エチレン分解炉: 設計、管材料、および操作上の考慮事項

生産運転の途中でエチレン分解炉の放射コイルにホットスポットが現れる瞬間を想像してみてください。チューブの金属温度は前のサイクル中よりも早く上昇し始め、メンテナンス チームは計画外のデコード シャットダウンを予約します。年間 100 万トンのエチレン工場では、生産日が失われるたびに、四半期の営業利益率のかなりの部分が失われる可能性があります。だからこそ、 エチレン分解炉 エチレン複合体全体の中核となる変換ユニットは、日常の運転中と同様に調達中にも多くの注意を払う価値があります。

エチレン分解炉は、熱分解炉または水蒸気分解炉とも呼ばれ、ナフサ、エタン、プロパン、ブタンなどの炭化水素原料を、希釈蒸気の存在下でエチレン、プロピレン、ブタジエン、熱分解ガソリンに熱分解します。炉と呼ばれていますが、実際の反応は放射コイル内で行われ、コイルの出口温度は 820 ～ 870 °C に達し、管の金属温度は 1000 °C を超えることもよくあります。これらの条件は、貴重なオレフィンの収量と解読停止の間隔の両方を決定するため、炉内で行われる設計の選択はプラントの収益性に直接影響します。

EPC 請負業者やプラント所有者にとって、実際の購入の問題は、単に炉が飼料を加熱できるかどうかだけではありません。問題は、選択した設計がその冶金を保持し、コークス化を防止し、安定した熱流束を維持し、多くの動作サイクルにわたって保証された耐用年数をサポートできるかどうかです。完全な エチレン分解炉 supply package コイルの形状、バーナーの選択、対流セクションの表面積、および急冷システムの設計を、プロジェクトのスケジュール内で設計、組み立て、試運転できる 1 つの一貫したソリューションに統合する必要があります。

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プロセスの基礎: 収率はどこから来るのか

放射コイル内のクラッキング反応は、フリーラジカル連鎖メカニズムに従います。滞留時間が短く、炭化水素分圧が低く、温度プロファイルがコイル出口付近でのみ最大値に近づく場合、エチレンの選択性が向上します。最新の炉は、コイルの構成に応じて 0.1 ～ 0.5 秒の滞留時間で動作し、コークス化を抑制し、チューブ金属の温度上昇を制限するために、重量比で約 0.3 ～ 0.8 の蒸気と炭化水素の比率を使用します。

放射セクション、対流セクション、およびクエンチシステム

実際に亀裂が発生するのは放射部です。原料はまず対流セクションに入り、そこで高温の排ガスによって予熱され、蒸発します。そこでは希釈蒸気も過熱されます。 820 ～ 870 °C で放射コイルを出た後、分解ガスは移送ライン熱交換器 (TLE) で急速に急冷されて二次反応を停止し、通常は分解ガス圧縮機タービンを駆動する高圧蒸気を回収します。したがって、炉は単純な加熱ヒーターではなく、統合されたエネルギー システムとして動作します。そのため、プロセス収率と同時に熱効率と熱回収を評価する必要があります。

一般的な炉のタイプとコイル構成

工業用分解炉は、いくつかのよく知られたコイル構成ファミリーに進化しており、それぞれが特定の範囲の原料と分解強度に合わせて最適化されています。以下の表は主な違いをまとめたものです。

実際の違いは収量に限定されません。滞留時間の短い構成では、一般に、より高い出口温度に耐えられる高度なチューブ合金が必要になります。これにより、初期の設備コストが増加しますが、コークスの堆積を減らし、運転期間を延長することができます。最適な選択は、プラントの原料のスレート、下流の回収セクションの制約、およびオペレータが現場の可用性に対して重視する価値によって異なります。

放射コイルの材質と故障メカニズム

放射コイルは、炉内で最も安全性が重要なコンポーネントです。ほとんどのコイルはオーステナイト系耐熱ステンレス鋼から遠心鋳造によって製造されます。古典的なグレードの HK-40 (25Cr-20Ni) は、最新の過酷な炉では主に HP-40 (25Cr-35Ni) およびニオブ安定化 HP-40 改良品に置き換えられており、より高いクリープ破断強度と耐浸炭性が向上しています。 1000 °C での 100,000 時間クリープ破断強度の目安は、ニオブ改質 HP-40 グレードの 25 ～ 35 MPa と比較して、HK-40 の場合はおよそ 15 ～ 20 MPa です。この冶金学的余裕があるため、事実上すべての新しい分解炉では高合金材料が指定されています。

浸炭は依然として主要な長期劣化メカニズムです。プロセスガスからの炭素は管壁内に拡散し、炭化クロムを沈殿させ、金属をより脆くします。クリープ損傷、熱疲労、酸化により亀裂が発生し、最終的にはコイルの交換が必要になります。これらの理由により、オペレータと EPC 購入者は、合金の化学的性質、鋳造品質、溶接手順を文書化されたトレーサビリティで管理する放射コイル サプライヤーを必要としています。専用のサプライヤー クラッキングチューブおよび放射コイル製品 通常、プロジェクトの検査権限を満足させる確実な材料識別記録、寸法レポート、溶接修理手順を提供できます。

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熱流束、コークス化、および稼働時間

熱流束は、選択性とコイル寿命の両方を制御する変数です。ナフサ分解の場合、放射部の平均熱流束は通常 50 ～ 80 kW/m² に制限されますが、バーナー付近およびコイル入口での局所的なピークは平均を 2 倍超える可能性があります。以下のグラフは典型的なサイクルを示しています。コークスが管内壁に蓄積すると、実効熱抵抗が増加するため、同じプロセス出口温度を維持するために管の金属温度が上昇します。

管の金属温度が選択した合金の最大許容値に近づくと、炉は蒸気と空気の混合物でデコーキングされ、稼働に戻ります。長時間の運転には、より耐クリープ性の高い合金、局所的な熱流束を平準化するためのより厳密な燃空比制御、またはより低いプロセス過酷度が必要です。最近のバーナー設計の改良とコイル表面処理により、コークスの付着が遅れ、稼働時間が延長される可能性もあります。

熱効率とエネルギー回収

エチレン分解炉は、石油化学コンビナートで最も多くのエネルギーを消費する炉の 1 つです。最新の炉は、対流セクションに供給排水の熱回収、燃焼用空気の予熱、および適切なサイズの TLE が含まれている場合、低位発熱量 (LHV) ベースで全体の熱効率が 92 ～ 94 パーセントに達します。以下のドーナツ グラフは、燃料の熱分布の内訳を示しています。

最新のエチレン分解炉の燃料熱分布を示します (LHV ベース)。

回避可能な排ガス損失のすべてのパーセントポイントは、炉の 20 年の耐用年数にわたって測定可能な運転コストに換算されます。最も費用対効果の高い改善は、通常、より深い改善です。 対流セクションモジュール フィン付きまたはスタッド付きチューブを使用して、煙道ガスからより多くの顕熱を回収します。回収された廃熱による燃焼用空気の予熱と組み合わせることで、排ガス出口温度を約 100 ～ 120 °C まで下げることができ、炉効率を 95% 近くまで高めることができます。

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炉サプライヤーを選択する際に確認すべきこと

分解炉はプロセスのパフォーマンス、冶金、および大規模な現場での建設に関係しているため、購入の決定は決して見積価格だけに頼るべきではありません。注文を出す前に、3 つの実際的な領域を確認してください。

• プロジェクト実行能力。 サプライヤーは、工場の製造だけでなく、エンジニアリング、調達、建設管理を含む EPC 納入の実績を証明する必要があります。炉の種類、原料、試運転年を記載した参考リストを請求してください。
• 社内製造の幅広さ。 管理された作業場で独自の放射コイルを鋳造し、対流モジュールを製造し、放射ボックスを組み立てるサプライヤーは、さまざまな作業場からコンポーネントを仲介するサプライヤーよりも所有者がスケジュールと品質をより適切に管理できます。
• 品質システムと認証。 製造工場は ISO ベースの品質システムの下で稼働する必要があり、溶接工と検査スタッフはプロジェクトで指定されたコードに関連する証明書を保持している必要があります。中国のプロジェクトの場合、Sinopec、CNPC、または CNOOC のクラス 1 サプライヤーとしての資格が強力な審査のシグナルとなります。

Tuopu Industry (Jiangsu) Co., Ltd. は、これらの特性を兼ね備えたサプライヤーの 1 つです。同社の炉事業は 1998 年に遡り、その生産拠点には、150 トンの吊り上げ能力を備えた 40,000 平方メートルの重機センター、ロボット溶接ライン、大型ヒーター モジュール専用の RO-RO 岸壁が含まれています。同社は、Sinopec、CNPC、および CNOOC の上場クラス 1 サプライヤーであり、EPC ベースでエチレン分解炉を納入しています。候補者リストを作成している場合、実際的な最初のステップは、会社の お問い合わせページ 関連するプロジェクトのリファレンスをリクエストします。技術的な記事も読むことができます 石油化学プラントにおける加熱ヒーターの選択とエンジニアリング用途に関する記事 では、実際のプロジェクトでヒーターのタイプ、デューティ定格、レイアウトの選択がどのように行われるかを説明します。

よくある質問

エチレン分解炉と水蒸気改質炉の違いは何ですか?

エチレン分解炉は、触媒を使用せずに炭化水素を熱分解し、短い滞留時間を使用してオレフィンの収率を最大化します。水素または合成ガスの製造に使用される水蒸気改質装置は、合金チューブ内のニッケル触媒に依存しており、より低い出口温度とより高い内部圧力で動作します。

なぜエチレン分解炉には希釈蒸気が必要なのでしょうか?

希釈蒸気は炭化水素分圧を低下させ、これにより分解平衡がオレフィン側に移動し、管壁へのコークスの堆積速度が低下します。蒸気はまた、管金属の温度上昇を緩和し、分解ガスをコイル内に運ぶのに役立ちます。

エチレン分解炉はどれくらいの頻度でデコーキングする必要がありますか?

一般的な稼働期間は、コイルの設計、熱流束、亀裂の深刻度、および原料の品質に応じて、ナフサ原料の場合は 30 日から 80 日の範囲ですが、エタンの場合はさらに長くなります。チューブの金属温度が設計限界に達するか、炉が出口温度を維持できなくなると、実行は終了します。

1 つの分解炉で複数の原料を処理できますか?

最新の炉の多くは、エタン、LPG、ナフサ間の柔軟性を考慮して設計されています。ただし、コイルの形状と予想される稼働長は原料によって異なるため、より重い原料に切り替えると通常は稼働長が短くなり、蒸気比とコイル出口温度の調整が必要になります。