JPS63295908A - 炉の壁厚の変化を非侵襲的に受動的に音響で検出及び測定する方法 - Google Patents

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】 産業上の利用分野 本発明は、コークス炉の壁厚の変化を非侵襲的に受動的
に音響で検出しそして測定する方法に関する。

従来の技術 材料を処理する炉の壁厚の変化を測定することがしばし
ば要求される。このような厚みの変化は、流体化触媒ク
ランキング装置のような容器の内壁の侵食や、流体ベッ
ド式のコークス生成装置の内壁に付着する壁コークスの
ような容器内壁に付着する材料によって生じる。

コークスの生成は１重い残留オイルを、軽い生成物及び
固体炭素に変換する熱プロセスである。

「遅れコークス生成」と称される初期のコークス生成プ
ロセスにおいては、加熱及び部分蒸発の後に、残留物が
コークス生成ドラムに通され、このドラムは固体コーク
ス堆積物でいっばいになる。

このコークスは、次いで、穴から放出しなければならな
い、これについては１例えば、米国特許第４．４１０，
３９８号を参照されたい。別のプロセス、即ち、流体コ
ークス生成プロセスにおいては、流体ベッドにおいて種
コークスの粒子にコークスが付着し、コークス生成物は
、自由流動粒子の形態となる。流体コークス生成では、
２つのベッドが使用され、コークス炉とバーナ容器との
間を粒子が循環し、そこで、幾つかのコークス粒子が燃
焼されて、必要な熱が発生される。

流体コークス生成は、供給流量及び炉の温度によって大
きく影響される。重い残留オイルがあまりに速く供給さ
れそして炉の温度があまりに低い場合には、コークス生
成反応の速度が著しく遅くなると共に、コークスの粒子
が不完全に反応した供給物で濡らされ、流体化し難い大
きながたまりとして互いにくっつくと共に容器の壁にく
っついて壁コークスを形成する傾向が強くなる。このホ
ギング（ｂｏｇｇｉｎｇ）状態を防ぐには、充分に高い
温度において供給率を正しく制御することが必要である
。ここで、臨界ベッド温度、即ち、ホギング温度ＴＢを
、コークス生成装置の幾何学的な供給注入率及び供給の
特性の関数として定めることができる０ｇＡ在の流体コ
ークス生成炉は、壁コークスを回避するためにホギング
温度より遥かに高い温度で運転されている。高い温度で
の運転は、コークス及び軽いガスの生成には好都合であ
るが、更に望ましい液体生成物が犠牲となる。その結果
、所望の液体生成物の収率は、低温度運転の場合に比し
て著しく低いものとなる。特定のユニットに対して運転
温度を下げようとする場合には、著しい量の壁コークス
が付着した時点を判断することができねばならない。

発明が解決しようとする問題点 そこで、コークスの付着を監視すると共に、液体生成物
の収率に対して最適な範囲で運転できるような応答が速
く信頼性の高い壁コークス検出装置が必要とされている
。ホギング温度に近い温度で炉を運転するのに加えて、
運転及び生成物の収率に影響を及ぼすという点で監視を
必要とするプロセスパラメータが他にもある。これらは
、流体ガスの圧力及び速度を含む（米国特許第２，７８
８．３１２号を参照されたい）。

問題点を解決するための手段 本発明は、侵食による炉の壁厚の変化（壁厚の減少）又
は材料の堆積による壁厚の変化（壁厚の増加）を検出し
そして測定する方法に関する。

好ましい実施例においては、壁コークスの堆積は、流体
ベッドコークス生成装置の特定の位置においてその位置
のコークス生成装置の外部殻の振動を測定することによ
って決定される（以下、この方法を、流体ベッドコーク
ス生成装置について図示して説明する）。この方法で用
いられるこれらの壁振動は、コークス生成装置の壁の基
本的な圧縮波共振によって発生される。これらの振動そ
れ自体は、上記位置におｉするコークス生成装置の壁の
幾何学的及び音響的特性によって決定された周波数にお
いて電力スペクトルにピークを示す。（このスペクトル
は、強度と共に減少するより高次のピークも含んでいる
。本発明は、第１の、即ち、基本的なピークを用いて説
明する。）ピークの周波数が下方にシフトすることは、
そのプロセスの状態により壁に付着したコークスの厚み
が増加することに対応する。周波数の上方へのシフトは
。

高密度のベッドの粒子による壁コークスの侵食によって
コークス壁が減少することから生じる。

本発明は、振動ノイズが存在する背景においてピークを
容易に識別できるに充分な強度で壁の共振を励起するこ
とに基づくものである。流体ベッドコークス生成装置や
、石油化学工業に共通した他の流体ベッド処理ユニット
においては、内壁へのベッド粒子の衝突が、背景ノイズ
レベルより充分に高い壁共振を励起するに充分なもので
ある。

流体化された又は流動するコークス又は触媒粒子の通常
の賀意速度及び体積密度の両方は、コークス生成装置及
びキャットクラッキング装置の両方の場合と同様である
。驚くべきことに、壁共振は、流体ベッドのコークス炉
の背景ノイズレベルより上に共振レベルを上昇させるに
充分な強度で励起されている。

従って、本発明は、波長が短く且つパルス長さの短い外
部で発生した音響パルスを使用して、コークス生成装置
の壁の内面から反射するパルスが進む距離を８１り定す
ることによりコークスの存在を測定又は検出するような
「能動的な音響技術」又は「超音波技術」と容易に区別
することができる。又、本発明は、プロセスノイズに基
づいて壁共振を励起するもので、「受動的な音響」技術
に関する。信号を容器に貫通させる必要はなく、従って
、非侵襲的であり、容易に自動化することができる。

ここでは、作用流体ベッド式のコークス生成装置におい
て壁コークスを監視しそして制御する方法について説明
する。この方法の段階は、壁共振を含む周波数レンジに
おいてコークス生成装置の壁振動の化カスベクトルを得
ることから始まる。

この化カスベクトルは、壁に取り付けられた加速度計に
よって発生された電圧信号を適当に処理することにより
得られる。この化カスベクトル及びその中の主たる壁共
振ピークは、その後に行なう測定及びここに述べるプロ
セスの基礎となる。壁の共振に対応するピークは、その
形状と、壁の音響定数によって決定された周波数位置と
によって識別することができるし、又、適当なインパル
スハンマーで壁共振を直接励起することによって実験的
に決定することもできる。

壁共振の周波数の下方へのシフトは、コークスの堆積に
対応する。上方へのシフトは、コークスの侵食に対応す
る。従って、加速度計によって発生された電圧信号をコ
ンピュータで処理することによりコークス生成装置の内
壁の種々の位置におけるコークスの付着及び成長速度、
及び／又はその侵食についての連続的な読みを与えるこ
とができる。この情報は、流体ベッド式のコークス生成
装置のオペレータが「ホギング」のおそれなく最大数率
を得るように運転状態を最適化できると共に、壁コーク
スを清掃するためのコークス生成装置の停止と停止との
間の連続運転長さを延ばすことができるようにする。

実施例 本発明は、流体ベッド式コークス生成装置の壁に付いた
コークスを受動的に音響で監視するためのプロセスに関
する。このプロセスは、液体生成物の収率を増加するよ
うな条件のもとてコークス生成装置を動作できるように
すると共に、精製リソースを効果的に利用するための連
続運転長さを正確に推定するものである。

第１図を参照すれば、本発明を利用するために、壁に付
いたコークスを測定することが望まれるコークス容器の
壁に加速度計２が取り付けられている。第２図を参照す
れば、壁の通常の加速度に比例する加速度計からの電気
信号は、増幅されそしてケーブル或いは光学リンクによ
って制御室に送信される。制御室では、適当な電子装置
により化カスベクトルが第３図に示すようにａｌｌ定さ
れる。壁の共振についての周波数位置のシフトは、以下
に示すように、単純なアルゴリズムによって。

コークスの堆積に関連付けられる。

第２図は、どのようにして壁の加速度を測定するかを示
す概略図である。磁気的に（又は他の方法で）取り付け
られた加速度計２　（Ｂ及びに４３８４等）は、壁の瞬
時加速度に比例する電荷出力を発生する。この電荷は、
電荷増幅器（Ｂ及びに２６５３等）によって、これも壁
の通常の加速度に比例する電圧出力に変換される。この
電圧は。

信号処理装置（Ｂ及びに２０３２或いはそれと同等のも
の）によって処理されて、加速度の電力スペクトルが発
生される。信号処理装置の出力は、ＰＣに供給される。

ＰＣは、適当なアルゴリズムによって、壁共振ピークの
周波数と、基準値に対するそのシフト量とを測定する。

ＰＣの出力は、コークス生成装置の内壁の選択された位
置におけるコークスの堆積の分布を実時間で示す表示で
ある。

第３図は、加速度と、その平方値との関係を時間及び周
波数の関数として示すものである。時間の固定ランダム
関数についての電力スペクトルは、平均平方加速度を周
波数の関数として表わす。

電力スペクトルの下の面積は、平均平方加速度である。

時間ＩＩ　ｔ　Ｉｔにおいて位置ｉｔ　ｉｐｐに取り付
けられた加速度計のもとで得られるコークス生成装置の
壁の音響厚みＬｉ（ｔ）は、次の式から求められる。

Ｌｉ（ｔ）＝Ｌｉ（ｏ）ｆｉ（ｏ）／ｆｉ（ｔ）　　　
（１）ここで、ｆｉ（ｔ）は、時間ｔにおける電力スペ
クトルのピークの周波数でありそしてＬｉ（ｏ）ｆｉ（
ｏ）は、Ｌ　ｉ　（ｏ）とｆｉ（ｏ）の開方が既知であ
るときのそれ以前の成る時間における同じ麓である。第
４図は、高密度のベッドを含む容器の壁への加速度計の
配置と、壁の基本振動モードにおける壁に垂直な加速度
の空間的なばらつきを示すものである。このような状況
のもとでは、その密度と音速が壁のものよりも相当に小
さい２つの媒体によって結合された均質な壁については
、基本モードが中央に節をもちそして２つの境界に腹を
もつことが知られている。従って、壁共振の周波数は、
壁の圧縮音速を壁の厚みの２倍で割ったものだけで与え
られる。又、第４図には、壁の共振の１つの（そして最
も通常の）励起、即ち、加速度計出力の電力スペクトル
に定常の壁共振ピークを生じさせるような流体ベッドの
粒子の衝突も示されている。

時間ｔにおいて位置ｉに堆積するコークスを量Ｄｉ（ｔ
）によって定める。厳密に近似すると、次のようになる
。

Ｄｉ（ｔ）＝Ｌｉ（ｔ）−Ｌｉ（ｏ）　　　（２）コー
クス炉の幾何学上及び組成上の完全な情報が分かると、
既知の音波方程式の技術を用いることにより、コークス
炉の壁の共振を周波数の関数として計算してその共振を
内壁の厚みの変化に関連付けることができる。然し乍ら
、所与の時間に複合壁の公称の厚みしか分からない場合
には、複合壁に対する有効音速ＬＭ　Ｃ＃＃を次の式で
定めることができる。

Ｃ＝　２　Ｌ　ｉ　（ｏ）ｆ　ｉ　（ｏ）　　　　　　
　（３）ここで、Ｃは、音響材料の単一の層とみなされ
る壁の有効圧縮音速である。従って、式（１）と式（３
）を用いると、次のようになる。

Ｌｉ（ｔ）ｆｉ（ｔ）＝Ｌｉ（ｏ）ｆｉ（ｏ）＝Ｃ／２
Ｄｉ（ｔ）＝Ｌｉ（ｔ）　　Ｌｉ（ｏ）ＣＣ ２ｆ　１（ｔ）　　　２　ｆ　１（ｏ）この方法の有効
性は、コークス炉が停止している間にそのコークス炉の
壁の層の厚みを様々な位置で測定してＣの平均値を決定
することによりチェックすることができる。このＣの平
均値は、一般的な科学的文献、例えば、アメリンカン・
インスティチュート・オブ・フィジクス・ハンドブック
（Ａａ＋ｅｒｉｃａｎ　Ｉｎ５ｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ）にューヨーク、マグ
ロ−ヒル（ＭｃＧｒａｗ　Ｈｉｌｌ）社１９７２年第３
版）に記載されているように個々の層のＣの値と比較し
て、この平均値の適否をチェックすることができる。

位置ｉにおけるコークスの厚みとその変化率は、適当な
表示装置によってコークス生成装置の操作者に表示され
る。これにより、液体の収率を最大にしつつコークスの
堆積を最少にするようにコークス生成装置の運転条件を
変えることができる。

第５図は、壁について適当なパラメータを有する複合壁
のコークスの厚みの関数として壁共振を正確に計算した
結果を、簡単な式（１）と比較したものである。この式
（１）は、式（３）の定数を適当に選択してより厳密に
計算すると１５％の許容範囲内に入ることが理解されよ
う。この精度は、壁の厚みの変化がその絶対的な大きさ
よりも重要であるような多くの用途についてかなり満足
できるものである。より高い精度が必要な場合には、代
表的なコークスサンプルについての速度を個別に測定す
ることによって精度を高めることができる。

受動的な音響技術の重要な特徴は、壁の共振を、内壁面
に当たるコークス粒子のインパルスによって励起しそし
て容器の外部で非侵襲的に測定できるということである
。これは、（構造体に共振を励起するのに通常用いられ
る型式の）インパルスハンマーによって発生された（壁
の外面で測定された）塩カスベクトルと、コークス粒子
によって発生された塩カスベクトルとを比較することに
よって実証される。

第６図は、壁の共振周波数を測定する目的でインパルス
ハンマーに対する加速度計の位置を示すものである。Ｂ
＆に８２０２或いはその同等品のようなインパルスハン
マーからの信号は、増幅器によって変換されて、２チヤ
ンネル記録器又は信号処理装置の１つの入力に送られる
。壁に取り付けられた加速度計は、類似の増幅器を通じ
て２チヤンネル記録器又は信号処理装置の別の入力に接
続されている。ハンマーの衡撃により壁に伝播障害が誘
起され、これにより、ハンマーからの進行パルスが加速
度計の下を通るときに加速度計の下に振動的な共振を発
生させる。

第７図は、コークス生成装置の壁の成る位置に配置され
た加速度計についての加速度の電力ベクトルを２つの励
起モードのもとで示すものである。第７図の上に示され
ているのは、コークスの粒子が内壁に衝突しない状態で
インパルスハンマーによって励起された塩カスベクトル
である。又、第７図の下に示されているのは、コークス
の粒子のＶＲ撃により定常状態条件のもとで励起された
ときの、同じ位置の加速度計によって得られた塩カスベ
クトルである。壁共振のピークが両方の塩カスベクトル
についての主要な特徴であり、パルス式（ハンマー）励
起と定常状態（コークス）励起について同様の形状及び
位置となっている。

第８図は、コークス生成装置の壁の特定の位置における
塩カスベクトルをどのように使用してコークスの厚みを
測定するかを示すものである。

第８図の上の図は、壁にコークスがないときに始めてか
ら一週間後に測定した塩カスベクトルであり、下の図は
、２７１日後の塩カスベクトルである。両方の図におい
て、壁の共振は、Ｏないし２５．６ｋＨｚの範囲の主ピ
ークとして容易に明らかである。約２０８０　Ｈｚの下
方へのピークのシフトは、１．４インチのコークスに対
応するものである。

弁Ｌ［ 作用流体ベッドのコークス生成装置の内壁に付いたコー
クスの厚みを１本発明の方法によって１年にわたって測
定した。第１図は、コークス生成装置の概略図であり、
多数の位置において壁コークスの厚みを測定するための
加速度計の配置を示すものである。特定レベルにおける
コークスの堆積を監視するのに必要な加速度計の数は、
１個ないし４個程度である。

レベル４の２８個の位置の中の１つにおける塩カスベク
トルは、１年の運転期間（整備から整備まで）の間に６
回測定した。主ピークの周波数を記録し、方程式（３）
と、Ｌｉ＝Ｃ／２ｆｉという関係式とを用いてコークス
の厚さに変換した。

ここで、Ｃは、２３００Ｍ／Ｓであると考えられる圧縮
音波の速度である。それにより生じるコークスの堆積を
、運転日数に対して第９図↓ニプロッ１〜した。コーク
スの堆積率は時間に対して一定ではなく運転条件の変化
が重要であることを示している。このため、音響で壁コ
ークスを監視する受動的な装置は、コークスの堆積を最
少にするように運転条件を調整し、これによって、液体
生成物の収率及び／又は連続運転長さを改善するように
用いることができた。

■裟 受動的な音響技術の感度は、短かい時間間隔で実時間測
定が行えるように増加させることができる。これは、運
転条件を慎重に変えている間にコークスの堆積（或いは
除去）を追跡することが望まれるような場合に不可欠で
ある。感度は、条件を変えた直後に起きる共振ピークの
周波数の僅かなシフトを検出できるかどうかによって左
右される。第１０図は、周波数目盛を約２桁だけ拡張し
たときにピークに何が起こるかを示すものである。９５
３６　Ｈｚにおけるピークは数十Ｈｚという幅を有する
極めて先鋭なものであるということが明らかであろう。

この共振ピークの先鋭さは、短かい時間間隔でコークス
の厚みを追跡するのに用いることができる。第１１図で
は、２０分間にわたってピークが追跡され、ここで、最
初の８分間に約５０Ｈｚだけ周波数が増加し、これに続
いて次の１４分間に同じ量だけ周波数が減少しているこ
とに注目されたい。最初の５０Ｈｚのシフトは、約５０
ミルのコークスの侵食に対応し、その後同じ５０ミルだ
けコークスが再付着したことになる。

このデータは、操作者が受動的な音響技術を用いてコー
クス生成装置の運転中にその中に堆積する壁コークスを
監視することのできる程度を示すのに充分なものである
。

ここに示すデータは、所与の耐火構造を有する所与のコ
ークス生成装置に関するものである。

どのコークス生成装置についても類似のデータを得るこ
とができる。基本周波数は特定の壁の構造によって変化
するが、周波数のシフトは同様に得ることができ、壁厚
の変化は方程式１から推定するか又は厳密な計算から導
出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、流体ベッド式のコークス炉の概略図で、壁に
付いたコークスの厚みを測定するための加速度計の位置
を示す図、 第２図は、壁面に直角な壁の加速度を測定するための単
一の加速度計の配置を示すもので、壁の内面に当たって
跳ね返るコークス粒子の通常の速度を矢印で示した図、 第３図は、時間と共に変化する壁の加速度を塩カスベク
トルにいかに変換するかを示す図で、第３（ａ）図は、
時間の関数として平均加速度を示し、第３（ｂ）図は、
時間の関数として平均平方加速度を示しそして第３（ｃ
）図は、時間の関数として塩カスベクトルを示す図、 第４図は、基本的な圧縮モードの節と腹が壁にいかに位
置されるかを示す図、 第５図は、コークス厚みの関数として壁共振の周波数を
厳密に計算したものを式１によって与えられた近似関係
と比較する図、 第６図は１、コークス粒子又はインパルスハンマーによ
って壁をいかに励起できるがを示す図。 第７（ａ）図は、壁がコークス粒子によって励起される
場合の塩カスベクトルを示す図そして第７（ｂ）図は、
壁がインパルスハンマーによって励起される場合の塩カ
スベクトルを示す図、第８（ａ）図は、運転を始めた時
と約１年運転した後のコークス生成装置の特定の位置に
おいて得られた塩カスベクトルを示す図そして第８（ｂ
）図は、コークス生成装置の特定の位置において得られ
た塩カスベクトルを示す図、 第９図は、コークス生成装置の壁の１つの位置における
コークスの成長を示す図、 第１０図は、壁共振の先鋭さを示す図で、帯域巾が２５
．６ＫＨｚの（ａ）段階で始まり、各法々のスペクトル
の帯域巾が２の係数で減少し、塩カスベクトル（ｇ）が
約２０　Ｈｚのピーク帯域となるところを示す図、そし
て 第１１図は、このピークのシフトを２０分の期間にわた
って示す図で、全シフト量が正味約２６ミルのコークス
の侵食及び付着に対応する５０Ｈｚであるところを示す
図である。 ２・・・加速度計 図面のｉ’ｆ’　ｌ’；（内′１・１に変力なＬ）製作
コークス炉 ＦＩＧ、　　１ 厳８な計算と商学ひ関イ禾式 ％式％ コークス炉の壁 ＦＩＧ、６ ハンマー及びコークス粒子１こよ０励起された璧共扱周
う反ｖ！２ｓｙ ＦＩＧ、７ コークス炉の壁の尺板 ＦＩＧ、８ コークスの厚み（インチ） ＦＩＧ、　１０ 牧Ｈ２ ＦＩＧ。 時間

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）処理された材料と内壁との衝突により生じた壁の
   振動を用いて炉の壁厚の変化を非侵襲的に受動的に音響
   で検出及び測定する方法において、ａ）上記炉が運転し
   ている間に上記炉の周波数の関数として上記炉の壁の振
   動の第１電力スペクトルを測定し、 ｂ）上記炉を時間ｔの間運転し、 ｃ）上記炉が運転している間に上記時間ｔにおける周波
   数の関数として上記炉の壁の振動の第２電力スペクトル
   を測定し、 ｄ）上記第２のスペクトルにおける対応する共振から上
   記第１のスペクトルにおける共振までの周波数シフトを
   測定し、そして ｅ）上記周波数シフトを上記炉の壁厚の変化と相関させ
   ることを特徴とする方法。
2. （２）上記炉は流体ベッドのコークス炉であり、上記壁
   厚の変化は、上記壁の内面に堆積したコークスによるも
   のである特許請求の範囲第１項に記載の方法。
3. （３）電力スペクトルを測定する上記段階は、上記炉の
   上記壁の外部に取り付けられた加速度計を使用して行な
   われる特許請求の範囲第１項に記載の方法。
4. （４）上記周波数シフトを壁厚の変化Ｄｉ（ｔ）と相関
   させる上記段階は、 Ｄｉ（ｔ）＝Ｃ／２（１／ｆｉ（ｔ）−１／ｆｉ（ｏ）
   ）という式を用いて行なわれ、ここで、ｆｉ（ｔ）は時
   間ｔにおける上記共振の周波数であり、そしてＣは上記
   炉の壁における有効圧縮音速である特許請求の範囲第１
   項に記載の方法。
5. （５）上記壁厚の変化を表示する段階を更に具備した特
   許請求の範囲第１項に記載の方法。