JPH0420035B2 - - Google Patents
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- JPH0420035B2 JPH0420035B2 JP58045853A JP4585383A JPH0420035B2 JP H0420035 B2 JPH0420035 B2 JP H0420035B2 JP 58045853 A JP58045853 A JP 58045853A JP 4585383 A JP4585383 A JP 4585383A JP H0420035 B2 JPH0420035 B2 JP H0420035B2
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
- F28F9/02—Header boxes; End plates
- F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
- F28F9/027—Header 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
- F28F9/0275—Header 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
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10G—CRACKING 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
- C10G9/00—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils
- C10G9/002—Cooling of cracked gases
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
- F28D7/106—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
- F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
- F28D2021/0075—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for syngas or cracked gas cooling systems
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Description
本発明は炉管、特にクラツキング炉の放射管を
輸送ライン（transfer line）の熱交換器に接近し
て結合（close coupling）させる新規な装置に関
する。 スチームクラツキングはよく知られた工程であ
り、米国特許第3641190号および英国特許第
1077918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、
不飽和軽質炭化水素、特に化学薬品および化学中
間物として有用なC2〜C4オレフイン類およびジ
オレフイン類、特にエチレンを含む生成物を製造
するために、20〜90モル％の水蒸気と混合した炭
化水素フイードをクラツキング温度、たとえば約
1400〜1700〓に上げ、かつ反応の吸熱を供給する
ために上記フイ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つて、スチーム
クラツキングは実施される。 分解流出物は輸送ラインにより炉分解ガス出口
に連結された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はマニホ
ルド（manifold）され、TLEの膨張円錐体
（expansion cone）に送られ、ついで管板を通
り、多管TLE（multitube shell and tube TLE）
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TLEにおいては、分解ガスは入口室に
より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、冷却管に入るとき再び収縮しなければ
ならない。典型的交換器においては、速度は入口
ノズルで450フイート／秒から冷却管に入る前に
60フイート／秒に落ちる。冷却管においては、速
度は再び約300フイート／秒に増加する：分解ガ
スのこの膨張と収縮は交換器入口室におけるガス
の低速と組合さつて、乱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インへの
選択率の劣化およびコークス化の原因となる。分
解ガス中の重質成分および多環芳香族は凝縮し重
合し、入口室内にコークスを形成する。工程の乱
れまたはオンストリーム脱コークス化
（onstream decoking）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つて生じる
死流帯域（dead flow zone）を打つ（strike）
とき、分解ガス中に懸濁している重質成分および
多環芳香族はガス流からたたき出され、凝縮し、
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封鎖し、斯くて伝熱を妨
げ、熱交換器の熱交率を失なわせる。さらに、速
度の大きな変化により生じる分解ガスのこのよう
な膨脹と収縮は、米国特許第3357485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、これらの条件が避けられ、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力損失を与え
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、静的圧力の獲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、標準膨脹円錐体に対比し徐々で、比
較的小さいか、または速度が一定であり得る。 フレア膨脹室（flared expansion chamber）
は次の米国特許に記載されている。 第3357485号、第3763262号、第3449212号、第
3910347号、第3456719号、第4078292号、第
3552487号、第4097544号、第3574781号、第
4151217号。 米国特許第3671198号においては、各反応管の
出口は冷却ジヤケツトにより囲まれている夫々の
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個の反応管に取付けた１個の
急冷管の場合、コークスにより急冷管が詰まつた
とき流れの損失があり、分解ガスは反応管内に残
り、温度の高温に達し、燃えきりを生じるから、
ついで反応管が破損する。これに対比し、本熱交
換装置はガスに対し少なくとも２個の流路を有
し、両者が同時に詰まる確率は著しく小さい。こ
れはすぐれた安全特徴である。 滞留時間および炭化水素分圧を減少し、クラツ
キングを一層高い放射コイル出口温度で実施する
とき、望むオレフインへの選択率は改良される。
したがつて、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
ば、論文「エチレン」、ケミカル・ウイーク
（Chemical Week）、11月13日号、1965年参照）。 ごく短かい滞留時間クラツキングの利点を利用
するためには、望ましくない分解反応を停止する
た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TLE冷却管に入る時までに測定される滞
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乱れと再
循環を最小にすることも望ましい。この無制御滞
留時間は望むオレフイ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。（ザ・オイ
ル・アンド・ガス・ジヤーナル（The Oil and
Gas Journal）、２月１日号、1971年参照。） 熱交換器に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流帯域を排除し
て、分解ガス中の重質成分がこの区域に凝縮して
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流
帯域は米国特許第3357485号に記載の装置によつ
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（fire
box）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
態においては通常の装置よりも低い。 TLEの使用に関連した別の問題は炉から熱ガ
スを受ける入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温度勾配によ
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3853476号においては、
この目的のため水蒸気パージジヤケツトを交換器
の入口で使用する。本出願人は熱交換器装置入口
の新規な構造によつて、費用のかかる水蒸気を使
うことなくこの目的を達成する。 炭化水素の熱分解、特に軽質オレフインへのス
チームクラツキングにおいて、分解ガスが炉から
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
にガスの通過のためのＹ字管を形成する２個の分
岐枝（diverging branch）とからなつており、
各枝（branch）はその長さに沿つて実質上均一
な断面積を有しまた夫々の冷却管と流体流連結
（fluid flow communication）している。（ここ
で流体流連結とは、熱交換器の内管を流れる流体
と内管の外わくの管を流れる流体とが並流の状態
にあることをいう。）そこで、Ｙ字管の各枝は直
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、一方熱交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。非燃焼滞留時間と圧力降下が
減少し、それによつてエチレンへの選択率を改良
する。 隣接枝間に適当な比較的小さい分枝角でもつ
て、Ｙ字管または３−ピース（tri‐piece）を使
用できる。各枝はその長さに沿つて好ましくは約
10％以上変化しない、さらに好ましくは約５％以
上変化しない実質上均一な断面積を有する。 通常のTLE入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３−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＝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、各枝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TLE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。 この形態はガスの再循環を許さない。ガスの流
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３−ピースに流
れ、次いで妨害なしに直接冷却管に流れる。寸法
を適当に運ぶことによつて、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。 非燃焼滞留時間は通常のTLEの0.05秒から
0.010〜0.015秒に短縮される。非燃焼区域のバル
ク滞留時間（bulk residence time）が著しく短
縮され、標準TLE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、ほとん
どコークス化は起きない。したがつて、当該装置
はごく短かい滞留時間のクラツキング管と共に使
うのによく適合している。 熱応力を最小にするために、Ｙ字管または３−
ピースは間に絶縁物を有して固定した位置におい
て特に設計したジヤケツトによつて納められ、か
つ囲まれている。ジヤケツトまたはレジユーサ
（reducer）は可変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３−ピースおよびレジユーサは、アシ
リース・デユ・マノアールポンペイ（Acieries
du Manoir‐Pompey）社製のマナウライト
（Manaurite）900Bまたはインコロイ（Incoloy）
800HのようなCr−Ni／Nb合金から適当につく
ることができる。絶縁物質はたとえばA.P.グリ
ーン（A.P.Green）社製の中重量キヤスタブル
VSL−50、またはレスコ・プロダクツ社（Resco
Products，Inc.）製のレスコ（Resco）RS−5A
のような耐火物であることができる。 第１図に示すように、本発明の熱交換器装置は
一般にコネクター２および夫々の冷却管４に通じ
るアームまたは枝３からなるＹ字管１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はジヤケツトまたはレジユーサ１０
のなかに納められている。図示してない清掃連結
（clean‐out connection）をレジユーサの上流に
備えることができる。 第２図はＹ字管をさらに詳しく示す。コネクタ
ー２は比較的小さい分岐角をもつて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、また構造をコンパク
トにするために、上記角度は小さく選ばれる。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30゜であることができる。枝はまつすぐになり、
その下流部分５では実質上平行になる。このまつ
すぐを使つて浸食を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前に枝がまつすぐになつて
いないならば、ガス中に含まれ得るコークスが交
換器冷却管の薄壁に衝突し、比較的短時間に管に
孔を浸食する。コネクターが枝を収容するため大
きくなる場合は、Ｙ字管の枝の交差点により形成
されたじやま板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第２Ａ，２
Ｂ，２Ｃ図で示したように、線Ａ−Ａでの面積は
線Ｂ−Ｂでの面積とほぼ同一で、たとえば1870mm2
であり、線Ｃ−Ｃではコネクターはすでに上記面
積のほぼ半分、たとえば924mm2の枝に分割されて
いる。そこで、枝の断面積の合計対コネクターの
断面積の比Ｒはほぼ１対１、たとえば0.988であ
る。この比は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。適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にし、この例
ではたとえば約924mm2であることができる。Ｒが
１対１より大きく、約２対１まで、本発明の利点
を大部分得ることもできる。 分解ガスはＹ字管の枝から夫々の冷却管へ直接
流れる。流路における管板のような死流区域はな
く、そこで分解ガス中の重質成分（end）は懸濁
して残り、冷却管への流区域を封鎖するコークス
として貯えられない。 Ｙ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り、つば８により所
定の位置に保持されている。 ほぼ1600〜1900〓で操作する分配器２の熱い入
口９からたとえば約480〜約612〓で操作できる冷
い交換器管４への温度遷移は、耐火物を充てんし
た合金レジユーサ１０で遂行される。大気へのガ
スの洩れを防ぐために、レジユーサは図示したよ
うに分配器２および長円形管寄せ２３に溶接され
る。レジユーサの使用は温度勾配を最小にし、そ
こで熱応力を減らす。レジユーサは変化できる断
面積と直径をもつ。レジユーサの大きい直径端１
１はその壁と熱い内部「Ｙ」取付物（fitting）の
間に小さな直径端１３よりも一層多い絶縁物１２
を有する。それ故、この可変絶縁厚さのために、
最高の熱い温度で操作する小さな直径端は、冷い
大きい直径端とほぼ同一放射距離に熱的に膨張し
または成長する。レジユーサの両端はほぼ同一
量、熱的に成長するから、熱応力は最小となる。
熱い分解ガスを冷い交換器管に送る「Ｙ」片分配
器（“Ｙ”piece distributor）２は熱い分解ガス
と同一温度で操作する。「Ｙ」片（“Ｙ”piece）
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５と交換器冷却管４の間に熱膨
張隙間７があつて、「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
ユーサ１０の壁は「Ｙ」分配器よりは圧力含有メ
ンバーとして働らく。 上記と類似の考慮が第３図に示した３−ピース
に適用される。 第４図はＹ字管の枝の一つと流体流連結してい
る１個の熱交換管を示す。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によりジヤケツトされた内管２１を
通し流れることができる。水は管寄せまたはプレ
ナム室（plenum chamber）２３を経て管内管配
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２５を去る。 炉に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
部または底部に位置することができ、いずれかの
場合ガス流は上昇流（upflow）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個の
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（inverted wye fitting）により一
緒に結合し、上昇流で分解ガス流をTLE冷却管
のすぐ上流で、本発明の熱交換器装置のＹ字管取
付物に一定速度で導びいた。ガス流はこのＹ字管
取付物によつて２個の1.35インチ内径の交換器冷
却管に一定速度で分配された。比Ｒは１に等し
い。 水蒸気（Ｓ）対炭化水素（HC）重量／重量比
0.65／１（Ｓ／HC）でのナフサクラツキングに対
しては、非燃焼滞留時間は約0.012秒であつた。
炉流出物を1573〓（856℃）から662〓（350℃）
に冷すのに、27フイート長さの冷却管が必要であ
つた。重質軽油（最終沸点600〓以上）クラツキ
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〓（482
℃）以上であり、わずかに13フイート長さの管を
要した。軽質軽油に対しては、流出物を720〓
（382℃）に冷すために、同一の27フイート長さの
交換器管を使用できた。 第１表にナフサクラツ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を
まとめる。燃焼出口からTLEの出口捕集マニホ
ルドまたは出口ヘツドの下流の点までの全圧力降
下を示す。非燃焼滞留時間は炉火室のちようど外
側から冷却管の入口までを測定した。
輸送ライン（transfer line）の熱交換器に接近し
て結合（close coupling）させる新規な装置に関
する。 スチームクラツキングはよく知られた工程であ
り、米国特許第3641190号および英国特許第
1077918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、
不飽和軽質炭化水素、特に化学薬品および化学中
間物として有用なC2〜C4オレフイン類およびジ
オレフイン類、特にエチレンを含む生成物を製造
するために、20〜90モル％の水蒸気と混合した炭
化水素フイードをクラツキング温度、たとえば約
1400〜1700〓に上げ、かつ反応の吸熱を供給する
ために上記フイ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つて、スチーム
クラツキングは実施される。 分解流出物は輸送ラインにより炉分解ガス出口
に連結された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はマニホ
ルド（manifold）され、TLEの膨張円錐体
（expansion cone）に送られ、ついで管板を通
り、多管TLE（multitube shell and tube TLE）
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TLEにおいては、分解ガスは入口室に
より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、冷却管に入るとき再び収縮しなければ
ならない。典型的交換器においては、速度は入口
ノズルで450フイート／秒から冷却管に入る前に
60フイート／秒に落ちる。冷却管においては、速
度は再び約300フイート／秒に増加する：分解ガ
スのこの膨張と収縮は交換器入口室におけるガス
の低速と組合さつて、乱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インへの
選択率の劣化およびコークス化の原因となる。分
解ガス中の重質成分および多環芳香族は凝縮し重
合し、入口室内にコークスを形成する。工程の乱
れまたはオンストリーム脱コークス化
（onstream decoking）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つて生じる
死流帯域（dead flow zone）を打つ（strike）
とき、分解ガス中に懸濁している重質成分および
多環芳香族はガス流からたたき出され、凝縮し、
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封鎖し、斯くて伝熱を妨
げ、熱交換器の熱交率を失なわせる。さらに、速
度の大きな変化により生じる分解ガスのこのよう
な膨脹と収縮は、米国特許第3357485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、これらの条件が避けられ、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力損失を与え
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、静的圧力の獲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、標準膨脹円錐体に対比し徐々で、比
較的小さいか、または速度が一定であり得る。 フレア膨脹室（flared expansion chamber）
は次の米国特許に記載されている。 第3357485号、第3763262号、第3449212号、第
3910347号、第3456719号、第4078292号、第
3552487号、第4097544号、第3574781号、第
4151217号。 米国特許第3671198号においては、各反応管の
出口は冷却ジヤケツトにより囲まれている夫々の
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個の反応管に取付けた１個の
急冷管の場合、コークスにより急冷管が詰まつた
とき流れの損失があり、分解ガスは反応管内に残
り、温度の高温に達し、燃えきりを生じるから、
ついで反応管が破損する。これに対比し、本熱交
換装置はガスに対し少なくとも２個の流路を有
し、両者が同時に詰まる確率は著しく小さい。こ
れはすぐれた安全特徴である。 滞留時間および炭化水素分圧を減少し、クラツ
キングを一層高い放射コイル出口温度で実施する
とき、望むオレフインへの選択率は改良される。
したがつて、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
ば、論文「エチレン」、ケミカル・ウイーク
（Chemical Week）、11月13日号、1965年参照）。 ごく短かい滞留時間クラツキングの利点を利用
するためには、望ましくない分解反応を停止する
た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TLE冷却管に入る時までに測定される滞
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乱れと再
循環を最小にすることも望ましい。この無制御滞
留時間は望むオレフイ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。（ザ・オイ
ル・アンド・ガス・ジヤーナル（The Oil and
Gas Journal）、２月１日号、1971年参照。） 熱交換器に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流帯域を排除し
て、分解ガス中の重質成分がこの区域に凝縮して
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流
帯域は米国特許第3357485号に記載の装置によつ
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（fire
box）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
態においては通常の装置よりも低い。 TLEの使用に関連した別の問題は炉から熱ガ
スを受ける入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温度勾配によ
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3853476号においては、
この目的のため水蒸気パージジヤケツトを交換器
の入口で使用する。本出願人は熱交換器装置入口
の新規な構造によつて、費用のかかる水蒸気を使
うことなくこの目的を達成する。 炭化水素の熱分解、特に軽質オレフインへのス
チームクラツキングにおいて、分解ガスが炉から
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
にガスの通過のためのＹ字管を形成する２個の分
岐枝（diverging branch）とからなつており、
各枝（branch）はその長さに沿つて実質上均一
な断面積を有しまた夫々の冷却管と流体流連結
（fluid flow communication）している。（ここ
で流体流連結とは、熱交換器の内管を流れる流体
と内管の外わくの管を流れる流体とが並流の状態
にあることをいう。）そこで、Ｙ字管の各枝は直
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、一方熱交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。非燃焼滞留時間と圧力降下が
減少し、それによつてエチレンへの選択率を改良
する。 隣接枝間に適当な比較的小さい分枝角でもつ
て、Ｙ字管または３−ピース（tri‐piece）を使
用できる。各枝はその長さに沿つて好ましくは約
10％以上変化しない、さらに好ましくは約５％以
上変化しない実質上均一な断面積を有する。 通常のTLE入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３−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＝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、各枝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TLE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。 この形態はガスの再循環を許さない。ガスの流
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３−ピースに流
れ、次いで妨害なしに直接冷却管に流れる。寸法
を適当に運ぶことによつて、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。 非燃焼滞留時間は通常のTLEの0.05秒から
0.010〜0.015秒に短縮される。非燃焼区域のバル
ク滞留時間（bulk residence time）が著しく短
縮され、標準TLE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、ほとん
どコークス化は起きない。したがつて、当該装置
はごく短かい滞留時間のクラツキング管と共に使
うのによく適合している。 熱応力を最小にするために、Ｙ字管または３−
ピースは間に絶縁物を有して固定した位置におい
て特に設計したジヤケツトによつて納められ、か
つ囲まれている。ジヤケツトまたはレジユーサ
（reducer）は可変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３−ピースおよびレジユーサは、アシ
リース・デユ・マノアールポンペイ（Acieries
du Manoir‐Pompey）社製のマナウライト
（Manaurite）900Bまたはインコロイ（Incoloy）
800HのようなCr−Ni／Nb合金から適当につく
ることができる。絶縁物質はたとえばA.P.グリ
ーン（A.P.Green）社製の中重量キヤスタブル
VSL−50、またはレスコ・プロダクツ社（Resco
Products，Inc.）製のレスコ（Resco）RS−5A
のような耐火物であることができる。 第１図に示すように、本発明の熱交換器装置は
一般にコネクター２および夫々の冷却管４に通じ
るアームまたは枝３からなるＹ字管１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はジヤケツトまたはレジユーサ１０
のなかに納められている。図示してない清掃連結
（clean‐out connection）をレジユーサの上流に
備えることができる。 第２図はＹ字管をさらに詳しく示す。コネクタ
ー２は比較的小さい分岐角をもつて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、また構造をコンパク
トにするために、上記角度は小さく選ばれる。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30゜であることができる。枝はまつすぐになり、
その下流部分５では実質上平行になる。このまつ
すぐを使つて浸食を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前に枝がまつすぐになつて
いないならば、ガス中に含まれ得るコークスが交
換器冷却管の薄壁に衝突し、比較的短時間に管に
孔を浸食する。コネクターが枝を収容するため大
きくなる場合は、Ｙ字管の枝の交差点により形成
されたじやま板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第２Ａ，２
Ｂ，２Ｃ図で示したように、線Ａ−Ａでの面積は
線Ｂ−Ｂでの面積とほぼ同一で、たとえば1870mm2
であり、線Ｃ−Ｃではコネクターはすでに上記面
積のほぼ半分、たとえば924mm2の枝に分割されて
いる。そこで、枝の断面積の合計対コネクターの
断面積の比Ｒはほぼ１対１、たとえば0.988であ
る。この比は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。適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にし、この例
ではたとえば約924mm2であることができる。Ｒが
１対１より大きく、約２対１まで、本発明の利点
を大部分得ることもできる。 分解ガスはＹ字管の枝から夫々の冷却管へ直接
流れる。流路における管板のような死流区域はな
く、そこで分解ガス中の重質成分（end）は懸濁
して残り、冷却管への流区域を封鎖するコークス
として貯えられない。 Ｙ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り、つば８により所
定の位置に保持されている。 ほぼ1600〜1900〓で操作する分配器２の熱い入
口９からたとえば約480〜約612〓で操作できる冷
い交換器管４への温度遷移は、耐火物を充てんし
た合金レジユーサ１０で遂行される。大気へのガ
スの洩れを防ぐために、レジユーサは図示したよ
うに分配器２および長円形管寄せ２３に溶接され
る。レジユーサの使用は温度勾配を最小にし、そ
こで熱応力を減らす。レジユーサは変化できる断
面積と直径をもつ。レジユーサの大きい直径端１
１はその壁と熱い内部「Ｙ」取付物（fitting）の
間に小さな直径端１３よりも一層多い絶縁物１２
を有する。それ故、この可変絶縁厚さのために、
最高の熱い温度で操作する小さな直径端は、冷い
大きい直径端とほぼ同一放射距離に熱的に膨張し
または成長する。レジユーサの両端はほぼ同一
量、熱的に成長するから、熱応力は最小となる。
熱い分解ガスを冷い交換器管に送る「Ｙ」片分配
器（“Ｙ”piece distributor）２は熱い分解ガス
と同一温度で操作する。「Ｙ」片（“Ｙ”piece）
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５と交換器冷却管４の間に熱膨
張隙間７があつて、「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
ユーサ１０の壁は「Ｙ」分配器よりは圧力含有メ
ンバーとして働らく。 上記と類似の考慮が第３図に示した３−ピース
に適用される。 第４図はＹ字管の枝の一つと流体流連結してい
る１個の熱交換管を示す。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によりジヤケツトされた内管２１を
通し流れることができる。水は管寄せまたはプレ
ナム室（plenum chamber）２３を経て管内管配
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２５を去る。 炉に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
部または底部に位置することができ、いずれかの
場合ガス流は上昇流（upflow）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個の
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（inverted wye fitting）により一
緒に結合し、上昇流で分解ガス流をTLE冷却管
のすぐ上流で、本発明の熱交換器装置のＹ字管取
付物に一定速度で導びいた。ガス流はこのＹ字管
取付物によつて２個の1.35インチ内径の交換器冷
却管に一定速度で分配された。比Ｒは１に等し
い。 水蒸気（Ｓ）対炭化水素（HC）重量／重量比
0.65／１（Ｓ／HC）でのナフサクラツキングに対
しては、非燃焼滞留時間は約0.012秒であつた。
炉流出物を1573〓（856℃）から662〓（350℃）
に冷すのに、27フイート長さの冷却管が必要であ
つた。重質軽油（最終沸点600〓以上）クラツキ
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〓（482
℃）以上であり、わずかに13フイート長さの管を
要した。軽質軽油に対しては、流出物を720〓
（382℃）に冷すために、同一の27フイート長さの
交換器管を使用できた。 第１表にナフサクラツ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を
まとめる。燃焼出口からTLEの出口捕集マニホ
ルドまたは出口ヘツドの下流の点までの全圧力降
下を示す。非燃焼滞留時間は炉火室のちようど外
側から冷却管の入口までを測定した。
【表】
通常のTLEよりも本発明を使うときは、0.75重
量％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50.8mmで、Ｙ字
管の各枝の内径は43mmであつた。分枝角度は30゜
であつた。面積＝πD2／４であるから、比Ｒは1.43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1.9psi
であつた。 実施例 ３ 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インチの管であつた。こ
の管は２個の枝に分割され、各々は内径1.69イン
チを有し、同一径の冷却管に導びかれた。比Ｒは
1.67に等しい。プロパンのスチームクラツキング
に対しては、分解ガス流出物をこの装置で10.5フ
イート長さの冷却管で1600〓から998〓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1.6psiであつた。 従つて、本発明はTLE冷却管を炉の放射コイ
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
（flared type）TLE入口室の除去は、燃焼出口と
TLE冷却管の間の分解ガスの乱れと再循環を最
小にする。そこで、非燃焼滞留時間が減少する。
これらの因子は非選択的クラツキングおよび次の
装置内のコークス化を減少する。一層小さい圧力
降下は放射コイルにおける炭化水素分圧を減少
し、エチレンへの選択率を改良する。装置の上流
で予備急冷のない操作は、高転化率でのガスグラ
ツキングを可能にする。予備急冷の除去は、一層
高いTLE入口温度により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〓の入口を有し、一方接近結合した
TLE系は約1600〓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。
量％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50.8mmで、Ｙ字
管の各枝の内径は43mmであつた。分枝角度は30゜
であつた。面積＝πD2／４であるから、比Ｒは1.43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1.9psi
であつた。 実施例 ３ 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インチの管であつた。こ
の管は２個の枝に分割され、各々は内径1.69イン
チを有し、同一径の冷却管に導びかれた。比Ｒは
1.67に等しい。プロパンのスチームクラツキング
に対しては、分解ガス流出物をこの装置で10.5フ
イート長さの冷却管で1600〓から998〓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1.6psiであつた。 従つて、本発明はTLE冷却管を炉の放射コイ
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
（flared type）TLE入口室の除去は、燃焼出口と
TLE冷却管の間の分解ガスの乱れと再循環を最
小にする。そこで、非燃焼滞留時間が減少する。
これらの因子は非選択的クラツキングおよび次の
装置内のコークス化を減少する。一層小さい圧力
降下は放射コイルにおける炭化水素分圧を減少
し、エチレンへの選択率を改良する。装置の上流
で予備急冷のない操作は、高転化率でのガスグラ
ツキングを可能にする。予備急冷の除去は、一層
高いTLE入口温度により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〓の入口を有し、一方接近結合した
TLE系は約1600〓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。
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Ｙ字管の断面図であ
り、第２Ａ，２Ｂ，２Ｃ図は夫々線Ａ−Ａ，Ｂ−
Ｂ，Ｃ−Ｃで切つた断面であり、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。第４図は装置の１個の冷却管の断面
図である。
の概略図である。第２図はＹ字管の断面図であ
り、第２Ａ，２Ｂ，２Ｃ図は夫々線Ａ−Ａ，Ｂ−
Ｂ，Ｃ−Ｃで切つた断面であり、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。第４図は装置の１個の冷却管の断面
図である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 分解炭化水素ガスの入口を有するコネクター
と当該コネクターと共に分解炭化水素ガスの通路
のためのＹ字管を形成する２個の分岐枝とからな
り、隣接分岐枝のそれぞれの中心軸の間の分岐角
が20〜40゜の範囲であり、枝の断面積の合計対コ
ネクターの断面積の比Ｒが１対１〜２対１であ
り、各枝がその長さに沿つて実質上均一な断面積
を有し、またそれぞれの冷却管の内管を流れる分
解炭化水素ガス流と内管の外わくの管を流れる水
流とが並流状態にあることを特徴とする、分解炭
化水素ガスがスチームクラツキング炉のコイルか
ら熱交換管に流れる輸送ライン熱交換装置。 ２ 分解炭化水素ガスの入口を有するコネクター
と当該コネクターと共に分解炭化水素ガスの通路
のための３−ピースを形成する３個の分岐枝とか
らなり、隣接分岐枝のそれぞれの中心軸の間の分
岐角が20〜40゜の範囲であり、枝の断面積の合計
対コネクターの断面積の比Ｒが１対１〜２対１で
あり、各枝がその長さに沿つて実質上均一な断面
積を有し、またそれぞれの冷却管の内管を流れる
分解炭化水素ガス流と内管の外わくの管を流れる
水流とが並流状態にあることを特徴とする、分解
炭化水素ガスがスチームクラツキング炉のコイル
から熱交換管に流れる輸送ライン熱交換装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/359,197 US4457364A (en) | 1982-03-18 | 1982-03-18 | Close-coupled transfer line heat exchanger unit |
| US359197 | 1982-03-18 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58173388A JPS58173388A (ja) | 1983-10-12 |
| JPH0420035B2 true JPH0420035B2 (ja) | 1992-03-31 |
Family
ID=23412743
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58045853A Granted JPS58173388A (ja) | 1982-03-18 | 1983-03-18 | 接近して結合した輸送ライン熱交換器装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4457364A (ja) |
| EP (1) | EP0089742B1 (ja) |
| JP (1) | JPS58173388A (ja) |
| DE (1) | DE3369185D1 (ja) |
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