JP7510868B2 - 流体撹拌要素を具える熱分解管 - Google Patents

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、より具体的には、管内流体の撹拌作用を高める撹拌要素が管内面から突設された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、エタンなど）を含む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。原料流体の過加熱は、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を招き、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じ、操業時間が低下してしまう。

そこで、熱分解管の内面に流通流体の撹拌要素として突条を設けることが行なわれている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１では、突条は管軸に対してらせん状に旋回するよう形成されている。そして、高速流通する流体は突条による撹拌を受けて熱伝達が促進され、急速に昇温加熱されて熱分解は短時間で完結する。これにより、過加熱による過分解やコーキングの発生を抑え、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。

特開２００８－２４９２４９号公報

熱分解管には、さらなる熱伝達効率の向上が求められている。

本発明は、管内流体の撹拌効果を具備しつつ熱伝達効率の向上を図ることのできる熱分解管を提供することを目的とする。

本発明の撹拌要素を具える熱分解管は、
管の内面に１又は複数の流体の撹拌要素を内向きに突出形成してなる熱分解管であって、
前記撹拌要素は、
前記管の内面に沿って延び、管軸に対して下流向きに左旋回又は右旋回するように突設されたらせん状の第１突条と、
前記管の内面に沿って延び、管軸に対して下流向きに前記第１突条とは逆向きに旋回するように突設されたらせん状の第２突条と、
を含む。

前記第１突条と前記第２突条は、実質的に或いは仮想的に繋がった構成とすることができる。

前記管の内面には、前記第１突条と前記第２突条が連続して形成することができる。

前記第１突条と前記第２突条は、実質的に或いは仮想的に繋がっていない構成としてもよい。

前記管の内面には、前記第１突条と前記第２突条が連続して形成されることが望ましい。

前記第１突条及び／又は前記第２突条は、前記管の内面を少なくとも１周以上旋回していることが望ましい。

前記第１突条が形成された第１突条区間は、前記第２突条が形成された第２突条区間と同等の長さとすることができる。

前記第１突条が形成された第１突条区間と、前記第２突条が形成された第２突条区間は、何れか一方が長い構成とすることもできる。

前記第１突条の高さＨ１は、前記第２突条の高さＨ２と同等とすることができる。本明細書において、「同等」とは、当業者によって測定された数値が許容可能な誤差範囲内にあることを意味する。もちろん、その値は、測定方法にも依存する。また、「同等」には、測定された数値の２０％まで、１０％まで、５％まで、或いは、１％までの範囲を含むものとする。

本発明の熱分解管によれば、流体は、左旋回又は右旋回するらせん状の第１突条により撹拌を受ける。第１突条を通過した旋回する流体は、第１突条とは逆向きに旋回するらせん状の第２突条により流れの向きが変えられて整流されつつ撹拌される。或いは、第２突条により乱流となった流体は、第２突条とは逆向きに旋回するらせん状の第１突条により流れの向きが変えられて整流されつつ撹拌される。これにより、撹拌効果を具備して熱伝達効率を向上して、オレフィンの収率の向上を図り、過分解によるコーキングの発生を抑制できる。

図１は、本発明の一実施形態による撹拌要素を形成した熱分解管の断面図である。 図２は、図１の線ＩＩ－ＩＩに沿う断面図である。 図３は、異なる形態の撹拌要素を形成した熱分解管の断面図である。 図４は、第１突条が形成された接続管と第２突条が形成された接続管を接続してなる熱分解管の断面図である。 図５は、実施例に用いた供試熱分解管の説明図である。 図６は、比較例の熱分解管の断面図である。

以下、本発明の熱分解管１０について、図面を参照しながら説明を行なう。なお、図示の熱分解管１０は、直管であるが、一般的には、直管からなる熱分解管１０同士を屈曲したベンド管で接続し、蛇行した形状として熱分解炉に配備し、管外部から加熱を受けて、内部を流通する流体の熱分解を行なう。

図１は、本発明の熱分解管１０の一実施例を示す断面図、図２は、図１の線ＩＩ－ＩＩに沿う拡大断面図である。説明の都合上、図１の紙面左側を上流側、右側を下流側としている。

熱分解管１０は、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)、或いは、Ａｌ：６．０質量％を上限として含有する合金を例示できる。もちろん、熱分解管１０の材料はこれらに限定されず、高温の使用環境に耐え、要求される性能を具備する種々の耐熱合金材料を使用できる。

熱分解管１０には、管内面から内向きに突出する撹拌要素２０が形成されている。より詳細には、撹拌要素２０は、第１突条２１と第２突条２５であって、以下の説明では、第１突条２１は、管軸に対して下流に向かって左旋回、第２突条２５は、管軸に対して下流に向かって右旋回するように突設している。なお、第１突条２１を右旋回、第２突条２５を左旋回としてもよい。

第１突条２１と第２突条２５は、互いに他方の突条によって形成された流体の流れの向きを逆方向に変えることで、流体を整流しつつ撹拌する部材である。

第１突条２１は、図１では、管軸と直交する面に対して上流側から下流側に向けて角度θ１で傾斜し、管軸に対して下流向きに左旋回するらせん状形状とすることができる。角度θ１は、図１に示すように、管軸と直交する面に対して下流側向きの仰角であり、０°以上９０°以下で規定される角度である。管内面において、第１突条２１が形成された区間を第１突条区間２２と称する。そして、第１突条２１は、端縁が第２突条２５に連結される。

第２突条２５は、第１突条２１の角度θ１とは逆向きのらせん角度θ２で傾斜し、管軸に対して下流向きに右旋回するらせん状形状とすることができる。角度θ２は、図１に示すように、管軸と直交する面に対して上流側向きの仰角であり、０°以上９０°以下で規定される角度である。管内面において、第２突条２５の形成された区間を第２突条区間２６と称する。第２突条２５の下流側には、第１突条２１が形成されており、第２突条２５は、第１突条２１と連結される。なお、図１中、一点鎖線は、切断位置の手前側に設けられた第２突条２５の軌跡を示している。

第１突条２１と第２突条２５は、図１に示すように、実質的に連結されている構成とすることが望ましいが、第１突条２１と第２突条２５の間に隙間を設けて、第２突条２５の延長線が第１突条２１と仮想的に連結する構成としてもよい。もちろん、第１突条２１と第２突条２５は、実質的に又は仮想的に連続しない構成、すなわち、第１突条２１の端部と第２突条２５の実質的又は仮想的な端部が位置ずれした構成であってもよい。第１突条２１と第２突条２５が連続しない構成であっても、逆向きに旋回する流れを形成することで、同様の効果が得られる。

また、第１突条２１と第２突条２５との間に、たとえば、管軸に対して平行な第３突条を設け、第１突条２１と第２突条２５を第３突条により実質的に又は仮想的に連結する構成としてもよい。

第１突条２１のらせん角度θ１は、８５°以下とすることが好適であり、３０°以下とすることが望ましい。第１突条２１のらせん角度θ１は、１５°以上とすることが望ましい。らせん角度θ１が小さ過ぎると突条２１の下流側に淀みが発生し易くなる一方で、小さい程、管軸に対して第１突条２１の傾きは大きいから、流通する流体の撹拌、乱流発生効果を高めることができる。

第２突条２５のらせん角度θ２も８５°以下とすることが好適であり、３０°以下とすることが望ましい。第２突条２５のらせん角度θ２は、１５°以上とすることが望ましい。らせん角度θ２が小さ過ぎると突条２１の下流側に淀みが発生し易くなる一方で、小さい程、管軸に対して第１突条２１の傾きは大きいから、流通する流体の撹拌、乱流発生効果を高めることができる。

第１突条２１のらせん角度θ１と第２突条２５のらせん角度θ２は、図１では同じ角度としているが、らせん角度θ１とらせん角度θ２の大きさを変えても構わない。たとえば、θ１≧θ２として規定できる。

第１突条２１及び第２突条２５は、連続的な形態とすることができるが、断続的な形態であってもよい。図３は、第１突条２１を断続的な突条２３，２３、第２突条２５を断続的な突条２７，２７とした実施形態である。もちろん、一方の突条２１又は２５のみを断続的に形成しても構わない。なお、図３中、一点鎖線は、切断位置の手前側に設けられた第２突条２５の断続的な突条２７，２７の軌跡を示している。

第１突条２１同士、第２突条２５同士の間隔Ｉ（第２突条２５同士の間隔Ｉを図１に示す）は、管内径が３０－１５０ｍｍの場合、約２０－４００ｍｍとすることができる。第１突条２１及び第２突条２５は、図１では管内面を１旋回する毎に第１突条２１から第２突条２５、第２突条２５から第１突条２１に切り替わる構成であるが、第１突条２１及び／又は第２突条２５は、複数旋回した後、他方の突条に切り替わる構成としてもよい。もちろん、旋回数は、第１突条２１と第２突条２５で同じにする必要はなく、さらには、同じ熱分解管１０内に設けられる第１突条２１同士、第２突条２５同士の旋回数を変えてもよい。第１突条２１及び第２突条２５の旋回数は、整数に限らず、１．５旋回等としてもよい。また、図１の第１突条２１、第２突条２５は、１条のらせん形態であるが、複数条のらせん形態を平行又はらせん角度を変えて設けることもできる。

第１突条区間２２と第２突条区間２６の長さは、同等、又は、何れか一方が長くなるようにすることができる。本明細書において、「同等」とは、当業者によって測定された具体的な数値が許容可能な誤差範囲内にあることを意味する。もちろん、その値は、測定方法にも依存する。また、「同等」には、測定された数値の２０％まで、１０％まで、５％まで、或いは、１％までの範囲を含むものとする。

図２に示す第１突条２１の高さＨ１及び第２突条２５の高さＨ２は、管内径の約１／６０－１／１０とすることが望ましい。第１突条２１の高さＨ１、第２突条２５の高さＨ２が、管内径の１／６０よりも低いと、流体の撹拌、乱流発生効果を十分に発揮できない虞がある。また、第１突条２１の高さＨ１、第２突条２５の高さＨ２が、管内径の１／１０よりも高いと、第１突条２１、第２突条２５が流体の流通を阻害し、圧力損失が大きくなり、さらには、第１突条２１、第２突条２５の下流側で流体が滞留して過分解やコークが堆積し易くなる虞がある。故に、第１突条２１の高さＨ１、第２突条２５の高さＨ２は、上記規定を満たすことが望ましい。なお、第１突条２１の高さＨ１と第２突条２５の高さＨ２は同等とすることが、撹拌、整流効果の点で望ましく、また、第１突条２１と第２突条２５の形成を簡便化する点でも高さを同等とすることが望ましい。

第１突条２１及び第２突条２５は、たとえば、粉体プラズマ溶接（ＰＴＡ溶接）、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接、レーザー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。もちろん、押出加工により熱分解管１０と一体に第１突条２１及び第２突条２５を作製することもできる。

第１突条２１、第２突条２５は、上記した熱分解管１０と同種の耐熱合金材料から形成することができるが、これに限定されるものではない。

上記の如く撹拌要素２０として第１突条２１と第２突条２５を形成した熱分解管１０に流体を流通させると、図１に矢印Ａで示すように、流体は、左旋回する第１突条２１により撹拌作用を受け、第１突条２１に沿いらせん状に左旋回する流れとなる。これにより流体は、管路の径方向中心部まで撹拌されて速やかに加熱昇温することができる。そして、流体は、下流側の右旋回する第２突条２５に当たることで、矢印Ｂで示すように、流れの向きが右旋回に変えられて整流され、撹拌を受けることで、さらに加熱昇温が進む。そして、同様に矢印Ｃに示すように第２突条２５で右旋回の撹拌を受け、さらに、矢印Ｄに示すように再度左旋回する第１突条２１に当たることで、流れの向きが左旋回に変えられて整流され、撹拌を受けることで、さらに加熱昇温が進む。

これにより、本発明の熱分解管１０は、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することができ、熱伝達効率の向上により、目的製品の収率向上を達成できる。

上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するように解すべきものではない。又、本発明の各部構成は上記一実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。

たとえば、図４に示すように、第１接続管１１に第１突条２１、第２接続管１２に第１突条２１とは逆らせんの第２突条２５を形成し、第１接続管１１と第２接続管１２を接続することで熱分解管１０を形成することもできる。第１接続管１１と第２接続管１２は交互に接続することが好適であるが、複数が連続した形態としてもよい。また、第１接続管１１と第２接続管１２との間に突条のない接続管を挿入した構成とすることもできる。

図５に示すように、上流側に助走区間３１を有し、下流側に図１に示す発明例１～７の熱分解管１０と、図６に示す比較例の熱分解管４０を接続した供試熱分解管３０を作製し、流体を流通させて出口温度（℃）及び熱交換量（ｋＷ）を測定、比較した。

発明例の熱分解管１０は、図１に示すように、内部に撹拌要素としてらせん状の連続する１条の第１突条２１と、第１突条２１とは逆向きに旋回する螺旋状の１条の第２突条２５を形成したものである。また、比較例の熱分解管４０は、図６に示すように、内部に突条の形成されていないストレート管である。

供試熱分解管３０の上流側の助走区間３１の長さは１．６ｍであり、壁面断熱を施している。発明例の熱分解管１０と接続される助走区間３１には、熱分解管１０と同じくらせん状の第１突条２１及び第２突条２５が形成されており、比較例の助走区間３１は内部に突条の形成されていないストレート管である。また、熱分解管１０又は４０の長さは０．６ｍである。表１に示すように、発明例１～７には、管軸方向の長さが合計で０．６ｍとなるように区間の長さを変えて、第１突条２１と第２突条２５を形成している。たとえば、発明例２は、第１突条２１の形成された第１突条区間２２が０．３２ｍ、第２突条２５が形成された第２突条区間２６が０．２８ｍであり、第１突条区間２２の占める比率は、０．３２／０．６＝約５３．３％である。また、発明例の突条２１，２５は何れも断面半円形であり、両者の高さは共に２．１ｍｍ、幅は７．０ｍｍとした。第１突条２１の角度θ１とは第２突条２５の角度θ２（図１参照）は夫々３０°である。

上記構成の供試熱分解管３０を壁面が１０００℃一定となるように加熱しつつ、エタン７０重量％、水蒸気３０重量％からなる流体を、７００℃に昇温し、流入する質量流量が０．２１０４ｋｇ／ｓとなるように供給した。結果を表１に示す。

表１を参照すると、発明例は、比較例に比べて、出口温度及び熱交換量が共に向上していることがわかる。これは、撹拌要素２０として設けられた第１突条２１と第２突条２５により、流体の撹拌が行なわれ、また、第１突条２１と第２突条２５により流体の整流が行われて、効果的に熱交換が行なわれたことによる（図１の矢印Ａ～Ｄ）。熱伝達効率の向上により、発明例の熱分解管１０は、比較例の熱分解管４０に比べて収率向上を達成できる。

発明例どうしを比較すると、第１突条区間２２と第２突条区間２６の長さの比率が小さい、すなわち、第１突条区間２２の占める比率が５０％に近い程、出口温度及び熱交換量を向上できたことがわかる。これは、流体が、一方向の旋回だけでなく逆方向の旋回を受けることで、効果的に流体が撹拌されて熱交換を行なうことができたためと考えられる。表１の結果から、第１突条区間２２の占める比率は、５０％～７０％とすることが好適である。

１０ 熱分解管
２０ 撹拌要素
２１ 第１突条
２５ 第２突条

Claims (7)

1. 管の内面に１又は複数の流体の撹拌要素を内向きに突出形成してなり、炭化水素を含む原料流体を高速流通させ、前記管を外部から加熱することで、前記原料流体を反応温度域まで加熱して熱分解してオレフィンを精製する熱分解管であって、
   前記撹拌要素は、
   前記管の内面に沿って延びる断面が円弧状表面を有する第１突条と、前記管の内面に沿って延びる断面が円弧状表面を有する第２突条と、を含み、
   前記第１突条は、管軸に対して下流向きに左旋回又は右旋回するように突設されたらせん状であり、
   前記第２突条は、管軸に対して下流向きに前記第１突条とは逆向きに旋回するように突設されたらせん状である、
   熱分解管。
2. 前記第１突条は、少なくとも長さ０．３ｍ以上の区間に形成されており、前記第２突条は、前記第１突条の区間以下の長さである、
   請求項１に記載の熱分解管。
3. 前記第１突条と前記第２突条は、実質的に或いは仮想的に繋がっている、
   請求項１又は請求項２に記載の熱分解管。
4. 前記管の内面には、前記第１突条と前記第２突条が連続して形成されている、
   請求項１乃至請求項３の何れかに記載の熱分解管。
5. 前記第１突条と前記第２突条は、実質的に或いは仮想的に繋がっていない、
   請求項１又は請求項２に記載の熱分解管。
6. 前記第１突条及び／又は前記第２突条は、前記管の内面を少なくとも１周以上旋回している、
   請求項１乃至請求項５の何れかに記載の熱分解管。
7. 前記第１突条の高さＨ１は、前記第２突条の高さＨ２と同等である、
   請求項１乃至請求項６の何れかに記載の熱分解管。

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