JP2016006188A - ディレードコーキング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コーカーヒータの導管内で不要な炭素の沈殿物を発生させずに、かつ原料を望ましい分解温度に加熱するディレードコーキングヒータの提供。
【解決手段】輻射熱による加熱区域１４を加熱するために炉底４２に隣接して配置された複数の炉底バーナー４６を含む炉底バーナー部を有する下部を有する輻射熱の加熱区域１４を備えるヒータと、前記輻射熱による加熱区域１４に配置される垂直方向に並行して曲がりくねった複数の熱コイル２６と、を有し、前記並行して曲がりくねった複数の熱コイル２６は、水平の筒管の連続的な流路が前後に往復するように配置され並行して水平に伸びる複数の流路導管を含み、前記連続的な流路は、前記ヒータの輻射熱の加熱区域１４の上部に配置されている少なくとも２つの入口から、前記ヒータの輻射熱の加熱区域１４の下部に配置された少なくとも２つの出口に向かって伸びるディレードコーキングヒータ１０。
【選択図】図２

Description

本発明に開示される実施形態は、分解されて炭素を生成する化合物を含む液体から、コークスを製造する方法に関する。本発明に開示される他の実施形態は、ディレードコーキング（delayed coking）として知られる方法に関する。本発明に開示される他の実施形態は、コーキングされた原料を加熱する際に利用する、並行して曲がりくねる複数の熱コイルを有するディレードコーキングヒータに関する。

コーキングは、激しい熱分解プロセスであると考えられ、最終的な製品としては、例えばコークスといった炭素を含む製品が生成される。ディレードコーキング方法は、当初は減圧残油や熱タール等の原料が激しい分解により発生する残油燃焼油の精油を減少し、コークス及び分子量が小さい炭化水素を生成するために開発された方法である。ディレードコーキング方法の例は、米国特許第４,０４９,５３８号及び米国特許第４,５４７,２８４号において開示されている。

一般的なディレードコーキング方法には、管ヒータの導管又は筒管の温度を原料の分解温度よりも高い温度に熱すると同時に、原料を導管に高速度で供給する方法が含まれる。最適な作動には、管ヒータ内の加熱された熱導管で炭素の実質的な発生を最低限に抑えるように供給レートを調整する方法が含まれる。管ヒータは、コーカーヒータ（coker heaters）またはコーカープレヒータ（coker preheaters）と殆ど同じ意味で用いられる。

米国特許第４,０４９,５３８号における符号１１は、コーカープレヒータである。
米国特許第４,５４７,２８４号における符号２５は、コーカーヒータである。
コーキング温度に加熱された原料は、加熱区域からコークスドラムに送られ、ここで殆どのコーキングが行われる。断熱されたコークスドラムやサージドラムの中では、十分な滞留時間によってコーキングが行われる。
一般的に、加熱されたコーキング原料はドラム内でコーキングを維持する十分な温度、例えば華氏７５０度から９７５度（摂氏約３９８度から５２４度）の間で維持される。プロセスが進むにあたり、コークスドラムの中で蓄積されたコークスは、周知技術によって後ほど除去される。

これまでにも、コーカーヒータの導管内で不要な炭素の沈殿物を発生させずに、かつディレードコーキング原料を望ましい分解温度に加熱する条件を達成する努力が行われてきたが、コーカーヒータの導管内における炭素の沈殿は引き続き課題となっている。

コーカーヒータ内での炭素の沈殿の回避の要望に加えて、コーキングユニットの容量の増加も求められている。ディレードコーキングユニットの当初のデザインは、小さな箱型のヒータであり、複数の管が屋根部から吊るされており、複数の管がそれぞれの壁に沿って配置され、管は輻射熱による加熱区域の部分のみが加熱されていた。

現在のディレードコーキング装置の炉は、米国特許第５,０７８,８５７号に記載されている、二重で加熱するデザインである。米国特許第５,０７８,８５７号のコーキングヒータのデザインにおいては、箱の中央部にコイルを、壁の反対側にバーナーを配置しているため、管が両側から加熱出来るようになっており、結果として熱の流れを向上している。また、このデザインによってコイルの長さが短縮され、圧と滞留時間との低下に繋がるため、結果として各コイルの容量の増加に繋がっている。

図１を参照すると、従来技術における、二重加熱のディレードコーキングヒータのコイルのデザインが図示されている。コイルは、ヒータの入口から出口に向かって前後に蛇行しながら延長し、ヒータの入口及び出口は輻射熱による加熱区域の上部と下部とにそれぞれ位置しており、また一般的に二重加熱の壁の間で、垂直平面で固定されている。

この様なコーカーヒータの容量を更に増加する方法は、雑誌「炭化水素のプロセッシング」（Hydrocarbon Processing）の２００９年２月号、ページ４５−５４に掲載されている、本願の発明者であるＫ．Ａ．カタラ等の著作による「ディレードコーキング熱伝導装置の進化（Advances in Delayed Coking Heat Transfer Equipment）」にて、コイルの直径及び／または長さを増やす方法が提案されている。しかし、新しいデザインにおいては、容量が大きすぎる為、この様な解決法（コイルの直径または長さの増加）では、圧力の低下の増加、フィルムの温度の上昇、管の金属の温度の上昇、滞留温度の上昇のうちの少なくとも１つに繋がり、結果として平均的な流れの長さが短縮される。代替手段として、複数のヒーティングセルを使用することもできるが、結果として投資やランニングコストの増加に繋がる。

特開昭５１−０４４１０３号公報 米国特許第４,５４７,２８４号 米国特許第５,０７８,８５７号

カタラ ケネス エー．（CATALA, Kenneth A.）著「ディレードコーキング熱伝導装置の進化（Advances in Delayed Coking Heat Transfer Equipment）」、（米国）、ハイドロカーボン プロセシング（Hydrocarbon Processing） ２００９年２月、ｐ．４５−５４

並行して曲がりくねる（蛇行する）複数の熱コイルを使うことによって、ディレードコーキングヒータの容量の増加、及び／または作動の改善につながることが分かった。本発明で使用されている通り、並行して曲がりくねる複数の熱コイルは、熱コイルが水平の筒管が曲がりくねる（蛇行する：serpentine）ように配置された複数の流路導管を含む熱コイルを意味し、通常、ディレードコーキングヒータの輻射熱の加熱区域に垂直方向で固定される。

ヒータへの原料の流動は、ヒータの上流で分離し、並行して曲がりくねる複数の熱コイルの入口に注入される。２本以上の並行な流路導管は、流動がシンメトリ（全体の通路において比較的に均一）で熱されるように配置されている。並行して曲がりくねる複数の熱コイルのうち、２本以上の流路導管を流れる加熱された原料は、ヒータの外部で混合され、下流に向けて処理される。全体の流動は比較的に短い通路で加熱されるため、結果として滞留時間が短縮され、圧力の低下の減少に繋がり、容量及び／または流動の長さの増加に繋がる。

本実施例に関する一つの要旨は、原料をディレードコーキングの温度に加熱する、ディレードコーキングヒータに関する。コーキングヒータは、炉底バーナー部が配置される下部と、壁バーナーが配置される上部と、を有する輻射熱による加熱区域を有するヒータを有する。その炉底バーナー部は輻射熱による加熱区域で燃料させるため炉底に隣接して配置される複数の炉底バーナーを含み、さらに、壁バーナー部は、反対側の壁に隣接して配置される複数の壁バーナーを含む。コーキングヒータは、輻射熱による加熱区域に配置される並行して曲がりくねる複数の熱コイルを有する。

本実施例に関する一つの観点は、原料をディレードコーキングの温度に加熱する、ディレードコーキングヒータに関する。
ディレードコーキングヒータは：
上部と下部との輻射熱の加熱区域を有する加熱容器と、
原料が移動する加熱容器の間で配置され且つ加熱容器の反対側の壁から離れて配置され、垂直方向に並行して曲がりくねった複数の熱コイルと、
並行して曲がりくねった複数の熱コイルの反対側の面に炎の広がりを上方向に向かって提供することが可能となるように、並行して曲がりくねった複数の熱コイルの各側の加熱容器の下部輻射部に配置された複数のバーナーと、を有する。
炎の広がりが並行して曲がりくねった複数の熱コイルの面に対して概して並行な面になるように配置する。

いくつかの実施例において、ヒータは次のうち、
並行して曲がりくねった複数の熱コイルの複数の入口に対応して、原料の流動を分離するスプリッタ；
並行して曲がりくねった複数の熱コイルの出口から流出された、加熱された原料を混合するフローミキサー；
混合された原料の下流に、混合された原料の温度を測定するために配置される温度計、；及び
混合された原料の温度に基づいて、前記ディレードコーキングヒータの作動パラメータを調整する制御システム、の少なくとも１つを含む。

本実施例に関するもう１つの観点は、ディレードコーキングヒータ内の原料をディレードコーキング温度に達するまで加熱するプロセスである。
このプロセスは、ディレードコーキングヒータの垂直面に対して水平に配置され、並行して曲がりくねった複数の熱コイルの流れを分離して入口に流すプロセスを含む。ディレードコーキングヒータには：
垂直方向に並行して曲がりくねった複数の熱コイルが、前記原料が移動する加熱容器の反対側の壁の間で且つ壁から離れて配置された、上部と下部とに位置する輻射熱による加熱区域を有する加熱容器と、
並行して曲がりくねった複数の熱コイルの反対側に一面の炎の広がりを上方向に向かって提供することが可能となるように、前記複数の垂直方向に並行して曲がりくねった複数の熱コイルの各側の加熱容器の下部に配置された複数のバーナーと、を有する。
炎の広がりが並行して曲がりくねった複数の熱コイルの面に対してほぼ水平な面となるように配置される。
またこのプロセスは、並行して曲がりくねった複数の熱コイルにて原料をディレードコーキングヒータの温度に達するまで加熱するプロセスと；
並行して曲がりくねった複数の熱コイルに対応する複数の出口にて加熱された原料を回収するプロセスと；
前記対応する複数の出口にて加熱された原料のフローを混合するプロセスと；を含む。

さらに、プロセスは、混合された加熱された原料の温度を測定するプロセス；混合された加熱された原料の温度に基づいて、ディレードコーキングヒータの作動パラメータを調整するプロセス；のうち、少なくとも１つを有する。

本発明のさらなる利点については、実施例及び請求項を考慮することによって、容易に明らかになる。

図１は、従来の二重加熱が行われるコーキングヒータである。 図２は、本実施例における、並行して曲がりくねった複数の熱コイルを有する、ディレードコーキングヒータである。 図３は、二重加熱が行われるディレードコーキングヒータで有効的に使用される、並行して曲がりくねった複数の熱コイルのデザインである。

図２において、本実施例に最適なディレードコーキングヒータが開示されている。図２は、ディレードコーキングヒータ１０の断面図である。ディレードコーキングヒータは、輻射熱による加熱区域（radiant heating zone）１４を有しており、いくつかの実施例ではさらに対流熱による加熱区域（convection heating zone）１６を有している。対流熱による加熱区域１６には、流路２２より供給された原料を予熱するための熱交換面１８、２０が配置される。対流熱による帯域のゾーンにて予熱された原料は、流路２４から、通常は輻射熱による加熱区域１４の内部に位置する、並行して曲がりくねった複数の熱コイル２６に供給される。加熱された原料は、輻射熱による加熱区域の下部に隣接した、並行して曲がりくねった複数の熱コイル２６にて回収が可能である（出口は図示しない）。輻射熱による加熱区域１４には、壁３４、３６と床もしくは炉底４２とが含まれる。床には、輻射熱による加熱区域１４に垂直に向けて配置された炉底バーナー４６が装置されている。それぞれの炉底バーナー４６は、炉底４２の上に壁３４または３６に向けて配置されており、それぞれタイル４８に囲まれている。炉底バーナーに加えて、炉の上部には壁バーナー５６を有する。壁バーナー５６は壁にそれぞれ取り付けられる。

さらに、米国特許第５，０７８，８５７号に開示されているコーキングヒータ、並びに雑誌「ハイドロカーボン プロセシング（Hydrocarbon Processing）」２００９年２月号に掲載された、本願の発明者であるＫ．Ａ．カタラの著作による「ディレードコーキング熱伝導装置の進化（Advances in Delayed Coking Heat Transfer Equipment）」（ページ４５−５４）にて開示されているコーキングヒータも利用可能である。

並行して曲がりくねった複数の熱コイル２６は、加熱容器内でほぼ垂直面に支えられた水平の筒管で前後に往復して連続的な通路にアレンジされた、２本以上の流路導管が含まれてもよい。連続的な流路は、加熱容器の輻射熱の加熱区域の上部に配置されている複数の入口から、熱導管の輻射熱の加熱区域の下部に配置された、対応する複数の出口に向かって伸びる。

図３を参照すると、本実施例に開示されている、二重加熱されるディレードコーキングヒータに有効的に使用される、並行して曲がりくねった複数の熱コイルが描かれている。図示されている通り、並行して曲がりくねった複数の熱コイル２６には、２本の熱導管２７、２８が描かれている。熱導管２７、２８は、一般的にはシンメトリに配置されており、前後に蛇行する流路であり、この配置により、それぞれの熱導管を経由してヒータ内部を通る原料の加熱状態を均一に保っている。

図３には２本の流路導管のみが描かれているが、並行して曲がりくねった複数の熱コイル２６には、３本、４本、５本、６本またはそれ以上の流路導管が同じような形態で配置されてもよい。

図２、図３を参照すると、作動中において、例えば重油、ビチューメン（bitumen）、及び他の“残留物”など、コーキンクドラムの中で順次コーキングされる原料が流路２２を通り、対流熱による加熱区域１６に取り入れられる。その後、原料は熱交換面１８、２０を通り、対流熱による加熱区域の下部を通り、流路２４に向かって流れる。原料の流動は、輻射熱による加熱区域１４に配置されている、並行して曲がりくねった複数の熱コイル２６の入り口で分離される。その後、原料は並行して曲がりくねった複数の熱コイルを通り、輻射熱による加熱区域１４の出口（図示しない）まで流れる。バーナー４６、５６は、輻射熱による加熱区域１４の内部において、並行して曲がりくねった複数の熱コイル２６の対向する側面に対して炎を当てる。輻射熱による加熱区域１４から発生した熱いガスは、輻射熱による加熱区域１４から上に向かい、出口を通り、対流熱による加熱区域１６に移動する。従って、原料が初めて対流熱による加熱区域１６に到達した時点において、原料が最初は輻射熱による加熱区域１４の熱いガスによって加熱されており、原料が輻射熱による加熱区域１４から輻射熱による加熱区域の下部に隣接する並行して曲がりくねった複数の熱コイル２６の出口に向かうに従って、さらに高い温度に露出される。特定の原料供給量と原料の出口の温度は、要求される状態によって調節が可能である。輻射熱による加熱区域１４の出口を通るコーキング原料の温度が華氏８００度から１０５０度（摂氏４２７℃から５６６℃）の範囲になるように、装置は一般的に華氏８５０度から９７５度（摂氏４５４℃から５２４℃）の範囲で作動する。

さらにプロセスを行うために、並行して曲がりくねった複数の熱コイルの出口からの流出物は、混合された後でコークスドラムに供給される。フローミキサーの下流に配置されている温度センサーは、加熱後に混合された原料の温度を測るために利用可能であり、制御システムは、加熱後の混合された原料の温度に基づいて、原料の流動量、燃料および／または酸素のバーナーへの流出量、もしくは当業者にとって自明であるパラメータのうち、ディレードコーキングヒータにおける少なくとも１つ以上の操作パラメータを調整することが可能である。

更に、本発明に係る並行して曲がりくねった複数の熱コイルを使用することにより、：ディレードコーキングヒータの容量の増加；輻射熱による加熱区域の内部における熱コイルの圧力の低下の減少；輻射熱による加熱区域の内部における熱コイル管の直径の縮小；輻射熱による加熱区域の内部における熱コイルの下部のフィルム温度の低下；輻射熱による加熱区域の内部における熱コイル管の壁の厚みの薄化、輻射熱による加熱区域の内部における熱コイルの金属管の温度の低下；長さの増加、及びその他可能である利点のうち、少なくとも１つの利点が達成される。

更に、並行して曲がりくねった複数の熱コイルによって、輻射熱による加熱区域における原料の滞留時間が、意外にも著しく短縮されることが分かった。例えば、本発明において、並行して曲がりくねった複数の熱コイルに原料が滞留する時間は、従来技術の熱コイルと比較すると、下記例に記載の通り、約５０％の時間に短縮される。

＜例１＞
従来の輻射熱による熱コイルが設置されたディレードコーキングヒータと、本実施形態における並行して曲がりくねった複数の熱コイルを有する同じヒータとの作動を比較した実施例が開示されている。原料の流動は、両方の実施において同じである。

図３に示される通り、並行して曲がりくねった複数の熱コイルには２本の流路導管が含まれており、流路導管の外径は約３．７５インチ（９．５３センチ）であり、平均的な流路導管の壁の厚さは０．３３インチ（０．９センチ）、流路導管の内径は約３．０９インチ（７．８４センチ）である。並行して曲がりくねった複数の熱コイルの２つの流路導管は、輻射熱による熱ゾーン内で２４回の水平パスに通過する。

図１に示すような従来の輻射熱によるヒーティングコイルは、外径が５．１５インチ（１３．１センチ）、平均的な流路導管の壁の厚さが０．３９インチ（１センチ）、内径が４．３７インチ（１１．９センチ）である。従来の輻射熱による熱コイルでは、輻射熱による熱ゾーン内で３６回の平行なパスを通過する。

並行して曲がりくねった複数の熱コイルを有するディレードコーキングヒータの性能は、表１の通りである。

従来の輻射熱によるヒーティングコイルを有するディレードコーキングヒータの性能は、表２の通りである。

表に示される通り、本発明である並行して曲がりくねった複数の熱コイルを使用した場合、加熱区域における原料の滞留時間は、約６３秒から約４０秒に短縮される。更に、管を小さくする事によってデザインのコンパクト化が達成され、コストがかかる原材料の縮小を全体的に達成する事が可能となる。

滞留時間が短縮されるにつれて、分解の状態が改善され、分解された流出物に含まれる不要な産品（byproducts）を減らし、結果として使用価値のある流出物の増加と不純物の分離の減少とに繋がる。

本発明の実施例の数は限定されているが、その技術的範囲または本質的な特徴から逸脱せずに他の特定の形態で実施されることができることが当業者により認識される。ここで開示された本発明の実施形態はそれ故、全て例示であり、限定ではないと考えられる。

Claims (13)

1. 原料がディレードコーキング温度に到達するまで加熱するディレードコーキングヒータにおいて、
   輻射熱による加熱区域を加熱するために炉底に隣接して配置された複数の炉底バーナーを含む炉底バーナー部を有する下部を有する輻射熱の加熱区域を備えるヒータと；
   前記輻射熱による加熱区域に配置される垂直方向に並行して曲がりくねった複数の熱コイルと；を有し、
   前記並行して曲がりくねった複数の熱コイルは、水平の筒管の連続的な流路が前後に往復するように配置され並行して水平に伸びる複数の流路導管を含み、
   前記連続的な流路は、前記ヒータの輻射熱の加熱区域の上部に配置されている少なくとも２つの入口から、前記ヒータの輻射熱の加熱区域の下部に配置された少なくとも２つの出口に向かって伸びるディレードコーキングヒータ。
2. 原料がディレードコーキング温度に到達するまで加熱するディレードコーキングヒータにおいて、
   輻射熱による少なくとも１つの加熱区域を有する加熱容器と、
   水平の筒管の連続的な流路が前後に往復するように配置され並行して水平に伸びる複数の流路導管を含み、前記連続的な流路は前記加熱容器の上部に配置されている少なくとも２つの入口から前記加熱容器の下部に配置された少なくとも２つの出口に向かって伸び、原料が移動する前記加熱容器の反対側の壁の間で且つ前記壁から離れて配置され、並行して曲がりくねった複数の熱コイルと、
   炎の広がりを上方向に向かって提供することが可能となるように、前記並行して曲がりくねった複数の熱コイルの反対側に、且つ前記並行して曲がりくねった複数の熱コイルの各側に、前記加熱容器の輻射熱の下部に配置された複数のバーナーと、を備え、
   前記炎の広がりが前記並行して曲がりくねった複数の熱コイルの面にほぼ平行になる面に横たわるように提供される、ディレードコーキングヒータ。
3. さらに、前記並行して曲がりくねった複数の熱コイルの前記少なくとも２つの入口にて、前記原料の流動を分離するためのスプリッタを有する、請求項１または請求項２に記載のディレードコーキングヒータ。
4. さらに、前記並行して曲がりくねった複数の熱コイルの前記少なくとも２つの出口から流出された、前記加熱された原料を混合するフローミキサーを有する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のディレードコーキングヒータ。
5. さらに、混合された原料の温度を測定するために、前記混合された原料の下流に温度計を配置する、請求項４に記載のディレードコーキングヒータ。
6. さらに、前記少なくとも２つの出口から流出した前記加熱された原料は混合され、前記混合された原料の温度に基づいて、前記ディレードコーキングヒータの作動パラメータを調整する制御システムを有する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のディレードコーキングヒータ。
7. ディレードコーキングヒータ内の原料を、ディレードコーキング温度に達するまで加熱する方法であり、前記方法は、
   前記ディレードコーキングヒータ内で垂直に配置され、並行して曲がりくねった複数の熱コイルを特徴づける流路導管の少なくとも２つの上部入口に原料の流れを分離するステップと、
   前記並行して曲がりくねった複数の熱コイル内で、前記原料をディレードコーキング温度に達するまで加熱するステップと；
   前記並行して曲がりくねった複数の熱コイルに対応する少なくとも２つの出口から加熱された原料を回収するステップと；
   前記加熱された原料の流動物を前記対応する少なくとも２つの出口にて混合するステップと；を有し、
   前記ディレードコーキングヒータは、少なくとも１つの輻射熱による加熱区域を有する加熱容器と、前記加熱容器の反対側の壁の間で且つ前記壁から離れて配置され、前記原料が移動し、前記並行して曲がりくねった複数の熱コイルと、前記並行して曲がりくねった複数の熱コイルの反対側に炎広がりを上方向に向かって提供することが可能となるように、前記垂直面に対して水平に配置され前記並行して曲がりくねった複数の熱コイルの各側の加熱容器の下部に配置される複数のバーナーと、を有し、
   前記炎の広がりが前記並行して曲がりくねった複数の熱コイルに対してほぼ平行となるように配置される方法。
8. 混合された後に、前記ステップはさらに前記加熱された原料の温度を測定する方法を含む、請求項７に記載の方法。
9. 混合された後に、前記ステップはさらに前記加熱された原料の温度に基づいて、ディレードコーキングヒータの作動パラメータを調整するステップを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記並行して曲がりくねった複数の熱コイルは、２つの並行な導管を含む請求項１または請求項２に記載のディレードコーキングヒータ。
11. 前記並行して曲がりくねった複数の熱コイルは、前記輻射熱の加熱区域に垂直に配置される請求項１または請求項２に記載のディレードコーキングヒータ。
12. 前記輻射熱の加熱区域の上部は、少なくとも１つの壁に隣接して配置される少なくとも１つの壁バーナーを有する請求項１または請求項２に記載のディレードコーキングヒータ。
13. 前記並行して水平に伸びる複数の流路導管は、垂直な同一平面内に支えられる請求項１または請求項２に記載のディレードコーキングヒータ。