JP4429905B2 - プロセス加熱装置内のプロセスチューブ上に熱流束を再分布する方法およびプロセスチューブを備えるプロセス加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、プロセス加熱装置内のプロセスチューブ上の熱流束を、円周方向に一層均等であるように調節できる方法に一般に関する。本発明の方法は、コークス器ユニット、真空ユニットおよび原油加熱装置などのような石油精製工業に採用されるコークス依存直火式加熱装置における使用に、特に好適である。

コークス器、真空および原油加熱装置のような大部分のコークス依存の加熱装置または炉は、所謂単一の直火式ユニットであり、プロセスチューブの配列の一般に中央に燃焼源を採用する。かくして、プロセスチューブは、一般的に、加熱装置の耐火物壁に密接して位置決めされ、その結果、円周方向の不均一な熱流束分布が生じる。すなわち、加熱装置の燃焼エレメントに隣接するチューブの円周方向セグメントは、一般的に、プロセス容器の耐火物壁に隣接するチューブの円周方向セグメントよりも温度が高い。

チューブの高温直火側の熱流束により、チューブの耐火物壁側に比べてチューブ金属の温度が高くなる。チューブの高温直火側におけるチューブの内側の高いカーボン付着沈着速度は、そのような不均一な円周方向熱流束沈着の正味の結果である。そのような不均等な内部円周方向カーボン付着も、時期尚早なチューブを通しての不都合な高い圧力降下、および／またはチューブの外面における不都合な高い温度をもたらす（すなわち、チューブ内面上のカーボン付着は、絶縁物として作用する）。その結果、直火式加熱装置の作動時間長さが短縮される。たとえば、一般的なコークス器ユニットでは、３ヶ月乃至９ヶ月のカーボン除去が必要であるが、一部のコークス器ユニットは３ヶ月毎のコークス除去が必要となる。

プロセス加熱装置自体内に存在する不均等な熱流束もあり、それにより、１つのチューブセクションから他のセクションへの比較的不規則なカーボン付着が生じる恐れがある。かくして、一部のチューブまたはチューブセクションを、プロセス加熱装置内で他のチューブまたはチューブセクションよりも、燃焼源へ近づけることができる。燃焼源からより離間しているチューブ（たとえば、燃焼源が加熱装置の下端部にある場合に加熱装置の上端部近くのチューブ）は、燃焼源により近いチューブの同じ円周方向セグメントと比べて少ない熱流束を示すチューブの円周方向セグメントを、その円周方向セグメントが、燃焼源により発生される熱に面するように配向される場合でも、有することができる。

したがって、直火式容器内のプロセスチューブまたはチューブセグメントに、より均一な円周方向熱流束分布が加えられるならば、非常に望ましいであろう。プロセス加熱装置内の熱流束を、種々のチューブおよび／またはチューブセクションに、所定の、異なるが、局部的にほぼ均一な円周方向熱流束分布を形成することにより、一層均等に再分布できるならば、これも望ましいであろう。したがって、本発明が指向するものは、そのようなニーズを満足する方向である。

概して、本発明は、プロセス加熱装置内でプロセスチューブの少なくとも１つのセクションの外周表面の周りに一層均等な熱流束分布を形成する方法に向けられており、また、一層均等な円周方向熱流束分布が与えられたかかるプロセスチューブに向けられている。具体的には、本発明によれば、燃焼源及び耐火物壁を有する直火式プロセス容器内で前記燃焼源及び前記耐火物壁の間に配置されたプロセスチューブの外周表面領域の周りに一層均等な熱流束分布を形成するため、前記プロセスチューブの前記外周表面領域の少なくとも１つの円周方向セグメント上に、前記プロセスチューブの前記外周表面領域の他の円周方向セグメントの熱放射率および／または熱伝導率とは異なる選択された熱放射率および／または熱伝導率を有する物質の被膜を形成するステップを含み、これにより該被膜が存在しない場合の熱流束分布に比べて一層均等な熱流束分布を前記プロセスチューブの前記外周表面領域全体の周りに付与する方法において、前記被膜が形成されている前記プロセスチューブの前記外周表面領域は前記耐火物壁に隣接している。このようにして、プロセスチューブの外周表面セクション全体の周りに、被膜が存在しない場合におけるプロセスチューブの外周表面セクション全体の周りの熱伝導係数と比べて、一層均等な熱伝導係数が達成されるので、チューブセクション上の円周方向に一層均等な熱流束分布が生じる。

これら、および他の態様と利点は、好ましい代表的な実施態様の下記の詳細な説明を慎重に検討すれば、より明らかになる。

以下で添付図面を参照する。その図面において、種々の図面全体を通しての同様な参照数字は、同様な構造エレメントを指す。

図１は、単一の着火式コークス器ユニットのような着火式プロセス加熱装置１０を概略示す。これに関して、加熱装置１０は、容器からの熱損失を最小にする目的の耐火物壁１２と、および壁１２へ隣接して配置される幾つかのプロセスチューブ（少数のチューブが参照数字１４により識別される）とを備える。加熱器ユニット１６が、火炎１６ａにより概略示されるように熱源を形成するように設けられる。かくして、図１から分かるように、火炎１６ａに直接曝されるチューブ１４の部分は、耐火物壁１２に直ぐ隣接するチューブ１４の部分と比べて、より高温であり、それにより、簡単に上述した問題が生じる。

図２Ａ乃至２Ｄは、より均一な円周方向熱流束分布をチューブ１４へ加えるように、本発明に従う好ましい技法を概略示す。これに関して、図２Ａに示されるように、外面上に円周方向スケール沈着物２０を有する代表的なプロセスチューブ１４が示される。スケール２０は、勿論、それ自体が熱流束を減少する。かくして、本発明によれば、スケール沈着物２０の円周方向領域（点線の表示と参照数字２０ａとにより示される）を、耐火物壁１２に隣接するチューブ１４から除去できる。スケール沈着物２０ａの除去は、任意の適切な技法により達成できる。たとえば、共通所有の同時係属米国特許出願第１０／２１９９４３号（その全体の内容が、ここに参照として明示的に組込まれる）に記載されるサンドブラスト技法を、スケール沈着物２０ａの円周方向領域を選択的に除去し、それにより、下にあるチューブ１４の裸金属を露出するように採用できる。

スケール沈着物２０ａの円周方向領域を除去すると、図２Ｂに示されるように、被膜２２を被覆できる。これに関して、被膜２２は、チューブ１４の全体の円周方向表面領域の周りに所要の熱伝導係数（すなわち、チューブ壁を通しての単位面積当たりの伝熱に換算して）を達成するように、熱放射率および／または熱伝導率特性について選択される物質である。

ここで使用されるように、物質の熱放射率（Ｅ）とは、ゼロ（全エネルギ反射）と１．０（全エネルギを吸収かつ再放射できる完全「黒体」）との間の尺度で測られた無単位数を指すことを意味する。本発明によれば、比較的高い熱放射率（Ｅ）とは、約０．８０よりも大きい、通常は約０．９０と約０．９８との間である熱放射率を有する被膜物質を指すことを意味する。したがって、比較的低い熱放射率とは、約０．８０未満、通常は０．７５未満（たとえば、約０．１５と約０．７５との間）の熱放射率を有する被膜物質を指すことを意味する。約０．４５と約０．７５との間の低い熱放射率も同様に採用できる。かくして、本発明の実施において採用できる被膜物質の熱放射率の範囲は、約０．１５から約０．９８にすることができ、また特定のプロセス容器に必要な特定の要件に左右されることになる。

スケール沈着物２０は、分かるように、比較的低い熱伝導率を示すが、比較的高い熱放射率を示すことになる。したがって、被膜２２は、チューブ１４の全周の周りに一層均一な熱流束をほぼ形成するように選択される。かくして、他の円周方向領域と比べて、チューブ１４の１つの円周方向領域の熱放射率および／または熱伝導率の差異（たとえば、スケール沈着物２０の領域と被膜２２の領域との間のような差異）は、１つの領域が、他の領域（使用時に異なる熱条件を受ける）と比べて、使用時に一層高温になることがある事実を考慮すると、全体の円周方向熱流束（熱伝導係数）が平均して一層均一にされるような差異である。実際には、チューブ１４の１つの円周方向領域は、そのチューブの他の円周方向領域と比べての熱放射率の差異が、少なくとも約５％、一般的には少なくとも約１０％以上である（たとえば、約１５％と約５０％との間の熱放射率の差異である）ことが好ましい。

チューブ１４の全周の周りに一層均一な熱流束を加え、および／または、それ自体のプロセス加熱装置環境内に一層均一な熱流束を形成する所要の目標内で、種々の技法を採用できることが分かる。たとえば、比較的高いＥまたは低いＥの被膜２４を、図２Ｃに示されるように、被膜２２に隣接して耐火物壁１２上に付加的に被覆できるか、または被膜２２の代わりに被覆できる。加えて（または代わりに）、図２Ｄに示されるように、スケール２０を除去し、かつ所要の熱放射率および／または熱伝導率特性を有する被膜２６をチューブ１４の高温側に被覆できる。

プロセス加熱装置１０の環境内で、加熱装置１０内の１つ以上の他のチューブおよび／またはチューブセクションと比べて異なる熱流束を示す１つ以上のチューブおよび／または縦方向チューブセクションを設けることが必要であることが分かる。しかしながら、個別に、そのようなチューブおよび／またはチューブセクションそれぞれは、最も好ましくは、上述したように本発明に従って円周方向にほぼ均一な熱流束を示す。しかしながら、なお個別にはほぼ均一であるが、チューブおよび／またはチューブセクションの事前選択された互いに異なる円周方向熱流束を形成することにより、加熱装置１０の環境内の熱流束を一層均一に再分布することができる。

チューブ上の被膜厚さは、重要ではないが、所要の生じる熱流束および／または被膜を形成する特定の物質に応じて変わることがある。かくして、約１ミルから約６０ミルの被膜厚さが、一般的に約７５％よりも大きい、具体的には９０％よりも大きい被膜密度での、一定のチューブ被覆に妥当であろう。

本発明を、現在最も実際的で、かつ好ましい実施態様とみなされるものと連係して説明してきたが、本発明は、開示された実施態様に限定されるものではなく、反対に、付属クレームの範囲に含まれる種々の変更態様および同等な装置を包含しようとすることが理解される。

本発明に従うプロセスチューブを有する単一の着火式コークス器ユニットの断面概略図である。 本発明に従ってプロセスパイプへ一層均一な円周方向熱流束分布を加える現在好ましい１つの技法の拡大断面概略図である。 本発明に従ってプロセスパイプへ一層均一な円周方向熱流束分布を加える現在好ましい１つの技法の拡大断面概略図である。 本発明に従ってプロセスパイプへ一層均一な円周方向熱流束分布を加える現在好ましい１つの技法の拡大断面概略図である。 本発明に従ってプロセスパイプへ一層均一な円周方向熱流束分布を加える現在好ましい１つの技法の拡大断面概略図である。

Claims (8)

1. 燃焼源及び耐火物壁を有する直火式プロセス容器内で前記燃焼源及び前記耐火物壁の間に配置されたプロセスチューブの外周表面領域の周りに一層均等な熱流束分布を形成するため、前記プロセスチューブの前記外周表面領域の少なくとも１つの円周方向セグメント上に、前記プロセスチューブの前記外周表面領域の他の円周方向セグメントの熱放射率および／または熱伝導率とは異なる選択された熱放射率および／または熱伝導率を有する物質の被膜を形成し、該被膜が存在しない場合の熱流束分布に比べて一層均等な熱流束分布を前記プロセスチューブの前記外周表面領域全体の周りに付与するステップを含む方法において、前記被膜が形成されている前記プロセスチューブの前記外周表面領域は前記耐火物壁に隣接している、ことを特徴とする方法。
2. 前記少なくとも１つの円周方向セグメントと前記他の円周方向セグメントとの間の熱放射率の差異は、少なくとも５％である、請求項１に記載の方法。
3. 前記熱放射率の差異は、少なくとも約１０％である、請求項２に記載の方法。
4. 前記少なくとも１つの円周方向セグメントは、少なくとも約０．８０の高い熱放射率を示す被膜を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの円周方向セグメントは、約０．８０以上に比較的高い熱放射率を有する物質で被覆されており、前記他の円周方向セグメントは、約０．８０未満の比較的低い熱放射率を有する物質で被覆されており、ただし前記比較的高い熱放射率と前記比較的低い熱放射率とは約５％異なる、請求項１に記載の方法。
6. 前記比較的高い熱放射率と前記比較的低い熱放射率とは約１０％異なる、請求項５に記載の方法。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の方法により形成される実質的に均等な円周方向熱流束を有するプロセス加熱装置用のプロセスチューブ。
8. 請求項７に記載の少なくとも１つのプロセスチューブを備えるプロセス加熱装置。

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