JP5224877B2 - 熱分解管 - Google Patents
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- Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)
Description
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、管内流体に対する圧力損失を低減し、熱伝達効率を高めることのできる熱分解管に関するものである。
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。熱分解管は、真っ直ぐな管(以下「直管」と称する)どうし、又は、直管と屈曲した管(以下「ベンド管」と称する)とを溶接することで、全長を長くして一般的に使用される。
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。
管内を流通する流体を撹拌させるために、出願人は、管内面を周回する連続的な突条を形成することにより、管内を流れる流体に乱流作用を与え、流体の撹拌から管外部との熱交換効率を高める熱分解管を提案した(例えば、特許文献１参照)。
しかしながら、管内面に周回する連続的な突条を形成すると、乱流作用による撹拌効率は高まるが、圧力損失が大きくなることがあった。
そこで、出願人は、管内流体に乱流を与える連続的な突条に対し、圧力損失を低下させることを主な目的として、管内面に突起を断続的に形成し、突起と突起との間にスリットを設けた熱分解管を開発し、管壁に沿って流体が突起にぶつかることなく直進できる場所を設けることで、圧力損失の低下と熱交換効率の向上の両方を目指した熱分解管を提案した(例えば、特許文献２参照)。
そこで、出願人は、管内流体に乱流を与える連続的な突条に対し、圧力損失を低下させることを主な目的として、管内面に突起を断続的に形成し、突起と突起との間にスリットを設けた熱分解管を開発し、管壁に沿って流体が突起にぶつかることなく直進できる場所を設けることで、圧力損失の低下と熱交換効率の向上の両方を目指した熱分解管を提案した(例えば、特許文献２参照)。
突起間に形成されるスリットは、突条と比較して流体を遮らないため、圧力損失の低減効果を有し、且つ流体がスリットを通過するときの拡散流れによる流体撹拌効果を有している。
前記スリットは、管の内径や突起の高さに関連して、その大きさが設定されるが、突起を管内面に分散させ、熱交換効率の一様化を図るに際し、スリットが小さくなると、スリットを流れる流体量に制約が生じ、突起を乗り越える流量が増大して、スリットによる圧力損失低減効果が失われてしまうことがあった。
前記スリットは、管の内径や突起の高さに関連して、その大きさが設定されるが、突起を管内面に分散させ、熱交換効率の一様化を図るに際し、スリットが小さくなると、スリットを流れる流体量に制約が生じ、突起を乗り越える流量が増大して、スリットによる圧力損失低減効果が失われてしまうことがあった。
本発明の目的は、上記問題を考慮し、圧力損失を上昇させることなく、熱交換効率の一様化を図ることのできる突起の配置を実現した熱分解管を提供することである。
上記課題を解決するために本発明の熱分解管は、
複数の突起が断続的に連なる突起列を管内面に有する炭化水素製造用の熱分解管において、
熱分解管は、管軸に対して傾斜し所定のピッチＰをもって螺旋状に延びる複数条の突起列を有し、
前記複数条の突起列は、隣り合う突起列の中心線に垂直な向きの突起列間の距離ＥがＥ＜Ｐ／２を満たすよう近接して突起列群として構成され、
前記複数条の突起列のうち少なくとも１条の突起列は、その突起列内の突起間に、突起列に沿う所定長さのスリットを有し、
前記複数条の他の少なくとも１条の突起列は、管軸方向に対して前記スリットを補完する位置に突起を有し、
前記複数条の突起列は互いに、突起列群の１ピッチにおいて、突起が管軸方向に重複しない。
複数の突起が断続的に連なる突起列を管内面に有する炭化水素製造用の熱分解管において、
熱分解管は、管軸に対して傾斜し所定のピッチＰをもって螺旋状に延びる複数条の突起列を有し、
前記複数条の突起列は、隣り合う突起列の中心線に垂直な向きの突起列間の距離ＥがＥ＜Ｐ／２を満たすよう近接して突起列群として構成され、
前記複数条の突起列のうち少なくとも１条の突起列は、その突起列内の突起間に、突起列に沿う所定長さのスリットを有し、
前記複数条の他の少なくとも１条の突起列は、管軸方向に対して前記スリットを補完する位置に突起を有し、
前記複数条の突起列は互いに、突起列群の１ピッチにおいて、突起が管軸方向に重複しない。
従来は、突起列内にスリットを管径方向に規定し、流体の流れを確保していたが、前記スリット幅が小さくなると、所定の範囲の流速を持つ流体において、スリットを直進する流体の量が制限され、突起を乗り越える流れに移行し、圧力損失の増大を招いていた。
そこで、上記の如く、突起列を複数条の螺旋とし、複数条の突起列間に管軸方向のスリットを形成させ、突起列内の突起間スリットを所定の大きさで設けることにより、突起間の相互距離、すなわち管壁に沿った流体流路が確保されるため、断続的に連なる１条の突起列でスリットを形成した場合と比較して、圧力損失が低減する効果を得ることができる。
さらに、上記の如く突起を設けることは、突起間の相互距離が大きくなるため、管内面に突起を設ける際の施工性をも改善することができる。
そこで、上記の如く、突起列を複数条の螺旋とし、複数条の突起列間に管軸方向のスリットを形成させ、突起列内の突起間スリットを所定の大きさで設けることにより、突起間の相互距離、すなわち管壁に沿った流体流路が確保されるため、断続的に連なる１条の突起列でスリットを形成した場合と比較して、圧力損失が低減する効果を得ることができる。
さらに、上記の如く突起を設けることは、突起間の相互距離が大きくなるため、管内面に突起を設ける際の施工性をも改善することができる。
熱分解管は、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。
図１は、本発明の熱分解管(10)の管軸方向に沿う展開図である。図に示すように、熱分解管(10)の内面には、管軸方向ｘに対し、少なくとも２条の螺旋状の突起列(20)(30)を形成している。突起列(20)(30)は、突起列(20)(30)どうしが近接して突起列群を構成し、突起列(20)(20)には、夫々断続的な突起(22)(32)が複数形成されている。
突起列群を構成する突起列(20)(30)は、夫々螺旋ピッチＰにて管内面を螺旋状に周回するよう構成される。
隣り合う突起列(20)と突起列(30)は、突起列(20)(30)の中心線(図中、突起列(20)(30)に点線で示す)に垂直な向きの距離をＥとしたときに、中心間距離Ｅが、突起列(20)(30)の螺旋ピッチＰの二分の一の長さよりも短くなるように近接して形成する。
突起列の中心間距離Ｅは、７〜３０ｍｍとすることが望ましい。
上記のように、突起列間の距離Ｅを調整することで、流体の流路を確保しつつ、流体を撹拌・混合により高い熱伝達性能を有する熱分解管を得ることができる。
隣り合う突起列(20)と突起列(30)は、突起列(20)(30)の中心線(図中、突起列(20)(30)に点線で示す)に垂直な向きの距離をＥとしたときに、中心間距離Ｅが、突起列(20)(30)の螺旋ピッチＰの二分の一の長さよりも短くなるように近接して形成する。
突起列の中心間距離Ｅは、７〜３０ｍｍとすることが望ましい。
上記のように、突起列間の距離Ｅを調整することで、流体の流路を確保しつつ、流体を撹拌・混合により高い熱伝達性能を有する熱分解管を得ることができる。
突起(22)(32)は、突起列(20)(30)の中心線に対して垂直な向きの突起幅Ｗを４〜１５ｍｍとすることが望ましい。
突起(22)(32)の幅Ｗが４ｍｍよりも小さいと、突起形状が壁状となるため、突起を乗り越える流体流れが急激な角度となり、圧力損失が大きくなることがある。逆に突起列(22)(32)の幅Ｗが１５ｍｍよりも大きいと、突起を乗り越える流体流れが緩やかになり、適度な乱流・撹拌が得られなくなることがある。
突起(22)(32)の幅Ｗが４ｍｍよりも小さいと、突起形状が壁状となるため、突起を乗り越える流体流れが急激な角度となり、圧力損失が大きくなることがある。逆に突起列(22)(32)の幅Ｗが１５ｍｍよりも大きいと、突起を乗り越える流体流れが緩やかになり、適度な乱流・撹拌が得られなくなることがある。
また、突起幅Ｗは、上記突起間列の距離Ｅに対し、Ｗ／２＜Ｅの関係が成り立つように形成することが望ましい。これにより、隣接する突起列が接することなく管軸方向のスリットを形成できる。
突起(22)(32)の高さは、熱分解管(10)の内径が３０〜３００ｍｍの場合、１〜１５ｍｍとすることが望ましい。突起(22)(32)の高さが１ｍｍよりも低いと、十分な撹拌効果を得ることができず、逆に、突起(22)(32)の高さが１５ｍｍよりも高いと、突起(22)(32)による圧力損失が大きくなることがある。
突起(22)(22)間に形成されるスリット(24)を有する突起列(20)に対し、隣り合う突起列(30)の突起(32)は、スリット(24)を補完する位置、即ち、管軸方向に対して、スリット(24)と対向する位置に形成する。同様に、突起列(20)の突起(22)は、突起列(30)の突起(32)(32)間のスリット(34)を補完する位置に形成する。
上記のように、突起(22)(32)の形成位置を互いに他方の突起列(20)(30)のスリット(24)(34)の位置と対向させることで、管径方向のスリットを複数の突起列で分散して構成することにより、一つあたりのスリット幅を所定の大きさで確保できるため、圧力損失を小さくすることができる。
突起列(20)のスリット(24)を通過した流体は、次に隣接する突起列(30)の突起(32)に当たり、撹拌作用を受ける。逆に、突起列(20)の突起(22)に当たり撹拌効果を受けた流体は、次に隣接する突起列(30)のスリット(34)を通過する。このように、隣接する突起列(20)(30)で、撹拌効果を受ける突起部分と、突起のないスリット部分を通過するから、流体に過剰な圧力損失が生じることなく、十分な撹拌、乱流形成効果を得ることができる。
上記のように、突起(22)(32)の形成位置を互いに他方の突起列(20)(30)のスリット(24)(34)の位置と対向させることで、管径方向のスリットを複数の突起列で分散して構成することにより、一つあたりのスリット幅を所定の大きさで確保できるため、圧力損失を小さくすることができる。
突起列(20)のスリット(24)を通過した流体は、次に隣接する突起列(30)の突起(32)に当たり、撹拌作用を受ける。逆に、突起列(20)の突起(22)に当たり撹拌効果を受けた流体は、次に隣接する突起列(30)のスリット(34)を通過する。このように、隣接する突起列(20)(30)で、撹拌効果を受ける突起部分と、突起のないスリット部分を通過するから、流体に過剰な圧力損失が生じることなく、十分な撹拌、乱流形成効果を得ることができる。
各突起列(20)(30)の突起(22)(32)の突起列に沿う長さＬは、スリット(24)(34)の突起列に沿う長さ(スリット長)Ｌｓ以下とすることが望ましい。突起(22)(32)の長さＬをスリット長Ｌｓ以下とすることで、突起列群の１ピッチにおいて、流体が管軸方向に重複して突起に衝突することを避けることができ、圧力損失の増大を防止することができる。
上記突起列(20)(30)の突起(22)(32)は、粉体肉盛溶接により形成することができる。本発明の熱分解管(10)に形成される突起(22)(32)は、突起(22)(32)長さと同じ又は突起(22)(32)よりも長いスリット長Ｌｓを存して形成されているから、突起列内で突起どうしが接する可能性が小さくなり、製造時の突起形成を容易にできる利点がある。
図２及び図３は、本発明の異なる突起配列例を示している。
図２は、突起列(20)(30)の突起(22)(32)の突起列に沿う長さＬを、スリット長Ｌｓの約三分の二とした実施例である。スリット長Ｌｓに対して、突起(22)(32)の長さＬを小さくすることで、図１の熱分解管(10)に比して、流体の撹拌、乱流効果及び／又は少し熱伝達効率は低くなるが、圧力損失を低減できる利点がある。
図２は、突起列(20)(30)の突起(22)(32)の突起列に沿う長さＬを、スリット長Ｌｓの約三分の二とした実施例である。スリット長Ｌｓに対して、突起(22)(32)の長さＬを小さくすることで、図１の熱分解管(10)に比して、流体の撹拌、乱流効果及び／又は少し熱伝達効率は低くなるが、圧力損失を低減できる利点がある。
図３は、突起列(20)(30)の突起(22)(32)の突起列に沿う長さＬを、スリット長Ｌｓと等しくした実施例である。この場合、図１の熱分解管(10)に比して、流体の圧力損失は少し増大するが、撹拌、乱流効果及び／又は熱伝達効率を高めることができる。
上記何れの例についても、突起列(20)(30)を複数列としたことで、従来の熱分解管に比べて、流体の撹拌、乱流効果を高めることができると共に、圧力損失を低減し、熱交換効率の一様化を図ることができる。従って、本発明の熱分解管(10)によれば、原料流体を熱分解管の径方向中心まで熱分解反応温度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。
なお、上記例では、突起列は２条としているが、３条以上とすることも勿論できる。
図１乃至図３に示した発明例１〜発明例３、突起列を１条とした比較例１〜比較例２(図４及び図５)を以下の条件で作製した。
・熱分解管(10)の材質：45Ni耐熱鋼
・突起(22)(32)の材質：45Ni耐熱鋼
・突起(22)(32)の形成方法：粉体肉盛溶接
・熱分解管(10)の内径：３７ｍｍ、長さ１０ｍ
・突起列(20)(30)のピッチＰ：４２ｍｍ
・突起列の中心間距離Ｅ：１２ｍｍ(発明例のみ)
・突起幅Ｗ：７ｍｍ
・突起高さ：１.５ｍｍ
・突起長さ及びスリット長：表１参照
・熱分解管(10)の材質：45Ni耐熱鋼
・突起(22)(32)の材質：45Ni耐熱鋼
・突起(22)(32)の形成方法：粉体肉盛溶接
・熱分解管(10)の内径：３７ｍｍ、長さ１０ｍ
・突起列(20)(30)のピッチＰ：４２ｍｍ
・突起列の中心間距離Ｅ：１２ｍｍ(発明例のみ)
・突起幅Ｗ：７ｍｍ
・突起高さ：１.５ｍｍ
・突起長さ及びスリット長：表１参照
上記により作製された発明例１〜発明例３及び比較例１、２の熱分解管の内部に以下の条件で流体を流通させ、熱分解管の出口の位置における流体の撹拌・乱流効果、圧力損失及び熱伝達効率を測定した。なお、流体の撹拌・乱流効果は出口管温度（℃）、圧力損失は出口と入口の圧力差(ｋｇ／ｃｍ2)、熱伝達効率は出口管温度と出口ガス温度の差（℃）により評価した。出口管温度と出口ガス温度の差が小さい程、熱伝達効率が良好であることを示す。
熱分解管を流通させた流体は次の通りである。
・試験流体：ナフサ＋水蒸気
・試験流体流量：ナフサ１３６kg/hour 水蒸気５４kg/hour
・流体温度：入口６０８℃−出口８７５℃
・レイノルズ数：５９０００
・試験流体：ナフサ＋水蒸気
・試験流体流量：ナフサ１３６kg/hour 水蒸気５４kg/hour
・流体温度：入口６０８℃−出口８７５℃
・レイノルズ数：５９０００
結果を表２に示している。
表２を参照すると、発明例は何れも流体の撹拌・乱流効果を示す出口管温度、及び熱伝達効率を示す出口管温度と出口ガス温度との差が、比較例と同等又は同等以下でありながら、圧力損失を低減できていることがわかる。
これは、発明例が、突起列を複数としたことで、各突起列について十分な突起長さＬを採りつつ、熱伝達率を維持できる十分なスリット長Ｌｓを確保できたことによる。
発明例１乃至発明例３を比較すると、突起長さＬに差を設けているが、圧力損失等の諸特性が僅かな差で安定しているのに対して、一条の螺旋で構成されている比較例では、熱伝達効率は同等であるもののスリット幅によって圧力損失に差が生じて発明例よりも高くなっており、僅かなスリット差により圧力損失が大きく変化しているのが分かる。
このように、本発明は、管内流体に対する圧力損失及び熱伝達効率を安定して与えることができ、品質の高い熱分解管を製造することができる。
これは、発明例が、突起列を複数としたことで、各突起列について十分な突起長さＬを採りつつ、熱伝達率を維持できる十分なスリット長Ｌｓを確保できたことによる。
発明例１乃至発明例３を比較すると、突起長さＬに差を設けているが、圧力損失等の諸特性が僅かな差で安定しているのに対して、一条の螺旋で構成されている比較例では、熱伝達効率は同等であるもののスリット幅によって圧力損失に差が生じて発明例よりも高くなっており、僅かなスリット差により圧力損失が大きく変化しているのが分かる。
このように、本発明は、管内流体に対する圧力損失及び熱伝達効率を安定して与えることができ、品質の高い熱分解管を製造することができる。
本発明は、管内流体に対する圧力損失を低減し、熱伝達効率を高めることのできる熱分解管として有用である。
(10) 熱分解管
(20) 突起列
(22) 突起
(24) スリット
(30) 突起列
(32) 突起
(34) スリット
(20) 突起列
(22) 突起
(24) スリット
(30) 突起列
(32) 突起
(34) スリット
Claims (6)
- 複数の突起が断続的に連なる突起列を管内面に有する炭化水素製造用の熱分解管において、
熱分解管は、管軸に対して傾斜し所定のピッチＰをもって螺旋状に延びる複数条の突起列を有し、
前記複数条の突起列は、隣り合う突起列の中心線に垂直な向きの突起列間の距離ＥがＥ＜Ｐ／２を満たすよう近接して突起列群として構成され、
前記複数条の突起列のうち少なくとも１条の突起列は、その突起列内の突起間に、突起列に沿う所定長さのスリットを有し、
前記複数条の他の少なくとも１条の突起列は、管軸方向に対して前記スリットを補完する位置に突起を有し、
前記複数条の突起列は互いに、突起列群の１ピッチにおいて、突起が管軸方向に重複しないことを特徴とする熱分解管。 - 突起列どうしの中心線間距離Ｅが、７〜３０ｍｍである請求項１に記載の熱分解管。
- 突起列の延伸方向に対して垂直な向きの突起幅Ｗが４〜１５ｍｍである請求項１又は請求項２に記載の熱分解管。
- 前記突起列の中心間距離Ｅと突起列の延伸方向に対して垂直な向きの突起幅Ｗにおいて、Ｗ/２＜Ｅ の関係が成り立つ請求項１乃至請求項３の何れかに記載の熱分解管。
- 前記補完する位置にある突起の突起列に沿った長さＬは、前記スリット長Ｌｓ以下である請求項１に記載の熱分解管。
- 前記突起が、粉体肉盛溶接により形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の熱分解管。
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