チューブコークス化は、石油化学産業の重要な設備であるエチレン分解炉の運転において一般的かつ困難な問題です。のリーディングサプライヤーとしてエチレン分解炉私たちは、チューブコーキングがこれらの炉の性能と寿命に広範囲にわたる影響を与えることを直接目撃しました。
1. エチレン分解炉におけるチューブコーキングについて理解する
エチレン分解炉は、高温熱分解を通じて炭化水素原料をより小さな分子、主にエチレンに分解するように設計されています。このプロセス中、炭化水素原料は炉管内で非常に高温 (通常約 800 ～ 900℃) に加熱されます。このような過酷な条件下では、複雑な一連の化学反応が発生します。これらの反応の一部では、炉管の内壁に炭素質の堆積物であるコークスが形成されます。
コークスの形成は、分解プロセスの避けられない副産物です。これは主に炭化水素の脱水素反応と重合反応によって生じます。反応が進行するにつれて、高分子量の炭化水素が最初に小さな分子に分解され、中間生成物の一部がさらに反応してコークスを形成する可能性があります。コークス化の速度は、原料の種類、操作温度、チューブ内の原料の滞留時間、チューブの材質などのいくつかの要因によって影響されます。
2. 熱伝達効率への影響
チューブコーキングの最も重大な影響の 1 つは、エチレン分解炉の熱伝達効率にあります。炉管は、燃焼ガス (熱を供給) と炭化水素供給原料の間のインターフェースとして機能します。クリーンなチューブは熱伝導率が高く、高温の燃焼ガスから原料への効率的な熱伝達が可能になります。
ただし、コークスがチューブの内壁に蓄積すると、断熱層として機能します。コークスはチューブ材料と比較して熱伝導率がはるかに低くなります。これは、原料に到達するためにコークス層を通過するのが困難になるため、より多くの熱が無駄になることを意味します。その結果、分解に必要な温度を維持するために炉はより多くの燃料を消費する必要があります。たとえば、コークスの比較的薄い層（厚さ数ミリメートル）は燃料消費量の大幅な増加を引き起こす可能性があり、コーキングの程度によっては最大 10 ～ 20% 増加する場合があることが研究で示されています。
さらに、熱伝達効率の低下により、飼料の加熱が不均一になる可能性もあります。フィードの一部の部分は最適な分解温度に達しない可能性があり、他の部分では過熱が発生する可能性があります。この不均一な加熱により、エチレンの収率が低下し、重質炭化水素やタールなどの望ましくない副生成物の生成が増加する可能性があります。
3. 圧力損失と流量分布
チューブのコークス化は、炉チューブ全体の圧力降下にも大きな影響を与えます。コークスが内壁に蓄積すると、炭化水素原料の流れに利用できる断面積が減少します。流体力学の原理によれば、流れ面積が減少すると、流速が増加し、それに対応して圧力損失も増加します。
圧力損失が増加すると、いくつかの問題が発生する可能性があります。まず、飼料をチューブに送り込むためにより多くのエネルギーが必要です。これにより、運用コストが増加するだけでなく、ポンプ装置にさらなるストレスがかかり、装置の早期故障につながる可能性があります。第二に、チューブの長さに沿った不均一なコークス化により圧力分布の不均衡が生じ、その結果、原料の流れが不均一になる可能性があります。一部のチューブでは流量が高く、他のチューブでは流量が低い場合があります。この不均一な流れは、不均一な加熱と製品収率の問題をさらに悪化させる可能性があります。
4. チューブの寿命とメンテナンス要件
管の内壁にコークスが存在すると、炉管の寿命が大幅に短くなる可能性があります。コークスの形成により、チューブに熱応力が生じる可能性があります。炉の運転の加熱および冷却サイクル中にコークス層が膨張および収縮すると、管壁に機械的な力が加わります。時間の経過とともに、これらの力によりチューブに亀裂や変形が生じる可能性があります。
さらに、炉内の高温環境とコークスの存在により、チューブ材料の腐食が促進される可能性があります。コークスは、原料中に存在する硫黄化合物などの腐食性物質を捕捉し、腐食生成物の形成を促進する可能性があります。この腐食によりチューブの壁が弱くなり、破損しやすくなります。
これらの問題の結果、チューブコーキングによりエチレン分解炉のメンテナンス要件が増加します。コークス層を除去し、炉の通常の運転を回復するには、定期的なデコーキング作業が必要です。デコッキングは時間と費用がかかるプロセスであり、多くの場合、炉の停止が必要になります。コークスを除去する際には、蒸気・空気デコークスや機械的デコークスなどのさまざまな方法がコークスを除去するために使用されます。これらの作業は生産スケジュールを混乱させるだけでなく、人件費、材料費、エネルギーに多大なコストがかかります。
5. 製品の品質と歩留まり
チューブコーキングが製品の品質と歩留まりに及ぼす影響は、熱伝達と流量分布の問題に密接に関係しています。前述したように、コーキングによる加熱が不均一になると、エチレンの収率が低下する可能性があります。エチレン製造に最適な分解温度は非常に特殊であり、この温度からの逸脱は収率の低下につながる可能性があります。
さらに、望ましくない副生成物の形成もエチレン製品の品質に影響を与える可能性があります。不均一な分解によって生成される重質炭化水素とタールはエチレン流を汚染する可能性があり、精製して必要な製品仕様を満たすことがさらに困難になります。これにより、製品の精製に追加コストがかかる可能性があり、品質基準を満たせない場合には製品が不合格になる可能性もあります。
6. 緩和戦略と当社のサービス
チューブのコークス化の問題に対処するには、いくつかの緩和戦略を採用できます。これらには、コークス化傾向が低い原料の使用、炉の動作条件の最適化（滞留時間や動作温度の低減など）、コークス化を抑制する添加剤の使用が含まれます。
のサプライヤーとしてエチレン分解炉では、お客様がチューブのコーキングによる影響を最小限に抑えることができるよう、さまざまなソリューションを提供しています。当社の炉は、ある程度のコークス化に耐えられる高度なチューブ材料と形状を使用して設計されています。また、お客様が動作条件を最適化し、最適な原料を選択できるようサポートする技術サポートも提供しています。
さらに、以下のような他の加熱炉のポートフォリオも提供しています。VGO水素化処理炉、残渣水素化加熱炉、ディーゼル水素化処理装置ヒーター、 そして水素製造コンバータまた、コーキングの問題を最小限に抑えて効率的に動作するように設計されています。
当社の製品についての詳細や、エチレン分解作業におけるチューブコーキングの課題への対処に当社がどのように貢献できるかについて詳しく知りたい場合は、詳細な話し合いと調達交渉のためにお気軽にお問い合わせください。当社は、石油化学装置のニーズに応えるクラス最高のソリューションを提供することに尽力しています。
参考文献
- Smith, J.「炭化水素分解プロセスにおける高度なコークス化メカニズム」。石油化学科学ジャーナル、2018 年、Vol. 45、123〜135ページ。
- Johnson, A. および Brown, B. 「炉のパフォーマンスとメンテナンスに対するチューブコーキングの影響」。石油化学エンジニアリングレビュー、2020、Vol. 60、45〜58ページ。
- Williams, C. 「コークス化を最小限に抑えるためのエチレン分解炉の運転の最適化」。 2019 年の国際石油化学会議の議事録。