JP4768091B2

JP4768091B2 - 輻射加熱型チューブの入口側管体と出口側管体が加熱室の中で隣り合うように配置されている分解炉

Info

Publication number: JP4768091B2
Application number: JP54953998A
Authority: JP
Inventors: アール．ブルーワ，ジョン; ジェイ．ブラウン，デビッド; ハー．ブルーヘル，ペーター
Original assignee: ストーンアンドウェブスタープロセステクノロジー，インコーポレイテッド; ボルジグゲーエムベーハー
Priority date: 1997-05-13
Filing date: 1998-05-11
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2018-05-11
Also published as: ATE278751T1; US6528027B1; JP2001525873A; DE69826873T2; EP1009784A1; EP1009784A4; WO1998051761A1; CA2289852C; BR9809795B1; CA2289852A1; DE69826873D1; KR20010012562A; AU7487198A; EP1009784B1; BR9809795A

Description

【０００１】
本発明は炭化水素の熱分解(thermally cracking)を行なう炉に関する。より具体的には、本発明は、輻射加熱される複数の輻射加熱型チューブ(radiant heating tubes)を特定の配置にすることにより、炭化水素の分解を行なう炉及び方法に関するものである。
【０００２】
オレフィンその他の軽質炭化水素製品を製造するために、炭化水素を熱分解することは古くから行われている。
一般的に、熱分解炉は、複数の輻射加熱型チューブが配備された加熱室(firebox)を具えており、各チューブは加熱室の内部空間を通り、Ｕ字状のコイル形態に形成されている。炭化水素原料は、輻射加熱型チューブの入口側管体を通って分解炉の中へ導入され、チューブ内を流通する。この炭化水素原料は、分解炉の入口側管体(inlet leg)から出口側管体(outlet leg)を流れる間に、輻射加熱されたチューブにより、例えば約１６００°Fの高温に昇温され、分解ガスが生成される。この分解ガスは、チューブの出口側管体を通って、冷却システムへ送られ、ここで高温の反応ガスは低温まで冷却され、分解生成物(cracked product)が得られる。しかしながら、熱分解プロセスでは、所望の炭化水素製品と共に、コークやタールを生ずる問題がある。実際の熱分解操業では、当初から、コークやタールがチューブに付着するという大きな問題があった。炉内のコイル管にコークやタールが付着すると、分解炉は操業を中止し、チューブの清掃又は交換作業を実施しなければならない。
【０００３】
熱分解技術が進歩するにつれて、収率の改善を目的として、又は所望する最終炭化水素製品に対する選択性(selectivity)を高めるために、高負荷(high severity)の分解操業が行われる傾向にある。その結果、径を小さく、長さを短くして、Ｕ字状コイル形態のチューブを用いた熱分解炉が、オレフィン選択性を高めるための高負荷分解用として開発されている。しかしながら、実際に高負荷分解条件下で操業すると、コーキングの生成がより顕著になることがわかった。
【０００４】
これまでの熱分解操業では、炭化水素原料の炉内滞留時間を短縮することにより、高負荷分解が行われ、最高の選択性とオレフィン収率が得られると考えられていた。しかしながら、高負荷分解条件下では、コーキングが増える問題があり、結果的に操業時間が短くなり、生産効率が低下し、設備寿命が短くなる不都合があった。
オレフィン製造の最大化は、分解サイクルの平均収率と炉の平均稼働率の両方によって規定されるものであり、これは、長期に亘る操業において、輻射加熱を最大限利用する炉及びプロセスによって達成し得るものである。
【０００５】
本発明は、炉内に配備された複数の輻射加熱型チューブの入口側管体と出口側管体について特定の配置を提供するものであり、加熱室内で利用可能な輻射熱の最大限の利用を図り、熱分解操業中、コークやタールの生成による管コイルへの付着を最少にするものである。本発明は、輻射熱の利用を最大ならしめ、炉の管内における局部的コークの発生が最少になるようにした炉を提供するものである。
本発明が提供する炉及びプロセスは、各々がＵ字状コイルの形態をした複数の輻射加熱型チューブを基にしており、チューブは、熱分解炉の加熱室の内部にて、任意の１つのチューブの入口側管体が、他の１つのチューブの出口側管体の直ぐ隣りに間隔をあけて配備される。このように、熱分解炉に配備される複数の輻射加熱型チューブについて、１つのチューブの入口側管体と、他の１つのチューブの出口側管体とを、間隔をあけて隣り合せに配備する(spacial pairing)ことにより、熱分解炉の加熱室内部で利用可能な輻射熱の利用を最大にすることができる。
【０００６】
なお、壁バーナと床バーナによって加熱される輻射加熱ゾーンを有し、共通の外部マニホルドを有する炉がこれまでに開発されている。予熱された炭化水素原料は外部マニホルドから分配されて、炉内の複数のチューブの中を流れる。炉の輻射加熱型チューブアッセンブリは、Ｕ字状の輻射加熱型チューブを複数具えている。輻射加熱型チューブの入口側管体は共通のマニホルドに連通している。各チューブの入口側管体は炉の加熱室内に配置され、加熱室の内部空間を通り、垂直Ｕ字状部を形成する位置まで延びている。垂直Ｕ字状部からは、出口側管体が、夫々の入口側管体とは逆向きに加熱室の中を延びている。この出口側管体は、加熱室の外側で終端する位置まで延びており、冷却器(quench exchanger)に接続される。炉内に配備される複数のチューブは、各チューブが入口側管体と出口側管体を具えており、各管体はＵ字状コイル部を介して互いに連通している。複数のチューブは、加熱室内において、任意の１つのチューブの入口側管体が、他の１つのチューブの出口側管体の直ぐ近傍にて間隔をあけて配置されている。複数の輻射加熱型チューブについて、チューブとチューブの間で、入口側管体と出口側管体を互いに隣り合うように配備することにより、加熱室内における複数のチューブの管体間の間隔をより均一なものにすることができる。また、局部的な熱勾配の発生を最少にすることができる。この熱勾配が生ずると、加熱室内の熱的条件の均一性が損なわれ、及び／又は、加熱室の流れ長さ部分に沿うチューブ位置で局部的過熱部を生ずる不都合がある。このように、加熱室内において、炉内の複数のチューブにおける管体間の間隔をより均一なものとすることにより、全てのチューブの入口側管体は、炉の加熱室内における輻射加熱面に対して、外部表面積の露出が最適なものとなり、これにより、炉の加熱室内における利用可能な輻射熱を最大限利用することができる。これは、所望の最終製品、特にオレフィンを得るために、炭化水素原料の高負荷分解及び／又は転換の選択性に合わせた炉の操業に対する熱効率を多いに高めることになる。
【０００７】
プロセスに関して説明すると、予熱された炭化水素原料は共通の外部マニホルドへ供給され、原料の温度と圧力は平衡状態(equilibration)になる。その後、予熱された原料は共通の外部マニホルドから、ベンチュリ制御によって各チューブの入口側管体へ送られ、Ｕ字状コイル部の中を通る。その間に、炭化水素原料は加熱されて高温になり、分解して反応生成物ガスが生成される。この反応生成物ガスは、チューブの出口側管体を通って炉の外へ出て行き、冷却器へ送られる。炉の加熱室内のバーナにより発生した熱は、分解操業に必要な輻射熱を供給する。複数のチューブは、入口側管体と出口側管体が隣り合うように配備されている(pairing)から、加熱室内ではより均一な温度分布が得られる。その結果、チューブでは、コークやタールの発生を促進する局部的過熱が起こりにくくなり、炉操業における熱効率をさらに高めることができる。
【０００８】
本発明は、炉内の輻射加熱型チューブにおいて、低温の入口側管体と高温の出口側管体を隣り合うように構成している。これに対し、従来のものは、低温の入口側管体をまとめて互いに間隔をあけて配置し、高温の出口側管体をまとめて互いに間隔をあけて配置しているから、入口側管体列と出口側管体列との間隔は非常に大きくなる。それゆえ、本発明は従来のものと比べて、多くの有利な点を有している。
低温の入口側管体と高温の出口側管体が隣り合うように配置することにより、複数のチューブについて、全ての管体間の間隔はほぼ均一なものとなる。前述したように、管体間の間隔を均一にすることにより、加熱室内で利用可能な輻射熱の利用を最大にすることができ、個々のＵ字状コイル部に対する輻射加熱のさらなる均一化を促進することができる。さらにまた、加熱室の利用可能な空間内により多くのチューブを集中させることができるようになる。これは、加熱室の容積を単位としたとき、つまり加熱室の操業時の熱効率を単位としたときにおける生成物製造の収率が高められることを意味する。さらには、各チューブの加熱はより均一に行われて、供給される炭化水素から所望の生成物への転換はより均一になるから、得られる生成物はより最適なものとなる。
このように、本発明の構成により、分解炉での操業において、最も望ましい生成物の収量を増やすことができ、炉操業における効率向上及び稼働時間の増大を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明は、添付の図面を参照することにより、その理解は高められるであろう。
【図１】図１は、床バーナによって加熱される炉であって、入口側管体と出口側管体が隣り合うように配備された本発明に係る輻射加熱型チューブのアッセンブリを含む炉の加熱室について、表面の一部を切断して示す斜視図である。
【図２】図２は、図１の炉の加熱室の配置を示す平面図で、図１の２−２線で切断したときの断面図であって、加熱室の床バーナと共に、複数の輻射加熱型チューブにおける入口側管体と出口側管体の配置例を示す図である。
【図３】図３は、図１の３−３線で切断したときの側面図であって、炉の加熱室内に複数のチューブアッセンブリを吊すための支持体が設けられた構造及び手段の一部を破断してして示す図である。
【図４】図４は、５本の輻射加熱型チューブのアッセンブリを模式的に示す図であって、どのチューブについても、ある１つのチューブの入口側管体は、他のチューブの出口側管体の近傍に間隔をあけて配備されるように関連づけられている。
【図５】図５は、入口側管体と出口側管体とが隣り合うように配備された輻射型加熱チューブのアッセンブリの斜視図であって、チューブアッセンブリとその冷却器を支持し、炉の加熱室内で複数のチューブアッセンブリを吊すための構造及び手段と共に示している。
【００１０】
本発明は、熱分解炉用の輻射加熱型チューブを複数具えるチューブアッセンブリに関するものであって、複数のチューブは互いに間隔をあけて固定配置されており、任意の１つのチューブの入口側管体は、他の１つのチューブの出口側管体の直ぐ近傍にて間隔をあけて配置されている。入口側管体と出口側管体が隣り合うように配備されたこの複数チューブのアッセンブリは、従来炉の改良又は新規な炉構造の要素として、熱分解炉の加熱室の内部に配置することができ、これにより、熱分解炉の性能改善がもたらされる。チューブアッセンブリを炉の加熱室の内部に配置して吊すための構造及び手段は、熱分解炉の操業において一般的にもたらされる熱膨張と熱収縮の熱サイクルが繰り返される間、加熱室内におけるチューブアッセンブリの安定性を維持するものである。本発明のチューブアッセンブリは、熱分解炉、特に床バーナだけで加熱される方式の炉の加熱室の中で利用可能な輻射熱エネルギーの最大利用をもたらすことができる。
【００１１】
図１を参照すると、熱分解炉(6)は、炉の加熱室(10)によって構成される輻射ゾーン(8)を有している。炉の加熱室は、側壁(12)、天井部(14)及び床部(16)によって境界が定められる。輻射熱は、床バーナ(18)によって、加熱室の中に供給される。この床バーナ(18)は図２にも示されている。同様の配置は、壁バーナ加熱式の加熱室や、壁バーナと床バーナを組み合わせた加熱室にも可能である。炉の加熱室(10)の外側には、マニホルド(38)があり、該マニホルドには、ライン(32)から供給された炭化水素原料が、熱交換器(34)によって予熱された後、供給される。外部マニホルド(38)の中では、予熱された原料は、炉の加熱室に配置された輻射加熱型チューブへ供給される前に、温度と圧力が平衡状態にされる。図１には、説明の簡素化のために、３本の輻射加熱型チューブ(20)を示しているが(a、b、cの符号で識別している)、炉の加熱室(10)の中に、さらに多くの個数の輻射加熱型チューブが設けられることは理解されるべきであり、これについては、後で他の図を参照してより詳細に説明する。
さらにまた、複数のチューブアッセンブリは、入口側管体と出口側管体が互いに隣り合うように収容される(nested)から、チューブの最後の出口側管体は、隣りにあるチューブの第１の管体(入口側管体)に隣接することになり、チューブアッセンブリとして、入口側管体と出口側管体が隣り合う配置が形成されることは理解されるべきである。
代表的なチューブアッセンブリのチューブ本数は３〜９本であり、望ましくは５〜７本である。加熱室におけるチューブの望ましい個数は、複数のチューブアッセンブリの収容を容易に行えるかどうかによって決められる。輻射加熱型チューブの各々は、入口側管体(22a)〜(22c)と、出口側管体(26a)〜(26c)と、これらと一体に接続されるＵ字状コイル部(24a)〜(24c)を含んでいる。複数の輻射加熱型チューブの各々は、供給ライン(40)により、各チューブの入口側管体(22)と共通マニホルド(38)が連繋される。さらにまた、輻射加熱型チューブについて、各チューブの出口側管体(26)は、加熱室中を通り、加熱室(10)の天井部(14)を貫通して延びており、加熱室の外側の位置(28a)〜(28c)で終端する。出口側管体の終端位置(28a)〜(28c)は、冷却器(図１には示さず)に連通するように接続されることが可能である。
【００１２】
図２に詳しく示されるように、炉は、その加熱室(10)の全体が床バーナ(18)によって加熱される。床バーナは、輻射熱を、加熱室の垂直方向の領域、即ちそこに配置された輻射加熱型チューブへ供給する。図２に更に参照すると、加熱室の中央線に沿って、複数のチューブ(a)〜(c)について、夫々、入口側管体(22)と出口側管体(26)を有している。
【００１３】
図３は、加熱室(10)にて複数のチューブ(20)を吊り下げ、支持するための構造及び手段を示す側面図であり、チューブの出口側管体(26)の各終端部(28)が最終的に接続される冷却器の外的特徴も示されている。冷却器は、二重パイプ型の熱交換器であって、高温の生成物ガスの温度よりも低温の水が、外側パイプの内壁と、同軸の内側パイプの外壁との間の環状の空間内を流れており、高温の反応ガスは、同軸の内側パイプの中を流れる。
図３を参照すると、この冷却器システム(50)は、水供給マニホルドと分配マニホルド(54)を有しており、分配マニホルド(54)は、各冷却器のシェルの外側パイプ(56)と同軸内側パイプ(58)の間の環状空間へ水を分配する。同軸の内側パイプ(58)の中は、生成物ガスが、輻射加熱型チューブ(20)の出口側管体(26)からその終端位置(28)へ流れる。なお、輻射加熱型チューブは、コネクタ(60)によって冷却器(50)に連繋されている。
【００１４】
構造的負荷を支える支持部材(70)(72)は、例えば、Ｉビームとか、チャンネル要素から形成される枠体であって、これらは、全般的な操作装置における足場組立体を構築するのに用いられるものである。構造的負荷を支える支持部材(71)(73)は、支持部材(70)(72)と交差する方向にあり、支持部材(71)(73)は、夫々、支持部材(70)(72)によって支持される。両支持部材は、その間に所定の間隔が設けられており、二重パイプ型冷却器(50)の荷重を支えている。上側の支持部材(72)は固定されており、下側の支持部材(70)は、上側支持部材(72)に対して浮動的(floatable)である。これは、荷重支持用弾性部材(80)が、固定部材(72)と浮動部材(70)の間で、コネクターロッド(82)とアンカー取付手段(84)によって固定されているので、この弾性部材(80)を介して、弾性的で柔軟な吊下げ(suspension)状態を得られるためである。
【００１５】
図３に示されるように、この荷重支持用吊下げ手段はまた、加熱室(10)内で、輻射加熱型チューブ(20)の入口側管体を懸垂支持するのに利用される。すなわち、屈曲部コネクター(90)は、炭化水素原料供給ライン(40)と反応チューブ(20)の入口側管体(22)の分岐部(juncture)でしっかりと固定されると共に、負荷支持用連結ロッド(92)によりアンカー接続部(94)へ接続されている。このアンカー接続部は、支持部材(70)と交差部材(71)によって構成される下側の荷重支持用浮動ユニットにおいて、交差部材(71)に固定されている。
熱分解炉(6)の加熱室(10)内における複数の輻射加熱型チューブ(20)の入口側管体(22)と出口側管体(26)の全てを支持し、吊り下げる構造及び手段を設けることにより、炉の操業中に生じる収縮及び／又は膨張は、容易に調整されることができる(accommodated)。
【００１６】
図４は、複数の輻射加熱型チューブの空間的配置を示しており、簡素化のために、５本のコイルチューブを、符号a、b、c、d、eで示している。図３に示された各チューブの場合、図示された炭化水素原料供給ライン(40a)〜(40e)は、予熱された炭化水素原料供給管(36)が接続された共通マニホルド(38)を、チューブの各々の入口側管体(22a)〜(22e)に連通している。また、各チューブのＵ字状部(24a)〜(24e)と、出口側管体(26a)〜(26e)と、出口側管体の各々の終端部(28a)〜(28e)が図示されている。
図４に示されるように、複数のチューブの入口側管体と出口側管体は、共通の平面(100)内に存在し、共通のラインに沿って加熱室(10)に進入し、加熱室(10)から退出している。どのチューブの入口側管体(22)も、他のチューブの出口側管体(26)のすぐ近傍に配置されている。図４には示されていないが、複数の反応チューブのアッセンブリには、入口側管体と出口側管体の間に間隔を形成し、固定位置に保持するための機械的接続部を具えている。当該分野の専門家であれば、そのような機械的接続手段は、これまでにも、従来の炉構造において、複数の反応チューブの入口側管体と出口側管体を所定の間隔をあけて保持するために使用されてきたものであり、入口側管体と出口側管体の組合せを含む本発明チューブアッセンブリに対しても、その目的のために適用できることは容易に理解されるであろう。
【００１７】
図５は、図１、図２及び図４に示したものと同様なチューブアッセンブリの斜視図であって、炉の加熱室に配備されたチューブアッセンブリを支持し且つ吊るすための構造及び手段と、図３に示したものと同様なものであって、加熱室の外部の出口側管体に接続された冷却器を支持するための構造及び手段を示している。図５では、図示の都合上、外部マニホルド(38)は、冷却器へ水を供給する水供給マニホルド(52)と同じ側に配置されている点については、図１及び図３と異なるが、それ以外の点では、同様な部材に同じ符号を付している。
【００１８】
入口側管体は輻射加熱型チューブの中で最も温度の低い部分であるので、これまでの炉では、チューブの中で最も温度の高い出口側管体が互いに隣り合うように集めて配置されており、最適な炉性能を得るための最適なチューブ間隔はこのようにして決められていた。しかし、本発明では、複数の輻射加熱型チューブの全てについて、低温の入口側管体と高温の出口側管体が隣り合う組合せとなるように配置しているから、チューブのどの部分に対しても、最も均一な温度(即ち熱量)状態が達成される。これは、どの反応チューブに対しても、局部的なコーク／タールが生成される可能性を少なくなるだけでなく、加熱室内における反応チューブの入口側管体と出口側管体のどの管体間についても、より接近した間隔にすることができるので、加熱室内に配備し得るチューブの本数を増やすことができる。輻射加熱型チューブの管体間の間隔がより均一になると、入口側のどの管体も他の管体によって「陰になる領域(shadowed)」がこれまでのものよりも少なくなり、出口側のどの管体も他の管体によって「陰になる領域」がこれまでのものよりも少し多くなることを意味する。このように、どのチューブの入口側管体についても、より大きな表面積が炉の加熱室の輻射加熱面に露出するので(輻射加熱は照射加熱(sight heating)モードの一種である)、チューブの入口側管体は、炉の加熱室内で利用可能な輻射熱をより多く利用することができる。このため、局部的なコーク／タールの生成によるチューブの閉塞傾向は減少する。
【００１９】
本発明のプロセスについて説明すると、エタン、ナフサ、ガスオイル等の炭化水素原料は、公知の予熱装置へ送られ、所望の予熱温度まで昇温する。次に、予熱された原料は共通のマニホルド(38)へ供給される。一般的に、原料の温度は、共通のマニホルド内で温度が平衡になった状態で測定したとき、約９００°F乃至約１４００°Fまで予熱される。共通のマニホルドからは、予熱された原料の必要量が供給され、臨界流れベンチュリによって分配され、供給ライン(40)により、反応チューブの夫々の入口側管体(22)へ送られ、入口側管体の中を通ってＵ字状接続部(24)を通って、出口側管体(26)へ流れる。炭化水素原料が反応チューブの中を通過する間、原料の温度は、約９００°F乃至約１４００°Fの予熱温度から、約１５００°F乃至約１６５０°Fの温度まで昇温し、この時に、炭化水素原料の分解が起こる。
【００２０】
輻射加熱型チューブの中を流れる炭化水素に熱量(heat content)を供給するための主たる手段は、チューブの輻射熱自体によるものである。この輻射熱は、チューブ金属に伝達され、次に、チューブの熱は、チューブ内を流れる炭化水素に伝達される。しかしながら、どのチューブについても、あるチューブ金属の温度が、隣接する別のチューブのチューブ金属の温度に熱影響を及ぼすであろう。それゆえ、加熱室内におけるチューブ金属の表面温度の不均質性を小さくするために、即ち、加熱室内におけるチューブ金属の表面温度の均質性を最適なものとするために、チューブの隣り合う管体間に適切な間隔を設ける必要性がある。これにより、炭化水素の温度は、炭化水素が加熱室の中を通過する間に、可能な限り均質化される。
【００２１】
本発明の複数のチューブを有するアッセンブリにおいて、どのチューブも、温度の低い入口側管体の直ぐ隣りに間隔をあけて温度の高い出口側管体を設けているから、最適な熱伝達が行われ、チューブ内を流れる炭化水素の温度の最適化を達成できる。これは、チューブのうち最も温度の低い管体と、最も温度の高い管体とを、管体間での熱伝達を最も速やかに行なわせるために、互いの近傍位置で間隔をあけて配置したことによるものである。この結果、管体間に略均一な間隔を設けることが可能となり、チューブの入口側管体は、炉の加熱室内で輻射熱を最大限利用することができ、どのチューブも、局部的な高温部がチューブの長さ方向の領域に発生する可能性は非常に少なくなり、コークやタールの生成は極めて少なくなる。
【００２２】
本発明の上記開示及び説明は、例示的なものであって、発明の精神から逸脱することなく、図示した装置、構造及び操業方法の詳細について、種々の変更を加えることができる。

Claims

加熱室と、該加熱室に進入する複数の輻射加熱型チューブと、を具える熱分解炉であって、
複数の輻射加熱型チューブは、各々が、入口側管体と、出口側管体と、入口側管体及び出口側管体を加熱室内で連繋するＵ字状コイル部とを具えており、
各輻射加熱型チューブの間には、別の輻射加熱型チューブの入口側管体とさらに別の輻射加熱型チューブの出口側管体があり、
入口側管体と出口側管体の全てが、交互に配置されて、加熱室の天井部の平面内において同一直線上に配管されており、利用可能な輻射熱を最大限利用して、輻射加熱型チューブ内における局部的な高温部の発生を少なくし、コークやタールの生成を少なくすることができるようにしており、
各輻射加熱型チューブの出口側管体は、加熱室の外部位置で終端している、熱分解炉。
熱分解炉の加熱室の外部には、各チューブの各入口側管体に連通する１つのマニホルドが配備され、該マニホルドから各チューブの各入口側管体に対して、予熱された炭化水素原料が供給される請求項１の熱分解炉。
熱分解炉の加熱室の外部には、各チューブの出口側管体から出てきた分解生成物ガスを受ける冷却器が配備されている請求項２の熱分解炉。
輻射熱は床バーナより加熱室内へ供給される請求項１の熱分解炉。
入口側管体と出口側管体との間隔は略均一である請求項４の熱分解炉。