JPH09235564A - 炭化水素の熱分解方法および熱分解設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加熱炉の小型化を達成し、かつ高温加熱域で
の加熱制御を容易に行ない得る炭化水素の熱分解方法お
よび熱分解設備を提供することにある。 【解決手段】 本発明の熱分解方法では、原料炭化水素
に対する予熱域での加熱を加熱炉の燃焼熱により行なっ
たのち、高温加熱域での熱分解を誘導加熱装置の誘導加
熱により行なっている。また、本発明の熱分解設備１
は、原料炭化水素に対する予熱域での加熱を燃焼熱によ
って行なう加熱炉２と、高温加熱域での熱分解を互いに
並列接続された複数本の誘導加熱加熱管１０による誘導
加熱によって行なう誘導加熱装置３とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素の熱分解
方法および熱分解設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】ナフサやＬＰＧの炭化水素の熱分解によ
ってエチレンを製造するプラントでは、従来から油また
はガスの燃焼、あるいは油とガスとの混燃によるバーナ
ー輻射熱を熱源とした１基の加熱炉により、原料炭化水
素を予熱段階から分解反応工程に至る全温域において加
熱していた。図７は、従来のエチレン分解炉の一構成例
を示したもので、分解炉Ａに供給された原料炭化水素
（矢印ａ）は、対流部Ａ１において希釈用スチーム（矢
印ｂ）と混合され、予熱コイルＢにより混合原料として
予熱されたのち、輻射部Ａ２の反応管Ｃに送り込まれ
て、フロアーバーナーＤおよびサイドバーナーＥによっ
て熱分解され、分解ガス（矢印ｃ）は反応管Ｃから急速
冷却用の熱交換器Ｆを介して取り出される。なお、反応
管Ｃの出口における分解ガスの温度は、原料がナフサの
場合 850℃前後、また原料がＬＰＧの場合 880℃前後に
制御されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、１基の加熱
炉によって予熱域から分解反応を伴う高温域までの加熱
を実施するには、加熱炉を最高温度に耐え得る構造とす
る必要があり、このため必然的に加熱炉の規模が大きな
ものとなってしまい、プラントの肥大化や、加熱炉の建
設に関わるコストの増大を招く不都合があった。また、
原料炭化水素の分解反応工程における最終的な高温域で
は、精密な加熱制御を必要とするのであるが、バーナー
輻射熱を熱源としている加熱炉では、バーナー輻射熱に
よって炉内を全体加熱しているために、加熱制御が間接
的なものとならざるを得ず、図７に示したエチレン分解
炉のように、サイドバーナーＥを備えた分解炉であって
も加熱制御が十分ではなく、加熱制御の不良に起因して
運転トラブルを招く虞れがあった。本発明は上記実状に
鑑みて、加熱炉の小型化を可能とするとともに、高温域
での加熱制御を容易に実施することができ、さらにメン
テナンスの容易化をも成し得る炭化水素の熱分解方法お
よび熱分解設備の提供を目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するべ
く、本発明に関わる炭化水素の熱分解方法では、原料炭
化水素に対する予熱域での加熱を加熱炉における燃焼熱
によって行ない、次いで原料炭化水素に対する高温域で
の熱分解を誘導加熱装置における誘導加熱によって行な
っている。また、本発明に関わる炭化水素の熱分解設備
は、原料炭化水素に対する予熱域での加熱を燃焼熱によ
って行なう加熱炉と、互いに並列接続された複数本の誘
導加熱管を備えるとともに原料炭化水素に対する高温域
での熱分解を誘導加熱によって行なう誘導加熱装置とを
具備している。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態を示す図面に基
づいて、本発明を詳細に説明する。図１から図６は、本
発明に関わる炭化水素の熱分解方法および熱分解設備
を、炭化水素の熱分解によってエチレンを製造するため
のプラント施設に適用した例を示している。

【０００６】図１に示す如く、本発明に関わる熱分解設
備１は、加熱炉２と高周波誘導加熱装置３とを具備して
おり、原料炭化水素は前工程から移送管４を介して加熱
炉２に導入され（矢印ａ）、この加熱炉２において加熱
されたのち高周波誘導加熱装置３に導入され（矢印
ｂ）、この高周波誘導加熱装置３において熱分解された
のち次工程へ送られる（矢印ｃ）。

【０００７】加熱炉２は、油またはガスの燃焼、あるい
は油とガスとの混燃によるバーナー輻射熱を熱源とし、
原料炭化水素を予熱域において加熱するものである。な
お、この加熱炉２は、通常の素材を用いた極く一般的な
構造であり、その構成は周知なので詳細な説明は省略す
る。

【０００８】一方、高周波誘導加熱装置３は、予熱後の
原料炭化水素を高周波誘導加熱により高温域（約 850〜
880 ℃）において加熱するもので、図１および図２
（ａ）に示す如く複数個（実施例では４個）の加熱ユニ
ット５、５…を、分岐配管６ｉ、６ｏによって互いに並
列に接続することにより構成されている。

【０００９】また、図２（ｂ）に示す如く加熱ユニット
５、５…は、ユニットサポート７を介して１つに束ねた
態様で配設されており、これら加熱ユニット５、５…、
分岐配管６ｉ、６ｏ、およびユニットサポート７によっ
て、１つのユニットモジュールＭが構成されている。

【００１０】このユニットモジュールＭを構成している
１つの加熱ユニット５は、図３および図４に示すよう
に、互いに並列に接続された複数本（実施例では４本）
の高周波誘導加熱管１０、１０…と、これら高周波誘導
加熱管１０、１０…を収容するシールケース２０とを具
備している。

【００１１】すなわち、４個の加熱ユニット５、５…を
具備しているユニットモジュールＭでは、合計４個のシ
ールケース２０、２０…と、合計１６本の高周波誘導加
熱管１０、１０…とを有することとなる。

【００１２】高周波誘導加熱管１０、１０…は、原料炭
化水素の流通する加熱管１１と、該加熱管１１に巻回さ
れた誘導電流発生用のコイル１２とを備え、分岐配管６
ｉから延びる分岐配管８ｉと、分岐配管６ｏへ延びる分
岐配管８ｏとを介して、互いに並列に接続されている。

【００１３】一方、シールケース２０は、両端の閉じら
れた円筒形状を呈しており、分岐配管８ｉを支持する端
部固定パネル２１と、分岐配管８ｏを支持する端部固定
パネル２２とを有するとともに、分岐配管８ｉを囲繞す
るサイドケース２３と、分岐配管８ｏを囲繞するサイド
ケース２４とを有している。

【００１４】さらに、シールケース２０は、加熱管サポ
ート９、９を介して、高周波誘導加熱管１０、１０…を
支持するとともに囲繞する円筒状の中央ケース２５を有
しており、これら高周波誘導加熱管１０、１０…、加熱
管サポート９、９および中央ケース２５によって加熱管
ブロックＮが構成されている。なお、図４に示すよう
に、高周波誘導加熱管１０、１０…は、加熱ユニット５
を可及的にコンパクト化するべく、加熱管サポート９、
９を介して１つに束ねた態様で配設されている。

【００１５】図３に示す如く、端部固定パネル２１とサ
イドケース２３、および端部固定パネル２２とサイドケ
ース２４は、それぞれガスケットＧ１を介装して互いに
ボルト締めされており、またサイドケース２３およびサ
イドケース２４と中央ケース２５とは、それぞれガスケ
ットＧ２を介装して互いにボルト締めされており、もっ
てシールケース２０の内部空間は外部と遮断された状態
にある。

【００１６】このシールケース２０の内部空間は、例え
ば窒素ガス等の不活性ガス雰囲気に保持されており、こ
の不活性ガスは端部固定パネル２１に接続されている導
入配管３１を介して、図示していないガス供給源から微
量、かつ微圧力でシールケース２０の内部へ供給されて
いる。

【００１７】一方、端部固定パネル２２には、シールケ
ース２０の内部における不活性ガスをフレーアーライン
へ送り出すためのガス排気管３２が接続されており、こ
のガス排気管３２にガスモニターを設けておくことで、
万一のプロセス液体の漏洩を検知することができる。さ
らに、端部固定パネル２１と端部固定パネル２２とに
は、各々後述する電源端子４０とコイル冷却水端子５０
とが取り付けられている。

【００１８】サイドケース２３におけるフランジ２３ａ
の基部、サイドケース２４におけるフランジ２４ａの基
部、さらに中央ケース２５におけるフランジ２５ａの基
部には、高周波誘導加熱管１０、１０…からの発熱に起
因する、シールケース２０の伸縮を吸収する目的で、大
きな曲率で曲面加工された伸縮吸収部Ｒが各々設けられ
ている。

【００１９】一方、図５に示す如く高周波誘導加熱管１
０は、原料炭化水素の流通する加熱管１１と、この加熱
管１１を囲繞する誘導電流発生用のコイル１２とを具備
し、これら加熱管１１およびコイル１２は保温材１４に
よって覆われている。なお、上記保温材１４はコイル１
２の下（加熱管１１とコイル１２との間）、あるいはコ
イル１２の上（外周域）のどちらにでも外装可能であ
る。

【００２０】上記コイル１２は、銅チューブを巻回する
ことによって製作されており、コイル１２における端部
１２ａと端部１２ｂとの間には、該コイル１２に高周波
電流を供給するための高周波ジェネレータ１００が接続
されているとともに、コイル１２の両端部は一対のコイ
ル冷却水端子５０に各々接続され、これらコイル冷却水
端子５０を介してコイル１２の内部に冷却水が通水され
ている。

【００２１】一方、加熱管１１の導入側端部（図５中の
左方端部）１１ｉと排出側端部（図５中の右方端部）１
１ｏとには、それぞれ導入側温度センサーＳｉと排出側
温度センサーＳｏとが取り付けられており、これらのセ
ンサーＳｉ、Ｓｏからの温度検出信号は上記高周波ジェ
ネレータ１００に入力される。

【００２２】図６に示すように、電源端子４０は絶縁材
料のブロック４１にコネクタ４２をモールディングして
構成されており、またコイル冷却水端子５０は絶縁材料
のブロック５１に分岐流路５１ａを形成して構成されて
いる。

【００２３】コイル冷却水端子５０の分岐流路５１ａに
は、高周波誘導加熱管１０、１０…のコイル１２を構成
する銅チューブの端部が取り付けられているとともに、
冷却水流路としてのパイプ５２が接続されている。

【００２４】一方、電源端子４０のコネクタ４２は、給
電ワイヤー４３を介して高周波ジェネレーター１００に
接続されているとともに、コイル１２の端部に各々給電
ワイヤー４４、４４…を介して接続されている。

【００２５】なお、電源端子４０とコイル冷却水端子５
０とは、共に端部固定パネル２１と端部固定パネル２２
とに設けられており、コイル１２を構成している銅チュ
ーブへは、一方のコイル冷却水端子５０を介して冷却水
が供給され、他方のコイル冷却水端子５０を介して冷却
水が排出される。

【００２６】上述した如き構成の熱分解設備１におい
て、先に述べたように前工程から移送管４（図１参照）
を介して加熱炉２に導入された原料炭化水素は、加熱炉
２におけるバーナー輻射熱により予熱されることとな
る。

【００２７】ここで、上述の如く原料炭化水素を予熱す
るための加熱炉２、言い換えれば高温域での加熱を行な
うことのない加熱炉２は、予熱域での比較的低い温度範
囲において耐え得る構造であれば良いためにコンパクト
化が可能となる。

【００２８】このように、加熱炉２がコンパクト化する
ことにより、熱分解設備１の全体規模を可及的かつ経済
的に縮小し得るとともに、基礎の製作や接続配管類の周
辺関連設備も含めた現場工事を大幅に削減でき、もって
熱分解設備１、延いてはプラント全体の建設工期を大幅
に短縮することが可能となる。

【００２９】一方、加熱炉２において予熱された原料炭
化水素は、先に述べたように高周波誘導加熱装置３へ送
り込まれ、この高周波誘導加熱装置３での高周波誘導加
熱により、約 850〜880 ℃の温度にて熱分解される。

【００３０】高周波誘導加熱装置３を構成する高周波誘
導加熱管１０では、コイル１２に高周波ジェネレータ１
００から出力される高周波電力が印加され、加熱管１１
に誘導電流が流れることによって該加熱管１１が加熱さ
れており、原料炭化水素は加熱管１１を流通する際に該
加熱管１１の熱によって加熱されることとなる。

【００３１】このとき、導入側センサＳｉおよび排出側
センサＳｏは、加熱管１１における導入側端部と排出側
端部との温度を示す信号を高周波ジェネレータ１００に
入力し、この高周波ジェネレータ１００は、導入側セン
サＳｉと排出側センサＳｏとによって検出された温度の
差を演算し、この温度差が所定の目標値となるようにコ
イル１２に対する高周波電力の供給量を制御する。

【００３２】これによって、高周波誘導加熱装置３へ送
り込まれた原料炭化水素は、高周波誘導加熱管１０にお
ける加熱管１１を通過することにより、高温域における
所定の温度に加熱されることとなる。

【００３３】ここで、高周波誘導加熱管１０を流通する
原料炭化水素は、誘導電流によって熱せられた加熱管１
１と接触することで、該加熱管１１によって直接に加熱
されるため、原料炭化水素に対する精密な加熱制御が可
能となる。

【００３４】このように、原料炭化水素を高温域におい
て熱分解する工程を、高周波誘導加熱装置３において行
なうことで、原料炭化水素に対する精密な加熱制御が可
能となり、もって加熱炉で高温域加熱を行っていた従来
設備に比較して、加熱制御の不良に基づく運転トラブル
の発生を可及的に防止することが可能となる。

【００３５】また、原料炭化水素を熱分解するための高
周波誘導加熱装置３を、原料炭化水素を予熱するための
加熱炉２と独立させて設けたことで、加熱炉２および高
周波誘導加熱装置３に対する各々のメンテナンス作業が
容易なものとなる。

【００３６】一方、高周波誘導加熱装置３において原料
炭化水素を加熱している際、万一、高周波誘導加熱管１
０等からガスが漏洩した場合でも、漏洩ガスは不活性ガ
ス雰囲気を保持したシールケース２０の内部へ流出する
に留まり、装置外部へ不用意に飛散することはない。な
お、漏洩ガスはシールケース２０内の不活性ガスととも
に、ガス排気管３２を介してフレーアーライン等へ送り
出されて安全に処理されることとなる。

【００３７】また、上記シールケース２０には、上述し
た如く大きな曲率で曲面加工された伸縮吸収部Ｒが各所
に設けられており、高周波誘導加熱管１０、１０…の発
熱に起因するシールケース２０の伸縮が、これら伸縮吸
収部Ｒによって有効に吸収されることで、熱変形による
シールケース２０の破損等が未然に防止される。

【００３８】ところで、高周波誘導加熱装置３における
加熱ユニット５のメンテナンスを実施する際には、サイ
ドケース２３とサイドケース２４とを取り外した後、分
岐配管８ｉおよび分岐配管８ｏと各高周波誘導加熱管１
０、１０…との接続（フランジ結合）を解いて加熱管ブ
ロックＮ（図３参照）を取り出すことにより、高周波誘
導加熱管１０およびシールケース２０を各々容易にメン
テナンスすることができる。

【００３９】また、加熱ユニット５における高周波誘導
加熱管１０が損傷した場合には、上述した作業手順で加
熱管ブロックＮを取り外した後、損傷している高周波誘
導加熱管１０のみ、あるいは加熱管ブロックＮを交換す
れば良いので、高周波誘導加熱装置３の復旧作業を極め
て容易かつ短時間で終了させることができる。

【００４０】さらに、高周波誘導加熱装置３における加
熱ユニット５、５…、および分岐配管６ｉ、６ｏ等は、
１つのユニットモジュールＭを構成しているので、熱分
解設備１を建設する場合には、工場で予め製作したユニ
ットモジュールＭを現場に据付け、高周波誘導加熱装置
３を構築して他の設備と接続するのみで良く、もって熱
分解設備１、延いてはプラント全体の建設工期を大幅に
短縮できる。

【００４１】なお、上述した高周波誘導加熱装置３の加
熱ユニット５は、４個の高周波誘導加熱管１０を具備し
ているが、加熱すべき原料炭化水素の流量や加熱温度等
の諸条件に鑑みて、適宜に高周波誘導加熱管１０の本数
を設定することができ、また高周波誘導加熱管１０の長
さも、該管１０の管径、該管１０を流通する原料炭化水
素の流量および流速、さらには加熱温度等の諸条件に鑑
みて、適宜に設定し得るものであることは言うまでもな
い。

【００４２】さらに、高周波誘導加熱装置３におけるユ
ニットモジュールＭを構成する加熱ユニット５の設置数
も、原料炭化水素の流量等の諸条件に基づいて、適宜に
設定し得ることは勿論であり、また熱分解設備としての
設計条件の違いに対しては、ユニットモジュールＭの設
置数を増減させたり、複数のユニットモジュールＭを互
いに直列、あるいは互いに並列に接続することによって
容易に対応することが可能である。

【００４３】また、上述した熱分解設備１においては、
高周波誘導管１０を備えた高周波誘導加熱装置３を用
い、予熱後の原料炭化水素を高周波誘導加熱により熱分
解するよう構成しているが、高周波誘導加熱のみなら
ず、 50Hz または 60Hz の商用周波数の電流による誘導
加熱によって、原料炭化水素を熱分解するように構成す
ることも可能である。

【００４４】さらに、誘導加熱においては上述の如く 5
0Hz または 60Hz の商用周波数の電流、高周波誘導加熱
においては 2000Hz の汎用高周波の電流を用いるのが一
般的であるが、電流の周波数は誘導加熱および高周波誘
導加熱の何れにおいても、適宜に選択し得ることは勿論
である。

【００４５】

【発明の効果】以上、詳述した如く、本発明に関わる炭
化水素の熱分解方法では、原料炭化水素に対する予熱域
での加熱を加熱炉における燃焼熱によって行ない、次い
で予熱後の原料炭化水素の熱分解を誘導加熱装置におけ
る誘導加熱によって行なっている。また、本発明に関わ
る炭化水素の熱分解設備は、原料炭化水素に対する予熱
域での加熱を燃焼熱によって行なう加熱炉と、互いに並
列接続された複数本の誘導加熱管を備えるとともに原料
炭化水素に対する高温加熱域での熱分解を誘導加熱によ
って行なう誘導加熱装置とを具備している。すなわち、
本発明によれば、加熱炉は予熱域での加熱のみを行なう
ので、比較的低い温度範囲において耐え得る構造であれ
ば良いため、その規模は必然的に小さいものとなり、も
って熱分解設備の全体規模をコンパクト化し得るととも
に、建設コストの削減が達成され、かつ工期を大幅に短
縮することが可能となる。また、本発明によれば、誘導
加熱装置の誘導加熱管において、原料炭化水素を誘導加
熱により直接に加熱しているので、高温域における精密
な加熱制御を容易に実施することができ、もって加熱制
御の不良に基づく運転トラブルの発生を未然に防止する
ことが可能となる。さらに、本発明によれば、加熱炉と
誘導加熱装置とを互いに独立させたことにより、それぞ
れのメンテナンス作業の容易化が達成されることとな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関わる炭化水素の熱分解設備を示す概
念的な全体図。

【図２】（ａ）および（ｂ）は本発明に関わる熱分解設
備の高周波誘導加熱装置を示す概念図。

【図３】高周波誘導加熱装置における加熱ユニットを示
す概念的な展開断面図。

【図４】高周波誘導加熱装置における加熱ユニットを示
す概念的な断面図。

【図５】高周波誘導加熱装置における高周波誘導加熱管
の構成および加熱制御系を示す概念図。

【図６】高周波誘導加熱装置における加熱ユニットの電
源端子およびコイル冷却水端子を示す要部断面図。

【図７】従来の一般的なエチレン分解炉を示す概念図。

【符号の説明】

１…熱分解設備、 ２…加熱炉、 ３…高周波誘導加熱装置、 ５…加熱ユニット、 １０…高周波誘導加熱管、 １１…加熱管、 １２…コイル、 ２０…シールケース。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺内 豊 神奈川県横浜市南区別所一丁目14番１号 日揮株式会社横浜事業所内 (72)発明者 花岡 正明 神奈川県横浜市南区別所一丁目14番１号 日揮株式会社横浜事業所内 (72)発明者 満木 秀明 神奈川県横浜市南区別所一丁目14番１号 日揮株式会社横浜事業所内 (72)発明者 佐藤 健二 神奈川県横浜市南区別所一丁目14番１号 日揮株式会社横浜事業所内 (72)発明者 美島 征雄 神奈川県横浜市南区別所一丁目14番１号 日揮株式会社横浜事業所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料炭化水素に対する予熱域での加
   熱を加熱炉における燃焼熱によって行ない、次いで原料
   炭化水素に対する高温域での熱分解を誘導加熱装置にお
   ける誘導加熱によって行なうことを特徴とする炭化水素
   の熱分解方法。
2. 【請求項２】 原料炭化水素に対する予熱域での加
   熱を燃焼熱によって行なう加熱炉と、 互いに並列接続された複数本の誘導加熱管を備え、原料
   炭化水素に対する高温域での熱分解を誘導加熱によって
   行なう誘導加熱装置と、 を具備して成ることを特徴とする炭化水素の熱分解設
   備。
3. 【請求項３】 誘導加熱装置は、互いに並列に接続
   された複数本の誘導加熱管を収容し、かつ内部が不活性
   ガスの雰囲気に保持されたシールケースを具備して成る
   ことを特徴とする請求項２記載の炭化水素の熱分解設
   備。