JP4387301B2 - 水置換による炭化水素原料分解処理 - Google Patents

Description

発明の背景

発明の分野
本発明は、希釈スチームの補助又は代用として水を用いる炭化水素原料の分解に関する。

背景技術の説明
スチーム分解は、様々な炭化水素供給原料をオレフィンへ分解することに長らく用いられてきた。従来のスチーム分解は、２つの主要な区画、即ち対流区画及び放射区画を有する炉を用いる。炭化水素供給原料は通常は炉の対流区画へ液体として入り（蒸気として入る軽供給原料は除く）、通常は、放射区画からの温排ガスとの間接接触により、或いは水蒸気との直接接触により加熱されて気化される。気化された供給原料と水蒸気との混合体は放射区画へ導入されて、ここで分解がなされる。オレフィンを含む結果的な生成物は、例えばクエンチングなどの更なる下流処理のために炉を離れる。

非限定的な説明の例として、ナフサ原料からエチレンを生産するための代表的な分解反応炉においては、炭化水素原料は炉の対流区画へ入り、ここでは輻射区画からの炉排ガスとの間接接触により第１熱交換管内で予熱される。希釈蒸気ストリーム対流区画へ入ることができ、ここでも輻射区画からの炉排ガスとの間接接触により熱交換管内で過熱される。過熱希釈スチームは次いで炭化水素原料と混合されて、炉の輻射区画反応領域における炭化水素局所的圧力を低減させる。当技術分野で良く知られているように、反応領域における炭化水素局所的圧力を低減させると、（１）エチレンなどのオレフィン生成物に要求される反応炉の選択性を増大させ、（２）不所望なコークが形成されて輻射区画管の内面に堆積される割合を低減させる。過熱水蒸気は予熱炭化水素源流緒と混合されて蒸気炭化水素／水蒸気混合体を生成し、この混合体は、これを炉の輻射区画へ輸送するのに適する温度へ更に予熱される。所望のエチレン生成物及び他の副生物を生成する分解反応は主として炉の輻射区画で生じる。輻射区画を離れた後、反応炉流出物はクエンチシステムにおいて迅速にクエンチされて分解反応を停止させる。

よく知られるエネルギ効率化目的のためには、輻射区画を離れる排ガスから可能な限り大きな熱を回復し、炉排ガスを排出させるように炉の対流区画を通じて流れる。従って炭化水素原料及び希釈スチームは対流区画において、代表的には輻射区画からの排ガスとの間接接触により加熱される。他の回復設備も対流区画へ含めてもよく、これは例えばボイラー供給水予熱ヒータ及び／又は炉のクエンチシステムにおいて生成される高圧水蒸気を過熱するのに用いる水蒸気過熱器である。

或る炉の設計においては、ボイラー供給水予熱及び／又は高圧水蒸気過熱設備は、対流区画を通じて流れる排ガスストリームから熱を吸収するためには利用可能ではない。このような場合、排ガスは許容しがたい高温、例えば６００乃至７００°Ｆ（３１５乃至３７０℃）もの高温で炉を出る。これは実質的なエネルギ非効率を表しており、或る設計は排ガス排出温度を低く、例えば２５０乃至３００°F（１２０乃至１５０℃）としている。

他の例においては、付加的な希釈スチームを与えて炭化水素原料局所的圧力を更に低減させることも望ましいであろう。しかしながら、このような水蒸気は妥当なコストでは利用可能でない。

本発明は、そのようにしなければ妥当なコストでは利用可能ではない場合に、付加的な希釈スチームを提供する利点を与える。

本発明は炉エネルギ効率を改善する他の利点も与える。本発明の上述及び他の特徴と利点は、以下の説明と特許請求の範囲から明らかになろう。

発明の概要
本発明は炉内の炭化水素原料を調整する処理を与え、この処理は（ａ）炭化水素原料を加熱し、（ｂ）水及び希釈スチームを加熱原料へ供給して混合体を形成し、（ｃ）この混合体を加熱し、（ｄ）この加熱された混合体を（ｃ）から炉へ供給し、ここで（ｂ）における水は、水及び希釈スチームの重量に基づいて少なくとも約１％乃至１００％重量部の量が添加される。１つの実施形態においては、水及び希釈スチームの重量に基づいて少なくとも約３％重量部の量の水が添加される（即ち、少なくとも約３％から１００％の水）。他の実施形態においては、水及び希釈スチームの重量に基づいて少なくとも約１０％重量部の量の水が添加される。更に他の実施形態においては、水及び希釈スチームの重量に基づいて少なくとも約３０％重量部の量の水が添加される。本発明によれば、水は希釈スチームの全体的な代用である（即ち、蒸気の添加がない）。しかしながら、希釈蒸気と水との両方を炭化水素原料へ供給することが好ましい。

好ましい実施形態によれば、希釈スチームがあるならば、水は希釈スチームに先立って添加する。

他の実施形態によれば、加熱原料へ加えられた水と蒸気との比は、少なくとも１つの処理変数における変動に応じて変化する。好ましい実施形態においては、処理変数は処理温度である。これに関して、処理温度は炉を出る排ガスの温度、炉の対流区画における処理温度及び／又は炉の輻射区画（反応領域）に対する処理温度とすることができる。

更なる実施形態によれば、水が多孔分散管で炭化水素原料へ加えられ、希釈スチームがあるならば、これは他の多孔分散管で原料へ加えられる。好ましい実施形態において、第１及び第２多孔分散管は、一つの多孔分散管アセンブリの部分であり、ここでは第１多孔分散管と第２多孔分散管とが流体連通して直列に接続されている。

本発明は炉における炭化水素供給原料を分解する処理も与え、その炉は、輻射熱と高温排ガスとを生成するバーナーを含む輻射区画と、熱交換管を含む対流区画とを備え、この処理は、
（ａ）炭化水素原料を対流区画における熱交換管内で輻射区画からの高温排ガスによる間接的熱交換によって予熱し 予熱原料を与え、
（ｂ）第１多孔分散管における予熱原料に水を添加し、第２多孔分散管における予熱原料に希釈スチームを添加して原料混合体を形成し、
（ｃ）原料混合体を対流区画における熱交換管内で輻射区画からの高温排ガスによる間接的熱交換によって加熱して加熱原料混合体を形成し、
（ｄ）この加熱された混合体を輻射区画へ供給し、その加熱原料混合体における炭化水素は熱分解されて生成物を形成することを含み、
ここで（ｂ）における水は、水及び希釈スチームの重量に基づいて少なくとも約１％乃至１００％重量部の量が添加される。

好ましい実施形態においては、第１多孔分散管は、外側導管に囲まれた内側多孔性導管を備えることにより、内側導管と外側導管との間に管状流空間を形成している。好ましくは、予熱炭化水素は管状流空間を通じて流れ、水は内側導管を通じて流れて、その内側導管の開口（多孔）を通じて予熱炭化水素へ注入される。

他の実施形態においては、第２多孔分散管は、外側導管に囲まれた内側多孔性導管を備えることにより、内側導管と外側導管との間に管状流空間を形成している。好ましくは、第1多孔分散管からの原料は管状流空間を通じて流れ、希釈スチームは内側導管を通じて流れて、その内側導管の開口（多孔）を通じて第1原料混合体へ注入される。

更に好ましい実施形態においては、第１と第２の多孔分散管が多孔分散管アセンブリの部分をなし、このアセンブリでは第１と第２の多孔分散管が並列に流体連通して接続される。

図面の簡単な説明
図１は分解炉と共に採用された本発明に係る処理の模式的な流れ図であり、炉の対流区画を特に強調している。この図は処理変数、即ち炉の輻射区画に対する処理ガスの温度に応じて希釈スチームに対する水の比を変化させる制御図を示す。図２は処理パラメータ、特に炉を出る排ガスの温度に関連して希釈スチームに対する水の比を変動させるのに用いる制御系の模式図を示す。図３は同様な制御系であるが、炉の対流区画における処理ガスの温度に関連して希釈スチームに対する水の比を変動させる制御系の模式図である。

発明の詳細な説明
特に断らない限り、全てのパーセンテージ、割合、比等は重量部による。特に断らない限り、組成又は成分に対する参照基準は、例えば組成の混合体など他の組成及び成分の組み合わせのみならず、それ自身の組成又は成分を含む。

更に、量、凝縮、又は他の値又はパラメータが好ましい上限値及び好ましい下限値のリストとして与えられ、これは、範囲が個別に開示されているか否かに係わらず、好ましい上限値と好ましい下限値との任意の対から形成された全ての範囲を特に開示する。

本発明は炉内の炭化水素原料を調整する処理に関する。１つの実施形態によれば、この処理は、（ａ）炭化水素原料を加熱し、（ｂ）加熱原料へ水及び希釈ストリームを添加して混合体を形成し、（ｃ）混合体を加熱し、（ｄ）加熱された混合体を炉へ供給し、ここで（ｂ）における水は、水及び希釈スチームに基づいて少なくとも約１％乃至１００％重量部の量を添加することを含む。

特に図１を参照すると、符号1は全体的に分解炉を示し、これは下部輻射区画２、中間対流区画３及び上部排ガス排出区画４からなる。輻射区画において、輻射バーナーは炭化水素原料へ輻射熱を与え、原料の熱分解により所望の生成物を生産させる。バーナーは高温ガスを生成し、これは対流区画３を通じて上方へ流れて、排ガス排出区画４を通じて炉を出る。図1に示すように、炭化水素原料３３は対流区画３の上部分に入り、ここで予熱される。炭化水素の予熱は、当業者には公知の任意の方式で実施可能である。しかしながら、この加熱は炉の対流区画における供給原料と炉１の輻射区画からの高温排ガスとの間接接触からなることが好ましい。この加熱は、炉１の上部対流区画３における原料と炉の輻射区画からの高温排ガスとの間接接触を含むことが好ましい。これは、例えば炉１の対流区画３内に位置する熱交換管１７を通じて原料を通過させることにより達成できるが、この例に限定されるものではない。予熱原料は２００°Ｆと６００°Ｆとの間（９５℃と３１５℃との間）の温度を有する。好ましくは、加熱原料の温度は約３００°Ｆと５００°Ｆとの間（１５０℃と２６０℃との間）であり、更に好ましくは３５０°Ｆと５００°Ｆとの間（１７５℃と２６０℃との間）である。

予熱炭化水素原料が符号４７において対流区画を出た後、水５及び希釈スチーム６がそこへ加えられて混合体を形成する。加えられた水及び希釈スチームの重量による全量に基づいて少なくとも約１％乃至１００％重量部の量の水が供給原料へ加えられる。好ましくは、水及び希釈スチームに基づく少なくとも約３％重量部の量の水（即ち約３％乃至約１００％の水）が加えられる。水は、水及び希釈スチームの更に好ましくは少なくとも約１０％重量部の量、最も好ましくは少なくとも約３０％重量部の量が加えられる。本発明の実施形態によれば、１００％の水を炭化水素原料に加えて、希釈スチームを加えないことが可能であることが理解される。水流及び希釈スチーム流の合計は所望の炭化水素局所的圧力を達成するのに必要な反応領域Ｈ_２Ｏの総計を与える。

図１に示すように、水５は、希釈スチームの添加に先立って、予熱原料へ添加することが好ましい。この添加の順序は、炭化水素、水及び希釈スチームの混合に起因する処理ストリームにおける不所望な圧力変動を低減させると信じられる。このような変動は通常はウォーターハンマー又はスチームハンマーと称されている。水及び希釈スチームの予熱炭化水素原料への添加は任意の公知のミキシングデバイスを用いて達成でき、図示のように多孔分散管アセンブリ７を用いるのが好ましい。水は第1多孔分散管８へ添加されるのが好ましい。図示のように、第1多孔分散管８は内側多孔導管９を含み、これは外側導管１０に包囲されて、内側導管と外側導管との間に環状流空間１１を形成する。好ましくは予熱炭化水素原料４１は環状流空間１１を通じて流れる。また好ましくは、水５は内側多孔導管９を通じて流れ、内側導管９に図示する開口（多孔）を通じて予熱炭化水素原料へ注入される。

希釈スチーム６は第２多孔分散管１２において予熱炭化水素原料へ添加されることが好ましい。図示のように、第２多孔分散管１２は、内側多孔導管１３を含み、これは外側導管１４に包囲されて、内側導管と外側導管との間に環状流空間１５を形成する。既に水を添加された予熱炭化水素原料４１は環状流空間１５を通じて流れることが好ましい。また好ましくは、希釈スチームは内側多孔導管１３を通じて流れ、内側導管９に図示する開口（多孔）を通じて予熱炭化水素原料へ注入される。

好ましくは、第１及び第２多孔分散管は、図示のように一つの多孔分散管アセンブリの部分であり、ここでは第１多孔分散管と第２多孔分散管とが流体連通して直列に接続されている。図示のように、多孔分散管８及び１２は、流体流相互結合コネクタにより流体連通するように直列に相互接続されている。

図に更に示されるように、多孔分散管アセンブリ７を出ると、（炭化水素及び希釈スチーム）の混合体は炉１へ還流して、対流区画３の下部において更に加熱される。炭化水素供給燃料の更なる加熱には、当業者に公知の任意の形態を採用できる。しかしながら好ましいことは、加熱が炉１の下部対流区画３における原料と炉の輻射区画からの高温排ガスとの間接接触を含むことである。このことは、例えば炉１の対流区画３内に位置する熱交換管１８に原料を通すことにより達成されるが、この例に限定されるものではない。１８における混合体の付加的な加熱に続いて、結果的な過熱された混合体は１９において対流区画を出て、次いで炭化水素の熱的分解のために炉の輻射区画へ流れる。輻射区画への加熱原料の持つ温度は好ましくは８００°Fと１４００°Fとの間（４２５℃と７６０℃との間）である。好ましくは加熱原料の温度は約１０５０乃至１３５０°F（５６０乃至７３０℃）である。

図１は本発明を用いて輻射区画２５に対する処理温度を制御することを更に示す。処理温度は制御器２６に対する入力であり、これは流量計２８及び制御弁２９を介して水の流量率を制御する。水は次いで多孔分散管７へ入る。処理温度が高すぎるとき、制御器２６は水２７の流量を増大させる。

制御器２６は流量率信号を模式的に３１で示されるコンピュータ制御アプリケーションにも送り、これは以下に詳述するように希釈スチーム流量率を決定する。炭化水素原料３３のプリセット流量率は流量計３４により測定され、これは制御器３５に対する入力であり、制御器は次いで信号を供給制御弁３６へ送る。制御器３５は供給率信号をコンピュータ制御アプリケーション３７にも送り、これは供給率をプリセット総計Ｈ_２Ｏ対供給率比で乗じることにより輻射区画に対する総計Ｈ_２Ｏを決定する。総計Ｈ_２Ｏレート信号はコンピュータアプリケーション３１に対する第２の入力である。コンピュータアプリケーション３１は総計Ｈ_２Ｏレートから水流量率を差し引き、その差が希釈スチーム制御器３８についての設定点である。流量計３９は希釈スチームレートを測定し、これも制御器３８に対する入力である。流量率が増大すると、上述したように、希釈スチーム制御器３８に入力された設定点が減少する。制御器３８は次いで制御弁４０へ指令して、希釈液を低減させてスチームレート３２を新たな設定点にさせる。処理温度２５が非常に低いときは、制御計画制御弁２９に水流量率を低減させるように指示し、且つ制御弁４０に指令して一定の総計Ｈ_２Ｏレートを保ちつつ、スチームレートを増大させる。

代替的に、この制御計画は図２に示されるように排ガス４２の排出温度を制御し、且つ図３に示されるように炉の対流区画における処理温度を制御するのと同様な方式で働く。排ガス排出の温度制御に関連して、排ガスは約６５０°F（３４５℃）未満の温度で出るのが好ましく、好ましくは約４５０°F（２３０℃）未満であり、更に好ましくは約３５０°F（１７５℃）未満である。

本発明に係る処理は炉の輻射区画反応領域における所望の炭化水素局所的圧力を維持しながら、水ストリームの蒸気化の熱に起因する対流区画熱回復要請を増大させる。このようなシステムは、低い排ガス排出温度、ひいてはよりエネルギー効率の良い炉をもたらす。

同様に、本発明に係る処理は、希釈スチームの利用可能な供給が制限されているか、又は所望の炉運転状態には不充分であるか、或いはこれらの両方である設備において、所望の反応領域炭化水素局所的圧力を維持する能力がある。

図１は分解炉と共に採用された本発明に係る処理の模式的な流れ図であり、炉の対流区画を特に強調している。この図は処理変数、即ち炉の輻射区画に対する処理ガスの温度に応じて希釈スチームに対する水の比を変化させる制御図を示す。 図２は処理パラメータ、特に炉を出る排ガスの温度に関連して希釈スチームに対する水の比を変動させるのに用いる制御系の模式図を示す。 図３は同様な制御系であるが、炉の対流区画における処理ガスの温度に関連して希釈スチームに対する水の比を変動させる制御系の模式図である。

Claims (24)

1. 炉内の炭化水素原料を調整する方法であって、この方法は、
   （ａ）炭化水素原料を加熱して加熱原料を与え、
   （ｂ）水及び希釈スチームを加熱原料へ添加して混合体を形成し、
   （ｃ）この混合体を加熱して加熱混合体を与え、
   （ｄ）この加熱された混合体を（ｃ）から炉へ供給し、ここで（ｂ）における水は、水及び希釈スチームの重量に基づいて少なくとも１％乃至１００％重量部の量が一つの多孔分散管へ添加され、希釈スチームがあるならば、これは更なる多孔分散管で前記加熱原料へ加えられる方法。
2. 請求項１の方法において、水が少なくとも３％重量部の量で加えられる方法。
3. 請求項１又は２の方法において、水が少なくとも１０％重量部の量で加えられる方法。
4. 請求項１、２又は３の方法において、水が少なくとも３０％重量部の量で加えられる方法。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法において、希釈スチームの追加があるならば、それよりも水の追加を優先させる方法。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法において、加熱原料へ加えられた水とスチームとの比は、少なくとも１つのパラメータにおける変動に応じて変化する方法。
7. 請求項６記載の方法において、前記炉は排ガス区画、対流区画及び輻射区画を含み、前記パラメータは温度である方法。
8. 請求項７記載の方法において、前記パラメータが前記炉の前記排ガス区画における混合体の温度である方法。
9. 請求項７記載の方法において、前記パラメータが前記炉の前記対流区画におけるガスの温度である方法。
10. 請求項７記載の方法において、結果的な加熱された混合体が前記炉の輻射区画へ供給されて、前記パラメータが、前記結果的な加熱された混合体の前記炉の輻射区画へ入る前の温度である方法。
11. 請求項７乃至１０の何れか一項に記載の方法において、ガスは３４５℃（６５０°F）未満の温度で前記炉の前記排ガス区画を出る方法。
12. 請求項７乃至１１の何れか一項に記載の方法において、ガスは２３０℃（４５０°F）未満の温度で前記炉の前記排ガス区画を出る方法。
13. 請求項７乃至１２の何れか一項に記載の方法において、ガスは１７５℃（３５０°F）未満の温度で前記炉の前記排ガス区画を出る方法。
14. 請求項１乃至１３の何れか一項に記載の方法において、前記一つの多孔分散管と前記更なる多孔分散管とは、一つの多孔分散管アセンブリの部分である方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、前記一つの多孔分散管と前記更なる多孔分散管とは流体連通して直列に接続されている方法。
16. 請求項１乃至１５の何れか一項に記載の方法において、前記一つの多孔分散管と前記更なる多孔分散管との各々は、内側多孔導管を含み、これは外側導管に包囲されて、前記内側導管と外側導管との間に環状流空間を形成する方法。
17. 請求項１乃至１６の何れか一項に記載の方法において、前記炉がスチーム分解炉である方法。
18. 請求項１に記載の方法において、前記炉は、輻射熱と高温排ガスとを生成するバーナーを含む輻射区画と、熱交換管を含む対流区画とを備え、この方法は、
    （ａ）炭化水素原料を前記対流区画における前記熱交換管内で前記輻射区画からの高温排ガスによる間接的熱交換によって加熱して加熱原料を与え、
    （ｂ）第１の多孔分散管における加熱原料に水を添加し、第２の多孔分散管における加熱原料に希釈スチームを添加して原料混合体を形成し、
    （ｃ）原料混合体を前記対流区画における前記熱交換管内で前記輻射区画からの高温排ガスによる間接的熱交換によって加熱して加熱原料混合体を形成し、
    （ｄ）この加熱された混合体を前記輻射区画へ供給し、その加熱原料混合体における炭化水素は熱分解されて生成物を形成することを含む方法。
19. 請求項１８に記載の方法において、前記希釈スチームの添加に先立って水を前記加熱原料へ添加する方法。
20. 請求項１８又は１９に記載の方法において、第１多孔分散管は、外側導管に囲まれた内側多孔性導管を備えることにより、内側導管と外側導管との間に環状流空間を形成している方法。
21. 請求項２０に記載の方法において、加熱原料は環状流空間を通じて流れ、水は内側導管を通じて流れて、その内側導管の多孔を通じて加熱原料へ注入される方法。
22. 請求項１８乃至２１の何れか一項に記載の方法において、第２多孔分散管は、外側導管に囲まれた内側多孔性導管を備えることにより、内側導管と外側導管との間に環状流空間を形成している方法。
23. 請求項１８乃至２２の何れか一項に記載の方法において、第1多孔分散管からの原料は前記環状流空間を通じて流れ、希釈スチームは前記内側導管を通じて流れて、その内側導管の多孔を通じて原料混合体へ注入される方法。
24. 請求項１８乃至２２の何れか一項に記載の方法において、第１と第２の多孔分散管が多孔分散管アセンブリの部分をなし、このアセンブリでは第１と第２の多孔分散管が直列に流体連通して接続される方法。

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