JP5619174B2 - 熱交換装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

開示の分野
ここに開示する実施例は概して、炭化水素のクラッキング（熱分解）、ならびに、高選択性および長いランタイムで炭化水素のクラッキングを生じさせるための熱交換器およびプロセスに関する。

背景
熱交換器は、典型的に熱交換管の異なる介在層を介した間接的な熱伝達によって、流体および／または気体を加熱または冷却するためのさまざまな用途に用いられる。たとえば、熱交換器は、空調系統、冷蔵系統、ラジエータ、または加熱もしくは冷却に用いられる他の同様のシステムにおいて、および地熱エネルギ生成などの処理システムにおいて用いられ得る。熱交換器は、エネルギ使用量を減らして処理反応を促進するための手段として、石油炭化水素処理において特に有用である。重質油熱分解装置、真空ヒータ、およびクラッキングヒータは、石油炭化水素処理に一般に用いられる熱交換装置である。

熱交換器の多数の構成が当該技術において公知であり、使用されている。たとえば、熱交換器の一般的な構成は、平行パイプの束を収容した円筒形シェルを含む、シェルおよび管の熱交換器である。第１の流体がパイプを通過する間に第２の流体がパイプの周りのシェルを通過することによって、２つの流体同士の間で熱交換が行われる。シェルおよび管の構成の中には、第２の流体を特定の方向に流して熱伝達を最適化するように、シェル全体にわたって、および管の周りにバフルが配置されているものもある。熱交換器の他の構成は、たとえば、燃焼ヒータ、二重パイプ、プレート、プレート−フィン、プレートおよびフレーム、螺旋式、空冷式、およびコイル熱交換器を含む。ここに開示する実施例は概して、熱交換装置の内部で用いられる熱交換管に関する。

一般的に、熱交換管の伝熱率は対流方程式：Ｑ＝ＵＡΔＴによって表わすことができ、式中、Ｑは単位時間当たりに伝達される熱であり、Ａは熱流に利用可能な面積であり、ΔＴは熱交換器全体についての温度差であり、Ｕは熱流に利用可能な面積Ａに基づいた全体の伝熱係数である。

伝熱率Ｑは、熱流に利用可能な面積Ａを増大させることによって増大可能であることが、当該技術において周知である。したがって、伝熱量を増加させるために一般に用いられる方法は、熱交換管内の表面積量を増大させることである。１つのそのような方法では、単一の大口径熱交換管ではなく、複数の小口径熱交換管を用いる。管壁の伝熱面積を増大させる他の方法は、管壁に沿ってさまざまなパターン、フィン、チャネル、襞、溝、流れ向上装置などを追加することを含む。このような表面の変化はまた、流量に乱れを生じさせることによって伝熱面積を間接的に増大させ得る。具体的には、乱流量によって、管壁に接触する流体の割合を高めることができるため、伝熱率を増大させることができる。

たとえば、米国特許第３，０７１，１５９号には、流体が熱交換器管の壁に近接して導かれ、流体が乱流を有するように、いくつかの部材が自身から延在する細長い本体が内部に挿入された熱交換器管が記載されている。管壁に沿ったフィン、リブ、チャネル、溝、隆起部、および／またはインサートを含むパターンを有する他の熱交換管は、たとえば、米国特許第３，８８５，６２２号、米国特許第４，４３８，８０８号、米国特許第５，２０３，４０４号、米国特許第５，２３６，０４５号、米国特許第５，３３２，０３４号、米国特許第５，３３３，６８２号、米国特許第５，９５０，７１８号、米国特許第６，２５０，３４０号、米国特許第６，３０８，７７５号、米国特許第６，４７０，９６４号、米国特許第６，６４４，３５８号、および米国特許第６，７１９，９５３号に記載されている。

伝熱係数Ｕは主に、熱交換管材料の熱伝導率、熱交換管の幾何学的構成、ならびに熱交換管の内部および周りの流体の流動条件の関数であることも、当該技術において公知である。これらの変数は相互に関連していることが多いため、これらは互いに関連付けて考慮され得る。特に、熱交換管の幾何学的構成は、流動条件に影響を及ぼす。流動条件が悪ければ、熱交換管の壁上の望ましくない堆積物の蓄積であるファウリングがもたらされ得る。ファウリングの量が増加すると、熱交換管の熱伝導率が低下する。したがって、熱交換管は、ファウリングを分解および防止するための方法として、流量速度を高めて流量の乱れを促進するように幾何学的に構成されることが多い。

熱交換管の熱伝導率の低下に加えて、ファウリングの量が増加すると、管全体の圧力降下も引起され得る。熱交換管の圧力降下によって、管内の圧力を保持するのに必要な処理コストが増加し得る。また、圧力降下によって流体流速が制限され得るため、伝熱率が低下してしまう。

上述のように、熱交換器管壁にさまざまなパターンおよびインサートを追加することは、伝熱面積を増大させてより多くの乱流量を提供することによって熱交換器管の伝熱率を増大させるための、一般に実行される方法である。しかし、そのような機械的な変更の追加には、材料費の増加、高価な製造手順、およびエネルギー費の増加（さらなる管材料の加熱を含む）が必要になることが多い。また、インサート、フィンなどは、クラッキングヒータまたは重質油熱分解装置などの一定の用途においてスポーリングを引起し得る。

エチレンは、主に他の材料の化学的成分として用いるために世界中で大量に生産されている。エチレンは、石油化学生産会社が製油所の排ガスからエチレンを分離したり、製油所の副生成物の流れおよび天然ガスから得られるエタンからエチレンを生成し始めた１９４０年代に、大量の中間生成物として登場した。

ほとんどのエチレンは、蒸気を用いたエチレンの熱クラッキングによって生成される。炭化水素クラッキングは概して、火炉の放射部の燃焼円筒形反応器内で起こる。対流部において、炭化水素の流れが、火炉バーナーからの煙道ガスとの熱交換によって予熱され得、蒸気を用いてさらに加熱されて、供給原料によるが典型的に５００〜６８０℃の初期のクラッキング温度に昇温され得る。

予熱後、原材料の流れは、ここでは放射コイルと称される管の火炉の放射部に入る。なお、記載および請求される方法は、任意の種類の放射コイルを有するエチレンクラッキング火炉で実行可能であることを理解すべきである。放射コイル内では、炭化水素の流れは、制御された滞留時間、温度および圧力下で、典型的に約７８０〜８９５℃の範囲内の温度に短期間加熱される。原材料の流れの中の炭化水素は、エチレンおよび他のオレフィンを含むより小さな分子にクラッキングされる。その後、クラッキングされた生成物は、さまざまな分離または化学処理工程を用いて所望の生成物に分離される。

クラッキング処理時には、さまざまな副生成物が形成される。形成される副生成物の中には、火炉内の管の表面に堆積し得るコークスがある。放射コイルのコーキングによって、熱伝達およびクラッキング処理の効率が低下するとともに、コイル圧力降下が増大する。したがって、定期的に、限界に達し、火炉コイルのデコーキングが必要である。

デコーキングは機器の生産および熱循環に混乱を引起すため、非常に長いランレングスが望ましい。放射コイルのランレングスを長くするためのさまざまな方法が開発されている。これらは、化学添加物、被覆放射管、流れパターンを変える機械的装置、および他の方法を含む。

機械的装置、またはより一般的には放射コイル流れ向上装置が、ランレングスを長くするのに最も効果的である。これらの装置は、伝熱率を増大させるため、管壁に沿った停滞膜の厚みを減少させることによって管のコーキングの原因となる反応を制限するため、および放射管内の放射温度プロファイルを改良するために、放射管内の流れパターンを「所望の流れパターン」に変えることによってランレングスを増大させる。

しかし、これらの装置には重大な欠点がある。これらの装置を用いると放射コイル圧力降下が増大して、貴重なクラッキング生成物の歩留まりに悪影響を及ぼす。この歩留まり損失は運転経済に重大な影響を及ぼすため、重大な制限である。

請求される実施例の要約
本発明の目的は、選択した１つまたは複数の放射コイル流れ向上装置を、放射コイル内の１つまたは複数の戦略的位置に配置することによって、歩留まり損失に起因する制限を克服することである。これまで、コイル全体に、または少なくともコイルの１つのパスの全長に、多くの放射コイル流れ向上装置が用いられてきた。特定的に配置されたものもあるが、その配置は任意的または標準的なものであった。本発明は、これらの装置を戦略的に配置して、それらの影響を最大化し、生じる付加的な圧力降下を最小化することを目的とする。

１つの局面において、ここに開示する実施例は、少なくとも１本の熱交換管を有する熱交換装置を製造する方法であって、少なくとも１本の熱交換管のピーク熱流束範囲を求めるステップと、少なくとも１本の熱交換管の内部に、少なくとも１本の熱交換管を流れる処理流体に所望の流れパターンを形成するための流れ向上装置を配置するステップとを含み、流れ向上装置は、少なくとも１本の熱交換管の求めたピーク熱流束範囲の上流の、または範囲の、少なくとも１本の熱交換管の内部に配置される方法に関する。

別の局面において、ここに開示する実施例は、少なくとも１本の熱交換管を有する熱交換装置を後付けする方法であって、少なくとも１本の熱交換管のピーク熱流束範囲を求めるステップと、求めたピーク熱流束範囲の上流の少なくとも１本の熱交換管の少なくとも一部を、少なくとも１本の熱交換管を流れる処理流体に所望の流れパターンを形成するための流れ向上装置に置換えるステップとを含む方法に関する。

別の局面において、ここに開示する実施例は、熱交換装置であって、少なくとも１本の熱交換管と、少なくとも１本の熱交換管を流れる処理流体に所望の流れパターンを形成するために、少なくとも１本の熱交換管の内部に配置される流れ向上装置とを含み、流れ向上装置は、少なくとも１本の熱交換管の求めたピーク熱流束範囲の上流の、または範囲の、少なくとも１本の熱交換管の内部に配置される熱交換装置に関する。

別の局面において、ここに開示する実施例は、オレフィンを生成するプロセスであって、炭化水素の熱分解を生じさせる条件で、炭化水素を放射加熱チャンバ内の熱交換管に流すステップを含み、熱交換管は、熱交換管を流れる炭化水素の所望の流れパターンを形成するための流れ向上装置が内部に配置されており、流れ向上装置は、少なくとも１本の熱交換管の求めたピーク熱流束範囲の上流の、または範囲の、少なくとも１本の熱交換管の内部に選択的に配置されるプロセスに関する。

他の局面および利点が、以下の説明および添付の請求項から明らかになるであろう。

ここに開示する実施例に係る熱交換装置の製造方法を示す図である。 典型的な先行技術の熱分解ヒータの簡略化された断面を示す図である。 熱分解ヒータの高さ全体にわたる表面熱流束プロファイルを示すグラフの図である。 熱分解ヒータの高さ全体にわたる表面金属温度プロファイルを示すグラフの図である。 ここに開示する実施例に係る熱交換装置の後付け方法を示す図である。 ここに開示する実施例に係る熱交換装置の放射コイルを示す図である。 ここに開示する実施例に係る熱交換装置の製造方法を示す図である。 ここに開示する実施例に係る熱交換装置の製造方法を示す図である。 ここに開示する実施例において有用な放射コイルインサートを示す図である。 ここに開示する実施例において有用な放射コイルインサートを示す図である。

詳細な説明
１つの局面において、本明細書中の実施例は炭化水素のクラッキング（熱分解）に関する。他の局面では、ここに開示する実施例は、高選択性および長いランタイムで炭化水素のクラッキングを生じさせるための熱交換器およびプロセスに関する。

上述のような放射コイル流れ向上装置を用いて、放射コイル内部の所望の流れプロファイルを促進して熱伝達を改良し、コーキングを減少させ、径方向の温度プロファイルを向上させる。それらの装置は現在、放射コイルの全長にわたって配置されるか、所与の長さ区間毎など、コイルの長さ全体にわたって分配される。

驚いたことに、放射コイル流れ向上装置を放射コイルまたは放射コイルパスのピーク熱流束範囲の上流の場所または当該範囲に選択的に配置することによって、先行の放射コイル流れ向上装置配置方法と比べて、以下の１つ以上が得られることがわかった。すなわち、ｉ）選択性および貴重なオレフィンの歩留まりの増加または最大化、ii）ヒータランレングスおよび容量の増大、iii）放射コイル内に用いる流れ向上装置の数の最小化または減少、ならびにiv）放射コイル全体の圧力降下の最小化および減少である。

本明細書中に用いられるように、ピーク熱流束範囲の「上流に」、またはピーク熱流束範囲に、とは、流れ向上装置に起因する流れプロファイルが放射コイルのピーク熱流束範囲に広がるように、流れ向上装置を放射コイル管の内部に配置することを指す。当業者であれば、放射コイル流れ向上装置によって誘発される流れパターンは装置内に存在し、装置の端部を越えて限られた距離しか延在しないこと、および、流れ向上装置をコイル内に単に配置するだけでは、ピーク熱流束範囲に広がる所望の流れパターンを得られないことを認識するであろう。ピーク熱流束範囲に対する当該装置の配置は、ここに開示する実施例に従って、所望の流れゾーンがピーク熱流束範囲に広がるように選択され、そのような配置は、特に、放射コイル流れ向上装置の種類およびサイズ（流れ向上装置の軸方向長さ、流れ向上装置の中の流路の数、より角度など）、コイル内の炭化水素および／または蒸気の流量、ならびにコイル直径を含む、多数の要因に依存し得る。

ここで図１を参照して、少なくとも１本の熱交換管を有する熱交換装置の製造方法が示される。ステップ１０において、所与の熱交換装置または熱交換器の設計に対して、熱交換装置の熱流束プロファイルを求める。たとえば、火炉（炭化水素の熱分解に有用な一種の熱交換装置）は、バーナーの数、バーナーの配置、バーナーの種類などを含む特定の設計を有し得る。したがって火炉は、火炉の設計に基づいた特定の炎プロファイル（放射熱）および燃焼ガス循環プロファイル（対流熱）を提供するため、火炉の熱流束プロファイルを求めることができる。放射および対流駆動力のため、熱流束プロファイルは実質的にすべての場合において火炉の長さまたは高さにわたって変化し、求めたプロファイルは１つ以上のピーク熱流束高さ（すなわち、熱流束が最大である火炉内の高さ）を有する。ステップ１２において、求めた熱流束プロファイルに基づいて、求めたピーク熱流束範囲における所望の流れパターンを促進するために、求めたピーク熱流束範囲の上流の、または当該範囲の、少なくとも１本の熱交換管の内部に流れ向上装置が配置され得る。

少なくとも１本の熱交換管を有する熱交換装置の製造方法の一例として、ここでは図２〜４として示す、米国特許第６，６８５，８９３号の図１〜３を参照する。典型的な先行技術の熱分解ヒータの断面を図２に示す。当該ヒータは、放射加熱ゾーン１４および対流加熱ゾーン１６を有する。対流加熱ゾーン１６には、この場合は炭化水素原材料２２を予熱するためのものとして示される熱交換面１８および２０が配置されている。このゾーンは、蒸気を生成するための熱交換面も含み得る。対流ゾーンからの予熱された原材料は２４で、放射加熱ゾーン１４に配置された全体的に２６で示される加熱コイルに送られる。加熱コイル２６からのクラッキング生成物は、３０で外に出る。加熱コイルは、業界で一般的であるように、垂直コイルおよび水平コイルを含む任意の所望の構成であり得る。

放射加熱ゾーン１４は、３４および３６で示される壁と、床または炉床４２とを含む。床には、壁に沿って上向きに方向付けられ、かつ空気４７および燃料４９が供給される、垂直燃焼炉床バーナー４６が取付けられている。通常、壁には、コイル管に炎が衝突するのを回避するために壁全体に広がる平面炎パターンを生成するように設計される、放射型バーナーである壁バーナー４８が取付けられている。

図１の方法のステップ１０において、ヒータの熱流束プロファイルを求める。図３はステップ１０の結果であって、２つの動作モードについての、図２に示されるようなヒータの典型的な表面熱流束プロファイルを示しており、一方の動作モードでは炉床バーナーおよび壁バーナーの両方がオンになっており、他方の動作モードでは炉床バーナーがオンで壁バーナーがオフになっている。図４は、同一条件下で求めた管金属温度を示す。これらの図は、火室の下部および火室の上部の両方における低熱流束および低金属温度を示し、温度または熱流束の最小と最大との大きな差を示している。

両方の動作モードのピーク熱流束は、高さ約５メートルで発生すると求められる。ステップ１２において、流れ向上装置によって生成される所望の流れゾーンが１本以上の管または管パスのピーク熱流束範囲に広がるように、流れ方向に依存して高さ５メートルの上方または下方で、ピーク熱流束高さの上流の、または当該高さの、コイル２６の１本以上の熱交換管の内部に放射コイル流れ向上装置が配置され得る。

ここで図５を参照して、少なくとも１本の熱交換管を有する既存の熱交換装置を後付けする方法が示される。ステップ５０において、所与の熱交換装置または熱交換器の設計に対して、熱交換装置の熱流束プロファイルを求める。たとえば、火炉（炭化水素の熱分解に有用な一種の熱交換装置）は、バーナーの数、バーナーの配置、バーナーの種類などを含む特定の設計を有し得る。したがって火炉は、火炉の設計に基づいた特定の炎プロファイル（放射熱）および燃焼ガス循環プロファイル（対流熱）を提供するため、火炉の熱流束プロファイルを求めることができる。放射および対流駆動力のため、熱流束プロファイルは実質的にすべての場合において火炉の長さまたは高さにわたって変化し、求めたプロファイルは１つ以上のピーク熱流束高さ（すなわち、熱流束が最大である火炉内の高さ）を有する。ステップ５２において、求めた熱流束プロファイルに基づいて、求めたピーク熱流束範囲の上流の、または当該範囲の、少なくとも１本の熱交換管の少なくとも一部を、所望の流れパターンを作るための流れ向上装置に置換える。

熱交換装置内に配置される１本または複数の熱交換コイルは、伝熱範囲を通る複数のパスを形成し得る。たとえば、図２の火炉内に示される加熱コイル２６は、放射加熱ゾーン１４を通る１つ以上のパスを形成し得る。図６は、たとえば放射加熱ゾーン内に４個のパスを有する熱交換コイル１２６を示しており、炭化水素の流れが１２８で第１の加熱管に入り、複数のパスを通り抜けて１３０でコイルから出る。熱交換コイル１２６は、範囲１３２によって示される範囲に対応する、求めたピーク熱流束範囲を有する火炉内に配置され得る。放射コイル流れ向上装置は、熱交換コラムの中の１本、２本またはそれ以上の管パスの内部に配置され得、流れ向上装置は、ここに開示する実施例に従って、求めたピーク熱流束範囲１３２の上流に、または当該範囲に配置される。図６に示されるように、放射コイル流れ向上装置１３４は、示される流れ方向に基づいてピーク熱流束範囲の上流の、または当該範囲の、管パスの各々の内部に配置される。

上述のように、放射コイル流れ向上装置によって誘発される流れパターンは限られた距離しか延在せず、ピーク熱流束範囲に対する流れ向上装置の配置は、ここに開示する実施例に従って、所望の流れゾーンがピーク熱流束範囲に広がるように選択され得る。この配置は、特に、放射コイル流れ向上装置の種類およびサイズ（流れ向上装置の軸方向長さ、流れ向上装置の中の流路の数、より角度など）、コイル内の炭化水素および／または蒸気の流量、ならびにコイル直径を含む、多数の要因に依存し得る。

いくつかの実施例では、熱交換装置の製造または後付け方法は、流れ向上装置の好適または最適な場所を選択する付加的な工程を含み得る。ここで図７を参照して、少なくとも１本の熱交換管を有する熱交換装置の製造方法が示される。図１の方法と同様に、ステップ７１０において、所与の熱交換装置または熱交換器の設計に対して、ピーク熱流束範囲とともに、熱交換装置の熱流束プロファイルを求める。ステップ７２０において、熱交換管の中の所与の流れ向上装置の配置に起因する所望の流れパターンゾーンの長さが求められ得る。次にステップ７３０において、この長さを用いて、所望の流れパターンゾーンがピーク熱流束範囲に広がるように流れ向上装置を少なくとも１本の熱交換管内に配置するために、求めたピーク熱流束範囲の上流の距離が選択され得る。次にステップ７４０において、求めたピーク熱流束範囲の上流の、または当該範囲の、選択した距離に流れ向上装置が配置され得る。

上述のように、所望の流れパターンゾーンの長さは、いくつかある要因の中で特に、流れ向上装置の設計に基づいて変化し得る。再び図３を参照して、上向きの流体の流れと仮定して、求めた所望の流れパターンゾーンの長さが３メートルである流れ向上装置が約２メートル〜約４．５メートルのどこかに配置されて、それぞれ線３Ａおよび３Ｂによって示されるように、ピーク熱流束範囲に広がる所望の流れパターンゾーンが得られる。選択される距離は、いくつかある要因の中で特に、管の配置および設計に依存し得、たとえばコイルおよびコイル支持構造内の曲げを考慮する必要などがある。

この区域内に流れ向上装置を配置することによって許容できる性能改良がもたらされ得るが、所望の流れパターンゾーンの求めた長さにわたって熱流束を最大化することがさらに望まれ得る。ここで図８を参照して、ステップ８１０において、所与の熱交換装置または熱交換器の設計に対して、ピーク熱流束範囲とともに、熱交換装置の熱流束プロファイルを求める。ステップ８２０において、熱交換管内の所与の流れ向上装置の配置に起因する所望の流れパターンゾーンの長さが求められ得る。次にステップ８３０において、この長さを用いて、所望の流れパターンゾーンの求めた長さにわたって熱流束を最大化するように少なくとも１本の熱交換管の内部に流れ向上装置を配置するために、求めたピーク熱流束範囲の上流の距離が求められ得る。次にステップ８４０において、求めたピーク熱流束範囲の上流の、または当該範囲の、求めた距離に流れ向上装置が配置され得る。

再び図３を参照して、再び上向きの流体の流れと仮定して、求めた所望の流れパターンゾーンの長さが３メートルである流れ向上装置が、約２メートル〜約４．５メートルのどこかに配置され得る。ステップ８３０における熱流束を最大化するための距離を求めることは、流れ向上装置を高さ約３メートルに配置することによって、所望の流れパターンゾーンの求めた長さにわたって熱流束が最大化され得ることを示す。図示していないが、求めた所望の流れパターンゾーンの長さが異なる流れ向上装置についても同様の分析がなされ得る。

上述のように、いくつかの実施例では熱流束を最大化することが望まれ得る。さらに、熱交換装置の性能は、達成される熱伝達のみに依拠しない。たとえば、炭化水素の熱分解のために用いる火炉の性能は、特に、１つまたは複数の加熱コイルの圧力降下、選択性および／またはオレフィンなどの反応生成物の歩留まり、放射面のファウリングまたはコーキング速度（シャットダウン前のヒータランレングス）、ならびにコスト（たとえば流れ向上装置の数）などの、さまざまな動作パラメータに基づいて検査され得る。図７および図８を参照して、ステップ７１０、７２０および７３０（８１０、８２０および８３０）の１つ以上を繰返し（７５０、８５０）によって反復して、所望の流れパターンゾーンの長さにわたる熱流束、所望の流れパターンゾーンの長さ、流れ向上装置の設計、および熱交換装置の動作パラメータの１つ以上を最適化してもよい。

上述のような流れ向上装置は、設計が異なり得る。流れ向上装置は、流体の流れを２本、３本、４本またはそれ以上の通路に分割し得、約１００°〜３６０°以上の範囲内の流れ向上装置バフルのより角を有し得、いくつかの実施例では約１００ｍｍ〜管の全長まで、他の実施例では約２００ｍｍ〜管の全長まで、長さが異なり得る。他の実施例では、流れ向上装置の長さは、約１００ｍｍ〜約１０００ｍｍ、またはさらに他の実施例では約２００ｍｍ〜約５００ｍｍの範囲内にあり得る。いくつかの実施例では、バフルの厚みはコイル管とほぼ同一であり得る。好ましくは、バフルおよびそれを所定の位置に保持するコイル片の表面は、通路内の渦形成を最小化するための凹状円形アーク形状または同様の形状を有し、流れ抵抗および圧力降下を減少させる。流れ向上装置はたとえば、真空状態および精密鋳造で原料を精錬することによって作られ得、この処理では、流れ向上装置をコイル片に挿入した後、所要量の合金を金型に流し込んでバフルを形成し、金型はその過程で燃えて無くなる。流れ向上装置は、新規または既存の管への切り貼り方法によって取付けられ得る。または、流れ向上装置は、溶接ビードまたは他の螺旋状フィンを標準的な露出管に追加することによっても形成可能である。この溶接ビードは連続していても不連続であってもよいし、放射管の長さだけ延在してもしなくてもよい。

放射コイル流れ向上装置の一例が図９Ａ（断面図）および図９Ｂ（端面図）に示される。図示される放射コイル流れ向上装置は、流体の流れを、流れ向上装置の長さを通り抜ける２本の流路に分割する。コイルは、約１８０°のより角を有するバフルを含む。

上述のように、流れ向上装置は、炭化水素供給原料の熱分解（クラッキング）のために用いられる火炉において有用であり得る。炭化水素供給原料は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、これらの気体の混合物、ナフサ、ガス油などの多様な典型的なクラッキング供給原料のいずれかであり得る。生成物の流れは、その濃度が選択した原材料に一部依存する、さまざまな成分を含む。従来の熱分解処理では、気化した供給原料が希釈蒸気とともに、燃焼ヒータ内に配置された円筒形反応器に送られる。必要な希釈蒸気量は、選択する供給原料に依存する。エタンなどの軽い供給原料は必要な蒸気が少なく（０．２ｌｂ／ｌｂ原材料）、ナフサおよびガス油などの重い供給原料は、０．５〜１．０の蒸気／原材料比が必要である。希釈蒸気は、炭化水素の分圧を低下させ、熱分解コイルの浸炭率を減少させる二重機能を有する。

典型的な熱分解処理では、蒸気／炭化水素の原材料混合物が、約６５０℃などのクラッキング反応の開始直下の温度に予熱される。この予熱は、ヒータの対流部で起こる。そして、混合物が放射部に移動して、熱分解反応が起こる。一般的に、熱分解コイルにおける滞留時間は０．０５〜２秒の範囲内にあり、反応のための出口温度は７００℃〜１２００℃のオーダである。飽和炭化水素からオレフィンへの変換をもたらす反応は高度に吸熱性であるため、高レベルの熱入力を必要とする。この熱入力は、上昇した反応温度で起こる必要がある。ほとんどの供給原料について、特にナフサなどの重い供給原料について、滞留時間が短いほど、二次の劣化反応が減少するためエチレンおよびプロピレンに対する選択性が高まるというのが業界の一般認識である。さらに、反応環境における炭化水素の分圧が低いほど選択性が高まると認識されている。

熱分解ヒータでは、ファウリング（コーキング）の速度は、金属温度、および処理コイルの内側フィルム内で発生するコーキング反応に対する金属温度の影響によって設定される。金属温度が低いほど、コーキング速度が遅くなる。コイルの内面上に形成されるコークスによって、熱伝達に対する耐熱性が作られる。同一の処理熱入力をコイルファウルとして得るためには、火炉燃焼を増大させ、外部金属温度を増大させて、コークス層の抵抗を補償しなければならない。

したがって、火炉のピーク熱流束範囲は、高い金属温度におけるファウリング／コーキングのために火炉およびクラッキング処理の全体性能を制限する。したがって、流れ向上装置をコイル内部の選択した場所または求めた場所に配置する、ここに開示する実施例は、多数の利点を提供し得る。ピーク熱流束範囲内の流れ向上装置によって誘発される流れパターンは、最高金属温度を有するコイルの部分内のファウリングを減少または最小化し得る。流れ向上装置を戦略的に配置した結果、ファウリング速度が低下するのでランタイムを長くすることができる。また、流れ向上装置をコイル全体にわたってではなく、ピーク熱流束範囲の上流または当該範囲のみなどのコイル内の限られた場所に配置することによって、コイル内の圧力降下が減少または最小化するため、選択性、歩留まり、および容量の１つ以上を改良することができる。したがって、ここに開示する実施例に従って達成可能な、より長いランタイム、改良された選択性、改良された歩留まりおよび／または改良された容量によって、熱分解処理の経済的成果を大幅に改良することができる。

本開示に含まれる実施例の数は限られているが、当業者であれば、本開示の利点を有して、本開示の範囲から逸脱しない他の実施例も考案可能であることを認識するであろう。したがって、本発明の範囲は添付の請求項によってのみ制限される。

Claims (14)

1. 少なくとも１本の熱交換管を有する熱交換装置を製造する方法であって、
   前記少なくとも１本の熱交換管のピーク熱流束範囲を求めるステップと、
   前記少なくとも１本の熱交換管の内部に、前記少なくとも１本の熱交換管の前記ピーク熱流束範囲を流れる処理流体に所望の流れパターンを形成するための流れ向上装置を配置するステップとを備え、
   前記流れ向上装置は、前記少なくとも１本の熱交換管の求めた前記ピーク熱流束範囲の上流の、または前記範囲の、前記少なくとも１本の熱交換管の内部に配置される、方法。
2. 前記少なくとも１本の熱交換管は複数のパスを形成し、各パスはピーク熱流束範囲を有し、前記方法は、
   前記少なくとも１本の熱交換管の前記パスの２本以上の内部に、前記少なくとも１本の熱交換管を流れる処理流体に所望の流れパターンを形成するための流れ向上装置を配置するステップを備え、
   前記流れ向上装置の各々は、前記少なくとも１本の熱交換管のパスの求めた前記ピーク熱流束範囲の上流の、または前記範囲の、前記少なくとも１本の熱交換管の２本以上の前記パスの内部に配置される、請求項１に記載の方法。
3. 前記流れ向上装置を前記少なくとも１本の熱交換管の内部に配置したことに起因する所望の流れパターンゾーンの長さを求めるステップと、
   前記所望の流れパターンゾーンの求めた前記長さの少なくとも１つに基づいて、前記流れ向上装置を前記少なくとも１本の熱交換管の内部に配置するために、求めた前記ピーク熱流束範囲の上流の距離を選択するステップと、
   前記所望の流れパターンゾーンの求めた前記長さにわたって熱流束を最大化するために、求めた前記ピーク熱流束範囲の上流の距離を求めるステップと、
   前記所望の流れパターンゾーンの前記長さにわたる前記熱流束、前記所望の流れパターンゾーンの前記長さ、前記流れ向上装置の設計、および前記熱交換装置の動作パラメータのうち１つ以上を最適化するために、長さを求めるステップ、距離を選択するステップ、および距離を求めるステップの１つ以上を反復するステップと、の少なくとも１つのステップをさらに備える、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記流れ向上装置は、１００°〜３６０°のより角を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記流れ向上装置は、前記熱交換管の流れ範囲を２本の通路に分割する、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記流れ向上装置の軸方向長さは、約１００ｍｍ〜約１０００ｍｍの範囲内にある、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 前記流れ向上装置の軸方向長さは、約２００ｍｍ〜約５００ｍｍの範囲内にある、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 前記流れ向上装置は放射コイルインサートを含む、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 少なくとも１本の熱交換管を有する熱交換装置を後付けする方法であって、
   前記少なくとも１本の熱交換管のピーク熱流束範囲を求めるステップと、
   求めた前記ピーク熱流束範囲の上流の前記少なくとも１本の熱交換管の少なくとも一部を、前記少なくとも１本の熱交換管の前記ピーク熱流束範囲を流れる処理流体に所望の流れパターンを形成するための流れ向上装置に置換えるステップとを備える、方法。
10. 前記少なくとも１本の熱交換管は伝熱ゾーンを通る複数のパスを形成し、各パスはピーク熱流束範囲を有し、前記方法は、
    前記パスの２本以上の内部において、求めた前記ピーク熱流束範囲の上流の前記少なくとも１本の熱交換管の少なくとも一部を、前記少なくとも１本の熱交換管を流れる前記処理流体に所望の流れパターンを形成するための流れ向上装置に置換えるステップを備える、請求項９に記載の方法。
11. 前記流れ向上装置を前記少なくとも１本の熱交換管の内部に配置したことに起因する所望の流れパターンゾーンの長さを求めるステップと、
    前記所望の流れパターンゾーンの求めた前記長さの少なくとも１つに基づいて、前記流れ向上装置を前記少なくとも１本の熱交換管の内部に配置するために、求めた前記ピーク熱流束範囲の上流の距離を選択するステップと、
    前記所望の流れパターンゾーンの求めた前記長さにわたって熱流束を最大化するために、求めた前記ピーク熱流束範囲の上流の距離を求めるステップと、
    乱流ゾーンの長さにわたる前記熱流束、前記所望の流れパターンゾーンの前記長さ、前記流れ向上装置の設計、および前記熱交換装置の動作パラメータのうち１つ以上を最適化するために、長さを求めるステップ、距離を選択するステップ、および距離を求めるステップの１つ以上を反復するステップと、の少なくとも１つのステップをさらに備える、請求項９または１０に記載の方法。
12. 熱交換装置であって、
    少なくとも１本の熱交換管と、
    前記少なくとも１本の熱交換管のピーク熱流束範囲を流れる処理流体に所望の流れパターンを形成するために、前記少なくとも１本の熱交換管の内部に配置される流れ向上装置とを備え、
    前記流れ向上装置は、前記少なくとも１本の熱交換管の求めた前記ピーク熱流束範囲の上流の、または前記ピーク熱流束範囲の、前記少なくとも１本の熱交換管の内部に配置される、熱交換装置。
13. 前記熱交換装置は、熱分解供給原料を加熱するための火炉を含み、前記火炉は加熱部を含み、前記加熱部は、
    加熱室と、
    前記加熱室の内部に位置決めされた前記少なくとも１本の熱交換管の複数と、
    複数のバーナーとを有する、請求項１２に記載の熱交換装置。
14. オレフィンを生成するプロセスであって、
    炭化水素の熱分解を生じさせる条件で、前記炭化水素を放射加熱チャンバ内の熱交換管に流すステップを備え、前記熱交換管は、前記熱交換管のピーク熱流束範囲を流れる前記炭化水素の所望の流れパターンを形成するための流れ向上装置が内部に配置されており、
    前記流れ向上装置は、少なくとも１本の前記熱交換管の求めた前記ピーク熱流束範囲の上流の、または前記ピーク熱流束範囲の、少なくとも１本の前記熱交換管の内部に選択的に配置される、プロセス。