JPS6020674B2

JPS6020674B2 - 二段型熱交換装置

Info

Publication number: JPS6020674B2
Application number: JP123483A
Authority: JP
Inventors: 虔治有崎; 龍一郎蛭田; 昭光松本; 富久石川
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1983-01-10
Filing date: 1983-01-10
Publication date: 1985-05-23
Also published as: JPS58130994A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は熱交換装置に係り、特に炭化水素分解炉用とし
て使用する一次急冷熱交換器と二凝熱交換器とを粗合せ
た二段型急冷熱交換器よりなる急冷熱交換器における一
次急冷熱交換器構造の改良に関するものである。

炭化水素を熱分解してエチレンなどを製造するナフサ分
解用急冷熱交換器として、一次急冷熱交換器と二次熱交
換器を直列に組合せた二段熱交換装置が使用されている
が、当該一次急冷熱交換器入口伝熱部の熱負荷（ヒート
フラツクス＝単位面積当りの熱流量）が馨るしく高く、
したがって焼損を起しやすいという欠点がみられた。

また、処理ガスはその急袷の際にカーボンタールなどを
発生し、したがって上記急冷熱交換器の入口接続部に当
該カーボンタールがつまり、閉塞するなどの問題点がみ
られた。本発明は以上に説明したような従来技術にみら
れた問題点に鑑みてなされたもので、焼損を起すことな
く、かつ入口接続部がカーボンタールなどで閉塞される
ことがない、安全かつ効率の高い、改良された熱交換装
置を提供することを目的とするものである。

本発明にか）る改良された新規な構造よりなる一次急冷
熱交換器は、炭化水素を含む原料を分解して得られる高
温分野ガスを二重管式の一次急冷熱交換器で反応凍結温
度まで冷却し、続いて多管式の２次熱交換器で前記冷却
後の分解ガスを冷却するように構成された熱交換装置の
前記一次急冷熱交換器が「内筒および外筒を含む二重管
構造よりなり、該二重管は内筒と外筒で形成される環状
流路内に冷却水が流通し、内筒内部に前記冷却水によっ
て冷却される高温ガスが流通するように構成され、かつ
前記高温ガスを流入させる高温連絡管と接続される接続
部を含む急冷熱交換器において、前記内筒外面にリブを
形成し、高温ガス入口側は内筒内にすき間を介して挿入
位置するサｍマルスリーブ付きのフランジ接続とし、前
記サーマルスリーブは該フランジ接続の高温連絡管側フ
ランジ部村より展出させ、かつ前記内筒とサーマルスリ
ーブで形成するすき間にパージ媒体を供給する供給手段
を設けた二段型熱交換装置である。

以下に添付の図面を参照しながら、本発明になる一次ク
ェンチャ（急冷器）の構造をさらに詳細に説明する。第
１図は本発明になる、改良された構造の急冷熱交換器を
含んでなる熱交換器の構成およびそれを組込んだ反応系
の構成を示す説明図である。

第１図において、炭化水素などの原料は分解炉川こ送ら
れ、そ内部に設けられた対流部伝熱管で加熱され、同時
に蒸気を混合し、当該分解炉竃の反応管３に供給される
。当該反応管３は上記分解炉１に配備されたバーナ２に
よって加熱され、上記炭化水素ガスはエチレンを主成分
とするガスに分解される。分解温度は通常は８００〜９
０ぴ○程度でかなりの高温度である。この際生成した分
解ガスはきわめて不安定でありト高温のもとで長い時間
放置すると２次反応を起しカーボンおよび高分子の炭化
水素に変質し、反応管の内壁面などに付着する。そのた
め通常は上記の２次反応が起り得ない温度すなわち５０
０〜６０００Ｃまで急冷し、反応の凍結後ガスの有する
熱の回収を目的とし「さらに冷却を行ない、二段階に分
けて分解ガスの冷却を行なう。上記の分解炉を出たガス
は高温連絡管４を経て−次急冷熱交換器５に送られ、当
該急冷熱交換器５において急冷され、反応凍結温度まで
冷却される。その後中間連絡配管６を経て、二次熱交換
器７に入り、さらに熱回収され、ここで一層冷却され、
ほぼ２５０〜４００ｑＣで油噴射になる冷却器８に入る
。当該冷却器８において反応ガス中に油が直接噴射され
、さらに冷却が効果的に行なわれるとともに、高沸点分
の凝縮が行なわれ〜生成ガス９として送り出される。以
上において本発明の対象となる上記の一次急冷熱交換器
５および二次熱交換器７１まともに水によって間接的に
冷却される方式であり、ボィラ下降管１０とボィラドラ
ム１３により上記の一次急冷熱交換器５、二次熱交換器
７に冷却水が送られている。

なお当該一次急冷熱交換器５及び二次熱交換器７におい
て発生した蒸気は上昇管１１および１２を経て当該ドラ
ム１３に戻り蒸気を分離して再び発生蒸気１４として敬
出すものである。以上において「分解ガスは少くとも１
／１００硯砂程度の早さで急冷することが必要であり、
一方管内のガス流速は１００〜３０肌ノｓｅｃで著るし
く高い。したがって箸るしく大きな温度差と高流速とに
よるガス側の熱伝達はきわめて厳しい条件のもとで行な
われ、分解ガスの助走区間の効果も作用し、一次急冷熱
交換器５の入口近傍の伝熱負荷は箸るしく高い。したが
って上述のように冷却水側の伝熟部分において膜沸騰化
し、焼損を起しやすいことはすでに説明したとおりであ
る。第２ａ図は本発明になる熱交換器を構成する−次急
冷熱交換器６の構造を示すもので、第３図は当該一次急
冷熱交換器５の入口接続部の構造詳細図である。

第１図において、すでに説明したように分解ガスは高温
連絡管４から一次急冷熱交換器５に入る。第２ａ図は本
発明になる改良された構造よりなる一次急冷熱交換器５
の構造詳細図で、図からわかるように本発明になる一次
急冷熱交換器５は外筒２１と内筒２２との二重管で構成
されている。

当該内筒２２の外面には多数のリブ２３が形成されてい
る。なお第２ｂ図は当該リブ２３の形状を説明するため
の一部拡大断面図であり、当該リプ２３はスパイラル状
に形成されていることが好ましい。当該一次急冷熱交換
器５と連絡配管４とは取付フランジ２７と２９で連結さ
れトその間にはリング状のガスケット２８が配置され、
両者の結合はシールしている。接続部材２５はスリーブ
２６と当該接続部村２５との間に空間３６を形成するた
めのもので〜当該空間３針こはノズル３３からパージ媒
体としてパージ蒸気を供Ｖ給し、当該空間３６を満たす
。

当該パージ蒸気は上記スＩＪーブ２６と接続部材２５と
のすき間３７から流出し、分解ガスと合流する。当該一
次急冷熱交換器５の伝熱部は外筒２１と内筒２２の二重
管より構成され、当該外筒２１と内筒２２とによって構
成されるリブ２３を有する内筒外面と外筒２１の内面間
の環状通路３５に冷却水であるポィラ水「内筒２２の内
部に反応ガスを流す。上記のボィラ水はノズル３０から
流入し、上記リブ２３を形成した内筒２２の外表面から
なる伝熱面を上昇し、ポィラ水の出口ノズル３１から流
出し、第１図に説明したボィラドラム１３に送られる。
分解ガスは内筒２２に形成された内筒ガス流路３４を通
り冷却され、本発明になる一次急冷熱交換器５の世口フ
ランジ３２に取付けられた前記の中間連絡配管６を経て
同じく前記の二次熱交換器７（第１図参照）に送られる
。

上記のリプ２３は複数条の螺旋とすることが望ましく、
また形成する場所は伝熱面負荷の高い部分にのみ限定し
てもよいし、伝熱面全体にわたって伝熱面負荷が高い場
合には伝熱面全体にリブ２３を設けてもよい。一般には
伝熱面負荷は入口付近で箸るしく高く、伝熱面の長手方
向にしたがって急激に４・さくなるため、多くの場合「
入口近傍の数ｍの部分にわたって上記のリプ２３を形成
する程度でよい。以上で説明したように本発明になる一
次急冷熱交換器５は通常は前出の第１図舷こ示すように
縦型として配備する場合が多く、反応ガス、すなわち分
解ガスは当該一次急冷熱交換器５の上方又は下方から流
入するが「第１図では下方から上方へ流すアップブロー
方式について示してある。また伝熱面を構成し、したが
って伝熱管となる上記内筒２２の内径を反応管３（第１
図）の内径と同一とし、当該反応管３、前出の高温連絡
配管４（第１図）および内筒２２のガス流路断面をほぼ
等しくし、ガスの流速の急激な変動、圧力損失の急激な
増大、減少等が起らないようにすることが必要である。
このようにガス流路断面を等しくすることにより、カー
ボンなど堆積することを防止し得るようになる。本発明
になる改良された構造の一次急冷熱交換器の入口側接続
部はほぼ８００〜９００ｏｏの高温度に加熱されており
、上記の伝熱管、すなわち内筒２２の温度はボィラ水の
伝熟状態によって支配され、当該ボィラ水の温度よりわ
ずかに高い程度である。

当該ボィラ水の温度は発生蒸気の飽和温度に等しく、一
般に７０〜１５０ｋ９／仇多程度の蒸気圧のもとで使用
することが多いことから２５０〜３５００○程度の温度
に保持されている。したがって入口接続部には８００〜
９０び０から２５０〜３５び０にいたる温度勾配が形成
され、熱応力の発生しやすい状態になっている。そこで
前記のように内筒２２とスリーブ２６との間にすき間３
７を形成し、当該すき間３７にパージ媒体としての蒸気
を流し、上記接続部材２５の温度が過度に高くならない
ように配慮されている。一方、反応ガス出口部分はその
温度が５００〜６００℃の程度であり、たとえばステン
レス鋼系統の耐熱機を使用すれば、上記のようなスリー
ブ２６を特に設けることをしなくても、一体機「造型の
接続部でも十分である。つぎに高温側コネクション部分
の構造について説明する。′第３図は本発明になる一次
急冷熱交換器５の入口コネクション部の構造を示す断面
図である。

図において分解ガスは矢印Ａに示すように下部から上向
きに流れる。図において取付フランジ２９と高温連絡配
管４とは、溶接などの適当な方法で接合されており、当
該取付フランジ２９と一次急冷熱交換器５側の取付フラ
ンジ２７とは相互にボルトによって連結されており、そ
の間にリング状ガスケット２８があり、両フランジ２７
，２９の気密を保持している。サーマルスリーブ２６は
上記の高温連絡配管側のフランジ２９と一体状に形成さ
れており、たとえばオーバーホールなど解体することが
必要となった時には高温連絡配管と一諸に引抜くことが
可能である。なお当該スリーブ２６はこれを十分に長く
すれば伝熱面の一部をもカバーすることになり、サーマ
ルスリーブ２６としての効果が十分に発揮される。入口
部コネクションの本体部分たる接続部材２５には空間部
分が設けられており、空間３６を形成している。この空
間３６とパージ蒸気ノズル３３により、パージ媒体を供
給する供給手段が構成される。すなわち、パージ蒸気ノ
ズル３３からパ−ジ蒸気を当該蒸気空間３６中に導入し
、接続部本体２５を冷却保護するとともに、上記のパー
ジ蒸気をすき間３７を通して反応ガスと合流させ、当該
すき間３７の部分の蒸気の速度を十分確保する役割を果
している。当該すき間３７の部分のスチームの速度を十
分に確保することができれば分解ガスが上記の空間３６
中に逆流し、炭化することも防止し得る。従来技術にな
る熱交換器では、上誌のスリーブ２６が接続部材２５の
本体部分に取付けられておりト当該スリーブ２６を簡単
に取外せない構造のものが多くみられた。したがってた
とえばパージ蒸気が突然停止するなどの不測の事態が発
生すると、反応ガスが上記の空間３６内へ逆流しやすい
傾向がみられたものである。反応ガスが空間３６内に逆
流すると〜カーボンがつまりやすく〜接続部村２５本
体部分を破損する例がみられた。以上に詳細に説明した
ように、本発明の実施例にか）る急冷熱交換器は炭化水
素を含む原料を分解して得られる高温分解ガスを二重管
式の一次急冷熱交換器で反応凍結温度まで冷却し〜続い
て多管式の２次熱交換器で前記冷却後の分解ガスを冷却
するように糠成された熱交換菱層の前記一次急冷熱交換
器が、内筒および外筒を含む二重管機造よりなり、誠二
重管は内筒と外筒で形成される環状流路内に冷却水が流
通し「内筒内部に前記冷却水によって冷却される高温ガ
スが流通するように構成され、かつ前記高温ガスを流入
させる高温連絡管と接続される接続部を含む急冷熱交換
器において、前記内筒外面にｌｊブを形成し、高温ガス
入口側は内筒内にすき間を介して挿入位置するサーマル
スリーブ付きのフラソジ接続とし、前記サ−マルスリー
ブは該フランジ接続の高温連絡管側フランジ部材より展
出させ、かつ前記内筒とサーマルスリーブで形成するす
き間にパージ媒体を供給する供給手段を設けた二段型熱
交換装置であることを特徴とする。したがって従来型の
急冷熱交換器で入口部分の伝熱部で熱負荷が高く、焼損
を起しやすい傾向のあったものが、本発明になる構造を
実施することにより以上のような事故を禾然に防止する
ことが可能となった。第４図は従来技術になる急冷熱交
換器の伝熱管の長さ方向のガス温度、伝熱面負荷の分布
などを参考のために示したもので、いずれもガス入口の
部分で著るしく高いことがわかる。そこで本発明になる
急冷熱交換器を適用した熱交換器では「内筒外壁面にリ
ブを設けることによって伝熱面負荷の分散を計ったもの
である。その結果を示したのが第５図で、接触にボィド
比（管内を液体とそれにより発生した蒸気泡が混在して
流れるときの沸騰を２相流沸騰とい＞、このときの蒸気
泡の容積含有率をボィド比と称す。）ト縦軸に流速をと
り競損発生の危険域を両者の関係で図示したものである
。これによれば、リブを形成した管の場合、焼損の発生
の危険城は、リブを設けないものに比較してポィド比の
高い方へ移行していることがわかる。したがってｌｊブ
を形成することにより、過酷な条件のもとでも焼損を起
さなくなることが確認された。通常は伝熱面負荷が高い
と沸騰現象が激しく、その近傍での蒸発率が高くしたが
ってポィド比が高くなる額向があるが、リブを設けた部
分は高い伝熱面負荷がかかってもボイド比が高くなって
も、リブを形成していない管に比較すれば十分に安全で
あり「また逆にリブを設けた急冷熱交換器の場合、高
伝熱面負荷を達成し得る効果があるといえる。さらに本
発明になる急冷熱交換器を適用した熱交換器では、サー
マルスリーブをガスの入口側と一体構造とし〜さらに
当該サーマルスリーブと接続部本体との間にパージ媒体
を供Ｖ給する空間を設けることによって分解ガスが当該
空間内に逆流することを防止するとともに、接続部本体
の冷却保護が十分に行なわれるように考慮されている。
したがって安全かつ確実に、しかも高い能率のもとで熱
交換を行なうことが可能となった。特に高温ガスの急冷
特性が優れていることから「エチレン分解炉の急冷熱
交換器として有利であることが確かめられているが「本
発明のクェンチャを適用した熱交換器は特にエチレン用
として限定されるものでなく、類似のすべての装置プラ
ントなどに適用し得るものであることはもちろんである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一次急冷熱交換器を含む二段型熱交換
装置の構成を示す説明図、第２ａ，２ｂ図は本発明にな
る一次急冷熱交換器の構造説明図〜第３図は本発明にな
る一次急冷熱交換器の入口コネクション部の構造詳細図
、第４図は従来技術になる急冷熱交換器の伝熱管の長さ
方向における温度および伝熱面負荷の分布図、第５図は
急冷熱交換器の伝熱管が焼損を起す危険城とボィド比に
対するリブ形成の効果を示す説明図である。２１…・・・外筒、２２…・・・内筒、２３・・…・内
筒外面のリブ「２５・・・・・・接続部村、２６・・
・・・・スリーブ、２７，２９……取付フランジ、２８
・・・…リングガスケット、３０…・・・ボイラ水入口
ノズル、３１・・・…ボィラ水出口ノズル、３２…・・
・出口フランジ、３３・・・・・・パージ蒸気ノズル、
３４・・・・・・内筒ガス流路、３５・・…・環状流路
、３６・・・・・・空間、３７……内筒とスリ−ブ間の
すき間。第１図第２久図第２〆図第３図第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】

１炭化水素を含む原料を分離して得られる高温分解ガ
スを二重管式の一次急冷熱交換器で反応凍結温度まで冷
却し、続いて多管式の２次熱交換器で、前記冷却続の分
解ガスを冷却するように構成された熱交換装置の前記一
次急冷熱交換器が、内筒および外筒を含む二重管構造よ
りなり、該二重管は内筒と外筒で形成される環状流路内
に冷却水が流通し、内筒内部に前記冷却水によつて冷却
される高温ガスが流通するように構成され、かつ前記高
温ガスを流入させる高温連絡管と接続される接続部を含
む急冷熱交換器において、前記内筒外面にリブを形成し
、高温ガス入口側は内筒内にすき間を介して挿入位置す
るサーマルスリーブ付きのフランジ接続とし、前記サー
マルスリーブは該フランジ接続の高温連絡管側フランジ
部材より展出させ、かつ前記内筒とサーマルスリーブで
形成するすき間にパージ媒体を供給する供給手段を設け
たことを特徴とする二段型熱交換装置。