JP2000510519A - クエンチクーラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 熱分解加熱炉からの流出物を急冷するクエンチクーラ又は移送ライン熱交換器は、分解加熱炉チューブとクエンチクーラのチューブとの間に入口コネクタを有する。このコネクタの流れ通路は、ガスを最初に減速せしめ、それから再加速せしめる形状とされている。この形状は、円錐形の広がりディフューザと、この広がりディフューザに続く環状の先細り部とを包含する。このような断面変化は、滑らかであって、デットスペースを除去すると共に圧力損失を最小にする。

Description

【発明の詳細な説明】 クエンチクーラ 発明の背景 本発明は、炭化水素分解加熱炉からの流出物を急冷するための新規な熱交換器 又はクエンチクーラに関する。より詳細には、本発明は、分解加熱炉のチューブ とクエンチクーラ又は移送ライン熱交換器のチューブとの間の結合部に関する。 軽質オレフィン類（エチレン、プロピレン、ブタジエン及びブチレン）及び蒸 気が存在する状態で炭化水素原料が熱分解されることにより結合される芳香族類 （ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレン及びスチレン）の生産におい ては、その分解反応が分解加熱炉流出物を急速に冷却することによって、すなわ ちクエンチングすることによって止められる。このクエンチング時間は、ミリ秒 の範囲で測定され、２次的な反応が継続していることによるオレフィン類生産の 悪化を防ぐために瞬時に加熱炉出口構造を「氷結」させるという目的を有してい る。冷却される分解ガスの量、加熱炉流出物の汚損傾向及び発生する蒸気の圧力 ／温度の状態に応じて、いくつかの異なるクエンチクーラの設計が市場において 有効である。これらの設計は、従来の固定管板多管式熱交換器から二重管式の設 計まで範囲が及ぶ。 与えられたどんな分解加熱炉運転状態にとっても、分解加熱炉から去るガスの 温度ができるだけ急速に減少することによって、オレフィン類の生産が最大限に なされ得ると共にクエンチャー汚損が最小になることはよく知られている。これ は、クエンチクーラができるだけ分解加熱炉出口を閉じるように位置し、クエン チクーラの入口部分の体積が最小になり、冷却部における体積に対する表面積の 比が最大になることを要求する。そして、後者の要求は、小さなクエンチャーチ ューブが多数あることが１本の大きな直径のものを配置するよりもより有利であ ることを含む。 ＳＨＧ移送ライン熱交換器（Schmidt'sche Heissdampf−Gesellschaft mbH） として知られるクエンチクーラ型のひとつの先行技術は、多数の平行な二重管配 置を採用し、各クエンチャーチューブは水−水蒸気の混合体を通す同心外管によ り囲まれている。そして、クエンチャーチューブ（内管）と外管との間の環状部 には、水平で楕円形状のヘッダを通してボイラ水が供給される。この点について は、独国特許明細書ＤＥ２５５１１９５号を参照されたい。外管用の楕円形ヘッ ダを備えたこの二重管配置を採用する他の先行技術特許は、米国特許第４，４５ ７，３６４号である。この米国特許は、加熱炉からのガス用のひとつの入口及び ２つ又は３つの広がりブランチを有し、これにより加熱炉とクエンチクーラとの 間を移行せしめるためのＹ字形又は３区画に形成されている分配器を開示してい る。そして、この米国特許に記述されているように、冷却がまだ開始されていな い場所でのこの移行は、継続反応を最小にし、望ましくないコークスの堆積物を 生じせしめるという重大な問題があるものである。また、この米国特許第４，４ ５７，３６４号においては、コネクタを通して流すための断面積は実質的に一定 であり、このため分配器の全体にわたって実質的に一定のガス流速を達成する。 この分配器は、また、ブランチの断面積の合計と入口の断面積との比が２：１と なる地点に至るまで断面積を広げるようにしている。 更に、米国特許第５，４６４，０５７号においては、加熱炉出口とクエンチク ーラチューブへの入口との間のクエンチクーラ用入口部又はコネクタは、流れを 複数の分流に分配し、入口部の滞留時間を最小に減じるように設計されている。 すなわち、一列に並んで配置された複数のクエンチャーチューブにガスを均一に 分配するため、流れ通路は、加熱炉を去るガスをまず効果的に減速し、そしてそ の後にガスをクエンチャーチューブ速度まで再加速するような形状とされている 。より明確には、コネクタの円錐形の広がりディフューザ部がガスを減速し、そ してその後にテーパをつけられかつ分岐された複数の先細り部がクエンチャーチ ューブに供給される直前のガスを再加速する。このような断面変化は滑らかであ って、流れ方向（空気力学）の断面変化は単調であり、その結果動圧が回復し、 デッドスペース、すなわち流れが分離する区域は除去される。このようなコネク タは、非常に有効であるけれども、一列に並んで配置されたクエンチャーチュー ブにのみ適応できるものである。 発明の要約 本発明は、加熱炉出口とクエンチクーラチューブへの入口との間のクエンチク ーラ用入口部又はコネクタに関する。クエンチクーラは、外管用の楕円形ヘッダ と円形の形に配置されている複数のクエンチャーチューブ（内管）とを備えた二 重管配置を採用する。コネクタは、加熱炉を去るガスを減速せしめる円錐形のチ ャンネルと、減速の後ガスを外側へ向けさせる半径方向ディフューザとを提供す る。コネクタは、更に、外側へ向けた後ガスを滑らかに再加速し、運転クエンチ ャーチューブ速度で円形配置のクエンチャーチューブに流入せしめることを提供 する。 図面の簡単な説明 図１は、本発明を具体化したクエンチクーラの一部を断面にした側面図である 。 図２は、図１の２−２線に沿うクエンチクーラの断面図である。 図３は、楕円形ヘッダへの、そしてそれを通り抜けるチューブの接続を示す斜 視図である。 図４は、コネクタのアウタセクションの断面図である。 図５は、コネクタのインナセクションの断面図である。 図６は、図５の６−６線に沿うコネクタのインナセクションの平面図である。 図７は、図５の７−７線に沿うコネクタのインナセクションの一部分の垂直断 面図である。 好適な実施例の説明 図１を参照するに、クエンチクーラ１０は、分解加熱炉流出ガスを通しかつ外 管１６により囲まれた内管１４を順繰りに含む複数の二重管熱交換エレメント１ ２を包含する。ふたつの内外管間の環状部分は、水／蒸気混合体の冷却剤を通す 。管１４及び１６の下端部は楕円形ヘッダ１８に接続され、一方上端部は同様な 楕円形ヘッダに接続される。 楕円形ヘッダへの内外管の接続は、図３に詳細に示されている。この図３は下 部ヘッダ１８の場合を示し、内管１４はヘッダ１８を完全に通り抜け、一方外管 １６はヘッダ１８で末端となりヘッダ１８の内側に開口する。図１に示されるよ うに、冷却剤入口ヘッダ２０及び半径方向の冷却剤管２２を経由して下部ヘッダ １８に供給される冷却水は、下部ヘッダ１８を通ってふたつの内外管１４，１６ 間の環状空間へ流れ込み、上方へ向けて上部ヘッダに注いでいる。そして、ここ で加熱された蒸気／水の混合体である冷却剤は、上部ヘッダから冷却剤出口ヘッ ダ２４内に流出する。管１４を通って流れて冷却されたガスは、上部出口室２６ へ注いでさらに出口２８から排出される。 本発明は図２に最もよく見られる１８管配置を用いて例示されている。この図 ２は、エレメン１２が接続されている環状の楕円形ヘッダ１８を示している。複 数の水入口接続部２２は、ヘッダ２０とヘッダ１８との間に延びるようにして示 されている。ヘッダ２０への水入口は、符号２１で示されている。 本発明のクエンチクーラは、最も有益には、比較的少ない数の高容量分解コイ ルを用いる分解加熱炉（図示省略）に適用することができる。たとえば、このよ うな加熱炉は、各コイルが複数の入口管から内径１６．５ｃｍ（６．５ｉｎ．） の１本の出口管へ注ぎ込むように形成された各々１２ｍ（４０ｆｅｅｔ）の高さ の６本のコイルを有する。このようなコイルの１本からの流出物は本発明のひと つのクエンチクーラで急冷することができる。このクエンチクーラは、典型的に 、１６本又はそれ以上のクエンチャーチューブを有している。 クエンチクーラの下端にあるコネクタ３０は、圧力境界を形成するコンテナ３ ２を包含する。コンテナ３２の縁部を取り巻くフランジ３４は、フランジ３６に 結合される。コンテナ３２は本発明の構成要素を収容しており、これらの構成要 素はガスを円形配置の複数の管１４に分配すると共にガスを減速、それから加速 せしめるディフューザチャンネルを提供する。 コンテナの内部には２つのセクション３８及び４０が設けられ、これらのセク ションは協同して流れチャンネルを形成する。これらのセクションは、図４及び 図５に詳細に示されている。アウタセクション３８の下方部分は外向きにテーパ された円錐形のディフューザ領域を包含し、その結果流れ面積は増大し、上向き に流れるガスは減速する。アウタセクション３８の上方部分４４は、インナセク ション４０と協同して半径方向のデフューザ及びアクセルレータ領域を提供する 。図１に示されるように、インナセクション４０はアウタセクション３８の上に 取付られてこのアウタセクション３８の内部下方に延び、流れチャンネルを形成 する。セクション３８及び４０は、好適には、例えば焼成アルミナのような硬質 セ ラミックで形成されるが、しかし、例えば高合金金属鋳造物のような他の材料で 形成することもできる。 インナセクション４０の外周には、環状のリング部分４６が設けられている。 インナセクション４０の平面図である図６に示されるように、複数の穴４８がこ のリング部分４６を貫通して延びており、１個の穴４８は１本の管１４のための ものである。これらの穴４８は、管１４と整列するようにして設けられている。 リング部分４６の下面５０は、アウタセクション３８の上面５２に係合する。こ れら２つのセクション又は部品間には、軟質ガスケットが設けられて熱膨張を許 す。コネクタと管１４との間には、ガスケットは設けられない。 ２つのセクション３８及び４０は、図１に示されるようにコンテナ３２内に設 けられ、それからセクション３８，４０とコンテナ３２との間の空間を充填する 絶縁キャスタブル耐火物材料５４により囲繞される。 コネクタが図１に示されるように組立てられると、ガス通路は円錐形の広がり ディフューザ部分５６と、この部分に続いて流れ面積をさらに増大せしめる半径 方向ディフューザ部分５７とを包含する。半径方向ディフューザ部分の半径方向 断面積の高さは非常に大きく増大せず、実際には少し減少するけれども、周方向 断面積は周辺の増大のためにセクションが中心から外へ延びるにしたがって増大 する。これらのディフューザ部分５６及び５７には、それから先細り部分５８が 続いている。正味効果は、流れ面積の滑らかな又は単調な先細りである。渦及び コーキングを生じさせる不連続部は、除去される。したがって、ガスは最初に円 錐形ディフューザ５６及び半径方向ディフューザ５７で減速され、そしてそれか ら環状の先細り部分５８でクエンチャーチューブ速度にまで再加速される。この スムーズな再加速は、流れの分離を除去するようにし、これによってデッドゾー ンにおけるコークスの生成を最小にすると共に、個々のクエンチャーチューブへ の均一な流れの分配を提供する。特定の例として、流れ面積の比を１．７８とす るために、各加熱炉入口管の内径は１６．５ｃｍ（６．５ｉｎ．）、及びディフ ューザ出口の内径は２２．０ｃｍ（８．７ｉｎ．）とされる。それから、流れ面 積は更に半径方向ディフューザに増大し、これにより総ディフューザ面積比（半 径方向ディフューザ出口対円錐形ディフューザ入口）が４．９とされる。典型的 な熱交換器は、半径方向ディフューザ出口での流れ面積の３２パーセントの流れ 面積を与える４．８ｃｍ（１．９ｉｎ．）の内径を持つ１８本の管を有する。 以上述べたように、本発明によれば、流れはデッドゾーンなしで再加速される ので、各クエンチャーチューブへの入口でのコークス堆積物が最小になる。そし て、たとえ、コークスがクエンチャーチューブ内に堆積したとしても、均一な流 れの分配が損なわれることは著しく減じられる。このことが、従来の移送ライン 熱交換器入口に代わって、空気力学的に効果的な広がり／先細り通路を使用する ことの利点である。本発明の広がり／先細り通路を適用する結果として、入口滞 留時間の大幅な減少、均一な分配、コーキングの減少及びしたがって生産力の改 善と運転期間の増大が得られる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年３月１５日（１９９９．３．１５） 【補正内容】 請求の範囲 １ 分解加熱炉コイルからクエンチクーラの環状に配置されて互いに間隔をおい ている複数の熱交換チューブへ分解ガスを供給する接続装置において、大体円形 のアウタセクションと、このアウタセクションの上に支持されて前記アウタセク ションとの間に流れ通路を形成する大体円形のインナセクションとを包含し、前 記アウタセクションの一部分が前記流れ通路に接続された同心の長手方向に延び る円錐形の広がり入口通路を形成する形状とされ、前記流れ通路が、 ａ 前記入口通路の外周で前記入口通路に接続され、前記入口通路から半径方 向外向きに延びて流れ面積を前記半径方向外向きの延び方向に増大せしめる環 状のディフューザ通路と、 ｂ この環状ディフューザ通路の半径方向外周で前記ディフューザ通路に接続 され、分解ガスを前記熱交換チューブへ供給する環状で長手方向に延びる出口 通路であって、断面積を流れ方向に減少せしめて大体先細りの出口部を形成す る出口通路と、 を包含している接続装置。 ２ 請求項１記載の接続装置において、前記アウタ及びインナセクションが硬質 セラミック材料から成る接続装置。 ３ 請求項１記載の接続装置において、前記アウタ及びインナセクションが金属 鋳造物から成る接続装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スンダラム カンダサミイ メーナクシ アメリカ合衆国 ニュージャージー 08857 オールド・ブリッジ スロックモ ートン・レーン 101 (72)発明者 ヘルマン ヘルムト アダム ドイツ連邦共和国 カッセル デー― 34121 フェーレンストラーセ 36

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 分解加熱炉コイルからクエンチクーラの環状に配置されて互いに間隔をおい ている複数の熱交換チューブへ分解ガスを供給する接続装置において、円錐形の 広がり入口ディフューザ通路と、この入口ディフューザ通路に続いて流れ面積を 増大せしめる半径方向ディフューザ通路と、この半径方向ディフューザ通路に続 いて分解ガスを前記熱交換チューブへの供給する環状の出口通路とを包含し、こ の出口通路が流れ断面積を流れ方向に減少せしめる形状を有して大体先細りの出 口部を形成している接続装置。 ２ 請求項１記載の接続装置において、アウタセクションと、このアウタセクシ ョンの上に支持されて前記アウタセクションとの間に空間を形成するインナセク ションとを包含し、前記アウタセクションの一部分が前記円錐形の広がり入口デ ィフューザ通路を形成する形状とされ、かつ前記アウタおよびインナセクション 間の前記空間が前記半径方向ディフューザ通路及び前記環状出口通路を形成して いる接続装置。 ３ 請求項２記載の接続装置において、前記アウタ及びインナセクションが硬質 セラミック材料から成る接続装置。 ４ 請求項２記載の接続装置において、前記アウタ及びインナセクションが金属 鋳造物から成る接続装置。