(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス流体を加熱する加熱装置であって、
内部に複数の２経路管を含む放射部エンクロジャー手段であって、前記２経路管は、（ａ）少なくとも１つの入口脚と、（ｂ）該入口脚に連通する少なくとも１つの出口脚と、（ｃ）前記入口脚と前記出口脚を連通連結する湾曲管手段とを含んでなり、前記各脚と、前記湾曲管手段はこれらの延伸方向の全長に渡ってその長さ方向に延伸する内部フィンを備える放射部エンクロジャー手段と、
プロセス流体を前記入口脚に導入する手段と、
前記複数の２経路管の外表面を熱に曝す手段と、
前記プロセス流体を前記出口脚から収集し冷却する出口手段とを、
含んでなり、
前記２経路管は２つ又は３個以上の管部分を連結することによって形成され、前記内部フィンを各連結において本質的に一直線上に設けた装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、
内部に配列された複数のＵ管を有する放射部エンクロジャー手段と、
前記プロセス流体を前記Ｕ管に導入する入口手段と、
前記Ｕ管の外表面を放射熱に曝す手段と、
前記各Ｕ管から出る前記プロセス流体を冷却し収集する出口手段とを含んでなり、
前記複数のＵ管は全長に渡って該Ｕ管の延伸方向に延伸する内部フィンを備える装置。
【請求項３】
前記Ｕ管の内径は約３.２cmから約７.６cmである請求項１又は２のいずれか１つに記載の装置。
【請求項４】
前記Ｕ管の内径は約３.８cmから約６.４cmである請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記Ｕ管の内径は５cmから６.４cmである請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記Ｕ管は一定の直径を有する請求項１から５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項７】
前記Ｕ管は、前記Ｕ管の延伸方向に延伸し該Ｕ管の内周上で離間して設けた８乃至２４個のフィンを備える請求項１から６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
前記Ｕ管は、前記Ｕ管の延伸方向に延伸し該Ｕ管の内周上に離間して設けた１０乃至１８個のフィンを備える請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記Ｕ管は２つの管部分を１カ所の溶接で連結することにより形成され、前記溶接部は直接的に放射熱を受けることがないように実質的にシールドされている請求項１から８のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１０】
前記１箇所の溶接部は前記Ｕ管の底部である請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記各Ｕ管の全長は１３ｍ乃至約２７メートルである請求項１から１０のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１２】
前記各Ｕ管の全長は１５ｍ乃至２７メートルである請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記フィンの高さ一内径比は０.０５乃至０.２０である請求項１から１２のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１４】
前記フィンの高さ一内径比は０.０７乃至０.１４である請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記内部フィンは０.１３cm乃至１cmの高さを有する請求項１から１４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１６】
前記内部フィンは０.１３cm乃至０.６５cmの範囲のフィン先端半径を有する請求項１から１５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１７】
前記内部フィンは、根本部と先端部で同じ半径を有する請求項１から１６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１８】
オレフィンを製造する方法であって、
炭化水素原料を予備加熱し、
前記予備加熱された炭化水素原料を複数の放射コイル内に導入し、
前記複数のコイルを複数のバーナーで加熱して前記炭化水素原料に熱分解を生じさせ、
前記放射コイルから前記分解した炭化水素原料を収集し、
前記分解した炭化水素原料を冷却し、
前記分解した炭化水素原料から少なくとも１つのオレフィンを再生する工程を含んでなり、
前記各放射コイルは、（ａ）少なくとも１つの入口脚と、（ｂ）該入口脚に連通する少なくとも１つの出口脚と、（ｃ）前記入口脚と前記出口脚を連通連結する湾曲管手段とを含んでなり、前記各脚と、前記湾曲管手段はこれらの延伸方向の全長に渡ってその長さ方向に延伸する内部フィンを備え、
前記各放射コイルは、２つ又は３個以上の管部分を連結することによって形成され、前記内部フィンを各連結において本質的に一直線上に設けたものである方法。
【請求項１９】
オレフィンを製造する方法であって、
炭化水素原料を予備加熱し、
前記予備加熱された原料を複数の放射コイル内に導入し、
前記複数のコイルを複数のバーナーで加熱して前記炭化水素原料に熱分解を生じさせ、
前記放射コイルから前記分解した炭化水素原料を収集し、
前記分解した炭化水素原料を冷却し、
前記分解した炭化水素原料から少なくとも１つのオレフィンを再生し、
熱分解反応により前記放射コイル内に堆積したコークスを前記放射コイルから除去するする工程を含んでなり、
前記放射コイルは、Ｕ字型をなすように連結された入口脚及び出口脚であってこれらの脚の延伸方向の全長に渡ってその延伸方向に延伸する内部フィンを備える脚を有し、
前記放射コイルは、２つ又は３個以上の管部分を連結することによって形成され、前記内部フィンを各連結において本質的に一直線上に設けられており、
前記放射コイル内に堆積したコークスの厚さが、大きなコークス粒子が前記コークス除去工程の間に前記放射コイルの表面から除去されて前記放射コイルの下流の部分を閉塞するのに十分な厚みを超える前に前記コークス除去工程を開始する方法。
【請求項２０】
平均コークス厚がフィンの高さの約１.５倍を超える前に前記コークス除去工程を開始する請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記放射コイルが請求項３から１７のいずれか１つに記載された放射部エンクロジャー手段である請求項１８から２０のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２２】
プロセス流体を加熱する燃焼加熱装置の使用方法であって、
前記燃焼加熱装置は、内部に複数の２経路管を含む放射部エンクロジャー手段であって、前記２経路管は、（ａ）少なくとも１つの入口脚と、（ｂ）該入口脚に連通する少なくとも１つの出口脚と、（ｃ）前記入口脚と前記出口脚を連通連結する湾曲管手段とを含んでなり、前記各脚と、前記湾曲管手段はこれらの延伸方向の全長に渡ってその長さ方向に延伸する内部フィンを備える放射部エンクロジャー手段と、
プロセス流体を前記入口脚に導入する手段と、
前記複数の２経路管の外表面を熱に曝す手段と、
前記プロセス流体を前記出口脚から収集し冷却する出口手段とを、
含んでなり、
前記２経路管は、２つ又は３個以上の管部分を連結することによって形成され、前記内部フィンを各連結において本質的に一直線上に設けたものである方法。
【請求項２３】
前記２経路管は請求項３から１７のいずれか１つに記載のものである請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、プロセス用流体を加熱する燃焼加熱装置、例えば、プロセス加熱装置に関する。本発明は、特に、管を通るプロセス流体を、好ましくはバーナーによって与えられる放射エネルギによって、内部で間接的に加熱する少なくとも１つの放射部を含むタイプの燃焼加熱装置に関する。本発明に従い使用される方法及び装置は、アセチレン、プロピレン、ブタジエン等のエチレンその他副産物を生成するエタン、プロパン、ナフサ又は軽油といった常時液体又は常時気体の芳香族及び／又は脂肪族の炭化水素原料の熱分解によく適しており、また利点を有する。従って、本発明は、炭化水素熱分解、特にエチレンを生成する水蒸気分解の環境内容に関して説明する。
発明の背景
水蒸気分解は、エチレン、プロピレン、ブタジエンのような軽量オレフィンを製造する主要な商用方法である。エチレン、プロピレン及びブタジエンは、大容量の重合体材料と、商業的に重要な化学中間生成物の製造に使われる基本的な構成ブロック化学製品である。これらの基本的な構成ブロック石油化学製品に対する需要は近い将来成長し続けることが期待される。水蒸気分解で製造された製品のうちで、エチレンは最も需要が大きく、かつ、分離して純度を上げるために最もコストがかかる。従って、エチレンの生産又は選択性を改良することが大いに望まれている。水蒸気分解は燃焼管形反応器内で典型的に行われる熱分解反応を伴う。エチレンに対する反応炉の選択性は、短い滞留時間と低い炭化水素分圧により、有利に働く。エタンから常圧蒸留軽油まで炭化水素供給装置が使われ、反応は希薄蒸気が存在するところで行われる。複雑な反応と管形反応器はパブリックドメイン文献と多数の特許の両方において広範囲に論じられている。
炭化水素の水蒸気分解は、実質的に蒸発させた原料を相当な量の希薄蒸気を含む混合体として分解加熱炉内の適当なコイルに供給することで典型的に行われてきた。分解加熱炉の対流部を通る多数の平行なコイル又は管の中に反応混合物を通し、高温燃焼ガスにより該供給物（反応混合物）及び希薄蒸気の温度を上昇させることは従来技術である。各コイル又は管は次ぎに分解加熱炉の放射部を通り、そこで多数のバーナーが反応物を所望の反応温度にするために必要な熱を供給し所望の反応を行わせる。
すべての水蒸気分解プロセスの構成において主な関心事はコークスの生成である。炭化水素原料が水蒸気分解加熱炉内で加熱されると、分解コイルを形成する管部材の内壁にコークスが堆積する傾向がある。そういった堆積したコークスは、熱が管壁を介して反応物へ流れることを妨ぐので、管の金属温度を上昇させ、その上昇温度が究極的には冶金学上の管の限界に達するという結果になる。さらに、堆積したコークスは反応混合物の流れを妨げるので管の断面積が減少して大きな圧力降下が生じる。
エチレンに対する選択性を改善する最適方法は、コイルの容積を減らすと共に熱伝達表面積を維持することであることがわかっている。これは、大径の螺旋コイルを、大径管よりも大きな表面−容積比を持つ多数の小径管に変えることにより達成された。これらの小径管は、典型的に、最大で約７.６cm（３インチ）の内径、一般的に、約３.０cm乃至６.４cm（１.２から２.５インチ）の内径を有する。
短い滞在時間が望まれるので、短いコイルを使用するようになり、その典型的な長さは、年々徐々に短くなり、４５ｍ(１５０フィート)から９乃至１２ｍ(６０−９０フィート)に、さらに最近は９ｍ乃至１２ｍ(３０−４０フィート)と短くなっている。コイルの長さが短くなったので、ヒートフラックスを減らす努力、引いては、管の金属温度を低くする努力において管径を小さくすることが必要であった。現在の分解コイルは一般に高合金（Ｃｒ２５％、Ｎｉ３５％、それと添加剤）オーステナイト系ステンレス鋼から作られ、１０３０乃至１１５０℃(１９００−２１００°Ｆ)の範囲の最大管金属温度で運転される。
分解加熱炉設計の有意義な進化にもかかわらず、プロセスは、それが副産物コークス作り、そのコークスがコイルの内側に堆積するという事実によって未だ制限されている。コークスは断熱材として働き、故に、コイル管の金属温度を高くする。管の金属温度がその金属の最大能力に達すると、製造を停止し加熱炉のコークスを取り除く必要がある。これは、一般的に空気と水蒸気の混合物を高温のコイルに通すことによって行われる。コークスは、燃焼と、浸食・スポーリングを組み合わせて取り除かれる。空気を使用しない他のコークス除去技術もまた産業界において用いられている。この場合、コークスは主として浸食・スポーリングと、ガス化によって取り除ぞかれる。使用するコークス除去技術に関わらず、取り除かれたコークスのいくらかは大きな粒子である。管径が小さくなったので、デコーキングの前又は最中に大きなコークス粒子がコイル内に詰まる可能性が増大した。デコーキングは、加熱炉の設計、分解される供給物、デコーキングの前の運転時間及び使用する分解頻度といったものを含む多様な要素に依存して典型的に１２乃至４８時間を要する。
管の金属温度を低くする（即ち、コークス発生率を下げ、あるいは、滞在時間の短いコイルを使用する）技術が産業界で広く求められている。ある設計者は、出口管のヒートフラックスを減少させるために多数の入口脚コイルを提案した（例えば、EP 0305 799 A1）。他の者は、反応炉供給物に希薄濃度の特別な要素を添加することによって、管の内側に断熱コークス層が形成されることを防止することを試みた。
高吸熱分解反応に関する熱伝達はよく知られた方程式Ｑ＝ＵxＡxΔＴによって表すことができる。熱伝達係数Ｕは管内部のガスの速度の関数である。この速度が大きくなるとＵが大きくなり、従って、必要なΔＴ（温度差）が低くなり、即ち、所定のプロセス流体温度のための管金属温度を低くする。しかしながら、速度が大きくなると、圧力降下が生じてコイルの平均炭化水素分圧が上がる。結局、この圧力作用は減少した滞留時間の効果を無効にし、速度がさらに大きくなることによりエチレンに対する反応炉の選択性を減少させる。これはＵに対する最大実用値を表す。
全面積（Ａ）は、多数の小径管を用いることによって大きくなる。この傾向は産業界によって従来追求され、内径が２.５cm乃至３.８cm（１.０−１.５インチ）の複数の管を備える反応炉を生み出している。これは製造限界による最小実用径を表し、これらの径よりも小さいと、管内に堆積したコークスの影響が過渡になる。
熱伝達を改善するために内部表面積を大きくするという一般原則は熱伝達分野においてよく知られている。しかしながら、この原則を水蒸気分解のような非常に高温のコーキングに適用することは困難である。
それにもかかわらず、水蒸気分解加熱炉内の管の金属温度を低くするために熱伝達を改善する異なるいくつかの方法が提案された。一例（米国特許第４,３４２,２４２号）は、円形断面管の内部で管の延伸方向に延伸する特別に設計されたインサートを用いる。このインサートは、中央本体と、外側に延伸しコイルの内部に接触するベーン（羽根）を有する。この特別な開示において、インサートは、加熱炉内の管コイル全体の一部のみに置かれる。別の例（ＧＢ９６９，７９６）は、内表面積を増やすように内部が丸まったチャンネル又はフィンを用いている。その内部断面は、応力集中及び流れの干渉を防止するために滑らかである。この開示で説明される特別な管は放射部を通る４つの経路を作り、そして比較的大きな、９.５２５cm（３.７５インチ）の内径を有していた。
この丸い内部チャンネル又はフィン付き管の断面形状は、特別のコイル設計で商用に用いられた。米国化学技術者会議協会（American Institute of Chemical Engineers Meeting）に提出された論文（１９９８年３月６日から１０日にルイジアナ州のニューオリンズで開催されたAIChE春期国内会議に提出された、T.A. Wellsによる、「特製加熱炉設計の水蒸気分解装置(Specialty Furnace Design Steam Reformers and Steam Crackers)」は、単一管経路設計の延伸内表面管タイプを用いることを開示する。より長いコイルの入口脚（EP 0 305 991 A1）と、ＳＲＴ Ｖと呼ばれる設計に関する文献（Energy Progress第８巻、Ｎｏ.３，Ｐ．１６０−１６８，１９９８年９月）は内部延伸面を用いた。後者のいずれの場合においても、商用の使用は約２.５cm乃至３.８cm（１.０−１.５インチ）の内径の管に基づいており、ここでは、丸まった内部チャンネル又はフィンを持つ管部分は加熱炉放射部を通るただ１つの経路を作った。もう１つの文献（フロリダ州オーランドで１９９０年３月に開催されたAIChE春期国内会議で提出されたDavid J. Brown, John R. Brewer及びColin P. Bowenによる「USC Super U Pyrolysis Concept」）は入口脚に内部フィンを備える管についてのデータを提供する。この文献は、出口脚にフィンを備えることに利点があると推測しているが、どのような運転又は設計パラメータが出口脚にフィンを用いることに必要なのかについては何ら言及していない。
しかしながら、今までの延伸内面設計が典型的にＵ字管から構成された２経路コイルにおいて実行可能であることは示されなかった。これらの２経路コイルの合計長さは典型的に１５ｍ乃至２７ｍ（５０−９０フィート）であり、内径は３.８cm−６.４cm（１.５−２.５インチ）である。２経路コイルは１３ｍ（４０フィート）と短くすることができる。１つの問題は、完全なＵ字形状管を形成するのに十分な長さの内部フィン付き管を作る能力が存在しないことである。
EP 0 305 799 A1において内部フィン、スタッド又はインサートを加熱炉内の出口管ではなく入口管のみに用いることが開示されるように、内部フィン付き管をＵ字形状管の半分である入口側のみに使用することができる。この公報は、出口管に位置するインサートが熱分解の際に形成されるコークスを生育させる核として作用することが期待できることを開示している。しかしながら、最高管金属温度が出口端の近くで生じるので、フィン付き管の利点が、それが最も必要とされるところに適用されない。フィン付き管をコイルの出口脚に適用することは可能であるが、入口脚からのコークス片が緩く破砕されフィン付き部の開始部で閉塞するというリスクを持つ。最後に、業界の従来の知識は、湾曲フィン付き管部がコイルの入口脚から除去されたコークスで閉塞しやすいことを指摘している。
水蒸気分解加熱炉における周知の熱伝達の欠乏を考慮して、管内での熱伝達を増大させコークス化を減少させ管金属温度を低くしてエチレンに対する選択性を改善する手段に対する要望がある。特に、管の全長に渡って管金属温度を低くするためのいくつかの増大した内面積手段を用いる２経路コイル又はＵ字型管のような設計を有することが極めて望ましい。
発明の概要
本発明は、Ｕ字型管の入口及び出口において管金属温度を減少させる大きな内部熱伝達面を与えると共に、コークスで閉塞することのない、プロセス流体を加熱する燃焼加熱炉に関する。この燃焼加熱炉は、内部に複数のＵ字型管を備える放熱部エンクロジャーと、前記Ｕ字型管内にプロセス流体を導入する入口と、前記Ｕ字型管の外表面を放射熱に曝すバーナーと、前記Ｕ字型管から出てきたプロセス流体を冷却し収集する出口を有し、前記Ｕ字型管は１つ又は複数の管部を連結することによって形成され、前記Ｕ字型管の少なくとも出口脚はほぼその延伸方向に延伸する内部フィンを備える。別の実施形態において、前記Ｕ字型管は全長に渡ってほぼその延伸方向に延伸する内部フィンを備える。
【図面の簡単な説明】
本発明のこれら及びその他の特徴、局面及び利点は、以下の図面、説明及び添付の請求の範囲によりさらに良く理解される。
図１は、水蒸気分解加熱炉の３次元図であり、内部の典型的な構成を示す。
図２は、１つのＵ字型加熱炉管を示す。
図３は、Ｕ字型加熱炉管の断面図。
発明の詳細な説明
本発明は、プロセス流体を加熱する燃焼加熱装置を開示する。さらに詳細に言うと、本発明は、加熱により生じる化学反応に起因してコークスを生じさせうる、プロセス流体を加熱する燃焼加熱装置に関する。発明の特定の実施態様は、オレフィンを製造する石油化学工業に用いる水蒸気分解加熱炉である。
図１に言及して、被供給剤の流れ（プロセス流体）は１つ又は複数の入口ライン９を介して対流部１０に入る。被供給剤の流れは、放射部入口分配器１２に入る前に、好ましくは約１５００°Ｆ（８１６℃）から２４００°Ｆ（１３１６℃）の温度である燃焼ガスによって好ましくは約８００°Ｆ（４２６℃）から１５００°Ｆ（８１６℃）に事前に加熱されている。予備加熱された被供給剤は放射部入口分配器１２から、放射部エンクロジャー１６（当該分野において放射ボックスと呼ばれている）内に位置する複数のＵ字管１４（以下、Ｕ管という）に入る。
放射部エンクロジャー１６は、熱エネルギを保存するために断熱耐熱材料で内側が覆われている。
放射部エンクロジャーは複数のＵ管を含む。プロセス流体を分配してＵ管に導入する１つ又は複数の放射部入口分配器１２に連結された複数のＵ管の端部は入口脚と呼ばれる。出口脚と呼ばれる各Ｕ管２２の他端は、プロセス流体が加熱され熱分解反応が生じた後にプロセス流体を収集する出口ヘッダー２６に連結される。プロセス流体がＵ管の出口脚を出るときのその温度は典型的に約１３００°Ｆ（８１６℃）から２０００°Ｆ（１０９３℃）である。プロセス流体はそこから急冷交換機２７に渡され、該急冷交換機はプロセス流体を冷却して熱分解反応を停止させる。もう１つの実施形態（図１には示されていない）において、各Ｕ管の出口脚は、プロセス流体を冷却するために個々の急冷交換機に直接連結される。各個々の急冷交換機の出口は出口ヘッダーに連結される。そういった構成は、当分野において近接連結伝達ライン交換機として知られている。図１に示されていない、さらに別の実施形態において、各Ｕ管の出口脚は、プロセス流体がそれを冷却するために蒸発する急冷液と直接接する急冷点に接続される。
本発明の目的のために、Ｕ管は、図２のような２次元図面を見たときに、「Ｕ」の字のような形状をしている。明確な特性は、Ｕ管が放射エンクロジャーを通る２経路を効果的に作ることである。Ｕ管は入口脚２０と、出口脚２２と、入口及び出口脚２０，２２を連結する湾曲部２１とを含む。別の実施形態において、出口脚は１つ又は複数の枝分かれ部を含むことができる。さらに別の実施形態において、入口脚２０は１つ又は複数の枝分かれ管を含むことができる。当分野において、放射エンクロジャー内で複数のＵ管を配設する多くの方法が知られている。当分野におけるこれらの技術は、空間的な構成と、バーナーの位置と、入口ヘッダ及び出口手段の位置と、該構成を選択するにあたり複数のＵ管自体に生じる熱応力を考慮している。いくつかの構成において、それぞれの各Ｕ管は１つの平面上に位置する。その他の構成において、Ｕ管は湾曲し平面からはずれている。これらのすべての構成は、本発明が目的とするＵ管として実施される。
放射部エンクロジャーは、Ｕ管の外面を放射熱に曝す複数のバーナー２８を含む。生ガスバーナーあるいは予混合バーナーといったものを含み、当分野において公知である多様なタイプのバーナーを使用することができる。最近の設計では、環境保護のために、ＮＯxの形成を削減するために多様な煙道ガス再循環技術を追加して用いるようになってきた。燃焼空気源は、周囲空気、予備加熱された空気又はガスタービン排気とすることができる。
複数のＵ管の合計長さは２０−２７ｍ（６０−９０フィート）であることが好ましい。この好ましい２０−２７ｍ（６０−９０フィート）の長さの内部フィン付き管を製作することは難しいので、少なくとも一方が中間で溶接された２つの部分を連結することが必要となるであろう。米国特許第４,８２７,０７４号に開示されるように、溶接部分はコークスの堆積を加速する要因となることが知られている。１つの好ましい実施形態において、Ｕ管の湾曲部分の底部１カ所で中間溶接を行い、この溶接部を隣接する管で遮蔽して該溶接部が直接熱放射を受けることがないようにＵ管を構成することで、Ｕ管内でのこのようなコークスの起こりうる堆積を最小にしている。別の実施形態では、溶接部分を断熱材でくるむようにすることができる。
良く知られた冷間曲げ加工技術又は誘導加熱曲げ加工技術を用いてＵ管の底部を必要な半径にするために内部フィン付き管を連続して（断続的に）曲げることができる。
Ｕ管を２つ若しくは３つ以上の管部分を連結して形成する場合、又は１つのピース（体）で形成する場合のいずれにおいても、管の延伸方向に延伸する内部フィンを好ましくはＵ管の全長に渡って設ける。さらに別の実施形態において、フィンはＵ管の湾曲部と、出口脚に設けられる。
図３は、フィンを備えるＵ管の断面を示す。管の外径５０は４.４−１１.４cm（１.７５−４.５インチ）の範囲内であり、好ましくは５−７.６cm（２.０−３.０インチ）である。フィンの裾５４の底点とフィンの頂部５６の頂点間の距離で与えられるフィンの高さ５２は約０.１３−１cm（約０.０５−０.４インチ）の範囲、好ましくは、０.２５−０.６５cm（０.１−０.２５インチ）の範囲である。管の内周上のフィンの数は８−２４であり、好ましくは、１０−１８である。フィンの裾部の半径５８とフィンの頂部の半径６０は、約０.１３−１.２cm（約０.０５−０.４５インチ）の範囲、好ましくは、０.２５−０.５cm（０.１−０.２インチ）の範囲である。１つの実施形態において、フィンの裾部の半径５８と、フィンの頂部の半径６０は等しい。管の中心を通り一端の裾から他端の裾に至るまでの距離で与えられる管の内径６２は約３.２−７.６cm（約１.２５−３.０インチ）の範囲、好ましくは、３.８−６.４cm（１.５−２.５インチ）、さらに好ましくは５.０−６.４cm（２.０−２.５インチ）の範囲である。熱伝達を改善し、過度の圧力降下を生じさせず、かつ、閉塞を生じさせることがない、フィン高さ−内径比は、好ましくは、０.０５−０.２０、さらに好ましくは、０.０７−０.１４である。
管の軸方向に延伸するフィンはＵ管の全長に渡ってまっすぐにすることとしてもよく、あるいは、銃身の線条と同じような螺旋状にすることとしても良い。後者の軸方向（管の延伸方向）に延伸するフィン構成はまた螺旋形軸方向延伸フィンと呼ばれる。
Ｕ管を形成するために少なくとも１つの部分が必要とされるとき、コークス粒子がフィンのエッジで捕捉される可能性を減らすために、複数のフィンを一直線上に連結することが好ましい。
予想される限度が克服され、また、内表面積を増やした利点がＵ管水蒸気分解炉設計に適用できるかを決定するためにテストプログラムを実行した。
内部フィン付きの２２本のＵ管を４つの商用水蒸気分解炉に設けた（合計８８本のＵ管を使用）。加熱炉原料は天然ガス分離装置から再生される商用エタン（エタン９８％）であった。このように、加熱炉内の大部分のＵ管に従来の円形断面の管を用い、４分の１の管に本発明による直線的な軸方向延伸フィンを用いた。これにより、従来の円形断面管（裸の管）に対してフィン付き管の能力を直接的に比較することができる。フィン付き管のテストにおけるＵ管のフィン構成を説明するために図３を用いる。Ｕ管の外径５０を２.７５インチ、内径６２を２.０インチとし、１２個のフィンを設けた。フィンの高さ５２を０.１６インチとした。フィンの裾部の半径５８と、頂部の半径６０を共に０.１６インチとした。フィンの高さ−内径比は０.０８である。
２０ｍ（６５フィート）の長さの所望の内部フィン付き管を作ることは難しかったので、中間部を１カ所溶接することを要した。各Ｕ管の底部をこの中間溶接部とし、隣接する管によってこの部分を包囲した。溶接部ではフィンを一直線上にした。
従来技術が示唆するように、Ｕ管の湾曲部は閉塞を生じさせる傾向はない。１２ヶ月のテストプログラムの間に急激な圧力降下が増えるということは観察されなかった。
内部フィン付き管は管金属温度を減少させた。全く同じ水蒸気分解炉において、全く同じ原料を用いた場合に、試験コイルでのコークスの堆積速度は従来の円形断面（裸）管での堆積速度よりもかなり遅いものであった。
0004819205.tif 000002
0004819205.tif 000003
上の表１は、流れを続けさせた日数、即ち、最後にコークスを除去した後の日数の関数としてＵ管の圧力降下を示すものである。圧力降下が大きいほど形成されるコークスの厚みが大きい。表は裸管（従来の管）とフィン付き管を比較する。そのデータを見ればわかるように、裸管とフィン付き管を稼働させたときに、裸管の稼働の方が圧力降下がかなり増大しており、コークスの厚さがより大きいことを示している。一方、フィン付き管の方はかなり低い圧力降下であり、稼働中に閉塞が生じていないことを明白に示している。
上の表２は、赤外線高温計によって測定した最大管金属温度を同じく流れを続けた日数の関数として示したものである。上に述べたように、最大管金属温度を減少させることが非常に重要である。管金属温度は、フィン付き管と従来管（裸管）を稼働させたときに、前記稼働を通してフィン付き管の方がかなり低く、平均で２６℃（４７°Ｆ）低かった。
さらに、内部フィン付き管のコークスを除去するのに要した時間は、従来の円形断面管よりもかなり少ない時間であった。エタン分解の場合、従来の管（裸管）はコークスを除去するのに８−１０時間を要したのに対して、フィン付き管は４−５時間を要した。
運転を特別理論に限定することを望むことなく、本発明の説明の通りに構成されたフィン付きＵ管は各フィンの位置においてコークス層に断裂帯を与え、小さなコークス片が除去プロセスの間に管の内部から除去され又は粉砕されて取り除かれるという特別な傾向にある。このことは、従来の裸の管と比較して、２つの極めて重要かつ予想外の効果を持つ。１番目の効果は、コークス除去プロセスの時間が短くなることであり、従って、加熱炉をその後すぐにフル稼働させることができ、意義のある経済的な利点を与える。２番目の効果は、断裂帯が比較的小さなコークス粒子だけを形成するように都合良く働き、その小さなコークス粒子が１.２−２.５インチの範囲の直径の比較的小径の管でさえも、そして２経路Ｕ管の「Ｕ」の湾曲部においても管を塞ぐことがないことがわかった。
本発明による内部フィン付きＵ管を備える加熱炉を運転する好ましい手段は、小さなコークスを除去することとなるように、過度のコークス層を形成することがないものである。好ましくは、平均コークス厚はフィンの高さの約１.５倍を超えてはならない。当業者であれば、加熱炉の運転データと、原料の分解特性に関する知識から熱分解炉を運転するときのコークスの厚みを想定することができる。コークスの厚さは測定された管金属温度プロファイルと、放射エンクロジャー内の管の測定された圧力降下と、コークスの公知又は測定された密度及び熱伝導率に基づいて計算される。
本発明をいくつかの好ましい実施形態に言及してかなり詳細に説明したが、別の形態もまた可能である。従って、本発明の趣旨及び範囲はここに含む好ましい実施形態の記載に限定されるべきではない。
【図１】
0004819205.tif 000004
【図２】
0004819205.tif 000005
【図３】
0004819205.tif 000006