JP4865461B2 - ディレイドコーカーの加熱炉の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、ディレイドコーカーの加熱炉の運転方法に関する。

ディレイドコーカーは、重質炭化水素を熱分解することによって、ガス、ナフサ、軽油などの種々の沸点の炭化水素およびコークを生成する装置である。ディレイドコーカーは、加熱炉、精留塔、コークドラム、及びその他の付帯設備から構成されるのが一般的である。

ディレイドコーカーは、加熱炉で重質の炭化水素を熱分解温度まで加熱する。このため、運転時間の経過に伴い加熱炉チューブには徐々にコークが堆積する。コークが多量に堆積するとチューブが高温になって破裂する恐れがある。このため、チューブ内に蒸気を注入してチューブ内の流速を上げて乱流によってコークの堆積を抑制する方法（特許文献１）、重質軽油や揮発油を再循環してコークの堆積を予防する方法が開示されている（特許文献１、２）。

しかし、上記のような方法を採用してもチューブ内のコークの堆積を完全には排除できないため、定期的にディレイドコーカーの運転を停止して加熱炉チューブ内の清掃行い、堆積したコークを除去している。
特公平６−８９３３５号公報 特公平６−４９８６６号公報

現在、世界的な石油事情からより硫黄分、金属分などが高い劣質な重質油処理の必要性が増しており、ディレイドコーカーの処理能力の向上が従来よりも一層強く求められている。処理能力の向上する方法として、ランレングス延長によって積算通油量（ディレイドコーカーの運転開始から運転停止までの合計通油量）を増加する方法が挙げられる。

しかし、従来のディレイドコーカーの運転方法では、加熱炉のチューブ内のコークの堆積を十分に抑制することができず、ランレングスを延長することが困難であった。

上記事情に鑑み、本発明では、ディレイドコーカーのランレングスを延長し積算通油量を増加することを目的とする。

本発明者らは、従来のディレイドコーカーの加熱炉の運転方法によるＴＳＫ温度の変化を解析してコークドラムの切替（ＳＷ）の前後にＴＳＫ温度が上昇することを発見し、ＴＳＫ温度の上昇を抑制できればランレングスを延長できることを見出した。詳しくは、ＳＷ直後にはコークドラムからの分解炭化水素の生成量が少なく精留塔で分離される留出油の生成量が減少する。これに伴い留出油との熱交換で予熱される原料油の熱交換器出口温度が低下することによって加熱炉の負荷が増大してＴＳＫ温度が上昇することを発見した。また、ＳＷ直前には分解炭化水素の一部が待機中の冷えたコークドラムへ導入され、この分解炭化水素が冷えた凝縮油となって精留塔に導入される。これに伴い精留塔からの留出油の温度が低下し留出油との熱交換で予熱される原料油の熱交換器出口温度が低下することによって加熱炉の負荷が増大してＴＳＫ温度が上昇することを発見した。さらに、かかる要因によるＴＳＫ温度の上昇を抑制すれば加熱炉チューブ内のコークの堆積が抑制されランレングスを延長できることを見出した。

そこで、本発明は原料油を精留塔で分離された留出油との熱交換によって予熱する熱交換器と、予熱された原料油を加熱する加熱炉と、加熱炉で加熱された加熱原料油が順次切り替えて導入されそれぞれ分解炭化水素とコークとを生成して分解炭化水素を精留塔へ導入する複数のコークドラムとを備え、加熱原料油の導入を第一のコークドラムに切り替えてから第二のコークドラムに切り替えるまでを１サイクルとするディレイドコーカーの加熱炉の運転方法であって、１サイクルは、原料油の通油量を１サイクルの平均通油量より低くする第一工程と、原料油の通油量を平均通油量より高くかつ平均通油量の１２０％以下とする第二工程と、待機中のコークドラムに分解炭化水素の一部を導入し発生する凝縮油を精留塔に導入するとともに原料油の通油量を平均通油量より低くする第三工程と、をこの順で含み、第一工程が１サイクルに所要する時間の１０〜４０％を占め、第二工程が１サイクルに所要する時間の２０〜８０％を占め、第三工程が１サイクルに所要する時間の１０〜４０％を占めることを特徴とする。

かかるディレイドコーカーの加熱炉の運転方法によれば、精留塔で分離された留出油の生成量の減少に伴い原料油の熱交換器出口温度が低下し加熱炉入口温度が低下する第一工程と、精留塔への凝縮油の導入に伴う留出油の温度低下により原料油の熱交換器出口温度が低下し加熱炉入口温度が低下する第三工程との加熱炉の負荷上昇を緩和することができる。これによって、ＴＳＫ温度の上昇を防止し加熱炉チューブ内のコークの堆積を抑制することができる。かかる効果が得られる理由は、第一工程と第三工程との通油量を平均通油量より低くして加熱炉の負荷を低減することによるものである。

さらに、本発明では１サイクルにおける加熱炉のＴＳＫ温度の最大値と最小値の差を１０℃未満とすることが好ましい。

このように加熱炉のＴＳＫ温度の最大値と最小値の差を１０℃未満とすることによって、加熱炉チューブ内でのコークの堆積を十分に抑制することができる。

本発明によれば、コークドラムの切替に伴うＴＳＫ温度の上昇を防止し加熱炉チューブ内のコークの堆積を抑制することによって、ディレイドコーカーのランレングスを延長し積算通油量を増加することが可能となる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書で用いる平均通油量とは特に記載が無い限り、ディレイドコーカーの１サイクルあたりの原料油の平均通油量（体積／時間、例えばｋｌ／ｈ）である。また、平均通油量の増減の割合は全て体積％である。

図１は、本発明の好適な実施形態にかかるディレイドコーカーの加熱炉の運転方法を適用する装置を示す全体概略図である。ディレイドコーカー１は、加熱炉１０、スタブタワー１２、精留塔１４、熱交換器２０、スイッチバルブ２２、２基のコークドラム１６、１８及びその他付帯設備で構成される。

原料油は、常圧蒸留装置の塔底油、減圧蒸留装置の塔底油、及び流動接触分解装置（ＦＣＣ）のデカントオイルなどの重質炭化水素油が用いられる。その他に、製油所内で発生する種々の重質炭化水素油を用いることも可能である。

原料油の初期温度（ラインＬ１での温度）は約１００〜２００℃とすることができる。原料油は、精留塔１４からラインＬ１３によって抜き出される重質軽油と熱交換器２０で熱交換して約２５０〜３５０℃に予熱することができる。加熱炉１０の負荷低減の観点から、ラインＬ２における原料油の温度は高い方が望ましい。

予熱された原料油は、スタブタワー１２に導入される。原料油は、スタブタワー１２で低沸点留分であるガス、ナフサ、軽油等の軽質炭化水素と高沸点留分である重質炭化水素とに分離される。なお、原料油の性状が一定であれば、分離される軽質炭化水素と重質炭化水素の割合は通常一定とすることができる。

ラインＬ３によってスタブタワー１２から抜き出された重質炭化水素は、加熱炉１０で加熱される。加熱炉で加熱された重質炭化水素はスイッチバルブ２２によってコークドラム１６（又は１８）に導入される。

コークドラム１６では、加熱された重質炭化水素を熱分解することによって、ガス、ナフサ、軽油留分などを含む分解炭化水素とコークとを生成する。生成した分解炭化水素はスタブタワー１２に導入される。

スタブタワー１２の塔頂部からラインＬ１０で抜き出される軽質炭化水素は、精留塔１４に導入される。精留塔１４は軽質炭化水素を分離して留出油を生成する。留出油としては、ガス・ナフサと、軽質軽油と、重質軽油とがある。これらの留出油は各燃料油のブレンド基材または後続の装置の原料として用いることができる。

精留塔１４の塔底部からラインＬ１３によって抜き出される重質軽油は、熱交換器２０で原料油と熱交換して後続のタンクなどに送られる。

＜加熱炉の運転＞
次に加熱炉の運転について説明する。加熱炉１０は、スタブタワー１２の塔底部からＬ３によって抜き出される重質炭化水素を加熱する。加熱炉１０の出口側のラインＬ４における重質炭化水素の温度は、後段のコークドラム１６，１８において熱分解反応するために必要な温度であり、通常約４００〜６００℃とすることができる。この温度は、所望の分解炭化水素収率とコーク性状を得るために原料油の性状に応じて最適値に調整される。

加熱炉のＴＳＫ温度は、運転時間の経過に伴い加熱炉のチューブ内にコークが徐々に堆積するため徐々に上昇する。ＴＳＫ温度がチューブ材質の制約によって設定された上限値に到達したら、ディレイドコーカー１の運転を停止して加熱炉１０のチューブの清掃を行う必要がある。ディレイドコーカー１の運転開始からＴＳＫ温度が該上限値に到達するまでの運転期間がランレングスとなる。

加熱炉チューブ内のコークの堆積量はＴＳＫ温度が高くなると増加する。このため、ランレングスを延長して積算通油量を増加するためには、ＴＳＫ温度を極力低くすることが必要である。

＜コークドラムの運転＞
次にコークドラムの運転について説明する。本実施形態ではコークドラム１６とコークドラム１８の二基のコークドラムを備えている。二基のコークドラムには加熱炉１０で加熱された重質炭化水素が交互に導入される。

コークドラム１６に加熱炉１０で加熱された重質炭化水素が導入され所定量のコークが堆積したら、スイッチバルブ２２を操作して重質炭化水素の導入を待機していたコークドラム１８に切り替える。切替（ＳＷ）後、コークが堆積したコークドラム１６を所定温度まで冷却してコークを取り出す。コークドラム１８に所定量のコークが堆積したら、スイッチバルブ２２を操作して重質炭化水素の導入を待機していたコークドラム１６に切り替える。以上のコークドラム切替操作を繰り返し実施する。

重質炭化水素の導入を、コークドラム１６（１８）からコークドラム１８（１６）に切り替えてから次にコークドラム１８（１６）から１６（１８）に切り替えるまでを１サイクルといい、１サイクルに所要する時間をサイクル時間という。１サイクルは、サイクル時間の１０〜４０％を占める第一工程と、２０〜８０％を占める第二工程と、１０〜４０％を占める第三工程を含む。第一工程及び第三工程の時間は各々独立に設定することができる。

１サイクルにおいて、各工程は第一工程、第二工程及び第三工程の順に実施される。第三工程終了後、次の１サイクルの第一工程、第二工程及び第三工程が実施される。このように１サイクルが繰り返し実施されることによって、ディレイドコーカーは継続的に運転される。

次に第一工程から第三工程の各工程について説明する。

＜第一工程＞
第一工程は１サイクルの最初に行われる工程である。第一工程ではコークドラム１６（１８）に重質炭化水素の導入を開始する。コークドラム１６（１８）への重質炭化水素の導入開始直後は、コークドラム１６（１８）の温度が低いため分解炭化水素の時間あたりの生成量が減少する。このため、スタブタワー１２を経由してラインＬ１０によって精留塔１４に導入される分解炭化水素の量が減少する。これに伴い、ラインＬ１３で抜き出される留出油である重質軽油の量が他の工程よりも例えば約４０〜６０体積％減少し、この重質軽油との熱交換によって予熱される原料油の熱交換器２０の出口温度が低下する。その結果、重質炭化水素の加熱炉１０の入口温度が低下する。

本実施形態では、第一工程においてラインＬ１から供給する原料油の通油量を平均通油量より下げて加熱炉１０の負荷を低減している。このため、重質炭化水素の加熱炉の入口温度が低下しても加熱炉１０のＴＳＫ温度の上昇を抑制することができる。

第一工程の原料油の通油量は、好ましくは平均通油量の８０〜９９％、より好ましくは平均通油量の９０〜９８％とすることができる。第一工程の原料油の通油量を過度に減少すると、他の工程の通油量を過度に上げることになる。この場合、他の工程での加熱炉負荷が増大しＴＳＫ温度が上昇する傾向がある。一方、第一工程の原料油の通油量の減少量があまりに過小であると、本発明の効果があまり得られない傾向がある。なお、第一工程の原料油の通油量の平均値が上記範囲を満足していればよく、一時的に通油量が上記範囲外となっても構わない。

＜第二工程＞
第二工程の原料油の通油量は平均通油量よりも高いため、第一工程よりも通油量を上げる必要がある。第二工程の原料油の通油量は、他工程の通油量と各工程の時間に応じて調整することができる。ただし、第二工程の原料油の通油量は平均通油量の１２０％以下にする必要がある。第二工程の通油量が平均通油量の１２０％を超えると、第二工程の原料油の通油量が過度に増えすぎて加熱炉負荷が増大しＴＳＫ温度が上昇するため好ましくない。なお、第二工程の原料油の通油量の平均値が上記範囲を満足していればよく、一時的に通油量が上記範囲外となっても構わない。

＜第三工程＞
第三工程では第二工程よりも通油量を下げて、平均通油量よりも原料油の通油量を低くする。第三工程の原料油の通油量は第一工程の通油量と同一である必要はなく、各々独立に設定することができる。

第三工程の開始と同時又はその前後に、待機中のコークドラム１８（１６）に分解炭化水素を導入するガスアップ操作を実施する。分解炭化水素は、スタブタワー１２及び運転中のコークドラム１６（１８）からラインＬ９（Ｌ８）によって導入される。このガスアップ操作は、待機中の冷えたコークドラム１８（１６）を予熱しておくことで、コークドラム１８（１６）への重質炭化水素導入開始直後の熱分解反応の進行を円滑にするために実施されるものである。

一方、導入された分解炭化水素は待機中のコークドラム１８（１６）を予熱することによって冷えた凝縮油となり、コークドラム１８（１６）の塔底部からラインＬ６（Ｌ５）で抜き出されて精留塔１４の底部付近に導入される。精留塔１４に導入される凝縮油の温度は精留塔１４の塔底部からラインＬ１３で抜き出される重質軽油の温度より例えば１００〜２００℃低い。この凝縮油の精留塔１４への導入によって重質軽油の熱交換器２０入口における温度が他の工程よりも低くなり、この重質軽油との熱交換によって予熱される重質炭化水素の熱交換器２０の出口温度が低下する。その結果、重質炭化水素の加熱炉１０の入口温度が低下する。

本実施形態では、第三工程において原料油の通油量が平均通油量より下がるので加熱炉１０の負荷が低減される。このため、重質炭化水素の加熱炉の入口温度が低下しても加熱炉１０のＴＳＫ温度の上昇を抑制することができる。

第三工程の原料油の通油量は、好ましくは平均通油量の８０〜９９％、より好ましくは平均通油量の９０〜９８％とすることができる。第三工程の原料油の通油量を過度に下げると、他の工程の通油量を過度に上げることとなる。この場合、他の工程での加熱炉負荷が増大しＴＳＫ温度が上昇する傾向がある。一方、第三工程の原料油の通油量の減少量があまりに過小であると、本発明の効果があまり得られない傾向がある。なお、第三工程の原料油の通油量の平均値が上記範囲を満足していればよく、一時的に通油量が上記範囲外となっても構わない。

コークの生成量は、ＴＳＫ温度に依存する。本実施形態においては、第一工程及び第三工程の原料油の通油量を下げることによって加熱炉の負荷を低減しＴＳＫ温度を低減していることから、コークの生成が抑制されランレングスを延長することができる。また、運転開始から、加熱炉チューブ内のコークを除去する清掃のためにディレイドコーカーの運転を停止するまでの積算通油量を増加させることが可能となる。

サイクル時間に対する第一工程及び第三工程の時間の割合は、それぞれ１０％〜４０％であることが好ましく、それぞれ２０〜３０％であることがより好ましい。サイクル時間に対する第一工程及び第三工程の時間の割合が各々１０％より短いと、加熱炉の負荷が十分に低減されず、チューブスキン温度の上昇の十分な抑制効果が得られない。サイクル時間に対する第一工程及び第三工程の時間の割合がそれぞれ４０％より長いと第一工程及び第三工程の通油量が殆ど下げられないか、または第二工程で通油量を大幅に上げることになり、結果的にＴＳＫ温度が上昇することとなる。

第一工程から第三工程の各工程における原料油の通油量と時間は、上述の範囲内で任意に調整可能である。例えば、第一工程と第三工程との各運転時間をサイクル時間の１０％とし、両工程の通油量を平均通油量に対して１．０％減らした場合、サイクル時間の８０％を占める第二工程では平均通油量に対して通油量を０．２５％増やすことができる。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態にかかるディレイドコーカー１は二基のコークドラム１６（１８）を備えるが、本発明は三基以上のコークドラムを備える場合でも適用可能である。

上記実施形態にかかるディレイドコーカー１はスタブタワー１２を備えるが、スタブタワー１２はなくても良い。この場合、原料油は熱交換器で予熱された後に精留塔の底部に導入され、コークドラムで生成した分解炭化水素と接触した後に加熱炉で加熱することができる。

上記実施形態にかかるディレイドコーカー１は原料油と重質軽油とを熱交換する熱交換器２０を備えるが、原料油と軽質軽油及び／又はガス・ナフサとを熱交換する熱交換器をさらに備えていてもよい。また、精留塔では上記留出油以外の留分、例えば灯油を得ることも可能である。この場合、原料油と灯油とを熱交換する熱交換器をさらに備えていてもよい。

以下に、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

（実施例１）
第一工程がサイクル時間の２５％、第二工程がサイクル時間の５０％、第三工程がサイクル時間の２５％であるディレイドコーカーの運転を実施した。第一工程及び第三工程の原料油の通油量は平均通油量の９６％とし、第二工程の原料油の通油量は平均通油量の１０４％とした。

（実施例２）
第一工程がサイクル時間の２０％、第二工程がサイクル時間の６０％、第三工程がサイクル時間の２０％であるディレイドコーカーの運転を実施した。第一工程及び第三工程の原料油の通油量は平均通油量の９６％とし、第二工程の原料油の通油量は平均通油量の１０３％とした。その他の運転条件は実施例１と同一とした。

（実施例３）
第一工程がサイクル時間の３０％、第二工程がサイクル時間の４０％、第三工程がサイクル時間の３０％であるディレイドコーカーの運転を実施した。第一工程及び第三工程の原料油の通油量は平均通油量の９０％とし、第二工程の原料油の通油量は平均通油量の１１５％とした。その他の運転条件は実施例１と同一とした。

（比較例１）
ディレイドコーカーの運転を原料油の通油量一定で実施した。通油量を一定としたこと以外は実施例1と同じ条件で運転を行った。

（比較例２〜４）
第一工程〜第三工程の1サイクルに占める時間の割合と各工程の平均通油量に対する通油量割合とを表1に示すとおりに変更したこと以外は実施例1と同じ条件で運転を行った。

表１に各実施例、比較例の運転の実施結果を示す。

（チューブスキン温度変動の評価）
図２は、実施例１及び比較例１〜４の第一工程から第三工程の各工程の時間割合と、通油量の経時変化と、ＴＳＫ温度の経時変化とを示す図である。なお、実施例１〜３及び比較例１〜４の平均通油量は同一である。また、ＴＳＫ温度のグラフは、実施例１及び比較例１〜４のＴＳＫ温度のベースラインを合わせて比較したものである。

ΔＴが比較例１では１０℃であったのに対し、実施例１では５℃、実施例２では７℃、実施例３では９℃と小さくすることができた（表１）。この理由は、実施例１〜３では分解炭化水素の発生が少なく重質炭化水素の加熱炉入口温度が下がる第一工程、及び凝縮油の発生により原料油の加熱炉入口温度が下がる第三工程の通油量を平均通油量の９０〜９６％にして加熱炉負荷を低減したためである。

第二工程の原料油の通油量を平均通油量の１２１％とした比較例２では、第二工程での加熱炉負荷が上昇したためΔＴが１０℃であった。

サイクル時間に対する第一工程と第三工程の時間の割合をそれぞれ５％とした比較例３では、通油量を下げる第一工程と第三工程の時間が短すぎたために第一工程及び第三工程での加熱炉の負荷を低減できず、ΔＴが１１℃であった。

サイクル時間に対する第一工程と第三工程の時間の割合をそれぞれ４５％と高くした比較例４では、ΔＴが１１℃であった。この理由は次の通りと考えられる。原料油の通油量が減少している第一工程及び第三工程の時間が長いため、精留塔底部からの重質軽油の量が減少する。これに伴い第一工程及び第三工程での熱交換器における原料油と重質軽油との熱交換の効率が低下し原料油の熱交換器出口温度が実施例１〜３より低下してしまう。その結果、加熱炉入口温度が低下して加熱炉の負荷が増加しΔＴが上昇すると考えられる。

図３は実施例１と比較例１のＴＳＫ温度の変化を比較するための図である。実施例１の方が比較例１よりもＴＳＫ温度の変動が小さくＴＳＫ温度の上昇が抑制されて、ＳＷ間の１サイクルのＴＳＫ温度の最大値と最小値の差が小さくなっていることが確認された。

（ランレングスと積算通油量の評価）
図４は、ΔＴとランレングスの関係を示す図である。加熱炉ＴＳＫ温度が加熱炉チューブの材質上の制限温度に到達するまでの期間をランレングスとして測定した。加熱炉チューブの材質によって制限温度は変わるが、全ての実施例及び比較例について同一のチューブ材質及び制限温度で運転を実施した。ΔＴが５℃である実施例１は、ΔＴが１０℃である比較例１の１．１８倍のランレングスであった。したがって、実施例１の積算通油量は比較例１の１．１８倍とすることができた。

比較例２はΔＴが１０℃で比較例１と同一であった。比較例３と４はΔＴが１１℃であり、比較例１よりもランレングスが短くなった。

（油収率の評価）
実施例１〜３及び比較例１〜４の油収率（体積％）を表１に示す。油収率は、原料油の通油量に対して、精留塔から留出するガス中のＬＰＧ、ナフサ、軽質軽油及び重質軽油の合計量の体積％で表される。実施例１〜３及び比較例１〜４のいずれも油収率は７５．３％で同一であった。

本発明の好適な実施形態にかかるディレイドコーカーの加熱炉の運転方法を適用する装置を示す全体概略図である。 実施例１及び比較例１〜４の第一工程から第三工程の各工程の時間割合と、通油量の経時変化と、ＴＳＫ温度の経時変化とを示す図である。 実施例１と比較例１のＴＳＫ温度の変化を比較するための図である。 ΔＴとランレングスの関係を示す図である。

符号の説明

１…ディレイドコーカー、１０…加熱炉、１２…スタブタワー、１４…精留塔、１６，１８…コークドラム、２０…熱交換器、２２…スイッチバルブ。

Claims (2)

1. 原料油を精留塔で分離された留出油との熱交換によって予熱する熱交換器と、予熱された前記原料油を加熱する加熱炉と、前記加熱炉で加熱された加熱原料油が順次切り替えて導入されそれぞれ分解炭化水素とコークとを生成して前記分解炭化水素を前記精留塔へ導入する複数のコークドラムとを備え、前記加熱原料油の導入を第一のコークドラムに切り替えてから第二のコークドラムに切り替えるまでを１サイクルとするディレイドコーカーの加熱炉の運転方法であって、
   前記１サイクルは、前記原料油の通油量を前記１サイクルの平均通油量より低くする第一工程と、前記原料油の通油量を前記平均通油量より高くかつ前記平均通油量の１２０％以下とする第二工程と、待機中の前記コークドラムに前記分解炭化水素の一部を導入し発生する凝縮油を前記精留塔に導入するとともに前記原料油の通油量を前記平均通油量より低くする第三工程と、をこの順で含み、
   前記第一工程が前記１サイクルに所要する時間の１０〜４０％を占め、前記第二工程が前記１サイクルに所要する時間の２０〜８０％を占め、前記第三工程が前記１サイクルに所要する時間の１０〜４０％を占めることを特徴とする、ディレイドコーカーの加熱炉の運転方法。
2. 前記１サイクルにおける、前記加熱炉のチューブ表面温度の最大値と最小値の差が１０℃未満である、請求項１記載のディレイドコーカーの加熱炉の運転方法。

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