JP2009529406A - 配管 - Google Patents

Abstract

本発明は分解炉における熱分解チューブとして使用する配管に関する。このチューブは、少なくとも一つの区画を有し、この区画の中心線が三次元的に曲がり、該チューブ内に旋回流を誘発するように形成されている。このチューブは好ましくは螺旋として形成されており、更に好ましくは低振幅螺旋として形成されている。本発明は低振幅螺旋形状を有する配管の様々な使用にも拡張される。
【選択図】 図２

Description

発明の詳細な説明

本発明は配管に関し、特に分解炉に使用するための配管に関する。この配管は特定の形状を有してもよい。本発明は、この特定の形状を有する配管の他の様々な使用にも拡張される。

分解炉はエチレンの生産に使用するに特に適する。エチレンのためのスチームクラッキングの過程では、炭化水素供給原料は蒸気で薄められて、次いで炉内のチューブ(通常は「炉のコイル」と称される)に通すことによって、急速に高温へ加熱される。高温は炭化水素供給原料を分解する。出力ストリームは、熱分解チューブにおける熱分解反応からの炭化水素の広範な混合物に加えて供給原料の非反応成分を含んでいるので、生成物の再結合を防ぐために冷却される。冷却ストリームは一連の蒸留及び他の分離操作（ここでは分解操作の様々な生成物が分離される）を通じて処理される。

公知の分解炉は多数の問題を被る。炉内のチューブを通じて流れる供給原料及びストリームの極めて僅かな滞留時間（数十秒）に起因して、熱分解を達成するには、必要な迅速な加熱を達成するために分解炉及びチューブを非常に高温に保たねばならない。従って炉を燃焼させるために多量の燃料が必要となる。

更に、分解炉内のチューブの非常に高い温度はチューブの内側のコークの堆積をもたらす。このコーキングは特に望ましくないものであり、チューブの内側のコークの層の存在が炉から供給原料への熱伝達を低減させ、ひいては生産に影響する。これは熱分解チューブ内の圧力降下も増大させるが、この要因は、熱伝達による影響に比べれば、それほど深刻ではないと考えられている。

コーク堆積が非常に深刻であるならば、チューブの（例えば蒸気洗浄による）デコーキングを可能とするために通常は定期的な炉の可動休止（通常は２０乃至６０日毎）をなす必要がある。各炉が非常に大きな投下資本に相当するので、そのような休止時間は最小に抑えることが望ましい。

本発明によると、熱分解炉が提供され、その炉はそれを通じる少なくとも一つの熱分解チューブを有し、この熱分解チューブは少なくとも一部分が三次元に屈曲する中心線を有するように形成されている。

流体流が、一部分の中心線が三次元的に屈曲する管を通じて流れるとき、それは管に沿う「渦を巻くこと」（即ち、その運動の成分は管の中心線の周囲である）が見出されている。この「旋回流動」には、従来の流れよりも多くの利点がある。

旋回流動によれば、管の断面に亘って改良された混合が存在する。更に、この混合の結果として、管を横断する流れの速度のプロファイルは、従来の管における流れに伴うものよりも、より均一（又はより鈍く）、旋回流はプランジャとして機能する傾向があって、管壁を洗い流す。 更に、管壁の近傍の流速は直管に比べて増大し、減少された境界層厚を与えるので、これ自体がチューブ壁から管内の流体への熱伝達を向上させる。

炉内への熱分解チューブに適用されたとき、この改良された混合は特定の関係のものとなり、流芯内の流体並びにチューブの壁と流芯内の流れとの間の流れに、かなりの質量、モーメント及び熱伝達を与える。従って、分解炉チューブの壁から、分解炉チューブの内部を通流する供給原料流への熱伝達が向上する。この改良された熱伝達は、最終生産物のより大きな収率の達成を可能とするか、または同程度の収率を燃料消費がより少ない炉で達成することを可能とするであろう。また、事実上、この改良された熱伝達は、しばしば生じるように、熱伝達が炉の能力における限定因子であるという事情を孕む炉の能力を効果的に増加させる。

旋回流動はコーキングを低減させることができる。上述したように改良された熱伝達は、熱分解反応を低い熱分解管壁温度で実行することを可能とし、この低下した温度はコーキングの減少を導く。更に、壁近傍の非常に早い流れ速度は、（コークは旋回流に沿ってより掃引される傾向にあるので）コークが堆積する機会を低減させチューブの壁に堆積したコークを除去する傾向がある。コーク堆積の低下は、デコーキングが必要になる前に炉を使用できる時間を長くさせ、その結果として炉の生産性が増大するので、熱分解チューブにおける旋回流の使用は非常に重要である。

好ましくは、熱分解チューブの内表面は実質的に滑らかであり、低摩擦被覆、例えば、そういうものとして知られている公知の被覆で被覆してもよい。旋条などの表面特徴は、濡れ縁の増大した長さ及びその結果として流れ抵抗を増大させる傾向をもたらすので、避けることが好ましい。従来の熱分解チューブ（直線又は二次元的にのみ屈曲したもの）には旋条が与えられており、これはチューブの内表面近傍で旋回流動を促進することが知られている。しかしながら、これは比較的に局所的な壁近傍の効果であり、何らかの相互混合(cross-mixing)があったとしても、芯流は非常に小さいものである。従って、本発明の向上した熱伝達の恩恵は得られない。直線又は二次元的に屈曲した旋条付きチューブにおいて、その中心線は対応する直線又は二次元的屈曲線である。

好ましい形態では、熱分解チューブは、少なくともその一部分が、複数の旋回を有する螺旋を持つように形成される。チューブの中心線が複数の旋回を有する螺旋（これは三次元的に屈曲している）として形成されているならば、旋回流はチューブに沿って連続的であり、その利点は連続的に得られる。

旋回流は、チューブの中心線が三次元的に屈曲した区画において急速に確立される。上述した旋回流の利点は、熱分解チューブの中心線が短距離に亘って三次元的に屈曲する熱分解チューブ部分により達成される特定の環境において生じ得るものである。しかしながら、次いでチューブが直線中心線を有する通常の区画へ戻ると、旋回流動は次第に弱まり、通常の流れに取って代えられる。従って好ましくは、炉を通過する熱分解チューブの大部分が三次元的に屈曲する中心線を有する。例えば、炉内のチューブの範囲の５０パーセントより多く、好ましくは７５パーセントより多く、更に好ましくは９０パーセントより多くが、３−Ｄ屈曲した中心線を有する。

熱分解チューブ部分は、その螺旋角度が一定であるように形成してもよく、これは熱分解チューブの生産単純化の観点からも望ましいことである。

しかしながら、熱分解チューブ部分の長さに沿って曲率が変動することも可能である。例えば、チューブ部分が複数の部品を有し、その部品の各々が異なる螺旋状の湾曲を持つようにしてもよい。変動する曲率は、流れ条件をチューブに沿って変化させるので望ましいこともある。例えば、流れが炉に入る箇所（ここでは供給原料が比較的に冷たく、未だ割れていない)の流れ条件は、流れが炉から出る箇所(ここでは供給原料が既に割れており、比較的に熱い)の流れ条件とは異ならせることが望ましいであろう。異なる曲率を用いると、流れ条件を変化させることが可能である。

更に、変動する曲率は、熱分解チューブ部分を広範な流れ条件に亘って良好に機能させる。流れ条件は、例えば供給原料の種類（種類が異なれば密度、粘度等も異なる）によって変化する。流れ条件の特定のセットについて、最良の可能な結果を達成するようにチューブ部分の特性を最適化することが可能である。しかしながら、流れ条件が特定のセットから変化しているのであれば、チューブ部分は次善的に働くことになる。対照的に、曲率がチューブ部分の長さに沿って変化するならば、その或る領域は、（他の領域がそれほどよく働かないとしても）流れ条件の所定のセットについて良好に働き、このことはチューブ部分を流れ条件の大きな範囲に亘って用いることを可能にする。また、熱分解チューブの一部分だけに屈曲した中心線を持たせることも可能である。例えば、Ｕ字状熱分解チューブとして、１本の直線脚と、三次元的に屈曲する中心線を持つ１本の脚とを持たせ、これら２本の脚を２Ｄベンドにより結合する。

チューブ部分の中心線を螺旋線として考えると、螺旋角及び螺旋振幅が一定であるならば曲率は一定である。一方、曲率が変動するならば、これは螺旋角の変化及び／又は螺旋振幅の変化により達成することができる。

勿論、曲率に加えて、チューブ部分の他の特性もチューブ部分の長さに沿って変化する。これらの特性はチューブ部分の断面積（これは一定であるか、又は変化する）及びその断面形状を含む。

本明細書において、螺旋の振幅とは、平均位置から横方向極限への変位の拡がりを意味するものとする。従って、螺旋中心線を有する熱分解チューブ部分の場合、振幅は螺旋中心線の全横方向幅の半分である。

螺旋の振幅は比較的に大きくすることが望ましい。例えば、振幅をチューブ部分の内径よりも大きくしてもよい。しかしながら小型化の観点から、振幅はチューブ部分の内径に等しいか若しくはそれ以上とすることが好ましい。

特定の好ましい形態では、チューブ部分は低振幅螺旋として形成される。「低振幅螺旋」とは、その部分が、その中心線が実質的に螺旋経路を追従するように形成されており、且つその螺旋の振幅はその区画の内径の半分以下であるものとする。

この方式により低振幅螺旋として形成されたチューブは特に有益であり、旋回流の利点を与えるが、直線チューブよりも非常に大きな容積を採ることは無いので、直線チューブに代えて用いることができる。このことは、本発明のチューブを直線チューブによる既存の炉の改装に用いるのであれば、直線チューブを低振幅螺旋チューブと単純に交換できるので、特に役に立つ。

この種の低振幅螺旋形状を有する配管は、分解炉における熱分解チューブの他にも多数の用途に用いることがでる。その幾つかの使用及び低振幅螺旋形状の使用により得られる利点については後述する。

ここで、本発明の好ましい実施形態について、例示のみの目的で添付図面を参照しながら説明する。

図１において、従来技術の分解炉を参照符号１０で示す。 バーナー１２は、炉を加熱するために炉の下部に配置されている。 高温燃焼生成物は煙突１４を通じて炉を出るが、これを熱分解反応に使用される供給原料及び蒸気を予熱するために用いてもよい。

熱分解チューブは、（参照符号２０で示すように）、炉の基部で炉へ入る。この熱分解チューブは、炉を通じて上方へ延伸し（参照符号２２）、チューブのこの部分において熱分解反応が生じる。このチューブは炉を出て（参照符号２４）、熱分解反応の生成物及び未だ反応していない供給原料をクエンチ装置へ移送する。

このチューブは一般に真っ直ぐなパイプとして形成される。チューブの曲がりは単純な平面状のエルボー屈曲であり、ここではパイプの中心線は二次元のみに屈曲する。

実際には炉を通り抜ける多数の熱分解チューブが存在するが、明瞭化の目的でチューブを一本だけ図示した。

従来技術の幾つかの配置構成においては、熱分解は、炉内に「U」、「M」又は「W」形態を有しており、これらはUコイル、Mコイル、又はＷコイルとして知られている。全ての場合において、「U」、「M」又は「W」形状を形成する屈曲は、単一の平面におけるものである。

図２は同様な炉を示し、図１の炉の部分に対応する部分には同一の参照符号を示してある。ここでも明瞭化の目的でチューブは一本だけ図示する。

ここでは、熱分解チューブ３０が三次元的に屈曲する中心線を有して形成されている。これは特に、炉の底部から頂部へ延伸する垂直軸を有する螺旋として形成されている（熱分解チューブの螺旋が側面図で示されているように、これはサイン波形状を示す）。

これは概略的な図であって、熱分解チューブは図示に示すものとは異なる様々な形態を採り得ることに留意されたい。

熱分解チューブ３０は三次元的に屈曲する中心線を有して形成されているので、熱分解チューブにおける供給原料と蒸気との混合物は、それが熱分解チューブに沿って流れるにつれて旋回する。これは、供給原料と蒸気との改善された混合をもたらし、熱分解チューブの壁から混合体へ入る及び混合体を通じる熱伝達も改善する。従って、熱分解チューブの壁は、流れが旋回していない場合よりも低い温度にすることができ、これはバーナー燃焼燃料を少なくすることが可能である。この低い壁温度は炉チューブの寿命も伸ばすので、場合によっては、より安価な合金及びチューブ生産技術を用いることが可能である。

更に、低い熱分解チューブ壁温度と増大した壁近傍の流速との両方は、熱分解チューブの壁上に堆積したコークの量を低減し、堆積したコークは壁近傍の速い流速の結果として、チューブの壁から一層に除去され易くなる
このコーキングの低減は特に有益であって、良好な熱伝達特性が維持されることを確実にする。これは、炉についてデコーキングのための行為をなす必要性も低減させる。

図２においては、炉へ入る前のチューブの区画が直線として図示されているが、この区画も三次元的に屈曲する中心線を有して形成し、この区画もその長さに沿った螺旋とすることができる。

図２における熱分解チューブ３０の螺旋区画は、コイルスプリングではないかのように示されている。しかしながら、これは比較的に広い熱分解チューブの「包絡線」をなしており、チューブの長さ（ひいては滞留時間）も相当に増大させる。

これらの特徴は、或る環境においては好ましくないことがあるので、螺旋区画は、低振幅螺旋として形成することが好ましい。即ち、その区画におけるチューブは、その中心線が実質的に螺旋経路を追従するように形成し、その螺旋の振幅をチューブの内径の半分以下とする。

用語「螺旋の振幅」は、中心線の平均位置から側方極限までの変位の拡がりを意味するものとして用いる。従って、振幅は螺旋中心線の全横幅の半分である。

この種の低振幅螺旋区画、即ち螺旋の振幅がチューブの内径の半分未満の区画においては、チューブのルーメンに沿う「視線」がある。視線における流れが潜在的に直線経路に追従するとしても、一般に旋回流成分を有することが判明している。

螺旋区画の「相対振幅」は内径で除した振幅として定義される。螺旋チューブの振幅がチューブの内径の半分以下なので、これは相対振幅が０．５以下であることを意味する。相対振幅は、０．４５，０．４０，０．３５，０．３０，０．２５，０．２０，０．１５，０．１又は０．０５以下であることが好ましい。より小さな相対振幅は、このチューブは、同一の断面積を有する通常の直線チューブよりも全体的にそれほど広くないので、利用可能な側方空間の良好な使用を与える。より小さな相対振幅は、より広い「視線」をもたらし、チューブに沿って圧力計又は他の機器を挿入するためのより広い空間を与える（これはチューブの洗浄の際に有益である）。しかしながら、非常に小さな相対振幅は、或る環境においては、低減された二次的運動及び混合をもたらす。
高いレイノズル数によれば、より小さな相対振幅を用いながら、旋回流を満足すべき程度まで引き起こすことができる。これは一般に、所定の内径について、早い流速があるところでは、低い相対振幅を用いながら、依然として旋回流を充分に誘発させることができることを意味する。

螺旋の角度（又はピッチ、ここでピッチとは螺旋の一回転の長さであり、チューブの内径に関して定義できる)も流れに影響を及ぼす関係因子である。相対振幅のように、螺旋角は条件に応じて最適化し得る。螺旋角は好ましくは６５°以下であり、より好ましくは５５°，４５°，３５°，２５°，２０°，１５°，１０°又は５°以下である。

概して、より高いレイノズル数については、満足できる旋回流を達成しながら、螺旋角を小さくでき、より低いレイノズル数については、満足できる旋回流を生じさせるにはより大きな螺旋角が必要となる。低振幅螺旋の場合には、早い流れ（高いレイノズル数を有する）についての大きな螺旋角の使用は、一般的には望ましくないことである。というのは、壁近傍に淀んだ流体のポケットができてしまうためである。従って、所定のレイノズル数（又はレイノズル数の範囲）について、螺旋角は、満足できる旋回流を生成するようにできるだけ小さくなるように選択することが好ましい。特定の実施形態においては、螺旋角は２０°未満である
低振幅螺旋形状を有する管系の長さ方向を図３に示す。この管系１００は円形断面を有し、外径Ｄ_Ｅ、内径Ｄ_Ｉ、及び壁厚Ｔである。この管系は（平均から極限までを測って）一定振幅Ａ、一定ピッチＰ、一定螺旋角θ及び掃引幅Ｗの螺旋へコイル状に巻回されている。管系１は仮想包絡線１２０内に包含されており、その包落線は長さ方向に延在して、螺旋の掃引幅Ｗに等しい幅を有する。包絡線１２０は中心縦軸１３０を有するものと見なされ、その中心縦軸は螺旋状回転の軸とも称される。図示の管系１は直線軸１３０を有しているが、この中心軸は屈曲してもよく、或いは実際に要請に応じて任意の形状を採り得ることに留意されたい。管系は中心線１４０を有し、これは中央縦軸１３０の周りの螺旋経路に追従する。

振幅Ａは管系内径Ｄ_Ｉの半分未満であることが判る。このサイズよりも振幅を小さく保つことにより、管系が占める横方向空間及び管系の全長を比較的に小さく保つことができ、且つ同時に、管系の螺旋構造が管系に沿う流体の旋回流動を促進する。また、これは管系に沿って比較的に広いルーメンを与えるので、器具、装置その他を管系内に下降させることが可能になる。

図４は熱分解チューブの列を示し、そのチューブは全て低振幅螺旋チューブとして形成されている。 実際には、熱分解チューブはこの方式による列として形成されており、少ない滞留時間で、より大きなスループットを可能としながら、供給原料への充分な熱伝達を依然として可能として熱分解を生じさせるようにされていることが理解されるであろう。

図４に示される熱分解チューブは「U」形状タイプである。各チューブは、入口部分４０、出口部分４２、及び二次元的に湾曲した「U」屈曲部分４４を有する。入口部分４０は直線チューブ４６の短い区画を有し、これは同じく二次元的に湾曲した「Ｕ」屈曲区画４８に続いている。これは、「Ｕ」屈曲部分４４に下流側端部が接続された三次元的湾曲部分５０へ与えられる。第２ の三次元的湾曲部分５０は出口部分４２へ流れを送り、その出口部分は「Ｕ」屈曲区画５２次いで直線チューブ５４の短い区画を有する。二次元湾曲「Ｕ」屈曲区画４８，５２及び「Ｕ」屈曲部分４４は製造及び据え付けの便宜のために二次元的に湾曲しているが、これは必須ではない。

図１において、熱分解チューブは底部で炉へ入り、頂部で出る。図５a及び５bは熱分解チューブ３０の代替的配置の概略図である。 各場合において、中央線１４０(図３と関連して説明されるように)は螺旋状である。図５aにおいては、熱分解チューブは炉の頂部へ向かって入って、底部へ向って下向きに延伸し、周囲で湾曲して、炉の頂部へ延伸して出る。このチューブは一般に「U」形状をしている。この場合、図３に関連して説明した螺旋状の回転１３０の軸は「U」形状になる。

図５ｂにおいては、炉の上部において直ちに出るのではなく、チューブ３０は、他の下降及び上昇ループをなして、炉の頂部で出る。その結果、チューブは一般に「W」形状である。この場合、図３に関連して説明した螺旋状の回転１３０の軸は「W」形状であろう。勿論、チューブの特定の配置は所定の要求に依存しており、熱分解チューブの他の形状、炉に対する他の入口及び出口点が特定の要請に応じて可能であることに留意されたい。

低振幅螺旋形状の使用は分解炉における熱分解チューブに限定されるものではない。低振幅螺旋形状を有する配管（これは長さに沿って変動する特性を有する）は、パイプを通じる流体の運動又は移送、パイプ内の流体の混合、パイプ内の流体に対する熱及び質量伝達の出入り、パイプ内で堆積及び汚染が生じる処理、及びパイプ内で化学反応が生じる処理に関わる多数の処理にも使用できる。この使用は単相として又はガスの混合へのガス又は液体、多重混合体としての液体又は固体の任意の組み合わせの何れにも適用可能である。このような配管の使用は相当な経済的効果を有する。

一例として、旋回流は乱流及びそれに伴う圧力降下の抑制を与え、これは適切な条件の下では、圧送コストの低減を可能にする。

これは原油及びガス生産処理を含むパイプラインを通じた炭化水素の配送に重要である。 例えば、陸上又は沖合で使用するた石油の生産ライザー及びフローラインは、低振幅螺旋形状を有する少なくとも一部分を含むことができる。低振幅螺旋形状はライザー又はフローラインにおける流動力学を改良し、フローライン又はライザーを通じて乱流を低減させるので、圧力損失が低減する。

フローライン又はライザーは、実質的に垂直でも実質的に水平でもよく、或いはＳ形状又は懸垂形状を含む湾曲形状を有してもよい。フローライン又はライザーは堅固でも可撓でもよく、或いはこれら二つの任意の組み合わせでもよい。フローライン又はライザーは、材料の任意の組み合わせから構成してもよく、補強リングを含んでもよい。

同様に、オイル、ガス、水又は地熱井に使用する地面に掘った孔のための生産管系は低振幅螺旋形状を使用できる。井戸の少なくとも一部は低振幅螺旋形状を有する生産管系を含めるであろう。その利点は乱流の低減、及び圧力損失の低減を含むであろう。

更に、炭化水素の輸送のためのパイプラインは低振幅螺旋形状を用いることができ、乱流の低減及び圧力損失の低減の恩恵を享受するであろう。勿論、他の流体（例えば飲用水、廃水、及び下水、スラリー、粉、食物、飲料製品、或いは実際に任意の単相又は多相流体)の移送ためのパイプラインにも低振幅螺旋形状を持たせて、同様な恩恵を享受することができる。

圧力降下の低減が特に利点である他の分野は、水力発電用途のための導水路及び循環チューブとの関連にある。また、圧力損失の低減は発電出力の増大をもたらし、圧力降下の小さな低減でさえ、プラントの寿命に亘って発電出力の非常に大きな増加をもたらすことができる。

圧力降下の低減は発電所及び他の工業プラントの周囲の蒸気の配送においても重要である。また、収率向上のために圧力を可能な限り低レベルに維持する必要がある化学反応の操作においても重要であり、これは減圧下で操作される過程を含んでおり、例えば(上述に詳細に論じたように)熱分解によるオレフィンの生産、及びエチル・ベンゼンからのスチレンの生産である。

パイプ内の混合も多数の産業（化学物質、食物、製薬品、水、及び石油産業を含む）において重要である。少量の活性薬品を他の大量の材料中で一様に分布させることは、しばしば重要である。或る場合には、これは投与量として知られている。例としては、様々な材料及び食物への酸化防止剤の添加、飲料水への塩素又はアルカリの添加がある。低振幅螺旋は、本質的に良い混合を配送するので、活性化学薬品が所望の目的を達成するのに充分な濃度を確実にするのに必要な量を低減でき、添加物の容認できないほどの高い（又は低い)濃度が局所的に存在しないことを確実にすることができる。

混合は、流体の二つ又はそれ以上の大きな流れを一緒に輸送する必要があり、且つそれらを分離したままに留めないことを確実にする場合にも重要である。混合は、安定した複雑な相(望まれていない相分離を防ぐ)として流体を保持する有益である場合にも重要である。これは、ガスの分離がスラッギングを形成し、パイプラインの容量を低減させて稼動費用を増大させる原油及びガスの生産において重要である。実際、石油生産ライザー及びフローライン、地面に掘った穴に使用する生産管系、並びに炭化水素及び他の流体の輸送のためのパイプラインにおける低振幅螺旋形状の使用の更なる主要な利点は、スラグ流の減少である。また、改良された位相混合もパイプラインにおいて重要であり、これは、ガス又は空気がパイプの高い点に集められて潜在的にエアロックを引き起このではなく、ガス又は空気を流体に保つ傾向がある。

混合は、固体が安定しているのを防ぐように、下水の輸送や鉱物抽出の過程によるパイプラインによる鉱物の輸送のように、液体による固体の輸送においても重要である。 また、石油生産ライザー、フローライン、及び地面に掘った穴に使用する生産管系において、堆砂(並びに鉱物及び／又は炭化水素沈殿)の減少も重要である。また、堆砂の減少は水力発電用途で重要である。更に、石油生産ライザー、フローライン、及び地面に掘った穴の使用のための生産管系では、改良された混合は水のこぼれ落ちの虞を低減させる。

一例として、化学薬品投与、及び食物、化学的な石油化学製品及び調剤の処理のための静的ミキサーは、低振幅螺旋形状を使用できる。その利点は、増大した相互混合、堆積物又は沈殿物による閉塞の低減を含むであろう。更に、上述に論じたように、低振幅螺旋形状は、ミキサー圧力損失の低減も与えるであろう。更に、低振幅螺旋部分に沿う「視線」ルーメンがあるので、従来のミキサーで一般的に見られるバッフルプレートもベーンもなく、洗浄の容易性が増大する。 これらの利点は保守及び損耗の低減をもたらすであろう。

更に、低振幅螺旋形状を使用することで達成できる改良された混合(特に熱混合)及び圧力損失の低減は、発電所の熱交換器、保冷容器の冷凍、空気分離保冷容器等において特に有益である。

反応に先立って、成分の完全な混合を確実にするためにも低振幅螺旋配管を使用できる。 これは、反応をより完全に生じさせて、材料を効率的に使用することを確実にするであろう。通常、これはガス又は液体反応剤を触媒上に通過させるに先立って、これらを混ぜ合わせることを伴う。 しかしながら、燃料と空気とを内燃機関に通過する前に混合するためにこれを使用できることが明確に予想される。これは、内燃処理の効率を高めて、未燃焼又は部分的に燃焼した燃料及び大気へ向か微細な固体の量を減少させるであろう。その最終的な改良は、道路輸送に使用される内燃機関の触媒コンバーターの需要を抑えて、その結果、その下流の性能を向上させるであろう。

低振幅螺旋状配管がパイプ内の螺旋状(旋回)流動を確実にして、より鈍い速度のプロファイルを生成するので、パイプ内の流体に対する熱伝達の出入りの速度及び均一性を改良できる。通常の流れにおいては、パイプの中央における流体は、パイプの壁近傍における流体よりも相当に早く移動するので、パイプが加熱されているならば、壁近傍の流体はパイプの中心近傍の流体よりも大きな度合いで加熱されるであろう。

しかしながら、旋回流動は更に鈍い(その結果、より一定な)速度のプロファイルを持つように、流体の部分は過剰な又は不足の加熱となり、望ましくない結果をもたらす。低振幅螺旋配管は、パイプの内側と外側との間の低い温度差で同じ熱の伝達を可能とする。

これは、成分が流体へ加えられて、或る方式（例えば加熱）により処理されるときにとく有益である。劣った混合によれば、混合体の部分は迅速に移送されるので、充分な処置が受けられず、この混合体の部分は緩慢に移動するので処置過剰となる。しかしながら、非常に良好な混合は低振幅螺旋形状により与えられるので、これは回避でき、より均一な処理が達成される。

これは、炉（例えば一般にオレフィン分解炉、精錬熱分解又はビスブレーカー（ｖｉｓｂｒｅａｋｅｒｓ）のための予熱炉、オレフィンプラントにおける移送ライン交換器、発電所における熱交換器、工業用冷凍ユニットのための冷却容器、空気分離ユニット及び冷凍ユニットのための冷却容器）における重要な経済的利点となる。

鈍い速度プロファイルも水力発電用途で有益である。速度プロファイルがより鈍いと、タービンは良好に作動する傾向があるので、水力発電用途における低振幅螺旋状部分の使用はこのように能率を増進できる。水力発電用途に関連して旋回流動の付加的な利点はキャビテーションの減少及びパイプ応力の減少を含む。

更に、低振幅螺旋配管により発生する旋回流動の「プランジャ」の観点では、パイプの内壁における微粒子又は他の固体の粒子の堆積が熱伝達に対する遮蔽体を形成するか、それを通流する流体を汚染するか、或いはパイプを通じる流体の流れを減少させるパイプ内で生じる過程に重要な経済的利点が与えられる。そのような微粒子又は他の個体粒子は流体内に存在でき、或いは流体の成分の間の化学反応により形成される。

低振幅螺旋配管の使用は、パイプの内壁におけるそのような個体堆積の相当な減少が予期されるので、汚れたパイプに比べて、その洗浄前の操作寿命が延伸し、必要な熱量が減少し、圧力降下が減少する。この影響が経済的に重要である例は、液体パイプラインにおける個体の輸送、及び上述に詳細に論じた熱分解によるオレフィンの生成である。同様な効果は、精錬処理のための予熱炉のような他の炉においても生じる。

更に、鈍い速度プロファイル及び「プランジャ」観点は、製薬品及び食品加工で一般的なバッチ処理に関連して非常に有益である。鈍い速度プロファイルのため、バッチの軸方向分散を減少でき、ピーク濃度は従来の配置構成よりも非常に早期に達成された。バッチサイズが小さいならば、これらの特徴は特に有益である。 更に、「プランジャ流動」は、パイプ壁からの第１の成分が第２の成分に切り替わった後の痕跡の除去を助け、これは、バッチ処理における汚染の可能性を低減することに役立つ。系を洗い落とすのに必要な時間は、少なくとも、洗浄に要する液体の量に応じて短縮するであろう。

低振幅螺旋配管の使用は、化学反応がパイプ又はチューブ内で生じる場合にも材料の経済的重要性を持たせることができる。改良された混合とより一定の熱伝達との組み合わせは、収率を向上させて、（燃焼を含む）反応の完成を促進するであろう。収率を向上させると、下流側の分離コストは削減されるであろう。これが重要である過程の例は、オレフィン生成及び同様なガス相反応を含み、例えばベンゼンを形成するためのトルエンの分解、及びブテン−１のブタジエンへの変換などである。このような反応が供給原料の各分子について生成物の１個以上の分子の生産に関係する場合、反応炉及びその下流側の配管における小さな圧力降下（これは低振幅螺旋配管の使用を通じて達成される）は、小さな平均圧力からの付加的な利点も与える。というのは、これは供給原料又は他の望ましくない生成物を形成する生成物分子再結合の可能性を低減するためである。更に、化学物質、石油化学製品、及び調剤用途のための反応炉における低振幅螺旋形状の使用は、反応炉チューブ内の堆積を減少させ、これは特に石油化学工業においては重要である。

改良された混合及びより均一な熱伝達は、(反応の化学定量論によって必要とされる量を超える)多量な過剰な空気を伴うことなく、燃焼反応の成就を促進する。これは特に焼却炉若しくは廃棄物処理炉において重要であり、これらの炉においては、環境や人の健康に有害な化学物質及び／又は粒子が大気中に逃げることを防止して、完全な反応を確実にすることが要求される。これは燃焼ガスを大気へ向わせる前に、まだ熱い間に、低振幅螺旋として形成された配管区画を通過させることにより防止され、完全な燃焼が確実になる。炉を通じた旋回流の生成は燃焼の速度及び効率、並びに廃棄物の除去を増大させる。

二つ以上の異なる相を含む流れと共に用いることにより、低振幅螺旋部分は、異なる密度を持つ流体の混合物をインラインで分離するために用いることもできる。螺旋流により形成された旋回は、遠心効果の結果として、混合物の高密度成分をチューブ壁へ向わせ、且つ低密度成分を中心線へ向かわせる傾向がある。適切な配置構成により、高い(又は低い）密度成分を取り除き、残りの成分については、その濃度を増大させて残すことができる。この処理は更に同様なインライン静的分離を用いて繰り返すことができる。この分離は液体からガスを取り除くのに使用できるので、特に石油化学工業におけるスラギングを低減させることを助けるために使用できる。

これと同様な試みは流動流体における粒子の濃度の増大又は低減に用いることができる。これはチューブ中心線の近傍から又はチューブ壁の近傍から液体を取り除くことにより達成される。

更に、低振幅螺旋部分により引き起こされた旋回流は、特定の物質を流れから取り除くために使用できる。これは例えば空気取入口で特に重要である。空気取入口は、空気を必要とする多様な状況で用いられており、特に燃焼及び／又は冷却のために空気が必要である乗物で使用されます。ヘリコプター空気取入口は、埃がエンジンに達するのを防ぐために、通常は集塵装置を特に必要とするが、低振幅螺旋形状により生成された旋回流は、分離フィルタを必要とすることなく、空気流から埃を分離するために使用できる。

低振幅螺旋部分によって引き起こされた旋回流は、区画の下流の直管における或る程度の距離に亘って続くことが判った。従って低振幅螺旋状の配管の区画は、Ｔ−又はＹ−接合、マニホルドなどの屈曲部及び／又は導管断面積の変化部分などの構造体の上流に挿入することができ、その構造体では、低振幅螺旋部分により形成された旋回流が、流れの分離、淀み及び流れの不安定を抑制し、パイプにおける圧送コスト並びに腐蝕及び摩耗についての利点を享受できる。屈曲部、接合部等における旋回流の特定の利点は、流れの分離を低減させて、圧力損失の低減、堆積及び沈降の低減、キャビテーションの低減、及び流れの安定性の向上をもたらす。屈曲部の前に配置された低振幅螺旋形状パイプは、パイプ屈曲部内の微粒子浸食も低減させ、これは、発電所への燃料供給に関して特に利点である。

当業者には低振幅螺旋形状を有する配管は幾多の状況において、多くの利点を与えることが明らかであろう。

図１は従来技術の分解炉の概略的な断面図である。 図２は本発明の第１実施例による分解炉の概略的な断面図である。 図３は低振幅螺旋形状を有する管系の長さ方向の図である。 図４は低振幅螺旋形状を用いる熱分解チューブの束を示す図である。 図５ａは低振幅螺旋形状の代替的な配置を用いる分解炉の概略的な断面図である。 図５ｂは低振幅螺旋形状の代替的な配置を用いる分解炉の概略的な断面図である。

Claims (17)

1. 少なくとも一つの熱分解チューブが通り抜けている分解炉であって、前記熱分解チューブは、その少なくとも一部分が三次元的に曲がった中心線を有するように形成されている分解炉。
2. 請求項1の分解炉において、前記熱分解チューブは、その少なくとも一部分が複数の旋回を有する螺旋として形成された中心線を有するように形成されている分解炉。
3. 請求項１又は２の分解炉において、前記中心線の曲率が実質的に一定である分解炉。
4. 請求項１又は２の分解炉において、前記中心線の曲率が前記熱分解チューブ部分の長さに沿って変化する分解炉。
5. 請求項２，３，又は４の何れか一項に記載の分解炉において、前記螺旋の部分は低振幅螺旋として形成されている分解炉。
6. 低振幅螺旋形状を用い、陸地又は沖合いで用いる石油生産ライザー及びフローライン。
7. 低振幅螺旋形状を用い、オイル、ガス、水及び地熱井戸内で用いる下げ孔内で用いる生産管系。
8. 低振幅螺旋形状を用い、炭化水素、飲用水、廃水及び下水、スラリー、パウダー、食品又は飲料製品、或いは単相又は多相流体の輸送のためのパイプライン。
9. 低振幅螺旋形状を用い、化学薬品投与、及び食物、化学薬品で、石油化学製品及び調剤処理のための静的ミキサー。
10. 平坦な屈曲部等の上流の低振幅螺旋形状パイプに関係し、その低振幅螺旋形状パイプは前記屈曲部の周囲に旋回流を生成する屈曲部又は接合部等。
11. 低振幅螺旋形状を用いる水力発電用途のための同水路及び循環チューブ。
12. 低振幅螺旋形状を用い、化学物質、石油化学製品、石油精錬、調剤及びその他の処理産業用途のための反応炉。
13. 低振幅螺旋形状を用い、発電所における熱交換器、化学処理装置、精油所、及びその他の処理産業用途、冷凍冷却容器、及び空気分離冷却容器。
14. 低振幅螺旋形状を使用する焼却炉及び廃棄物処理炉。
15. 低振幅螺旋形状を用い、密度の異なる流体の混合物の流れがある産業処理 において使用する静的分離器。
16. 低振幅螺旋形状を使用する空気取入口。
17. 低振幅螺旋形状を使用する内燃機関のための取入口。

Images