）内側で受け取るように設置されている少なくとも１つの胴体（１２）とを備えることを特徴とするスチーム・クラッキング燃焼装置。
2. 請求項１に記載のスチーム・クラッキング燃焼装置において、前記胴体（１２）が円筒（１６）の形状を有してその二つの端部にロケット先端形状を備え、一方のロケット先端形状が流入流体に面している端部（１５）に配置され、その対向する下流端部に他方のロケット先端形状（１５’）が配置されることを特徴とするスチーム・クラッキング燃焼装置。
3. 請求項２に記載のスチーム・クラッキング燃焼装置において、前記管路（１１）と前記胴体（１２）とで、前記流体（Ｆ）がそこを通して流れる環状空間（１８）を形成することを特徴とするスチーム・クラッキング燃焼装置。
4. 請求項２に記載のスチーム・クラッキング燃焼装置において、前記胴体（１２）の上流端部および下流端部が、前記管路と前記胴体デバイスとの間の前記環状空間（１８）を通して流れる前記流入流体または前記流出流体（Ｆ）を擾乱させない形状を有することを特徴とするスチーム・クラッキング燃焼装置。
5. 請求項２に記載のスチーム・クラッキング燃焼装置において、前記胴体デバイス（１２）が、前記管路（１１）内側の中心線上に位置し、前記流体（Ｆ）へ熱を均一に伝達することができるように一定の幅を有する環状空間（１８）を形成することを特徴とするスチーム・クラッキング燃焼装置。
6. 請求項５に記載のスチーム・クラッキング燃焼装置において、前記胴体デバイス（１２）は少なくとも１つのスペーサ（１３）、好ましくは複数のスペーサにより中心線上へ設置され、スペーサそれぞれが前記流体の流れの不規則な擾乱を避けるために１２０度の角度で配置される三つの素子からなることを特徴とするスチーム・クラッキング燃焼装置。
7. 請求項５に記載のスチーム・クラッキング燃焼装置において、前記胴体デバイス（１２）が支持体（１４）により支持され、その支持体（１４）が、好ましくは、前記下流端部（１５’）の近傍に位置することを特徴とするスチーム・クラッキング燃焼装置。
8. 請求項１に記載のスチーム・クラッキング燃焼装置において、前記胴体デバイス（１２）が、不活性材料で充填されてランダムに散在する充填素子（１２’）を含むことを特徴とするスチーム・クラッキング燃焼装置。
9. 請求項１に記載のスチーム・クラッキング燃焼装置において、前記充填素子（１２’）が、前記管路の内径の５０％を超える直径、好ましくは前記管路（１１）の内径の７０％〜９０％の直径を有する球体であることを特徴とするスチーム・クラッキング燃焼装置。
10. 接触時間を短くし、管路の金属温度を低くして熱伝達率を増大することにより、エチレン・プラントのスチーム・クラッキング燃焼装置内の選択性を増大し、コークスの堆積、クリープおよび浸炭を低減するための方法であって、前記燃焼装置の放射コイルが９００℃〜１１７５℃の温度に加熱され、プロセス・ガスの温度が６００℃〜９００℃の範囲に加熱され、放射コイル（５）が備えるいくつかの放射熱交換器（１０）が有する管路（１１）を前記放射コイル温度に加熱し、前記管路の内側に備えられる少なくとも１つの胴体（１２）で、加熱された前記管路（１１）から放射エネルギーを受け取り、それを熱伝達により前記管路内を流れる前記プロセス・ガスに伝達させることを特徴とする方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、前記胴体（１２）が二つの端部を有する円筒（１６）の形状を成し、前記二つの端部で、流入流体の方を向いている端部（１５）に一方のロケット先端形状を配置し、前記端部に対向する下流端部に他方のロケット先端形状（１５’）を配置することを特徴とする方法。
12. 請求項１０又は請求項１１に記載の方法において、前記管路（１１）と前記胴体（１２）とで環状空間（１８）を形成し、そこを通して前記流体（Ｆ）を流すことを特徴とする方法。
13. 請求項１０から請求項１２までの一つに記載の方法において、前記胴体（１２）の上流端部および下流端部が、前記管路と前記胴体デバイスの間の前記環状体（１８）を通して流れる前記流入流体または前記流出流体（Ｆ）を擾乱させない形状と成すことを特徴とする方法。
14. 請求項１０から請求項１３までの一つに記載の方法において、前記胴体デバイス（１２）を、前記流体（Ｆ）へ熱を均一に伝達することができるように、前記管路（１１）の内部の中心線上に位置させ、一定の幅を有する環状空間（１８）を形成することを特徴とする方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、それぞれが前記流体の流れの不規則な擾乱を避けるために１２０度の角度で配置されている三つの素子からなる少なくとも一つのスペーサ（１３）、好ましくは複数のスペーサにより、前記胴体デバイス（１２）を前記中心線上へ設置することを特徴とする方法。
16. 請求項１４に記載の方法において、前記胴体デバイス（１２）を支持体（１４）により支持し、好ましくは支持体（１４）を前記下流端部（１５’）の近傍に位置させることを特徴とする方法。
17. 請求項１０に記載の方法において、前記胴体デバイス（１２）にランダムに散在する充填素子（１２’）を含み、充填素子（１２’）に不活性材料が充填されることを特徴とする方法。
18. 請求項１７に記載の方法において、前記充填素子（１２’）が球体であり、その球体を前記管路の内径の５０％を超える直径、好ましくは前記管路（１１）の内径の７０％〜９０％の直径とすることを特徴とする方法。

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