JP4860531B2 - 熱分解管 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
・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
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。
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。
(α) 突起列
(A) 突起
(β) 突起列
(B) 突起
Claims (8)
- 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炭化水素用熱分解管において、
管の内径をD、但しDは30〜200mm、
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
とすることで、突起による流体の撹拌が、前記面積全体にまんべんなく作用し、管と管内の流体の熱伝導が前記面積内で温度ムラ無く行なわれるようにしたことを特徴とする炭化水素用熱分解管。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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