(57)【要約】【課題】管内流体に対する熱伝達促進効果を維持しつつ、圧力損失を可及的に抑制することのできる熱分解管を提供する。【解決手段】管の内面に、管軸に対して直交又は傾斜して一周する複数の突起列を有し、各突起列には、管内面に突設された複数の突起が含まれ、流体を管の一方から他方に向けて流す熱分解管において、管の内径をＤ、突起列αに含まれる任意の突起Ａの高さをｈ、突起Ａの管軸と直交する方向の円弧長さをＬ、突起Ａと、突起Ａの周方向両端から管軸と平行に延びる仮想線Ｌ１及びＬ２と、突起列αの下流側の突起列βによって囲まれる領域Ｒの面積をＳとしたときに、Ｓ／１０πＤ＝０．２〜０．７、ｈ／Ｄ＝０.０２〜０.０５、Ｌ／πＤ＝０.０４〜０.５とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管の内面に、管軸に対して直交又は傾斜して一周する複数の突起列を有し、各突起列には、管内面に突設された複数の突起が含まれ、流体を管の一方から他方に向けて流す熱分解管において、
管の内径をＤ、
突起列αに含まれる任意の突起Ａの高さをｈ、
突起Ａの管軸と直交する方向の円弧長さをＬ、
突起Ａと、突起Ａの周方向両端から管軸と平行に延びる仮想線Ｌ１及びＬ２と、突起列αの下流側の突起列βによって囲まれる領域Ｒの面積をＳとしたときに、
Ｓ／１０πＤ＝０．２〜０．７、
ｈ／Ｄ＝０.０２〜０.０５、
Ｌ／πＤ＝０.０４〜０.５
であることを特徴とする炭化水素用熱分解管。
【請求項２】
突起列α中で突起Ａと、突起Ａに隣り合う突起Ａ’との端部間の円弧距離の管軸と直交する方向の円弧長さをｓとしたときに、
ｓ／πＤ≦０.０５
である請求項１に記載の炭化水素用熱分解管。
【請求項３】
突起列βには、突起列αの突起Ａの管軸方向の下流側の仮想線Ｌ１及びＬ２間に、突起Ａと対向する１又は複数の突起Ｂが形成されている請求項１乃至請求項２の何れかに記載の炭化水素用熱分解管。
【請求項４】
１又は複数の突起Ｂは、仮想線Ｌ１及びＬ２で挟まれた区間において、仮想線Ｌ１とＬ２とを結ぶ円弧長さのうち５０％以上塞ぐように形成されている請求項３に記載の炭化水素用熱分解管。
【請求項５】
突起列αと突起列βは略平行に形成され、領域Ｒは、略平行四辺形である請求項１乃至請求項４の何れかに記載の炭化水素用熱分解管。
【請求項６】
管の内面に形成されたすべての突起に対する前記面積Ｓの総和ΣＳは、管の総内面積の８０％以上である請求項１乃至請求項５の何れかに記載の炭化水素用熱分解管。
【請求項７】
突起列αと突起列βは螺旋状に連続して形成される請求項１乃至請求項６の何れかに記載の炭化水素用熱分解管。
【請求項８】
突起列αと突起列βは、夫々管軸に直交して形成される請求項１乃至請求項７の何れかに記載の炭化水素用熱分解管。
【請求項９】
管の内径Ｄは、３０〜２００ｍｍである請求項１乃至請求項８の何れかに記載の炭化水素用熱分解管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エチレン等製造用の熱分解反応炉に用いられる熱分解管に関するものであり、より具体的には、管内流体の撹拌作用を高める突起が管内面に形成された熱分解管において、管内流体に対するすぐれた熱伝達効率を確保しつつ、可及的な圧力損失の低減を図ることのできる炭化水素用熱分解管に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エチレン、プロピレン等のオレフィンは、炭化水素(ナフサ、天然ガス、エタン等)の原料流体を外部から加熱された熱分解管に高速流通させ、原料流体を反応温度域まで加熱して熱分解することにより生成される。
熱分解反応を効率良く行なうには、高速流通する原料流体を短時間で管路の径方向中心部まで熱分解反応温度域に加熱昇温させ、且つ、過加熱をできるだけ回避することが重要である。原料流体を過加熱すると、炭化水素類の過度の軽質化(メタン、遊離炭素等の生成)や分解生成物の重縮合反応等により、目的製品の収率低下が大きくなる。また、コーキング(遊離炭素の管内面への沈積)が助長され、管体の熱伝達係数の低下を招くから、デコーキング作業の実施を頻繁に行なう必要が生ずる。
【０００３】
そこで、熱分解管の内面に流通流体の撹拌要素として突起を設けることが行なわれており、高速流通する流体は突起の撹拌によって熱伝達を促進し、急速に加熱昇温することが可能となる(例えば、特許文献１参照)。この結果、反応は短時間で完結し、過分解に伴う軽質化が回避される。また、熱分解管の熱伝達効率の向上により、熱分解管の加熱温度を低くすることが可能となり、熱分解管の耐用寿命向上の効果がもたらされる。
【０００４】
特許文献１では、熱分解管の全長に亘って、突起の形成されていない領域を管軸方向と平行に設けることによって、熱伝達効率を維持したまま、圧力損失を低減している。
【０００５】
【特許文献１】再公表特許ＷＯ２００４−０４６２７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の熱分解管には、さらなる熱伝達効率の向上と、圧力損失の低減が求められている。
発明者らは、熱分解管の内径に応じて、突起の高さや、突起の長さ、突起が管内流体に対して及ぼす面積範囲を調整することで、さらなる熱伝達効率の向上と、圧力損失の低減を達成できることを見出し、本発明に至った。
【０００７】
本発明は、管内流体に対する熱伝達促進効果を維持しつつ、圧力損失を可及的に抑制することのできる熱分解管を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明の熱分解管は、
管の内面に、管軸に対して直交又は傾斜して一周する複数の突起列を有し、各突起列には、管内面に突設された複数の突起が含まれ、流体を管の一方から他方に向けて流す熱分解管において、
管の内径をＤ、
突起列αに含まれる任意の突起Ａの高さをｈ、
突起Ａの管軸と直交する方向の円弧長さをＬ、
突起Ａと、突起Ａの周方向両端から管軸と平行に延びる仮想線Ｌ１及びＬ２と、突起列αの下流側の突起列βによって囲まれる領域Ｒの面積をＳとしたときに、
Ｓ／１０πＤ＝０．２〜０．７、
ｈ／Ｄ＝０.０２〜０.０５、
Ｌ／πＤ＝０.０４〜０.５
とした。
【発明の効果】
【０００９】
上記の如く、熱分解管の内面に形成される突起Ａの高さｈ、管軸と直交する方向の円弧長さＬ、及び面積Ｓを、熱分解管の内径Ｄに基づいて規定することで、すぐれた熱伝達効率を維持しつつ、圧力損失を可及的に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
熱分解管(10)は、一般的に、複数の直管を屈曲したベンド管で接続し、蛇行した形状に構成され、熱分解炉に配備されて、管外部から加熱を受ける。
【００１１】
図１は、本発明の熱分解管(10)(直管)の一実施例を示す断面斜視図、図２は、図１の線Ｘ−Ｘに沿う部分断面図、図３は、図１の管軸方向に沿う展開図である。図１及び図３では、紙面左側を上流側、右側を下流側としている。
【００１２】
図に示すように、熱分解管(10)には、内面を一周する複数の突起列α、βが形成されている。各突起列α、βには、夫々複数の突起Ａ、Ｂが含まれる。
なお、本発明において、突起列とは、熱分解管(10)の内面を一周する突起の集合を意味し、突起列は、長さ、面積等を規定する場合、各突起の中心を通る線(図１、図３に一点鎖線で示す突起列α、β)として定義される。
突起列αと突起列βは、管軸に直交する面に対して傾斜角θで螺旋状に連続して平行に形成することができる(図１、図３参照)。この場合、傾斜角θは２０度以下、より望ましくは１５度以下となるよう形成されることが望ましい。勿論、１つの突起列中で傾斜角θを変えたり、突起列毎に傾斜角θを変えたりすることもできる。
また、各突起列は、列が独立した環状であって管軸に対して直交する、若しくは傾斜角を持つように形成することができる。また、螺旋状突起列の場合、突起列は１条に限定されず、複数条としてもよい。
【００１３】
突起は、例えば、粉体プラズマ溶接(ＰＴＡ溶接)などの肉盛溶接法により、肉盛ビードとして効率的に形成することができる。突起は、突起列に対して平行又は傾斜して形成することができる。
突起は、熱分解管(10)と同種の耐熱合金材料から形成することができ、２５Ｃｒ−Ｎｉ(ＳＣＨ２２)、２５Ｃｒ−３５Ｎｉ(ＳＣＨ２４)、インコロイ(商標名)を例示できる。この他、熱分解管(10)の使用環境に耐え得る種々の耐熱合金材料を適宜使用することができる。
【００１４】
ここで、図１乃至図３に示すように、熱分解管(10)の内径をＤ(ｍｍ)、突起列αに含まれる任意の突起Ａの高さをｈ(ｍｍ)、突起Ａの管軸と直交する方向の円弧長さをＬ(ｍｍ)、突起列αと下流側の突起列βまでの中心間距離をＰ(ｍｍ)、突起Ａと、突起Ａの周方向両端から管軸と平行に延びる仮想線Ｌ１及びＬ２と、突起列αの下流側の突起列βによって囲まれる領域Ｒの面積をＳ(ｍｍ2)、突起列α中で突起Ａに隣り合う突起Ａ’との端部間の円弧距離の管軸と直交する方向の円弧長さをｓ(ｍｍ)、突起列αの管軸に直交する面に対する傾斜角をθと規定する。
【００１５】
＜熱分解管の内径Ｄ＞
熱分解管(10)の内径Ｄは、３０ｍｍ〜２００ｍｍとすることが望ましい。内径Ｄの下限は、突起列を形成するために必要な空間を確保するためであり、上限は、突起による流体撹拌作用や加熱効率を考慮して決定することができる。
【００１６】
＜突起列α、β間の中心間距離Ｐ＞
突起列が螺旋状の場合、突起列α、β間の中心間距離Ｐは、熱分解管(10)の内径Ｄと上記傾斜角θによって決定され、望ましくは、２０〜１００ｍｍである。複数条の螺旋状突起列の場合についても、隣り合う突起列間の中心間距離Ｐは、２０〜１００ｍｍとすることが望ましい。
複数条の螺旋状の突起列の場合、また突起列が互いに独立した環状であって、突起列を管軸に対して直交、若しくは傾斜角を持つ場合の何れの状態においても、隣り合う突起列間の中心間距離Ｐは、２０〜１００ｍｍとすることが望ましい。
【００１７】
＜領域Ｒの面積Ｓについて＞
領域Ｒの面積Ｓは、Ｓ／１０πＤ＝０．２〜０．７とする。なお、好ましくはＳ／１０πＤ＝０．３〜０．６である。
熱分解管(10)の内面表層では、高温の流体が滞留し、高温の境膜が形成され、熱分解管(10)と管内流体との間で熱伝達が十分に行われない現象が生じる。熱分解管(10)の内面に突起Ａが形成されている場合、突起Ａにより流体は撹拌され、前記境膜が破壊されることにより適切に熱伝達が行われると推定される。多数の突起が熱分解管(10)の内面に形成されている場合、各々の突起により流体が撹拌されることとなるが、発明者らは、個々の突起が流体を撹拌する作用を及ぼす突起下流側の面積を所定の面積に設定することにより、突起による流体の撹拌が、その設定された面積全体にまんべんなく作用し、これにより熱分解管と管内の流体の熱伝達が、その設定された面積内で温度ムラ無く行われることを見出した。つまり、突起と突起の下流側の突起列で囲まれる面積、即ち、突起Ａについては、突起Ａと下流側の突起列βとの間に形成される領域Ｒ(図１参照)の面積Ｓを、管径Ｄにおける単位管長１０ｍｍの管内面積と比較したとき、その値が上記０．２〜０．７の範囲（好ましくは０．３〜０．６の範囲）であれば、上記した熱伝達作用が有効に行われることを見出したものである。
【００１８】
ここで、突起Ａの下流側に形成される領域Ｒは、突起Ａと、突起Ａの周方向両端から管軸と平行に延びる仮想線Ｌ１及びＬ２と、突起Ａの下流側の突起列βとを囲んだ領域となる。領域Ｒの面積Ｓは、図１に示すように、突起Ａと突起列βが平行である場合には、平行四辺形の面積となる。突起列αと突起列βが共に管軸に対して直交する場合には、領域Ｒは長方形となる。
また、突起列βの傾斜角θと、突起列βの突起Ｂの傾斜角が異なる場合には、図５(Ｄ)、(Ｅ)に示すように、領域Ｒは、突起Ａ、突起Ｂ及び仮想線Ｌ１、Ｌ２によって囲まれる範囲となる。
【００１９】
突起Ａが流体に撹拌作用を及ぼす領域Ｒの面積Ｓは、単位管長１０ｍｍの管内面積１０πＤに対する比の上限を０．７（好ましくは０．６）とすることで、実施例を参照して理解されるとおり、流体の熱伝達特性の向上と、圧力損失の低減を達成できる。また、比の下限を０．２（好ましくは０．３）としたのは、この比を０．２（好ましくは０．３）よりも小さくするためには、突起Ａの長さ及び／又は突起列βとの中心間距離Ｐを小さくせざるを得ず、結果的に、熱分解管(10)の内面に必要以上多数の突起が形成されることとなり、これら突起により熱分解管(10)の内面表層に適切でない乱流が生じて圧力損失が増大し、所期の流体撹拌効果を得ることができないからである。
【００２０】
なお、熱分解管(10)の内面に形成されるすべての突起に対する面積Ｓの総和ΣＳは、熱分解管(10)の内面面積の８０％以上とすることが望ましい。これにより、熱分解管(10)のほぼ全長に亘って、上記の如く、熱伝達特性の向上と、圧力損失の低下を達成できる。
【００２１】
＜突起Ａの高さｈについて＞
突起Ａの高さｈは、ｈ／Ｄ＝０.０２〜０.０５とする。
突起Ａの高さｈは、流体の撹拌作用に大きな影響を与える。
突起Ａの高さｈが大きくなると、突起Ａが抵抗となって、圧力損失が大きくなり、熱分解管(10)としての圧力損失の低減が困難となる。従って、熱分解管(10)の内径Ｄに対する突起Ａの高さｈの比は、上限を０.０５とする。
突起Ａの高さｈが小さくなると、突起Ａによる流体の撹拌作用が著しく低下するため、熱分解管(10)の内径Ｄに対する突起Ａの高さｈの比は、下限を０.０２とする。
【００２２】
＜突起Ａの管軸と直交する方向の円弧長さＬについて＞
突起Ａの管軸と直交する方向の円弧長さＬは、Ｌ／πＤ＝０.０４〜０.５とする。尚、好ましくはＬは、Ｌ／πＤ＝０.０４〜０.２である。
突起Ａの管軸と直交する方向の円弧長さＬは、突起列に含まれる突起数、つまり、突起端部間の円弧距離の管軸と直交する方向の円弧長さｓの数に関連し、圧力損失に大きな影響を与える。
突起Ａの管軸と直交する方向の円弧長さＬが大きくなると、流体が通過する突起端部間の数が少なくなり、圧力損失が増大する。従って、熱分解管(10)の周長πＤに対する突起Ａの管軸と直交する方向の円弧長さＬの比は、上限を０.５（好ましくは０．２）とする。
突起Ａの管軸と直交する方向の円弧長さＬが小さくなると、突起が与える影響面積Ｓが小さくなりすぎて構成できなくなるため、適切な撹拌乱流が得られなくなる。従って、熱分解管(10)の周長πＤに対する突起Ａの管軸と直交する方向の円弧長さＬの比は、下限を０.０４とする。
【００２３】
＜突起Ａと突起Ａ’との端部間の円弧距離の管軸と直交する方向の円弧長さｓについて＞
突起列α中で、突起Ａと、突起Ａに隣り合う突起Ａ’との端部間の円弧距離の管軸と直交する方向の円弧長さｓ、即ち、突起Ａと突起Ａ’との間隔は、ｓ／πＤ≦０.０５とすることが望ましい。
突起どうしの端部間の円弧距離の管軸と直交する方向の円弧長さｓは、流体が通過できる範囲に影響し圧力損失に影響を与える。従って、端部間の円弧距離の管軸と直交する方向の円弧長さｓの熱分解管(10)の周長πＤに対する比は、０.０５以下とすることが望ましい。
【００２４】
なお、突起Ａの管軸と直交する方向の円弧長さＬと、上記端部間の円弧距離の管軸と直交する方向の円弧長さｓを規定することで、突起列α中に存する突起数が決定され、突起数は、突起列当り２〜２５個となる。
【００２５】
＜突起列βについて＞
突起Ａの下流側に位置する突起列βについて、突起Ａの管軸方向下流側の仮想線Ｌ１とＬ２に挟まれる区間には、突起Ａと対向するよう１又は複数の突起Ｂが形成されていることが望ましい。前記区間に突起列βの突起Ｂが形成されていなければ、突起Ａによる流体の撹拌作用が及ぼす影響範囲に上限があるため、管内面の撹拌作用の維持が困難となり、効率的な熱伝達効率を維持することができないためである。突起列βは、上記区間の円弧長さのうち、５０％以上を塞ぐように形成されることがさらに望ましい。
【００２６】
上記の如く突起列α及びβ、突起Ａ及びＢ等について規定することによって、以下の実施例に示されるように、管内流体に対し、すぐれた熱伝達効率を確保しつつ、可及的な圧力損失の低減を図ることができる。
これにより、原料流体を管路の径方向中心部まで熱分解反応温度域に速やかに加熱昇温しつつ、過加熱を回避でき、目的製品の収率向上を達成できる。また、コーキングも抑制されるからデコーキング作業を削減でき、操業日数の増加による収量増大を達成できる。
【００２７】
＜他の突起配列＞
図４(Ａ)〜(Ｃ)及び図５(Ｄ)、(Ｅ)は、突起Ａ、Ｂの異なる配列例を示している。図では、突起列α、βを、列が独立した環状であって管軸に対して直交するように配置しているが、突起列を図３に示すように、管軸に対して傾斜して設けてもよい。
図４(Ａ)は、突起Ａと下流側の突起Ｂを平行に形成すると共に、突起Ａの仮想線Ｌ１、Ｌ２間を突起Ｂが全て塞いでいる突起配列を示している。
図４(Ｂ)及び(Ｃ)は、突起Ａの仮想線Ｌ１、Ｌ２間の５０％以上(１００％未満)を突起Ｂが塞いでいる突起配列であり、図４(Ｂ)は、仮想線Ｌ１又はＬ２と突起列βの突起端部間が交差しており、図４(Ｃ)は、仮想線Ｌ１とＬ２の間に突起列βの突起端部間が全長にわたり含まれている配列を示している。
図５(Ｄ)は、突起列α、βに対して、突起Ａ、Ｂが同方向に傾斜した状態の配列例、図５(Ｅ)は、突起列α、βに対して、突起Ａ、Ｂが逆方向に傾斜した状態の配列例である。図５(Ｄ)の場合、領域Ｒの面積Ｓは、図に示すように平行四辺形形状となり、図５(Ｅ)の場合、領域Ｒの面積Ｓは、台形形状となる。
【００２８】
図４、図５の何れの場合も、突起列α、突起列β、突起Ａ、突起Ｂ等について、上記規定を満足することで、管内流体に対し、すぐれた熱伝達効率を確保しつつ、可及的な圧力損失の低減を図ることができる。
【実施例】
【００２９】
供試管として、発明例１〜発明例６及び比較例１〜比較例１８を作製し、夫々の供試管に対して、熱伝達特性と圧力損失を測定した。各供試管の作製条件を表１に示している。なお、表１中、長さの単位はｍｍ、面積はｍｍ2、突起数の単位は個である。
【００３０】
【表１】
2008249249.tif 000003
【００３１】
実験条件は次の通りである。
・試験流体：空気
・流体温度：熱伝達特性測定  ２５０〜３５０℃の加熱空気
圧力損失測定    室温
・レイノルズ数：熱伝達特性測定２５，０００〜１２０，０００
圧力損失測定  ４０，０００〜１２０，０００
・圧力損失の測定区間：１０００ｍｍ〜１５００ｍｍ
【００３２】
熱伝達特性測定は、熱風発生器を用いて３００℃付近にまで加熱した空気を熱分解管に送流し、流体の温度変化と管壁の温度変化を測定して、平均ヌッセルト数を算出した。流体温度は、アネモマスターにより測定した。
【００３３】
圧力損失測定は、ブロワーを用いて常温空気を熱分解管に送流し、デジタルマノメーターを用いて差圧を測定することで行なった。流体温度及び流速は、アネモマスターにより測定した。
【００３４】
表１に測定結果を示している。表１における○、×の評価方法は、従来品である突起が周方向に途切れることなく連続して形成された熱分解管の特性値を基準とし、この値と対比して、所定比以上の向上が見られるときに○を、見られないときを×とした。
表１を参照すると、発明例１〜６は、熱伝達特性にすぐれ、圧力損失が低減されていることがわかる。
一方、比較例１〜比較例１８は、熱伝達特性、圧力損失の何れか又は両方が劣っていることがわかる。
【００３５】
比較例が本発明に比して劣るのは、突起の形成条件、突起列の形成条件について、面積Ｓ／単位管長１０ｍｍの管内面積１０πＤ、突起高さｈ／内径Ｄ、突起の管軸と直交する方向の円弧長さＬ／周長πＤ、端部間距離の管軸と直交する方向の円弧長さｓ／周長πＤの何れかが本発明に規定した範囲を満たさないためである。
熱伝達特性が劣ることで、収率の低下の他、コーキングが発生する問題が生ずる。
また、圧力損失が大きくなることで、収率の低下を招くこととなる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、管内流体に対する熱伝達促進効果を維持しつつ、圧力損失を可及的に抑制することのできる熱分解管として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の熱分解管の断面斜視図である。
【図２】図１の線Ｘ−Ｘに沿う部分断面図である。
【図３】図１の管軸方向に沿う展開図である。
【図４】(Ａ)〜(Ｃ)は、本発明の異なる突起配列を示す展開図である。
【図５】(Ｄ)、(Ｅ)は、本発明のさらに異なる突起配列を示す展開図である。
【符号の説明】
【００３８】
(10)  熱分解管
(α)  突起列
(Ａ)  突起
(β)  突起列
(Ｂ)  突起
【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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