CN114829865A - 具备流体搅拌元件的热分解管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热分解管，前述热分解管具备管内流体的搅拌效果，也能够防止由于发生层流而导致的过加热。本发明的具备搅拌元件（20）的热分解管（10）为，在管的内表面将一个或多个流体的搅拌元件向内突出形成而构成的热分解管，前述搅拌元件包括突条（21）和突起（24），前述突条（21）沿前述管的内表面延伸，前述突起（24）在前述突条的周边部从前述管的内表面向内突出。前述突条的周边部优选地包括前述突条的管内流体流通方向上游侧及/或下游侧。

Description

具备流体搅拌元件的热分解管
技术领域
本发明涉及乙烯等制造用的热分解反应炉所使用的热分解管，更具体地，涉及提高管内流体的搅拌作用的搅拌元件被从管内表面突出设置的热分解管。
背景技术
乙烯、丙烯等烯烃通过使包括烃(石脑油、天然气、乙烷等)的原料流体向被从外部加热的热分解管高速流通，将原料流体加热至反应温度区来热分解从而被生成。
为了高效率地进行热分解反应，重要的是，使高速流通的原料流体在短时间至管路的径向中心部加热升温至热分解反应温度区，且尽可能避免过加热。原料流体的过加热导致烃类的过度的轻质化(甲烷、游离碳等的生成)、分解产物的缩聚反应，目标产品的收率下降变大。此外，助长填缝(游离碳向管内表面的沉积)，导致管体的热传递系数的下降，所以需要频繁实施反填缝作业，操作时间下降。
因此，在热分解管的内表面设置突条作为流通流体的搅拌元件被进行(例如参照专利文献1)。专利文献1中，突条形成为相对于管轴螺旋状地回转。并且，高速流通的流体受到突条引起的搅拌而热传递被促进，被急速升温加热，热分解在短时间完成。由此，抑制过加热引起的过分解、填缝的发生，此外，由于热分解管的热传递效率的提高，能够降低热分解管的加热温度，实现热分解管的耐用寿命提高的效果。
专利文献1：日本特开2008-249249号公报。
对于热分解管需要热传递效率的提高。然而，流体在突条部分受到搅拌作用，但在未形成突条的部分沿管内表面流通，有在管内表面的附近形成边界膜的可能性。在该边界膜部分，产生与在内径侧流通的流体的调换少的层流，有导致过加热的情况。
发明内容
本发明的目的提供一种热分解管，前述热分解管具备管内流体的搅拌效果，也能够防止由于发生层流而引起的过加热。
本发明的具备搅拌元件的热分解管构成为，在管的内表面将一个或多个流体的搅拌元件向内突出形成，前述搅拌元件包括突条和突起，前述突条沿前述管的内表面延伸，前述突起在前述突条的周边部从前述管的内表面向内突出。
优选地，前述突条的周边部包括前述突条的流体流通方向的上游侧及/或下游侧。
优选地，前述突起的高度及/或大小并非恒定而是随机的。
优选地，前述突条的高度H1比前述突起的高度H2高。
优选地，前述突条被在前述管的内表面处存在间隔I地形成多条，前述突起至少被形成于至前述突条的上游侧及/或下游侧I/2的区域。
优选地，形成前述突起的区域的面积S比前述突起所占的面积S’大2倍以上。
优选地，前述突起是从前述管的内表面向内突出的点状突起。
优选地，前述突起至少形成于前述突条的下游侧。
优选地，前述突条被相对于管轴螺旋状地形成。
发明效果
根据本发明的热分解管，流体由于突条而受到搅拌。另一方面，由于在管内表面形成的突起，在管内表面的附近流通的流体也受到搅拌，能够抑制在管内表面附近发生层流。由此，具备搅拌效果且防止过加热，能够提高热传递效率，所以能够实现烯烃的收率的提高，能够抑制过分解引起的填缝的发生。
附图说明
图1是形成有本发明的一实施方式的搅拌元件的热分解管的展开图。
图2是是沿着图1的线II-II的剖视图。
图3是形成有不同形态的突条的热分解管的展开图。
图4是用于实施例的供试热分解管的说明图。
图5是比较例的热分解管的展开图。
图6是用于第2实施例的热分解管的剖视图，(a)~(f)表示发明例，(g)表示比较例。
图7是表示第2实施例的压力损失和传热系数的关系的图表。
具体实施方式
以下，参照附图的同时对本发明的热分解管10进行说明。另外，图示的热分解管10为直管，但一般而言，将由直管构成的热分解管10彼此用弯曲的弯管连接，设置成曲折的形状来配备于热分解炉，从管外部接受加热，进行在内部流通的流体的热分解。
图1是表示本发明的热分解管10的一实施例的展开图，图2是沿着图1的线II-II的放大剖视图。为了方便说明，将图1的纸面左侧设为流体的流通方向的上游侧，将右侧设为下游侧。
热分解管10能够由耐热合金材料形成，能够例示25Cr-Ni(SCH22)、25Cr-35Ni(SCH24)、Incoloy(インコロイ，商标名)、或者将Al：6.0质量%作为上限而含有的合金。显然，热分解管10的材料不限于它们，能够使用耐受高温的使用环境、具备所要求的性能的各种耐热合金材料。
在热分解管10处，形成有从管内表面向内突出的搅拌元件20。更详细地说，搅拌元件20能够设为突条21和在其周边部同样地向内突出的突起24。
作为构成搅拌元件20的突条21，图1中设为螺旋状地连续的形态。突条21将相对于与管轴正交的面从上游侧向下游侧倾斜的角度规定成θ的情况下，能够使从热分解管10的上游侧至下游侧为相同的倾斜角度θ，也能够改变角度θ来设置。例如，突条21的倾斜角度θ可以为85°以下，优选为30°以下。突条21的倾斜角度θ优选为15°以上。突条21也可以设为θ＝0°，设为与管轴正交的形态。若倾斜角度θ过小则在突条21的下游侧容易发生停滞，另一方面，越小则突条21相对于管轴的倾斜越大，所以能够提高流通的流体的搅拌、乱流发生效果。
另外，突条21如图3所示，能够设为断续的形态。
突条21彼此的间隔I在管内径为30-150mm的情况下能够设为约20-400mm。图1、图3的突条21为一根的螺旋形态，但也能够将多根的螺旋形态平行或改变倾斜角度地设置。
突条21的高度H1优选为管内径的约1/60-1/10。若突条21的高度H1比管内径的1/60低，则有流体的搅拌、乱流发生效果不能充分发挥的可能。此外，若突条21的高度H1比管内径的1/10高，则突条21阻碍流体的流通，压力损失变大，进而有在突条21的下游侧流体滞留而过分解、填缝物(コーク)容易堆积的可能。因此，将突条21的高度H1如上所述地规定。
突条21能够由与上述的热分解管10同种的耐热合金材料形成，但不限于此。
突条21例如能够通过粉体等离子焊接(PTA焊接)、MIG焊接、TIG焊接、激光焊接等的堆料焊接法，作为堆料焊道高效率地形成。显然，也能够通过挤出加工将热分解管10和突条21一体地制作。
突起24被在突条21的周边部形成。突条21的周边部包括突条21的上游侧、下游侧。例如，如图1所示，突起24能够是并非均匀地在管内表面的整体设置，而是在从突条21的上游侧及下游侧离开既定距离的带状的区域集中地形成。显然，也能够如图3所示，突起24大致均匀地设置于管内表面，如该图所示，突条21为断续的形态22、22的情况下，形成突起24的周边部也包括突条22和突条22之间。
将突起24在突条21的上游侧及/或下游侧设置的情况下，相对于前述突条21彼此的间隔I，在从突条21至上游侧I/2、下游侧I/2的区域、优选地在上游侧I/3、下游侧I/3的区域形成。这是为了，防止朝向突条21的流体形成层流，此外，被突条21搅拌的流体不会再次形成层流。
进而，优选地。突起24为，形成突起24的区域的面积S(管内表面的面积中除了突条21的面积)比突起24所占的面积S’大2倍以上，换言之，突起24所占的面积S’为形成突起24的区域的面积S的1/2以下。不将突起24在管内表面密集地形成，存在一定程度间隔地形成为疏离的方式，由此，能够有效地进行搅拌，抑制在突起24、24间产生的流体的滞留，能够减少填缝物的堆积。S’/S优选为20%以下，更优选为10%以下，最优选为6%以下。
突起24能够设为在图2中表示截面形状的例子那样的粒状地隆起的形态25、从热分解管10的内表面半球状地隆起的形态26、从热分解管10的内表面顺畅地山状地隆起的形态27。将突起24设为附图标记25所示的粒状地隆起的形态的情况下，如图2所示，与突起24和管内表面的接触宽度W1相比，突起24的最大径直W2变大。由此，使突起24的表面积变大，所以能够提高热交换效率。此外，从管轴侧观察到的形状能够采用点状、圆状、椭圆状、角状等各种形状。显然，也能够设为将这些形状组合的形态。进而，通过将突起24的形状设为并非恒定而是随机的形状，流体碰撞时由于各突起24而产生的流动变得复杂，所以破坏边界膜，能够提高妨碍层流的形成的效果。
突起24的高度H2如图2所示，优选地，相对于突条21的高度H1，H1＞H2，即，突条21的高度H1比突起24的高度H2高。突条21的高度H1更优选为突起24的高度H2的2倍以上(H1≥2×H2)。这是因为，基本上流体的搅拌借助突条21进行，防止由于突起24而在管内表面形成层流。此外，通过将各突起24的高度H2随机地设置，由于各突起24而产生的流动变得复杂，所以破坏边界膜，能够提高妨碍层流的形成的效果。
突起24也能够由与上述的热分解管10、突条21同种的耐热合金材料形成，但不限于此。
突起24例如能够通过溅射形成于管内表面。此外，也可以通过TIG焊接、MIG焊接、激光焊接等在管内表面点状地形成。进而，将突条21通过粉体等离子焊接(PTA焊接)等的堆料焊接法形成时，能够使为了防止管内表面、堆料焊接粉末的熔融金属氧化而喷射的屏蔽气体、例如氩气的流速、流量变多，能够通过使堆料熔融粉末的一部分向管内表面飞散来形成点状或粒状的突起24。同样地，也可以是，使堆料焊接时供给的堆料焊接粉末的送给气体的流速、流量变多，使被从喷嘴喷出的堆料熔融粉末的一部分向管内表面飞散，由此形成点状或粒状的突起24。
若使流体向作为如上所述的搅拌元件20而形成有突条21及在其周边部形成有突起24的热分解管10流通，则如图1及图2中的箭头A所示，流体由于突条21而受到搅拌作用，成为沿着突条21螺旋状地回转的流动、或者越过突条21的流动等。由此，流体在管路的径向至管路的径向中心部被搅拌而能够迅速地加热升温。此外，在管内表面流通的流体如箭头B所示，与突起24碰撞而流动向内径侧或突起24的左右紊乱，在管内表面防止层流的形成，将边界膜破坏，所以提高被从管外表面向管内表面的原料流体供给的热的传递效率，也能够防止流体的过加热。
即，根据本发明的热分解管10，能够使原料流体至管路的径向中心部快速地加热升温热分解反应温度区，且能够避免过加热，能够实现目标产品的收率提高。此外，由于过加热的防止，填缝也被抑制，所以能够削减反填缝作业，能够实现操作工时的增加引起的收量增大。
上述实施例的说明用于说明本发明，不应理解成将权利要求书中记载的发明限定，或将范围缩减。此外，本发明的各部分结构不限于上述一实施方式，显然能够在权利要求书中记载的技术的范围内进行各种变形。
实施例
＜第1实施例＞
如图4所示，制作在上游侧具有1.6m的助跑区间31、在下游侧将图1所示的长度0.6m的发明例的热分解管10、或者图5所示的长度0.6m的比较例的热分解管40连接的供试热分解管30，使流体流通来测定出口温度(℃)及热交换量(kW)从而进行比较。热分解管10、40的内径为40mm。
发明例的热分解管10如图1所示，在内部作为搅拌元件形成有螺旋状的连续的一条的突条21且在其周边部形成有多个突起24。此外，比较例的热分解管40如图5所示，仅在内部形成有螺旋状的连续的一条的突条21。发明例及比较例的螺旋状的突条21均为倾斜角度θ为30°、高度为2.1mm、宽度为7.0mm。发明例通过溅射形成有直径2.0mm、高度1.0mm的半球状的突起24。发明例为以如下方式形成有突起24实施例：突起24的形成位置为突条21的上游侧50%和下游侧50%的区域、即形成突起的区域的面积S(管内表面的面积中除了突条21的面积)的整面，占面积S的突起24的面积S’为整体的3%。
供试热分解管30的上游侧的助跑区间31的长度为1.6m，实施有壁面隔热。在发明例的与热分解管10连接的助跑区间31，与热分解管10相同地形成有螺旋状的突条21和突起24，在比较例的与热分解管40连接的助跑区间31，与热分解管40相同地形成有螺旋状的突条21。此外，热分解管10或40的长度为0.6m，加热成壁面为1000℃恒定。
将上述结构的供试热分解管30加热成壁面为1000℃恒定，且使由乙烷70重量%、水蒸气30重量%构成的流体升温至700℃，以流入的质量流量为0.2104kg/s的方式供给。将结果在表1中表示。
表1
出口温度（℃） 交换热量（kW）
发明例 723.9 17.7
比较例 723.5 17.4
若参照表1，则发明例与比较例相比，出口温度及热交换量均提高。这被认为是因为，除了作为搅拌元件20设置的突条21的搅拌效果(图1及图2的箭头A)，还如图1及图2中箭头B所示，流动与在管内表面设置的突起24碰撞而紊乱，防止在管内表面形成层流，破坏边界膜，从而提高热传递效率。通过热传递效率的提高，发明例的热分解管10与比较例的热分解管40相比能够实现收率提高。
＜第2实施例＞
在内径为40mm、长度为0.6mm的热分解管的内表面，制作如图6(a)~(f)所示形成有突条21、突起24的发明例1~6、如图6(g)所示的仅形成有突条21的比较例1、2，使空气在内部流通，测定流体的出口温度(℃)、压力损失(Pa)及传热系数(W/m2K)。
发明例、比较例中，均形成有倾斜角度θ为30°而宽度为7.0mm的螺旋状的突条21。发明例1~6及比较例1的突条21的高度为2.1mm、比较例2的突条21的高度为1.5mm。
发明例中，将直径2.0mm、高度1.0mm的半球状的突起24通过溅射形成。表2中，将形成突起24的区域的位置与其面积%表示成“突起的形成区域”。此外，在相同的表2中，将相对于面积S(管内表面的面积中除了突条21的面积)的突起24的面积S’表示为“S’/S”，将在管内表面形成的突起24的个数表示为“突起个数”，将对应的剖视图表示为“图”。另外，图6是热分解管的一部分区间的截面。
表2
突起的形成区域 S'/S 突起个数 图
发明例1 整面（配置随机） 2% 351个 图6（a）
发明例2 整面（配置随机） 3% 533个 图6（b）
发明例3 突起的下游侧的50%面积 1% 175个 图6（c）
发明例4 突起的上游侧的50%面积 1% 176个 图6（d）
发明例5 突起的上游侧的10%面积和下游侧的10%面积 2% 356个 图6（e）
发明例6 突起的上游侧的5%面积和下游侧的5%面积 2% 352个 图6（f）
比较例1 无 0% 0个 图6（g）
比较例2 无 0% 0个 图6（g）
第2实施例中，加热使得发明例和比较例的各热分解管的壁面为156℃，且将32.54℃的空气作为流体，以流体的流入的质量流量为00.055kg/s的方式供给。将结果在表3中表示，此外，在图7中表示将压力损失设为横轴、将传热系数设为纵轴而标注发明例与比较例的结果的图表。
表3
出口温度（℃） 压力损失（Pa） 传热系数（W/m<sup>2</sup>k）
发明例1 55.9 636 162
发明例2 55.7 635 151
发明例3 54.5 562 142
发明例4 54.9 581 148
发明例5 55.3 599 151
发明例6 55.8 616 152
比较例1 54.0 531 135
比较例2 52.5 393 126
若参照表3，则可知与第1实施例相同，发明例与比较例相比均能够使流体的出口温度升高。此外，若参照图7，相对于连结比较例1和比较例2的直线，发明例均被标注于上侧，发明例的近似线与比较例的直线相比斜率较大。这意味着，与压力损失的增加相比传热系数提高。
此外，若将发明例彼此比较，则可知在管内表面使突起24整面地随机地分散的发明例1能够将传热系数提高最多，也能够将流体的出口温度提高最多。发明例2与发明例1相比将突起24密集地形成，但未提高出口温度。发明例4有由于突起24而发生乱流的可能性。
进而，发明例3和4是相对于突条21的间隔I(参照图1)分别在下游侧和上游侧的I/2的区域形成有突起24的实施例。若比较发明例3和4，则在突条21的上游侧形成有突起24的发明例4的出口温度及传热系数提高。这被认为是因为，通过将突起24在上游侧设置，能够搅拌朝向突条21的流体，能够抑制在突条21的附近的层流的发生。
此外，发明例5和6是相对于突条21的间隔I在上游侧和下游侧的两范围的I/10、I/20的范围形成有突起24的实施例。发明例5的突起24的形成区域为发明例6的2倍，另一方面，突起24的个数大致相同。即，关于突起24的形成密度，发明例6为约2倍高的实施例。若比较它们，则发明例6的出口温度高。根据该结果可知，在突条21的上游侧和下游侧设置个数相同的突起24的情况下，在突起24的附近较多形成的话会提高出口温度。
附图标记说明
10 热分解管
20 搅拌元件
21 突条
24 突起。

Claims (9)

1.一种具备搅拌元件的热分解管，前述热分解管构成为，在管的内表面将一个或多个流体的搅拌元件向内突出形成，其特征在于，
前述搅拌元件包括突条和突起，
前述突条沿前述管的内表面延伸，
前述突起在前述突条的周边部从前述管的内表面向内突出。
2.如权利要求1所述的具备搅拌元件的热分解管，其特征在于，
前述突条的周边部包括前述突条的流体流通方向的上游侧及/或下游侧。
3.如权利要求1或2所述的具备搅拌元件的热分解管，其特征在于，
前述突起的高度及/或大小并非恒定。
4.如权利要求1至3中任一项所述的具备搅拌元件的热分解管，其特征在于，
前述突条的高度H1比前述突起的高度H2高。
5.如权利要求4所述的具备搅拌元件的热分解管，其特征在于，
前述突条被在前述管的内表面处存在间隔I地形成多条，
前述突起至少被形成于至前述突条的上游侧及/或下游侧I/2的区域。
6.如权利要求1至5中任一项所述的具备搅拌元件的热分解管，其特征在于，
形成前述突起的区域的面积S比前述突起所占的面积S’大2倍以上。
7.如权利要求1至6中任一项所述的具备搅拌元件的热分解管，其特征在于，
前述突起是从前述管的内表面向内突出的点状突起。
8.如权利要求1至3中任一项所述的具备搅拌元件的热分解管，其特征在于，
前述突起至少形成于前述突条的下游侧。
9.如权利要求1至6中任一项所述的具备搅拌元件的热分解管，其特征在于，
前述突条被相对于管轴螺旋状地形成。
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