JPH0743255B2 - 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

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
ラッ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、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
ぱいになる。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、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
きなか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。このボ
キング（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、ボキング温度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。現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ボギング温度より遥
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。ボ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
て発礎生される。これらの振動それ自体は、上記位置に
おけるコークス生成装置の壁の幾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
子の通常の質量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測定するこ
とによりコークスの存在を測定又は検出するうな「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電力スペクトルを得
ることから始まる。この電力スペクトルは、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。この電力スペクトル及び
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
ンピユ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「ボギング」のおそれなく最大収率
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
うな条件のもとで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
により電力スペクトルが第３図に示すように測定され
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K4384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K2653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K2032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“t"において位置“i"に取り付けられた加速度計の
もの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、if（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、Li
（ｏ）とfi（ｏ）の両方が既知であるときのそれ以前の
或る時間における同じ量である。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ける
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“C"を次の式で定め
ることができる。

Ｃ＝2Li（ｏ）fi（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 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（American Institute of Physics Hand
book）（ニユーヨーク、マグローヒル（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）電力スペクトルと、コークス
粒子によって発生された電力スペ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
＆K8202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チャンネ
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
チャ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。ハンマーの衝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或る位置に配置され
た加速度計についての加速度の電力ペクトルを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電力スペクトル
である。又、第７図の下に示されているのは、コークス
の粒子の衝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る電力スペク
トルである。壁共振のピークが両方の電力スペクトルに
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
電力スペ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電
力スペクトルであり、下の図は、271日後の電力スペク
トルである。両方の図において、壁の共振は、０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2080Hz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。

例１ 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、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つにおける電力スペクト
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図にプロットした。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。

例２ 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。9536Hz
におけるピークは数＋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電力スペク
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、時間の関数として電力スペクトルを示す
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、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かを示す図、 第７図は、壁がコークス粒子によって励起される場合の
電力スペクトルおよび壁がインパルスハンマーによって
励起される場合の電力スペクトルを示す図、 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電力ス
ペ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電力スペクトルを示
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25.6KH
zの（ａ）段階で始まり、各次々のスペクトルの帯域巾
が２の係数で減少し、電力スペクトル（ｇ）が約20Hz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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロジャー ウォルフ コーエン アメリカ合衆国 ニュージャージー州 ト レントン ライン ロード 134 (72)発明者 ユージーン ロバート エルジンガー ジ ュニア アメリカ合衆国 ミシガン州 マーケット ミドル アイランド ポイント ボック ス 486 (56)参考文献 特開 昭60−93303（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−66104（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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、 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. 【請求項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。