(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温の気体の流れの方向に沿って大略的に板状の支持部材を配置し、支持部材に間隔をあけて形成される貫通孔に複数の伝熱管を個別に挿入して、気体と各伝熱管内を流れる流体とを熱交換する多管式熱交換器において、
前記支持部材に形成される貫通孔の内径は、前記伝熱管の外径よりも大きく設定され、
前記支持部材の表面のうち、前記気体の流れの方向で上流側の部分を覆って断熱する断熱材であって、湿った状態で不定形であり、乾燥すると固化する不定形耐熱材を含む断熱材と、
前記不定形耐熱材が覆う部分の支持部材に配置されるスタッドボルトと、
前記断熱材が断熱する範囲で、前記伝熱管が前記貫通孔に挿入される部分の伝熱管の外周に巻付けられ、該伝熱管の該貫通孔に対する変位を許容するクッション材とを含み、
前記不定形耐熱材は、前記クッション材よりも前記伝熱管の半径方向外方において前記スタッドボルトを覆って配置されることを特徴とする多管式熱交換器。
【請求項２】
高温の気体の流れの方向に沿って大略的に板状の支持部材を配置し、支持部材に間隔をあけて形成される貫通孔に複数の伝熱管を個別に挿入して、気体と各伝熱管内を流れる流体とを熱交換する多管式熱交換器を補修する方法であって、
前記支持部材に形成される貫通孔の内径を、前記伝熱管の外形よりも大きく設定し、
前記伝熱管が前記貫通孔に挿入される部分の外周に、該伝熱管の該貫通孔に対する変位を許容するクッション材を配置し、
前記支持部材の表面のうちで、前記気体の流れの方向で上流側の部分に、スタッドボルトを配置し、
前記スタッドボルトに、湿った状態で不定形であり乾燥すると固化する不定形耐熱材を、湿った状態で塗りつけて前記スタッドボルトを覆い、前記支持部材の表面のうち前記気体の流れの方向で上流側の部分を、前記不定形耐熱材を含む断熱材で覆って断熱することを特徴とする多管式熱交換器の補修方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナフサの高温熱分解反応のための予熱などに用いる多管式熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、石油化学工業では、ナフサの高温熱分解反応で、エチレンなどの各種原料炭化水素を製造し、さらにポリエチレンなどの製品を生産している。ナフサの高温熱分解反応は、水蒸気と混合した状態で８００〜９００℃に加熱して行われる。熱分解を効率的に行うため、原料のナフサや水蒸気は、熱分解反応の廃熱を利用して予熱している。
【０００３】
図７は、従来からナフサの高温熱分解反応に使用しているエチレン分解炉１の概略的な構成を示す。エチレン分解炉１は、輻射部２でナフサの高温分解反応を行う。輻射部２の廃熱は、対流部３で原料の予熱に利用される。輻射部２での反応生成物は、冷却部４で冷却される。輻射部２内には、原料のナフサや水蒸気の混合流体が流れる輻射管５が配置され、周囲からの輻射熱で８００〜９００℃の反応温度まで加熱される。この反応温度まで過熱するため、輻射部２内の雰囲気はより高温となっている。高温の雰囲気は、廃ガスとして排出される。加熱時間短縮と廃熱の有効利用のために、廃ガスの流路となる対流部３には、ナフサ予熱器６、エコノマイザ７、第１熱交換器８、水蒸気過熱器９、第２熱交換器１０および希釈水蒸気過熱器１１が多管式熱交換器として、上方から下方に、順次的に設けられている。
【０００４】
原料となるナフサは、ナフサ予熱器６で予熱され、第１熱交換器８に送られる。水蒸気を発生させるための水は、エコノマイザ７で予熱され、水蒸気過熱器９で過熱水蒸気となり、高圧水蒸気となる。希釈水蒸気は、希釈水蒸気過熱器１１で過熱され、第１熱交換器８に送られて、ナフサを希釈する。水蒸気で希釈されたナフサは、第１熱交換器８で廃ガスと熱交換して加熱され、さらに第２熱交換器１０で廃ガスと熱交換して加熱されたあと、輻射管５に送られる。
【０００５】
対流部３に下方から流入する高温の廃ガスは、上方に流れる間に、希釈水蒸気過熱器１１、第２熱交換器１０、水蒸気過熱器９、第１熱交換器８、エコノマイザ７およびナフサ予熱器６と順次熱交換を行って冷却される。したがって、希釈水蒸気過熱器１１や第２熱交換器１０では、輻射管５内での反応温度に近い８００〜９００℃程度の高温の廃ガスと熱交換して、廃ガスの有する熱量を伝熱管内を流れるナフサや水蒸気に移行させている。
【０００６】
図８は、図７の対流部３で、希釈水蒸気過熱器１１および第２熱交換器１０が形成される部分の概略的な構成を示す。対流部３は、断熱壁１５で囲まれた煙道であり、大略的に板状のチューブサポート１６が、複数枚、間隔をあけて、廃ガスの流路に配置されている。チューブサポート１６の表面は、廃ガスの流れの方向に平行であり、複数の伝熱管１７を支持するための貫通孔１８が表面に間隔をあけて設けられている。複数の伝熱管１７は、廃ガスの流れる方向に対し、軸線がほぼ垂直な方向に、支持部材であるチューブサポート１６で支持されて架設されている。チューブサポート１６は、大略的に板状であるけれども、貫通孔１８の周囲の部分は筒状であり、表面から外方に突出している。このような立体的な構造のチューブサポート１６は、鋳造で製造される。しかも、希釈水蒸気過熱器１１および第２熱交換器１０の部分では、高温の廃ガスと熱交換する必要があるので、たとえば２５％のクロム（Ｃｒ）と２０％のニッケル（Ｎｉ）とを含むような高温耐熱鋳鋼など、高価な材料を使用する必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示すようなエチレン分解炉１の対流部３に設ける第２熱交換器１０や希釈水蒸気過熱器１１などの多管式熱交換器には、高温耐熱鋳鋼などの耐熱材料で形成される図８に示すようなチューブサポート１６が用いられている。チューブサポート１６の貫通孔１８の部分は、伝熱管１７からの荷重が常に印加される状態で、しかも高温雰囲気下で使用される。このため、長期間の使用ではクリープ現象で、線状の割れであるクラックが生じやすくなり、さらには破損に至るおそれがある。チューブサポート１６にクリープによる破損が生じれば、対流部３の寿命が尽きるか、大規模な補修が必要となる。チューブサポート１６として、より高温に耐える材料を使用すれば対流部３の寿命を延すことは可能である。ただし、チューブサポート１６の材料費が高騰するのは避けられない。
【０００８】
本発明の目的は、高温雰囲気下でもクリープ損傷が生じにくく、長時間にわたって信頼性高く使用することが可能な多管式熱交換器を提供することである。
【０００９】
さらに本発明の目的は、既存の多管式熱交換器の寿命を延長することができる多管式熱交換器の補修方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高温の気体の流れの方向に沿って大略的に板状の支持部材を配置し、支持部材に間隔をあけて形成される貫通孔に複数の伝熱管を個別に挿入して、気体と各伝熱管内を流れる流体とを熱交換する多管式熱交換器において、
前記支持部材に形成される貫通孔の内径は、前記伝熱管の外径よりも大きく設定され、
前記支持部材の表面のうち、前記気体の流れの方向で上流側の部分を覆って断熱する断熱材であって、湿った状態で不定形であり、乾燥すると固化する不定形耐熱材を含む断熱材と、
前記不定形耐熱材が覆う部分の支持部材に配置されるスタッドボルトと、
前記断熱材が断熱する範囲で、前記伝熱管が前記貫通孔に挿入される部分の伝熱管の外周に巻付けられ、該伝熱管の該貫通孔に対する変位を許容するクッション材とを含み、
前記不定形耐熱材は、前記クッション材よりも前記伝熱管の半径方向外方において前記スタッドボルトを覆って配置されることを特徴とする多管式熱交換器である。
【００１１】
本発明に従えば、複数の伝熱管が、支持部材に形成される貫通孔に挿入されて、軸線が高温の気体が流れる方向に垂直となるように、支持される。支持部材の表面は、高温の気体に曝される。ただし、支持部材のうち気体の流れの方向で上流側の部分は、断熱材で覆われて断熱されるので、高温の廃ガス雰囲気下にもかかわらず、気体の流れの方向で下流側の部分からの冷熱の伝熱で、支持部材表面の温度を低くすることができる。クリープ損傷等は、材料が曝される温度が高く、荷重が大きいほど生じやすくなり、逆に温度が低くなると、生じにくくなる。したがって、高温雰囲気下に曝される支持部材であっても、断熱によってクリープ損傷等を生じにくくすることができる。
【００１３】
また、伝熱管が支持部材の貫通孔に挿入される部分の外周には、クッション材が巻付けられる。クッション材は、伝熱管の貫通孔に対する変位を許容するので、伝熱管と貫通孔とが固着するのを防ぐことができる。伝熱管と貫通孔とが固着しないので、温度変化などによって生じる熱的なストレスの影響で、伝熱管と貫通孔との接触部分に大きな力が加わることを防ぎ、破損しにくくすることができる。
また、不定形耐熱材は、湿った状態で塗りつけることができ、時間経過で乾燥するとともに固化する。不定形耐熱材中には、予めスタッドボルトを埋込んでおく。これによって、固化した不定形耐熱材の支持部材への付着を補強することができる。
【００１４】
また本発明は、高温の気体の流れの方向に沿って大略的に板状の支持部材を配置し、支持部材に間隔をあけて形成される貫通孔に複数の伝熱管を個別に挿入して、気体と各伝熱管内を流れる流体とを熱交換する多管式熱交換器を補修する方法であって、
前記支持部材に形成される貫通孔の内径を、前記伝熱管の外形よりも大きく設定し、
前記伝熱管が前記貫通孔に挿入される部分の外周に、該伝熱管の該貫通孔に対する変位を許容するクッション材を配置し、
前記支持部材の表面のうちで、前記気体の流れの方向で上流側の部分に、スタッドボルトを配置し、
前記スタッドボルトに、湿った状態で不定形であり乾燥すると固化する不定形耐熱材を、湿った状態で塗りつけて前記スタッドボルトを覆い、前記支持部材の表面のうち前記気体の流れの方向で上流側の部分を、前記不定形耐熱材を含む断熱材で覆って断熱することを特徴とする多管式熱交換器の補修方法である。
【００１５】
本発明に従えば、複数の伝熱管を支持部材で支持し、伝熱管内を流れる流体と高温の気体とを熱交換する多管式熱交換器の補修で、支持部材の表面で気体の流れの上流側の部分を断熱材で覆って断熱する。気体は支持部材の表面に沿って流れ、伝熱管内の流体と熱交換して冷却されるので、下流側の断熱材で覆われていない支持部材の表面では、上流側よりも低い温度の気体に接する。断熱材で覆われる支持部材の表面の温度も、断熱材で覆われていない気体の流れの下流側の部分の温度近くまで低下するようになるので、支持部材の表面で高温の気体に曝される部分がなくなり、クリープ破損などの生じる可能性が小さくなって、寿命の延長を図ることができる。
また、伝熱管が支持部材の貫通孔に挿入される部分の伝熱管の外周には、クッション材が巻付けられる。クッション材は、伝熱管の貫通孔に対する変位を許容するので、伝熱管と貫通孔とが固着するのを防ぐことができる。伝熱管と貫通孔とが固着しないので、温度変化などによって生じる熱的なストレスの影響で、伝熱管と貫通孔との接触部分に大きな力が加わることを防ぎ、破損しにくくすることができる。
また、不定形耐熱材は、湿った状態で塗りつけることができ、時間経過で乾燥するとともに固化する。不定形耐熱材中には、予めスタッドボルトを埋込んでおく。これによって、固化した不定形耐熱材の支持部材への付着を補強することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態としての多管式熱交換器２０の概略的な構造を示す。断熱壁２１に囲まれた筒状の空間には、大略的に板状の支持部材であるチューブサポート２２が複数、間隔をあけて配置される。筒状の空間には、高温の気体が下から上に向って流れる。チューブサポート２２は、表面が気体の流れに沿って上下方向に平行となるように配置される。チューブサポート２２には、複数の伝熱管２３を間隔をあけて支持するための貫通孔２４が形成されている。複数の伝熱管２３は、矢符で示すような気体の流れ２５に軸線が大略的に垂直となるように架設される。伝熱管２３内には、気体と熱交換して加熱される流体が流れる。伝熱管２３内の流体と熱交換した気体は、流体とは逆に、冷却され、温度が低下する。
【００１７】
本実施形態の多管式熱交換器２０では、チューブサポート２２の表面で、気体の流れ２５の上流側に臨む上流側表面２２ａの部分を、断熱材２６で覆う。断熱材２６で覆うことによって、チューブサポート２２の上流側表面２２ａと上流側の気体との間の伝熱抵抗が大きくなる。気体の流れ２５の下流側に臨む下流側表面２２ｂの部分は、複数の伝熱管２３内の流体との熱交換によって冷却された気体に曝され、上流側の気体の温度に比較して低い温度までしか上昇しない。チューブサポート２２の上流側表面２２ａは、断熱材２６を通る伝熱抵抗よりも下流側表面２２ｂとの間の伝熱抵抗の方が小さくなるので、上流側表面２２ａの温度も、下流側表面２２ｂの温度に近くなるまで低下する。この結果、チューブサポート２２では、断熱材２６の周囲が高温に曝されても、上流側表面２２ａの部分ではクリープ損傷が生じにくくなり、断熱材２６を設けない場合よりも長時間の寿命を期待することができるようになる。
【００１８】
図２は、図１の多管式熱交換器２０を、図７に示すエチレン分解炉１と同様な構成のエチレン分解炉３１で、輻射部３２の廃熱を利用する対流部３３に使用する場合の構成を示す。チューブサポート２２は、断熱壁２１から内部に突出する支持部３４によって、下方から支えられる。チューブサポート２２の側方は、断熱壁２１の表面に沿って上下に延びるガイド３５に嵌合して支えられる。本実施形態のチューブサポート２２は、図７で希釈水蒸気過熱器１１および第２熱交換器１０として示す部分に相当する範囲で、伝熱管２３を支持する。チューブサポート２２の上方には、図７で水蒸気過熱器９、第１熱交換器８、エコノマイザ７およびナフサ予熱器６として示す部分に相当する多管式熱交換器が配置される。断熱材２６は、図７で希釈水蒸気過熱器１１に相当する部分と、第２熱交換器１０に相当する部分の下部とを覆う。
【００１９】
図３および図４は、図２の切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩおよび切断面線ＩＶ−ＩＶから見た断面をそれぞれ示す。図３に示すように、チューブサポート２２の中央部分の下部は、周囲にセラミックファイバ４０を充填した後、ウェットフェルトなどの耐熱フェルト４１を表面に巻付けて断熱する。耐熱フェルト４１は、耐熱合金の一種であるインコネルの線を用いて固定する。貫通孔２４が設けられている部分には、ファイバーキャストなどと呼ばれる不定形耐熱材４２を付着させる。不定形耐熱材４２は、セメントと同様に水分で湿った状態で塗りつけることができ、時間経過で乾燥するとともに固化する。不定形耐熱材４２中には、予めスタッドボルト４３を埋込んでおく。これによって、固化した不定形耐熱材４２のチューブサポート２２への付着を補強する。図４に示すように、チューブサポート２２の側方では、下方の上流側表面２２ａのうち、下部に耐熱フェルト４１を巻付け、上部に不定形耐熱材４２を付着させている。
【００２０】
図３に示すように、チューブサポート２２の貫通孔２４を伝熱管２３が貫通する部分では、伝熱管２３の周囲にクッション材４４を巻付ける。クッション材４４は、たとえばカオールなどの断熱材や段ボール紙などを用いることができる。貫通孔２４の内径と伝熱管２３の外径とには隙間があり、熱応力がかかるような場合に伝熱管２３とチューブサポート２２とが自由に動き得るようになっている。ただし、高温に長時間曝されると、伝熱管２３の外周と貫通孔２４の内周とが固着するおそれがある。クッション材４４を用いることによって、伝熱管２３とチューブサポート２２との固着を確実に防ぐことができる。
【００２１】
図５および図６は、本発明の実施の他の形態としての多管式熱交換器で、図２の切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩおよびＩＶ−ＩＶに相当する方向から見た断面をそれぞれ示す。本実施形態で、図３および図４の実施形態に対応する部分には同一の参照符を付す。本実施形態では、不定形断熱材４２をチューブサポート２２の上流側表面２２ａに塗りつけて断熱する。不定形断熱材４２中には、スタッドボルト４３が埋込まれ、付着力を補強する。伝熱管２３の外周にはクッション材４４が巻付けられ、チューブサポート２２への固着を確実に防ぐ。
【００２２】
本実施形態や図３および図４の実施形態は、図８に示すような既存の多管式熱交換器の補修として施すこともできる。たとえば、図７に示すようなエチレン分解炉１の対流部３の第２熱交換器１０や希釈水蒸気過熱器１１となる多管式熱交換のチューブサポート１６では、上流側表面が８６０〜９４０℃程度の温度になっていた。図５および図６に示すような断熱施工を行うと、７３０〜７８０℃程度の温度まで、上流側表面の温度を低下させることができる。図３および図４に示すような断熱施工でも同様の効果が確認されている。
【００２３】
従来は、８６０〜９４０℃程度の温度で２０年の寿命を期待して、チューブサポートの材料を選択している。温度が７４０℃程度まで下がれば、２００年以上の寿命が期待される。既存の多管式熱交換器でも、クリープ損傷が軽微なうちに断熱施工を行えば、クリープ損傷の進展を阻止し、寿命延長を図ることができる。また、チューブサポートの部分的な温度上昇防止を、断熱によって行い、冷却は行わないので、冷却による熱効率の低下や、冷却のための構成の複雑化を避けることができる。
【００２４】
なお、多管式熱交換器を、エチレン分解炉の対流部に設ける場合について説明しているけれども、各種ボイラや反応装置など、同様な構成の熱交換器であれば本発明を同様に適用することができる。また、高温の気体の流れの方向は、下から上ばかりではなく、他の方向であっても、上流側を断熱することによって、以上の説明と同様な効果を得ることができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、支持部材のうち高温の気体に曝される上流側の支持部材の表面は、断熱材で覆われて断熱されるので、高温の廃ガス雰囲気下にもかかわらず、温度を低くすることができる。したがって、高温雰囲気下に曝される支持部材であっても、断熱によってクリープ損傷等を生じにくくすることができる。支持部材の冷却は行わないので、構造の複雑化や熱損失の増加を避けることができる。
【００２６】
また、伝熱管が支持部材の貫通孔に挿入される部分の伝熱管の外周には、伝熱管の貫通孔に対する変位を許容するクッション材が巻付けられるので、伝熱管と貫通孔とが固着するのを防ぐことができる。固着を防ぐことができるので、温度変化などによって生じる熱的なストレスの影響で、伝熱管と貫通孔との接触部分に大きな力が加わることも防いで、破損しにくくすることができる。
また、不定形耐熱材は、湿った状態で塗りつけることができ、時間経過で乾燥するとともに固化する。不定形耐熱材中には、予めスタッドボルトを埋込んでおく。これによって、固化した不定形耐熱材の支持部材への付着を補強することができる。
【００２７】
さらに本発明によれば、既存の多管式熱交換器を補修する際に、支持部材の表面のうちで、気体の流れの上流側の部分を断熱材で覆って断熱する。気体は支持部材の表面に沿って流れ、伝熱管内の流体と熱交換して冷却されるので、下流側の断熱材で覆われていない支持部材の表面では、上流側よりも低い温度の気体に接し、断熱材で覆われる上流側の表面の温度も低下するようになる。支持部材の表面では高温の気体に曝される部分がなくなり、クリープ破損などの生じる可能性が小さくなって、寿命の延長を図ることができる。
また、不定形耐熱材は、湿った状態で塗りつけることができ、時間経過で乾燥するとともに固化する。不定形耐熱材中には、予めスタッドボルトを埋込んでおく。これによって、固化した不定形耐熱材の支持部材への付着を補強することができる。また支持部材を伝熱管が貫通する部分では、伝熱管の周囲にクッション材を巻付ける。貫通孔の内径と伝熱管の外径とには隙間があり、熱応力がかかるような場合に伝熱管と支持部材とが自由に動き得るようになっている。高温に長時間曝されると、伝熱管の外周と貫通孔の内周とが固着するおそれがあるけれども、クッション材を用いることによって、伝熱管と支持部材との固着を確実に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態としての多管式熱交換器の概略的な構造を示す簡略化した断面図である。
【図２】図１の多管式熱交換器をエチレン分解炉の対流部で使用する場合の構成を示す断面図である。
【図３】図２の切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから見た断面図である。
【図４】図２の切断面線ＩＶ−ＩＶから見た断面図である。
【図５】本発明の実施の他の形態としての多管式熱交換器で、図２の切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩに相当する方向から見た断面図である。
【図６】本発明の実施の他の形態としての多管式熱交換器で、図２の切断面線ＩＶ−ＩＶに相当する方向から見た断面図である。
【図７】従来からのエチレン分解炉の概略的な構成を示す簡略化した断面図である。
【図８】図７のエチレン分解炉に備えられる多管式熱交換器の概略的な構造を示す簡略化した断面図である。
【符号の説明】
２０  多管式熱交換器
２２  チューブサポート
２２ａ  上流側表面
２２ｂ  下流側表面
２３  伝熱管
２４  貫通孔
２５  気体の流れ
２６  断熱材
３１  エチレン分解炉
３３  対流部
４０  セラミックファイバ
４１  耐熱フェルト
４２  不定形耐熱材
４４  クッション材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004570223.tif 000009