JPS58173388A - 接近して結合した輸送ライン熱交換器装置 - Google Patents

接近して結合した輸送ライン熱交換器装置

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JPS58173388A
JPS58173388A JP58045853A JP4585383A JPS58173388A JP S58173388 A JPS58173388 A JP S58173388A JP 58045853 A JP58045853 A JP 58045853A JP 4585383 A JP4585383 A JP 4585383A JP S58173388 A JPS58173388 A JP S58173388A
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    • F28F9/026Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
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    • F28F9/0275Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes with multiple branch pipes
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    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10GCRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
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    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
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  • Details Of Heat-Exchange And Heat-Transfer (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は炉管、1%にクラツキング炉の放射管を輸送ラ
イン(tran@f・「11n・)の熱交換器に接近し
て結合(Clog@ coupling )  させる
新規な装置に関する。
スチームクラッキングはよく知られた工程であり、米国
特許蒙3,641,190号および英国特許第1.07
7.918号に記載されており、上記特許の教えをここ
で引用文献とする。商業的操作においては、不飽和軽質
膨化水素、4Iに化学薬品および化学中間物として有用
な02〜C4オレフイン類およびジオレフィン類、特に
エチレンを含む生成物を製造するために、20〜90モ
ル憾の水蒸気と混合した炭化水素フィードをクラッキン
グ温廖、九とえば約1400〜1700?に上げ、かつ
反応の吸熱を供給するために上記フィードを燃料燃焼炉
内におかれた金属熱分解管を通過させることによって・
スチームクラッキングは奥總される。
分解流出−は輸送ラインにより炉分解ガス出口に連結さ
れ良熱交換器で冷却でき、斯くてこの交換器は輸送ライ
ン交換器(TLE)と呼ばれる。
ふつうは、多くの反応管からの分解ガスFi!ニホルド
(manlずold )  され、TLEOjl張円一
体(axpanslon cone )  に送られ、
ついで管板を通9゜多管T L E (multltu
b@5hell and tub@TL[)の冷却管に
入り、ガスを冷却し水蒸気を発生させる。
通常のT LEVcおいては1分解ガスは入口寵によシ
冷却管に分配される。TLE管板の断面積は入口ノズル
および出口捕集マニホルドの面積に比較し大きいから、
分解ガスはマニホルドを出るとき膨張し、冷却管に入る
と龜再び収縮しなければならない。典型的交換器におい
て#i、速fは入口ノズルで450フイ一ト/秒から冷
却管に入る前に60フイ一ト/秒に落ちる。冷却管にお
いては。
速度は再び211300フイ一ト/秒に増加する;分解
ガスのこの膨張と収縮は交換器人口富におけるガスの低
速と組合さって、すれと無制御滞留時間をまねく。この
無制御滞留時間は望むオレフィンへの選択率の劣化およ
びコークス化の原因となる。
分解がス中の重質成分および多環芳香族Fi凝縮し重合
し、入O宣内にコークスを形成する。工程の乱れオたに
オンスドリーム脱コークス化(onstr・・md@C
Oklng )  中・このコークスは砕け、交換器管
を塞ぎ・交換器圧力降下を著しく増す。また、熱ガスが
冷却管の間の管板によって生じる死流帯域(deadず
loW ZOn@ )  を打つ(5trike ) 
 とき−分解ガス中Kll濁している重質成分および多
環芳香Jmlはガス流からたたき出され、#縮し1重合
して冷却管の間の管板上にコークスを形成する。このコ
ークス析出物は成長し、徐々に冷却管への入口を蔽いま
たは紺鎖し、斯くて伝熱を妨げ、熱交換器の熱効率を失
なわせる。さらに、速度の大きな変化によプ生じる分解
ガスのこのような膨張と収縮は、米国特許第3.357
,485号に議論されているように、圧力損失をきたす
・本発明に従えば、これらの東件が避けられ、圧力損失
が減らされる。
通常の設計においては、速度の著しい増加(ガスが冷却
管に入るとき)があり、これは動的圧力損失が小さな静
的圧力獲得に比べ大きい結果となり、全体としてはるか
に大きい圧カ横失を与える。
これは速度における大きいまたは突然の増加がないので
、静的圧力の揄得に比べ動的圧力の一層小さい損失が全
体としての小さな圧力損失を与える本発明とは対照的で
ある。流路に沿うての速度の減少は、標準膨張円錐体に
対比し徐々で、比較的小さいか、オたは速度が一定であ
り得る。
フレア膨張室(ずtared @xpansion c
hamber )は次の米!iil特許に記載されてい
る・第3.357,485号、*3.765.262号
第3,449,212号、蒙5,910.347号、第
3,456,719号−@4,078#292号。
第3.552.487号%蒙4.097.544号。
第3.574.781号、第4,151,217号。
米国特許第3.671,199号においては。
各反応管の出口は冷却ジャケラ)Kより固型れている夫
々の急冷管に連結されている。これは次のような重大な
欠点を有する。1個の反応管Kjl付けた1個の急冷管
の場合、コークスにより急冷管が詰オっ九とき流れの損
失があり、分解ガスは反応管内に残り、温度の電電に逼
し、燃えきりを生じるから、ついで反応管が破横する。
これに対比し1本熱交換装置はガスに対し少なくと42
個の流路を有し1両者が同時に結まる確率は著しく小さ
い。これはすぐれ先安全特徴である。
滞留時間および嶽化水素分圧を減少し、クラッキングを
一層高い放射コイル出口1[fでlI!紬するとき、望
むオレフィンへの選択率は改良される。
したがって、最近は、短かい滞留時間を与える熱分解管
の使用に注意が向けられてきた。(たとえハ、論文「エ
チレン」、ケきカル・ウィーク(Chemical W
esk ) * 11月13日号、1965年参照。) ごく短かい滞留時間クラッキングの利点を利用するため
KFi、望ましくない分解反応を停止する九めにできる
だけ迅速に流出物を急冷する必要がある・これを遂行す
るためには、非燃焼滞留時間。
すなわち分解プロセスが炉の燃焼帯域を出る時からTL
!冷却管に入る時オでに測定される滞留時間を減少する
ために、燃焼コイル出口にできるだけ接近してTLEを
置く必要がある。燃焼出口およびTLE冷却管の間の分
解ガスの直れと再循環を最小にすること奄望ましい、こ
の無制御1留時間は望むオレフィンへの選択率を劣化さ
せ、重質成分のコークスへの重合を生じるからである。
すなわち、非冷却輸送ラインは反応を続けることのでき
る断熱反応帯を構成する。(デ・オイル・アンド・ガス
・シャーナル(工h・01翻dG・龜Journal 
)、2月1日号、1971年参照、)熱交換器ycおけ
る圧力の蓄積と熱効率の損失を減少することが高度に望
ましい。これを遂行するためには、個々の冷却管間の死
魔帯域を排除して、分解ガス中の菖質敢分がこの区域に
#縮して最後には分解ガスが冷却管に流れるのを制限す
ることを防ぐ必要がある。冷却管間のこれらの死魔帯域
は米国特許第5.557.485号に記載の装置によっ
ては全くは排除されない。
プロセス上の見地からは、非燃焼滞留時間を最小にする
必要があるだけではなく、火室(flrebox )の
外側の輸送ラインおよびTLEにおける圧力降下を減ら
して選択率を改良する必要がある。
上記のように、大きな圧力降下はこれに連結している上
流分解管における圧力および炭化水素分圧の増加をきた
し、熱分解反応に悪影響を与えるからである。上述のよ
うに、圧力降下は本発明の形IIIKjlPいては通常
の装置よりも低い。
TL[の使用に関連した別の間−は炉がら熱ガスを受け
る人口から冷たい交換管への温度遷移に関するもの、お
よびこのような急なA度勾配により金属部品への熱応力
を減少することが望ましいことである・米国特許第5.
853.476号においては、この目的のため水蒸気)
9−ジジャケットを交換器の入口て使用する。本出顧人
は慈父換器装置人口の新規な構造によって、費用のがが
る水蒸気を使うことなくこの目的を達成する。
炭化水素の熱分解、特に@質すレフインへのスチームク
ラッキングにおいて、分解ガスが炉がら熱交換管へ流れ
る輸送ライン熱交換器装置が提供され、この装置mは当
該ガスに対する入口を有するコネクターまたは分配器と
、当該コネクターと共にガスの通過の丸めのY字管を形
成する2個の分岐枝(dlV@rglng branc
h)  とからなっており、各校(branch ) 
はその長さに沿って実質上均一な断面積を有しまた夫々
の冷却管と流体流連結(fluid flow com
munlcatlon )  している、そこで、Y字
管の各校は直接冷却管に通じるからガス流路は短かくな
るため、当該装置を炉の放射コイルに接近して結合でき
、一方熱父換管の束を収容するため広げる必要があり、
斯くて通路を長くする通常のTLEの膨張室が除去され
る。非燃焼層留時間と圧力降下が減少し、それによって
エチレンへの選択率を改良する。
tmw枝間に適当な比較的小さい分枝角でもって、Y字
′t#または5−ピース(trl−pl・C・)を使用
できる。各校はその長さに沿って吐着しくは約10慢以
上変化しない、さらに好ましくは約5嚢以上変化しない
実質上均一な断Ifi積を有する。
通常のTLE人口室におけるガスの大きな膨張とそれに
伴なう速度の大きな降下は避けられる。
本発明においては、Y字管または5−ピースの枝の合計
断面積対コネクターの断面積の比Rは次のように表わす
ことができる。
R社約1対1〜約2対1、好ましくは約1対1〜約1.
7対1゜一般に、各校はコネクターより小さい断面積を
有する。Rの上記値に対比し、通常のTL[では円錐体
の膨張端の面積対入口の面積の比ははるかに大きく、約
10対1である。
この形!!!1はガスの再循環を許さない。ガースの波
路は流線である。また管板を含まず、すなわちガスは炉
の放射管からY字管または5−ピースに流れ、次いで妨
害なしに直接冷却1tに流れる。寸法ta当に運ぶこと
によって、ガス速度を炉出口から冷却管まで実質上一定
に維持できる。
非燃焼虐留時間は通常のTLEの0.05秒から0.0
10〜0.015秒に短縮される。非燃焼区域のバルク
滞留時間(bulk residenc@time)が
著しく短縮され、凛準丁LE入口室におけるガスの再循
環による無制御滞留時間が除去されるから、はとんどコ
ークス化は起きない。したがって、当該装置はごく短か
い媚留時間のクラツキンダ管と共に使うのによく通合し
ている。
熱応力を蟻小にするために、Y字管壕九は5−ピースは
間に絶縁物を有して固定し九位置において特に設計した
ジャケットによって納められ、かつ囲まれている。ジャ
ケットま九はレジューサ(r@duc・「)は町費絶縁
物厚さを有する可変断面積および直径を有し、一層小さ
い直径および少ない絶縁はコネクターの最高熱さの入口
端である。
Y字管または5−ピースおよびレジューサは、アシリー
ス・デュ・マノアールボンペイ(^C1・rl・1au
 Manolr−Pompey )社製のマナウライト
(Manmurlt* ) 900 atたはインコロ
イ(Incoloy ) 800 HのようなCr−N
1 / Nl) 合金から適当につくることができる。
絶縁物質は九とえは^、P、グリーン(^、 P、 G
r・・n)牡馬の中重量キャスタゾルV3L−50、を
九はレスコeプロダクツ社(R@sco Produc
ts、  Inc、 )製のレスコ(R55co ) 
RS −5^のような耐火物であることがてきる。
第1図Vこ示すように、本発明の熱交換器装置は一般に
コネクター2および夫々の冷却f4に通じるアームまた
は枝3からなるY字管】からなることができる。ガス流
の方向は矢印で示されている。
Y字管1はジャケットまたはレジューサ10のなかに納
められている。図示してない清帰連結(clean−o
ut conn@ction)をレジューサの上流に備
えることができる。
I@2図#iY字管をさら[MkL<示す。コネクター
2は比較的小さい分岐角をもって2個の枝3に分岐する
。圧力降下をひき起し得るガス流の方向の急な変化を避
けるために、また構造をコン・量クトにするためK、上
記角度は小さく遺ばれる。適当には、この角度は分岐枝
の中心軸間で測定するとき(矢印14参照)約20〜約
40°、好ましくは約50°であることができる。枝は
まっすぐになり、その下流部分5では実質上平行になる
このまっすぐを使つ七浸食をY字管の枝に制限し、ここ
で浸食の余裕を壁厚さに与えることができる。
もしガスが交換器管に入る曲に枝がまっすぐになってい
ないならは、ガス中に含ま・れ得るコークスが交換器冷
却管の薄壁に嚢突し、比較的値時間にf vc孔を浸食
する。コネクターが枝を収容する九め大きくなる場合は
、1字管の枝の交差点により形成されたじゃま板6を軸
方向に配置して、ガスの流路の断面積の拡大を避けるか
または最小にする。
そこで、好ましい具体化においては@2^、2B、2C
図で示したように、纏^−^でのth積は線8−8での
面積と11!ぼ同一で、九とえば1870■2 であり
、$C−CではコネクターはすでVC上記面積のほぼ半
分、たとえば924■2 の枝に分割されている。そこ
で、枝の#?面積の合計対コネクターの断面積の比Rは
はぼ1対1、九とえば0.988である。この比#′i
Y字管ぢゆうを通じて実質上一定のガス速度を達成する
。過当には冷却管を夫々のY字管枝の面積に釣り合うよ
うな寸法eこし、この例ではたとえば一約924−2 
であることができる。Rが1対1より大きく、約2対1
首で、本発明の利点を大部会得ることもできる。
分解ガスは1字管の枝から夫々の冷却管へ直接流れる。
t/TL路における管板のような死魔区域はなく、そこ
で分解ガス中の重質部分(・nd )は懸濁して残少、
冷却管への流区域を封−するコークスとして貯えられな
い。
1字管の部分5はその下流端では、夫々の冷却管4に結
合しておらず、各々は膨張隙間7により冷却管とは間隔
が置かれておシ、つげ8により所定の位@に保持されて
いる。
はぼ1600〜1900−Pで操作する分配器2の熱い
人口9からたとえば約480〜約612°Fで操作でき
る冷い交換器f4への温度遷移は、耐火物を充てんし九
合金レジューサ10で遂行される。大気へのガスの洩れ
を防ぐために、レジューサは図示したように分配器2お
よび長円形管寄せ23VCfli接される@レジューサ
の使用は温度勾配を最小KL、そこて熱応力を減らす。
レジューサはf化できる断面積と直径をもつ。レノユー
サの大きい直径端11Fiその省と熱い内部rYJ取付
物(flttlng )の間に小きな直径端13よpも
一ノー多い絶縁物124有する。それ故、この町萱絶I
I&厚さのために、最^の熱い1度て操作する小さな直
径端は、冷い大きいa極端とほぼ一部放射距離rc熱的
に膨張しまたは成長する。レジューサの両端はほば同−
普、熱的に成長するから、熱応力は最小となる。熱い分
解ガスを暗い交換器管に送るrYJ片分配分配器’ Y
 ’ place dlstrlbutor )2は熱
い分解ガスと同一温度で操作する。「Y」片(I YI
 DI・C・)は冷い交換器管に物理的に結合していな
いから、この点で鋭い温度勾配および熱応力はない。む
しろ、「Y」の部分すと交換器冷却′#t4の間に、A
彰彊障関7があって、「Y」の熱い枝の非拘束膨張を許
す。熱膨張隙間が設けられているので、レジューサlO
の壁は「Y」分配器よりは圧力含有メンバーとして鋤ら
〈。
上記と類似の考慮が第5図に示した5−ピースに通用さ
れる。
第4図はY字管の枝の一つと流体流連結している1個の
熱交換・#會ホす。図示のように、枝の下流部分5は冷
却装置20に適合しているから、ガスは外殻22によシ
ジャケットきれた内管21f:通し流れることができる
。水は管寄せまたはプレナムil (pl@num c
hamMr )  23を経て管内型配置21〜22の
間の環状囲い24に送られ、熱い分解ガスから熱を吸収
し、高圧水蒸気として管寄せ23を去る。
炉(は多数のこのような輸送ライン熱交換器装置が備え
られることがわかる。この装置は炉の頂部オ九は底部に
位筐することができ、いずれかの場合ガス流は上昇i 
(uOflOW )または下降流(downflow 
)  であることができる。
次の実施例は本発明を制限することなく本発明を例示す
るものである。
実施例1 この例では、スチームクラツキング炉の2偶の1.35
インチ内径の放射管を、炉のアーチ水準で逆Y字管取付
物(Invvrt*d wye flttlB )  
により一緒に結合し、上昇流で分解ガス流をTL[冷却
管のすぐ上流で、本発明の熱交換器装置のy字−If取
付物に一定速度で導ひいた。ガス流はこのY字1!fi
IiL付物によって2個の1.55インチ内径の父換器
冷却fVc一定速岐で分配され喪。比RはIK轡しい。
水蒸気(S)対炭化水素(HC)重量/1當比0.45
/1(S/HC)でのナフサクラッキングに対しては、
非燃焼4w時間は約0.012秒であった。1流出物を
1573−F(856C)から642−F (550c
)VC冷すのに、27フイート長さの冷却管が必要であ
った。重質軽油(*M沸点600°F以上)クラッキン
グに対しては、冷却管内の過度のコークス化を避けるた
めに、好ましい出口温度は900’F (482C)以
上であり、わずか[15フィート長さの管を要した。軽
質軽油に対しては、流出物を720−F(382℃)に
冷すために、同一の27フイート長場の交換器管t−使
用できた。
第1表にナフサクラッキングに対する通常の(膨張室)
TLEおよび本発明の間の比較データt−まとめる。燃
焼出口から丁LEの出口捕集マニホルドまたは出口ヘッ
ドの下流の点までの全圧力降下を示す。非燃焼f?#留
時間は炉火室のちょうど外側から冷却管の入口までを測
定した。
全ΔP、 psl        5.1   2.0
非燃焼Il?l留時間1秒  0.0492 0.01
2Δエチレ7.@@慢−0.75   M  準通常の
TLEよりも本発明を使うときは、0.751量優多く
エチレンが生成することがわかる。
実施例2 この装置では、分配器の内径は50.8目で、は1.4
3に等しい。燃焼出口からTLE冷却管への出口捕集マ
ニホルドの下流点まで、全圧力降下は約1.9pslで
あった。
実施例5 別の装置では、分配器はこれに連結した炉放射コイルと
同一内径、1.85インチの管であつ九。
この#は2個の枝に分割され、各々は内径1.69イン
チを有し、同一径の冷却fK導びかれ丸、比Rは1.6
7VC等しい。プロ・fンのスチームクラッキングに対
しては、分解ガス流出物をこの装置で10.5フィート
長さの冷却管で1600°Fから998−Fに冷した。
燃焼出口から冷却管の下流点まで、全圧力降下は約1.
6pslであった。
従って、本@明tiTLE冷却宜を炉の放射コイルに接
近して結合することを達成する。多数の放射コイルの捕
集マニホルドおよびフレア型(flar@d type
 ) T L E人口室の除去は、燃焼出口とTLE?
l#卸管の間の分解ガスの乱れと再循環を岐小1こする
。そこで、非燃焼4w時間が減少する。これらの因子は
非選択的クラッキングおよび次の装置内のコークス化を
減少する。−1小さい圧力降下は放射コイルにおける炭
化水素分、圧を減少し、エチレンへのli!1択本を改
良する。装置の上流で予備急冷のない操作は、高転化率
でのガスブラッキングを0TII@にする。予備急冷の
除去は、一層嵩いTL[人口温度によりTLEで一層多
く水蒸気を生成することにより、炉の熱効率を増す。
予備急冷系は1200”Fの人口を有し、一方接近結合
したTLE系は約1600°Fの入口を有する。
このように、本発明は実質上の熱効率の利点を有し、ま
た価値ある収率の信用を達成する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に従う輸送ライン熱交換器装置の概略図
である。 第2図は1字管の断面図であり、第2^、28120図
は夫々纏^−^、B−8%C−Cで切った断面であシ、
この断面はガス流の方向に垂直である。 第3図は3−ピースの断面図である。 纂4図は装置の1個の冷却管の断面図である。 FIG、 3 −441− FIG 4

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)  ガスの入口を有するコネクターと当該冨ネク
    ターと共にガス通路のための1字管を形成する2備の分
    岐枝とから&L各枝がその長11iKmつて集質上均−
    な断面積を有しオ九夫々の冷却管と流体流連結をしてい
    ることを特徴とする。 ガスが炉コイルから熱交換管Kmれる輸送ライン熱交換
    器装置。 (2) 当該コネクターが3−ピースを形成する3個の
    当該分岐枝を有す石特許請求の範囲第1項記載の装置。 C3)3個の枝が同一平面にああ特許請求の範囲第1項
    記載の装置。 (4)  隣接分岐枝の夫々の中心軸の間O分皺角が約
    20〜40°の範囲である特許請求の範11111項又
    は第2項記載の装置。 (5)  レゾユーザが間に結縁物を有して1字管な収
    容する固定した位置にあり、1字管がその上流端でレゾ
    ユーザに固定され、レゾユーザの直径と絶縁量とが当該
    上流端で最小であり、1字管の枝と夫々の冷却管の間に
    熱膨張隙間が与えられている特許請求の範囲第1項記載
    の装置。 (6)  枝の断面積が互に実質上岬しい特許請求の範
    腫第1項又Fi第2項記載の装置。 (7)  枝の断面積が約10畳以上蛍化しない特許請
    求の範囲第1項又は第2項記載の装置。 (8)  当該枝が夫々の冷却管と[1接流体流連結し
    ている実質上非分岐平行部分へとまっすぐ罠なっている
    特許請求の範囲第1項又は第2項記載のat。 (9)  枝の断面積の合計対コネクターの断面積の比
    Rが約1対1〜約2対1である%杵請求の範罪第1項、
    #E2項又#i第5項記載の装置。 (至) 餞が約1対1〜約1.7対1に等しい特許請求
    の範1111E9項紀載の装置。 1111  ガスが本質的に一定速度で膨張することな
    く炉出口から冷却管に流れる特t’F#if求の範囲第
    1墳又Fi第2項記載の装置。 (2)各校の断面積が夫々の冷却管の断面積と実質上同
    一であり、ガスの流路が管板を含んでいない特許請求の
    範囲第1項又は第2項記載の装置。 ■ 炉がスチームクラッキング炉である特許請求の範囲
    第1項、第2項又#′i第5項記載の装置。
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