JP2007255888A - 熱交換器チューブ、それを用いたクラッキング炉及び管状加熱炉 - Google Patents

Abstract

【課題】熱転移効率を更に上げられる熱交換器チューブ及びそれを製造する方法を提供する。
【解決手段】熱交換器チューブは、その内部に少なくとも一つの捩れバッフルを有しており、各前記捩れバッフルがその軸に沿ってその内部に延び、前記捩れバッフルは、少なくとも前記熱交換器チューブの全長の一部に延び、且つ前記捩れバッフルは、前記熱交換器チューブの内面と一体にされる。前記捩れバッフルの捩れ角度が１００度から３６０度までの間にある。１８０度の前記捩れバッフルの前記捩れ角度による前記熱交換器チューブの軸長さと、前記熱交換器チューブの内径との間の比が、２対３である。
【選択図】図１

Description

本発明は、エチレンクラッキング炉又は他の管状加熱炉の熱伝導効率を高めるために用いられる熱交換器チューブ、それを用いたエチレンクラッキング炉又は他の管状加熱炉に関する。

この技術分野において、エチレン、プロピレン等の化学製品の歩留まりを高めるために、クラッキング温度を上げ且つ原材料が炉のチューブにとどまる時間を減らす方法は周知されている。この目的を達成するために、炉チューブの熱伝導の効率を向上する必要がある。

従来は、以下の炉のチューブを使用している。当該炉チューブの内面に複数の螺旋状リブが一体的に設けられ、その炉チューブの断面が、プラムの花の形を呈する。また、当該炉チューブの中央部分が中空である。このような構造において、その炉のチューブの内面面積が増加し、これによって、熱を伝導するための面積が増加する。このため、炉チューブの熱伝導の効率も向上される。

しかし、この種の炉チューブの内部には、中央部分と内壁との間に明らかな温度差があり、これにより、中央部分における原材料が流れるスピードが内壁におけるスピードよりはるかに速い。その結果、不完全なクラッキング及びコークスが生じることがある。

近年、炉チューブの内部におけるより完全なクラッキングを得るために、その中央部分における原材料の流れスピードとその内壁における原材料の流れスピードとの差を最小限に抑え、且つ中央部分と内壁との間の温度差を最小限にし、炉チューブの熱伝導の効率を向上するために、熱伝導に用いる面積を増大する技術が開発された。

中国実用新案CN87 2 03192U は、熱伝導の効率を向上するための、熱交換器チューブと捩れバッフルとを有するバッフル構造を開示している。その捩れバッフルは、延ばされた状態では大凡平坦な矩形状になる金属板から形成される。その金属板の一対の平行な縦辺において、複数の矩形の歯が設けられている。その縦辺に矩形歯が形成された平坦な金属板を捩ることによって、上記の捩れバッフルが形成される。このような捩れバッフルは、両端がその熱交換器チューブに溶接され、熱交換器チューブに挿入される。当該中国実用新案は、炉チューブの内部においてより完全なクラッキングを行うことができるが、捩れバッフルの中間部分を熱交換器チューブの内壁に溶接することができない。原材料の流れは十分速い時に、熱交換器チューブ内部の捩れバッフルが強い振動を受けやすいので壊れやすい。更に、捩れバッフルの外表面と熱交換器チューブの内壁との間、及び捩れバッフルの両縦辺における各々の隣接する矩形歯の間には、小さな渦が生成されやすい。これによって、不完全なクラッキング及びコークスはより発生し易くなる。

本発明の一つの目的は、熱伝導の効率を一層向上することができ、コークスが生じにくく、熱交換中に確実に動作し、より長期間使用できる熱交換器チューブを提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、捩れバッフルの表面が十分に滑らかであり、その内壁が精度よく形成された熱交換器チューブを提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、本発明に係る熱交換器チューブを用いたクラッキング炉を提供することにある。

本発明の更なる目的は、本発明に係る熱交換器チューブを用いた管状加熱炉を提供することにある。

本発明の一面によれば、熱交換器チューブであって、前記熱交換器チューブの内部に少なくとも一つの捩れバッフルが設けられ、前記捩れバッフルが前記熱交換器チューブの軸に沿って前記熱交換器チューブの内部に延び、前記捩れバッフルは、少なくとも前記熱交換器チューブの全長の一部までに延び、前記捩れバッフルは、前記熱交換器チューブの内面と一体的に形成され、前記捩れバッフルの捩れ角度は、１００度から３６０度までの間にあり、１８０度捩れた前記捩れバッフルの前記熱交換器チューブの軸方向の長さと、前記熱交換器チューブの内径との比は、2から3の間であり、前記捩れバッフルの表面と前記熱交換器チューブの内壁とは、凹円弧により接続され、前記熱交換器チューブの内壁及び捩れバッフルの表面により囲まれてなる通路は滑らかである。

好適に、前記捩れバッフルの捩れ角度は、１００度から２００度の間にある。

好適に、前記捩れバッフルの厚さは、前記熱交換器チューブの厚さと同程度である。

本発明の他の一面によれば、上記の熱交換器チューブを用いたクラッキング炉チューブであって、前記クラッキング炉チューブにおいて、二つの前記熱交換器チューブは、放射加熱を行う前記クラッキング炉チューブの少なくとも一つの区間において互いに離間し、１８０度捩れられた前記捩れバッフルの前記熱交換器チューブの軸方向の長さを１ピッチとして定義される場合は、二つの隣接する前記熱交換器チューブの間の距離が少なくとも５ピッチである。

好適に、前記二つの隣接する前記熱交換器チューブの間の前記距離は、１５〜２０ピッチである。

本発明の更なる他の一面によれば、上記の熱交換器チューブを用いた管状加熱炉であって、前記管状加熱炉において、二つの前記熱交換器チューブは、放射加熱を行う前記管状加熱炉のチューブの少なくとも一つの区間において互いに離間され、１８０度捩れられた前記捩れバッフルの前記熱交換器チューブの軸方向の長さを１ピッチとして定義する場合は、二つの隣接する前記熱交換器チューブの間の距離が少なくとも５ピッチである。

好適に、前記二つの隣接する前記熱交換器チューブの間の前記距離は、１５〜２０ピッチである。

本発明の実施例を、図面に基づいて説明する。

図１及び図２は、本発明に係る捩れバッフルが備わる熱交換器チューブの斜視写真図である。本発明に係る捩れバッフルが備わる熱交換器チューブに対する直感認識は、図１及び図２から得られる。

図３乃至図７は、本発明に係る捩れバッフルが備わる熱交換器チューブの好ましい実施例をより詳細に説明する図である。

本発明の実施例によれば、図４に示す断面図から分かるように、本発明に係る捩れバッフルが備わる熱交換器チューブ１０は、チューブ部１と、捩れバッフル部２とを有する。その捩れバッフル部２は、その熱交換器チューブ１０のチューブ部１と一体に構成される。図４に示すように、その捩れバッフル部２は、熱交換器チューブ１０の内部キャビティを、製造中間材料を流す一対の通路３、４に分割するために、チューブ部１を横切って直径方向に延びる。通路３、４は、実質的に同一の断面積を有する。

本発明によれば、熱交換器チューブのあらゆる断面において、捩れバッフルの面と熱交換器チューブの面との間に通路３、４における接続部、即ち、コーナー部５、６、７及び８が、図４に示すように、凹円弧の形を呈する。特に、その凹円弧の半径が適切に設定される。その凹円弧の半径が大きすぎる場合は、通路３、４は狭すぎ、中間材料の流れスピードを減少する；他方、その凹円弧の半径が小さすぎる場合は、中間材料は、上述したコーナー部において渦が発生し、コークスが発生し易くなる。

図３は、本発明に係る捩れバッフルが備わる熱交換器チューブの好ましい実施例を示す。図３において、矢印A方向から見た断面は矢印E方向から見た断面と同になるように、熱交換器チューブは一つのピッチだけに相当する長さの部分のみが示されている。なお、「ピッチ」については、以下に定義される。

図４には、捩れバッフル部２は水平状態となっている。

図５は、図３に示す熱交換器チューブの一つの断面を示しており、この断面は、図３に示す熱交換器チューブの左端から、全長４分の１のところに位置する。図５に示すように、捩れバッフル部２は左上４５度で傾斜する状態となっている。

図６は、図３に示す熱交換器チューブの他の一つの断面を示す。この断面は、図３に示す熱交換器チューブの左端から、全長２分の１のところに位置する。図６に示すように、捩れバッフル部２は垂直状態となっている。

図７は、図３に示す熱交換器チューブの他の一つの断面を示す。この断面は、図３に示す熱交換器チューブの左端から、全長の４分の３のところに位置する。図７に示すように、捩れバッフル部２は右上４５度で傾斜する傾斜状態となっている。

要するに、本実施例において、捩れバッフルが備わる熱交換器チューブ１０のあらゆる位置での軸方向断面は同じ幾何学形状及び寸法を有し、ただ捩れバッフル部２が異なる角度で傾斜している。捩れバッフル部２の形状は、図３〜図７によって理解されうる。

また、捩れバッフル部２は左廻り又は右廻りの何れの方向によって捩られてもよい。

また、捩れバッフル部２は、チューブ部１の直径位置に設ける代わりに、直径からずらした位置に設けてもよい。これによって、熱交換器チューブの内部キャビティに中間材料を流す二つの通路は異なる断面積を有する。

また、熱交換器チューブ１０の軸方向断面における捩れバッフル部２の表面は直線ではなく、曲線形状を有してもよい。

必要に応じて、捩れバッフル部２は、熱交換器チューブの内部キャビティをより複雑な形状にして、中間材料を流す通路を二つ以上に分割してもよい。

また、熱交換器チューブには、捩れバッフルは熱交換器チューブの全長までに延びてもよく、或いは、熱交換器チューブの全長の一部に延びてもいい。

ここで、「ピッチ」Sというのは、捩れバッフルが１８０度捩れられた場合の熱交換器チューブの軸方向の長さである。また、「捩れ比」Yは、ピッチSと熱交換器チューブの内径Dとの比である。即ち、Y＝S/Dである。

従って、Yの値が小さいときは、捩れバッフルはより大きく捩じられ、熱交換器チューブの内部を通過する中間材料は、前に流されながらより大きく左右に振られ、熱伝導の効率が高くなり、コークスをより確実に防止することができる。しかし、Yの値が小さすぎると、流れる中間材料に対する抵抗は大きくなり、これによって、中間材料の流れスピードは減少される。

他方、Yの値が大きいときは、熱交換器チューブの内部を通過する中間材料は、前進しながらあまり大きく左右に振られなく、流れる中間材料に対する抵抗は小さいものの、熱伝導の効率が低く、コークスを防止することができない。

従って、適切な捩れ比を決定することは非常に重要である。本実施例において、好ましくは、捩れ比Ｙの値はY=2〜3であり、より好ましくは、Y=2.5である。

また、熱交換器チューブのチューブ部をほぼ楕円の形状にしてもよい。

本発明に係る捩れバッフルが備わる熱交換器チューブは、クラッキング炉チューブにおいて炉チューブの全長に亘って軸方向に設けられれば、熱伝導効率は大きく向上することができる。しかし、流れる中間材料に対する抵抗も大きくなるので、中間材料の流れスピードは減少される。このため、捩れバッフルが備わる熱交換器チューブは、炉チューブにおいて一つ以上の箇所に配置され、且つ、任意二つの熱交換器チューブは炉のチューブにおいて互いに間隔を置いて配置される。換言すれば、本発明に係る捩れバッフルが備わる如何なる熱交換器チューブは、従来のバッフルが備わらない二つの炉チューブの間に軸方向に設けられる。中間材料は、螺旋慣性力を有するので、その従来のバッフルが備わらない炉チューブにおいて螺旋状に回転しながら前進する。好ましくは、任意二つの熱交換器チューブは、放射加熱炉チューブにおいて互いに間隔が置かれ、隣接する二つの熱交換器チューブの間隔は少なくとも５ピッチである。

より好ましくは、隣接する二つの熱交換器チューブの間隔は１５〜２０ピッチである。

また、一部の炉チューブに本発明に係る熱交換器チューブが配置され、その他の炉チューブにはその熱交換器チューブが配置されてもよい。換言すれば、本発明に係る熱交換器チューブは一部の炉のチューブにのみ配置されてもよい。

本発明に係る熱交換器チューブは、水平方向、垂直方向、又は如何なる傾斜方向に配置された炉チューブにおいて設けてもよい。

図８は、本発明に係る熱交換器チューブのレイアウトを例示する図である。熱交換器チューブは、エチレンクラッキング炉の放射加熱炉チューブにおいて軸方向に設けられる。また、例えば、そのエチレンクラッキング炉の放射加熱炉チューブの全長において、全捩れバッフルの捩れ比Y の値は同一にしてもよい。また、一つの捩れバッフルの捩れ比Yの値は、他の捩れバッフルの捩れ比Yの値と異なる値にしてもよい。各捩れバッフルの捩れ比Yの値は、要求に応じて設定される。隣接する二つの熱交換器チューブの間の距離は、他の隣接する二つの熱交換器チューブの間の距離と同一でもよく、異なってもよい。隣接する二つの熱交換器チューブの間の距離は、要求に応じて設定される。

また、本発明に係る熱交換器チューブの軸方向長さは、一つのピッチより短くしてもよく、また、一つのピッチより長くしてもよい。換言すれば、捩れバッフルの捩れ角度は、１８０度未満であってもよく、１８０度以上であってもよい。本発明において、好ましくは、捩れバッフルの捩れ角度は１００度から３６０度までの間にある。より好ましくは、捩れバッフルの捩れ角度は１００度から２００度までの間にある、
捩れバッフルが厚すぎると、通路３及び４は狭くなり、中間材料の流れレートは減少される。他方、捩れバッフルは薄すぎると、中間材料から影響を受けやすく、熱交換器チューブの使用寿命は短くなる。本発明において、捩れバッフルの厚さが熱交換器チューブの厚さと同程度であれば、本発明の効果は得られる。例えば、捩れバッフルの厚さを熱交換器チューブの厚さの約８０％に設定する。

好ましくは、熱交換器チューブは、放射加熱炉チューブに軸方向に溶接される。また、熱交換器チューブは、ネジ又は他の適切な手段によって、放射加熱炉チューブに軸方向に連結されてもよい。

本発明に係る熱交換器チューブは、熱伝導の効率を向上するために、エチレン又は他の化学製品クラッキング炉に用いることができ、また、他の管状加熱炉にも用いてもよい。即ち、本発明に係る熱交換器チューブは如何なる管状加熱炉の炉チューブに用いることができる。

また、本発明に係る熱交換器チューブを製造する方法は、真空状態で原材料を溶錬すること、模型が燃え尽きることによる精密鋳造等の段階を有し、その捩れバッフルを形成する模型は、複数の部分からなり、その模型の各部分を一緒に組み立てるとき、その捩れバッフルの表面形状と一致する輪郭は形成される。

上述した本発明の好ましい実施例は本発明を限定するものではない。当業者は本発明の要旨及び範囲内において各種の変更を行うことができる。これらの変更は本発明の権利範囲に属する。

本発明の技術解決法によれば、中間材料が熱交換器チューブ内の捩れバッフルの表面を通過するとき、捩れバッフルは、中間材料を熱交換器チューブの中央から離れさせ、真っ直ぐではなく螺旋状に前に流れさせるようにガイドする。これによって、熱交換器チューブの中を通過する中間材料は、前進しながら左右に流れて、熱交換器チューブの内面に強く吹き付ける。この方法で、熱交換器チューブ内面の静的に流れる境界層の厚さはより薄くなり、熱交換器チューブ内面の境界層の熱抵抗は小さくなり、従って、熱交換器チューブの熱伝導の効率は向上される。

熱交換器チューブの熱伝導の効率が向上されるとき、熱交換器チューブの内面における温度はそれに応じて下げられる。これは、同様に、コークスをより確実に防止することができ、更に熱交換器チューブの熱伝導の効率を上げる。

本発明によれば、熱交換器チューブの内壁及び捩れバッフルの表面により定義された各螺旋通路は、十分に滑らかであり、中間材料の流れを抵抗するデッドスペースを形成しない。これによって、コークスをより確実に防止することができ、且つ熱交換器チューブの熱伝導効率は更に上げられる。

本発明によれば、捩れバッフルは、熱交換器チューブの内面と一体にされ、ダメージを受けにくくなる。従って、熱交換器チューブは、熱交換中に常に信頼性良く動作し、また、より長期間に使用することができる。

本発明に係る熱交換器チューブを製造する方法によれば、熱交換器チューブが所謂精密鋳造によって作られるので、その方法は、熱交換器チューブの、捩れバッフルの表面が十分に滑らかであり、内壁が十分に仕上げられ、且つ寸法及び幾何学形状によるエラーが十分に小さいであることを確保できる。

その熱交換器チューブの捩れバッフルの表面が十分に滑らかであるので、中間材料の流れに対する抵抗が最小限にすることができ、渦は中間材料通路の如何なる所にも形成されない。従って、より確実にコークスを防止することができる。

本発明に係る熱交換器チューブを製造する方法によれば、熱交換器チューブが所謂鋳造によって作られるので、その方法は、熱交換器チューブが簡単、容易、且つ低コストで作られうることを確保できる。更に、熱交換器チューブは、鋳造により作られるとき、溶接可能であることで炉チューブ内に溶接されうる。このように、熱交換器チューブは、簡単、容易、且つ低コストで、炉チューブに連結されうる。

本発明によれば、クラッキング炉チューブにおいて、捩れバッフルが備わる如何なる熱交換器チューブは、二つの炉チューブの間に軸方向に設けられ且つそれらの両端の外側にそれぞれ位置され、また、任意二つの熱交換器チューブは、炉チューブにおいて互いに離間される。即ち、捩れバッフルが備わる熱交換器チューブは、炉チューブの一つ以上の箇所に設けられる。これによって、全ての捩れバッフルが備わる熱交換器チューブの累計長さは、炉チューブの全長の小さな一部分に過ぎない。従って、流れる中間材料に対する抵抗が大きくならず、中間材料は螺旋運動しながら前進し、熱伝導効率を向上するのみならず、中間材料の流れスピードもあまり減少しない。

熱交換器チューブ内の捩れバッフルは、中間材料を前に流れさせながら熱交換器チューブの中央から左右に振るようにガイドする。これによって、中間材料は熱交換器チューブ内面に強く吹きかけて、その熱交換器チューブ内面における静的に流れる境界層の厚さはより薄くなり、よって、その熱交換器チューブ内面の境界層の熱抵抗はより小さくなる。従って、中間材料の流れスピードは速くなりうる。

一方、本発明において、捩れバッフルを熱交換器チューブの中に設けることにより、流れる中間材料に対する抵抗が増大する恐れがある。しかし。このマイナスの効果は熱伝導効率の向上によるプラスの効果と比べてはるかに小さい。
また、本発明により、中間材料が熱交換器チューブの内面付近に流れる温度は下がる。これは、同様に、熱交換器チューブの内面におけるコークスをより確実に防止することができる。従って、本発明の熱交換器チューブによれば、製品の歩留まりを高め、コークスをクリアする期間も延長される。

捩れバッフルが備わる熱交換器チューブを炉チューブに配置することによって、クラッキング炉チューブの放射加熱炉チューブの内面における温度は下がり、また、クラッキング炉チューブの放射加熱炉チューブはより長期間使用することができる。

同じ理由で、捩れバッフルが備わる熱交換器チューブを管状加熱炉に配置することによって、管状加熱炉の熱伝導効率は向上され、しかもより多くの中間材料は通過することができる。

本発明に係る捩れバッフルが備わるいくつかの熱交換器チューブを示す斜視写真図である。 本発明に係る捩れバッフルが備わる熱交換器チューブを示す斜視写真図である。 本発明に係る捩れバッフルが備わる熱交換器チューブの好ましい実施例の側面図である。 矢印A又はE方向で図３に示す熱交換器チューブの好ましい実施例の端面を示す図である。 図３に示す熱交換器チューブの好ましい実施例のB-B 断面図である。 図３に示す熱交換器チューブの好ましい実施例のC-C 断面図である。 図３に示す熱交換器チューブの好ましい実施例のD-D 断面図である。 本発明に係る熱交換器チューブのレイアウトの好ましい実施例を示す概略図であり、そのレイアウトは、エチレンクラッキング炉の放射加熱炉チューブを、又は他の管状加熱炉の炉チューブにおいて軸方向に設けられる熱交換器チューブを示す。

符号の説明

１ チューブ部
２ 捩れバッフル部
３、４ 通路
５、６、７、８ コーナー部
１０ 熱交換器チューブ

Claims (7)

1. 熱交換器チューブであって、
   前記熱交換器チューブの内部に少なくとも一つの捩れバッフルが設けられ、前記捩れバッフルが前記熱交換器チューブの軸に沿って前記熱交換器チューブの内部に延び、
   前記捩れバッフルは、少なくとも前記熱交換器チューブの全長の一部までに延び、
   前記捩れバッフルは、前記熱交換器チューブの内面と一体的に形成され、
   前記捩れバッフルの捩れ角度は、１００度から３６０度までの間にあり、１８０度捩れた前記捩れバッフルの前記熱交換器チューブの軸方向の長さと、前記熱交換器チューブの内径との比は、２から３の間であり、
   前記捩れバッフルの表面と前記熱交換器チューブの内壁とは、凹円弧により接続され、前記熱交換器チューブの内壁及び捩れバッフルの表面により囲まれてなる通路は滑らかである
   ことを特徴とする熱交換器チューブ。
2. 前記捩れバッフルの捩れ角度は、100 度から200 度の間にある請求項１に記載の熱交換器チューブ。
3. 前記捩れバッフルの厚さは、前記熱交換器チューブの厚さと同程度である請求項１乃至２の何れかに記載の熱交換器チューブ。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の熱交換器チューブを用いたクラッキング炉チューブであって、
   前記クラッキング炉チューブにおいて、
   二つの前記熱交換器チューブは、放射加熱を行う前記クラッキング炉チューブの少なくとも一つの区間において互いに離間し、
   １８０度捩れられた前記捩れバッフルの前記熱交換器チューブの軸方向の長さを１ピッチとして定義される場合は、二つの隣接する前記熱交換器チューブの間の距離が少なくとも５ピッチであることを特徴とするクラッキング炉チューブ。
5. 前記二つの隣接する前記熱交換器チューブの間の前記距離は、１５〜２０ピッチである請求項４に記載のクラッキング炉チューブ。
6. 請求項１乃至３の何れかに記載の熱交換器チューブを用いた管状加熱炉であって、
   前記管状加熱炉において、
   二つの前記熱交換器チューブは、放射加熱を行う前記管状加熱炉のチューブの少なくとも一つの区間において互いに離間され、
   １８０度捩れられた前記捩れバッフルの前記熱交換器チューブの軸方向の長さを１ピッチとして定義する場合は、二つの隣接する前記熱交換器チューブの間の距離が少なくとも５ピッチである
   ことを特徴とする管状加熱炉。
7. 前記二つの隣接する前記熱交換器チューブの間の前記距離は、１５〜２０ピッチである請求項６に記載の管状加熱炉。

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