JP2010150553A

JP2010150553A - 炭化水素を熱分解する方法とリブ付き管

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Publication number: JP2010150553A
Application number: JP2010034129A
Authority: JP
Inventors: Peter Woelpert; ヴェルパートペーター; Benno Ganser; ガンザーベノ; Dietlinde Jakobi; ヤーコビディートリンゲ; Rolf Kirchheiner; キルヒハイナーロルフ
Original assignee: Schmidt and Clemens GmbH and Co KG
Current assignee: Schmidt and Clemens GmbH and Co KG
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2010-07-08
Also published as: PT1525289E; MXPA05001070A; NO20050493L; RS20050060A; KR101023668B1; ATE526385T1; JP4536512B2; ES2374568T3; EP2298850A1; EP1525289B1; JP2005533917A; EP1525289A1; CA2493463C; NO337398B1; BR0312919A; PL204769B1; EA200500258A1; WO2004015029A1; HRP20050072A2; AU2003227737A1

Abstract

【課題】蒸気の存在下で炭化水素を熱分解するプロセスにおいて、加熱分解する管の寿命は、クリープ抵抗性と炭化抵抗性と、そしてさらにコーキング速度によってかなりの程度が決まる。これらの特性を改良し、炭化水素を熱分解する管の加熱炉における経済性の改善を提供する。
【解決手段】該蒸気において調製混合物が、外部から熱せられるらせん状の内部フィンを有する遠心鋳造管を通過し、ここで、フィンの直付近に渦流が生成され、この渦流がフィンからの漸増する半径方向の距離において主に軸流を有するコアゾーンに移動（ｕｅｂｅｒｆｕｅｈｒｅｎ）されるプロセスによって達成される。
【選択図】なし

Description

本発明は、蒸気の存在下で炭化水素の熱分解をするプロセスとフィン付き管とに関し、ここで、調製混合物は、らせん状の内部フィンを有し、外部から熱せられた管内を通過する。

炭化水素／蒸気の混合物が一連の個別または曲がりくねった管（管コイルを加熱分解する）（酸化とスケーリングとへの大きな抵抗と、炭化への大きな抵抗とを有する耐熱のクロム‐ニッケル‐スチール合金から作製された管）内を７５０℃以上の温度で通過する、管の加熱炉は、炭化水素（重油の派生物）の高温熱分解に適していることが分かっている。管コイルは、垂直にのびる真っ直ぐな管部分を有しており、この管部分は、Ｕ字型管の曲がりを介して互いに接続されるか、もしくは、互いに水平に調整される。この管コイルは通常、側壁バーナーを用いて熱せられ、ある場合には、底バーナーを用いて熱せられ、これにより、バーナーに直面しているライトサイドとして知られる部分と、そこに対して９０°、すなわち管の列の方向に並ぶことによりオフセットされるダークサイドとして知られる部分とを有する。管壁（Ｒｏｈｒｗａｎｄ）温度（ＴＭＴ）は、ある場合は、１０００℃を超える。

加熱分解する管の寿命は、クリープ抵抗性と炭化抵抗性と、そしてさらにコーキング速度によってかなりの程度が決まる。コーキング速度（すなわち、管内壁上に炭素堆積層の成長（熱分解コークス））の重要要因は、用いられた炭化水素のタイプに加えて、内壁領域の加熱分解ガス温度と、操作上の厳しさとして知られるものであり、これにより、システム圧力の影響と、エチレン歩留まり上の管システムの残留時間とが隠される。操作上の厳しさは、加熱分解ガスの平均吹き出し温度（たとえば、８５０℃）に基づいて設定される。管内壁の付近においてこの温度よりもガス温度が高ければ高いほど、熱分解コークス層の成長がより広がる。そして、この層の絶縁活動により、管壁温度はまたさらに上昇し得る。管材料として用いられる、クロム−ニッケル−スチール合金（炭素０．４％、クロム２５％以上、およびニッケル２０％以上を含み、たとえば、クロム３５％、ニッケル４５％、そして適切な場合ニオブ１％を含む）は、炭化に対して高い抵抗力を有するが、炭素は酸化物層の欠陥部分にて管壁に拡散する。これは顕著な炭化を引き起こし、壁の深さが０．５ｍｍ〜３ｍｍで１％〜３％の炭素含有量の数値になり得る。これは、管材料の顕著な脆化に関連するものであり、温度による負荷を変動する場合に、特に加熱炉が稼働され始めるときと停止されるときに、クラック形成のリスクを有する。

管内壁上の炭素堆積（コーキング）を撤去するために、加熱分解の操作が時々中断されることと、熱分解コークスが蒸気／空気の混合物を用いて燃焼されることとが必要である。これは、操作が３６時間まで中断されることを要求するため、プロセスの経済面で顕著に不利な影響を有する。

内部フィン付加熱分解の管を用いることは、英国特許第９６９７９６号明細書からも周知である。このタイプの内部フィンは、少なくとも数パーセント（たとえば、１０％）大きい内壁面積にあり、熱移動において相当する改良点を有するが、このフィンはまた、滑らかな管（Ｇｌａｔｔｆｏｈｒ）に比べて顕著に上昇した圧力損失の欠点に関連しており、これは大きくなった管の内壁面積における摩擦が原因である。より高い圧力損失はより高いシステム圧力を要求し、これは、残留時間を必然的に変動させ、生産高に不利な影響をもたらす。別の要因は、高い炭素およびクロム含有量を有する周知の管材料は、もはや低温加工（Ｋａｌｔｖｅｒｆｏｒｍｅｎ）すること（たとえば、低温延伸（Ｋａｌｔｚｉｅｈｅｎ））によってプロファイル化され得ないことである。これら管材料は、引っ張り強さが強くなるにつれてこれらの変形可能性を大きく下げるという欠点を有する。これは、高い管壁温度（たとえば、１０５０℃まで）をもたらし、エチレン歩留まりに関して所望されており、遠心鋳造管（Ｓｃｈｌｅｕｄｅｒｇｕｓｓｒｏｈｒｅｎ）の使用を要求する。しかしながら、遠心鋳造管は円筒型の壁からのみ作製されるので、特別な成形プロセスが要求され、たとえば、内部にフィン付き管が作製されることになっている場合は、電解加工法や成形溶接法によって材料を除去する。

この背景に照らして、本発明は、らせん状の内部フィンを有しており、外部から熱せられた管を用いて、管の加熱炉において炭化水素を熱分解する経済面を上昇する問題に基づく。

上記課題を解決するために、本発明は、例えば、以下を提供する：
（項目１）蒸気の存在下で炭化水素を熱分解するプロセスであって、
該蒸気において調製混合物が、らせん状の内部フィンを有する、外部から熱せられる管を通過し、
ここで、渦流が、該フィンの直付近に生成され、そして該フィンからの漸増する半径方向の距離において主に軸流を有するコアゾーンに移動されることを特徴とする、プロセス。

（項目２）上記渦流は、上記フィンの側面において分離する乱流を吸収することを特徴とする、項目１に記載のプロセス。

（項目３）上記フィンの谷のガスフローの周速は、該フィンのピークにおけるガスフローの周速よりも大きいことを特徴とする、項目１または２に記載のプロセス。

（項目４）上記フィンにおける上記渦流は、上記管軸に対して、２０°〜４０°の角度で、好ましくは、２２．５°〜３２．５°の角度で流れることを特徴とする、項目１から項目３のいずれか一項に記載のプロセス。

（項目５）上記管の円周上の内壁温度における変動は、１２℃よりも低いことを特徴とする、項目１から項目４のいずれか一項に記載のプロセス。

（項目６）上記コアゾーンの等温線は、らせん状の形でのびることを特徴とする、項目１から項目５のいずれか一項に記載のプロセス。

（項目７）上記渦流の速度は、上記管の長さのはじめの２ｍ〜３ｍの内に高められ、その後一定を保つことを特徴とする項目１から項目６のいずれか一項に記載のプロセス。

（項目８）上記渦流の速度は、上記管の長さのはじめの２ｍ〜３ｍの後、断面全体を考慮することを特徴とする、項目１から項目７のいずれか一項に記載のプロセス。

（項目９）上記断面上の温度均一性係数と、水力直径に関連する温度均一性係数とは、滑らかな管の均一性係数に対して１より大きい関係にあることを特徴とする、項目１から項目８のいずれか一項に記載のプロセス。

（項目１０）管壁における境界層の流速は、同一タイプの真っ直ぐなフィンを有する比較し得る管の場合におけるよりも、８％〜１２％低く、かつ上記コアゾーンの流速は、８％〜１２％高いことを特徴とする、項目１から項目９のいずれか一項に記載のプロセス。

（項目１１）ガスは、ガス入り口から計算して１００ｃｍ〜２００ｃｍまでの距離の間、上記コアゾーンの軸速の１５％〜２０％の数値である周速まで加速されることと、該周速はその後一定を保持することとを特徴とする、項目１から項目１０のいずれか一項に記載のプロセス。

（項目１２）軸速と周速との合計は、同一タイプの真っ直ぐなフィンを有する比較し得る管の軸速よりも高いことを特徴とする、項目１から項目１１のいずれか一項に記載のプロセス。

（項目１３）上記ガスの粒子は、上記フィンの上記フィンにて加速されることを特徴とする、項目１から項目１２のいずれか一項に記載のプロセス。

（項目１４）複数のらせん状に続く内部フィンを有するフィン付き管であって、
プロファイル円周（Ｕｐ）は、フィンの谷に接する包絡円の＋５％〜−２％の数値であることを特徴とする、フィン付き管。

（項目１５）上記フィンの側面角は、１６°〜２５°であることを特徴とする、項目１４に記載のフィン付き管。

（項目１６）上記フィンのピッチ角は、２０°〜４０°であることを特徴とする、項目１４または項目１５のいずれか一項に記載のフィン付き管。

（項目１７）上記フィンの間に位置づけられる該フィンと上記谷とは、断面においてミラー対称であるように設計されることを特徴とする、項目１４から項目１６のいずれか一項に記載のフィン付き管。

（項目１８）上記フィンのピークと上記フィンの谷とは、いずれの場合も互いに接合することを特徴とする、項目１４から項目１７のいずれか一項に記載のフィン付き管。

（項目１９）上記フィンと上記フィンの谷とは、同一の曲率半径を有することを特徴とする、項目１４から項目１８のいずれか一項に記載のフィン付き管。

（項目２０）上記フィンは共通の円上に溶接されており、上記フィンの谷は共通の円上にあるということを特徴とする、項目１４または項目１５のいずれか一項に記載のフィン付き管。

（項目２１）合計６〜１２個のフィンによって特徴付けられる、項目１４から項目２０のいずれか一項に記載のフィン付き管。

（項目２２）上記フィン付き管の上記水力直径は、内円の直径（Ｒｉ）に少なくとも等しいことを特徴とする、項目１４から項目２１のいずれか一項に記載のフィン付き管。

（項目２３）水テストにおける圧力損失ΔＰ _Ｒ／ΔＰ _０の商に対する、熱移動の係数Ｑ _Ｒ／Ｑ _０の商の比は、１．４〜１．５であることを特徴とし、ここで、Ｒはフィン付き管を、０は滑らかな管を意味する、項目１４から項目２２のいずれか一項に記載のフィン付き管。

（項目２４）上記フィン断面の上記曲率半径（Ｒ）は、３．５ｍｍ〜２０ｍｍであることを特徴とする、項目１４から項目２３のいずれか一項に記載のフィン付き管。

（項目２５）１．２５ｍｍ〜３ｍｍのフィン高（Ｈ）によって特徴付けられる、項目１４から項目２４のいずれか一項に記載のフィン付き管。

（項目２６）上記プロファイル円周（Ｕｐ）内の空間断面は、上記包絡円の面積（Ｆａ）の８５％〜９５％の数値であることを特徴とする、項目１４から項目２５のいずれか一項に記載のフィン付き管。

（項目２７）プロファイル面積（Ｆｐ）は、上記包絡円と上記内円との間の環状部の面積の４０％〜５０％の数値であることを特徴とする、項目１４から項目２６のいずれか一項に記載のフィン付き管。

（項目２８）軸方向に平行なフィンを有する管の端は、互いに対して回転することを特徴とする、項目１４から項目２７のいずれか一項に記載のフィン付き管を作製するプロセス。

（項目２９）内部プロファイルは、プロファイリング道具を用いて変形によって作製されることを特徴とする、項目１４から項目２７のいずれか一項に記載のフィン付き管を作製するプロセス。

（項目３０）上記変形の間、微構造の粒子は上記内面の領域内で部分的に破壊されることを特徴とする、項目２９に記載のプロセス。

（項目３１）上記内部プロファイルは、プロファイリング道具を用いて変形することによって、もしくは、積層溶接することによって、作製されることを特徴とする、項目１４から項目２７のいずれか一項に記載のフィン付き管を作製するプロセス。

（項目３２）上記内部プロファイルは、材料を電解除去することによって作製されることを特徴とする、項目１４から項目２７のいずれか一項に記載の遠心鋳造管を作製するプロセス。

（項目３３）上記プロファイルされた管の上記内面は滑らかであることを特徴とする、項目２９から項目３２のいずれか一項に記載のプロセス。

（項目３４）項目１５から項目２７のいずれか一項に記載のフィン付き管を作製するための遠心鋳造管の使用。

（項目３５）上記遠心鋳造管は、炭素０．１％〜０．５％、クロム２０％〜３５％、ニッケル２０％〜７０％、ケイ素３％まで、ニオブ１％まで、タングステン５％まで、およびハフニウム、チタニウム、希土類元素、ジルコニウムをいずれの場合も０．５％まで、およびアルミニウム６％までを含むニッケル合金からなる、項目３４に記載の使用。

（項目３６）上記合金は、個別にまたは互いと結合して、ケイ素０．０２％、ニオブ０．１％、タングステン０．３％およびアルミニウム１．５％を少なくとも含む、項目３５に記載の使用。

図１は、管軸に対して異なる傾斜を有するプロファイル内の周速を示すグラフである。図２は、縦断された管の半径上で３０°ピッチを有するプロファイル３における周速の分布を示すグラフである。図３は、それぞれのデータを含む３つのテスト管の断面図である。図４は、管壁温度の比較を示すグラフである。図５は、図３に示される３つのプロファイルのライトサイドとダークサイドとの間の温度分布を示すグラフである。図６は、フランク角（β）とプロファイルの半径（Ｒ）の数学的定義のためのプロファイル区分の図である。図７は、滑らかな内壁を有する管（滑らかな管）に対して、３つの異なるプロファイル管を比較する図である。

この目的は、好ましくは、遠心鋳造管のフィンの直付近に渦流が生成され、この渦流がフィンからの漸増する半径方向の距離において主に軸流を有するコアゾーンに移動（ｕｅｂｅｒｆｕｅｈｒｅｎ）されるプロセスによって達成される。渦流の外側ゾーンと主に軸流のコアゾーンとの間の移動は穏やかであり、たとえば、放物線である。

本発明に従うプロセスにおいて、渦流は、フィン側面に分離する乱流を吸収し、この結果、乱流はフィンの谷（Ｔａｌ）へ継続的に循環するフローの形で局所的に再循環されない。らせん状の起動からの粒子によって明らかにより長い距離が覆われているにもかかわらず、平均残留時間は滑らかな管よりも短く、さらに、断面上でより均一である（図７参照）。これは、真っ直ぐなフィンを有する管（プロファイル２）と比較して、渦巻くフィンを有するプロファイル管（Ｐｒｏｆｉｌｒｏｈｒ）（プロファイル３）の全体速度がより高いことによって確認される。これは特に、フィン領域の渦流、もしくはフィンが、管軸に対して２０°〜４０°の角度で、たとえば、３０°、好ましくは、２５°〜３２．５°の角度で作動する場合に確かである。

本発明に従うプロセスにおいて、熱供給は、ライトサイドとダークサイドとの間の管円周（Ｒｏｈｒｕｍｆａｎｇ）上で必然的に異なるが、管壁と管内部内で補填され、熱はコアゾーンの内部へ即座に分散される。これは、管壁においてプロセスガスの局所的な過熱のリスクを減少させることに関連し、熱分解コークスの形成が結果として生じる。さらに、管材料上の温度による負荷は、ライトサイドとダークサイドとの間の温度補填の理由からより低いので、これにより寿命が長くなる。最後に、本発明に従うプロセスにおいて、温度はまた、管の断面上でより均一に生成されており、改良したオレフィン歩留まりになる。この理由は、管内部に、本発明に従う半径方向の温度の補填なしでは、過剰な加熱分解が熱い管壁で生じ、加熱分解の生成物の再結合が管の中央で生じるからである。

さらに、層流層（ＳｃｈｉｃｈｔｌａｍｉｎａｒＳｔｒｏｅｍｕｎｇ）は、乱流の特徴であるが、大幅に熱移動を削減して、滑らかな管の場合に形成され、フィンによって５％以上（たとえば、１０％）大きくなる内部円周を有するフィンプロファイルの場合にまで形成される。この層流層により、熱分解コークスの形成は増加し、その上さらに低い熱移動率がもたらされる。この２つの層はともに、熱のより高い導入やバーナーのより高い性能を要求する。これにより、管壁温度（ＴＭＴ）は上昇し、その応じて寿命は短くなる。

本発明は、プロファイルの内部周（Ｉｎｎｅｎｕｍｆａｎｇ）は、フィンの谷に接する包絡円の円周に対して、最高でほぼ５％、たとえば４％や、または３．５％だけ大きいという事実によってこれを避ける。しかしながら、内部周はまた、包絡円よりも２％まで小さくなり得る。言い換えると、相対的なプロファイル円周は、包絡円の円周の最高で１．０５％〜０．９８％の数値である。したがって、本発明に従って、プロファイル管の面積（すなわち、レイアウトされた内壁面積）の差は、包絡円の直径を有する滑らかな管に対して、最高で＋５％〜−２％の数値であり、もしくは滑らかな管の面積の１．０５から０．９８倍である。

本発明に従う管プロファイルは、プロファイルの内部円周が、包絡円の円周よりも最低１０％大きい、フィン付き管に比べて、より低い管重量（ｋｇ／ｍ）を可能にする。これは、同じ圧力損失と同じ熱結果に従って、同じ水力直径（ｈｙｄｒａｕｌｉｓｃｈｅｓＤｕｒｃｈｍｅｓｓｅｒ）を有する２つの管を比較することによって明らかになる。

本発明に従うプロファイル円周（Ｐｒｏｆｉｌ−Ｕｍｆａｎｇ）（相対的なプロファイル円周）のさらなる利点は、包絡円円周に対して、管壁温度が下げられた状態で、導入ガスをより急速に過熱することである。

本発明に従う渦流は、層流層の程度を非常に顕著に削減し、さらに、管の中心に向けられた速度ベクトルに関連し、これにより、熱い管壁においてラジカルを分解する、および／または生成物を分解する残留時間を減らし、熱分解コークスを形成するために、その化学物質および触媒の分解を減らす。

さらに、フィンの谷とフィンとの間の温度差は、高いフィンを有する内部的にプロファイル化された管の場合に重要ではないわけではないが、本発明に従う渦流のために、かつそれによって補填される。これにより、要求される２つのコークス除去の操作の時間間隔が増える。本発明に従う渦流がないと、重要であり得る温度差は、フィンのピークとフィンの谷の底部との間に生じる。コークする傾向にある分解する生成物の残留時間は、らせん状内部のフィンで提供される分解する管の場合よりも短い。これは、個々の円周にあるフィンの性質によって決定される。

図において：
上の曲線が示す：プロファイル６：１６°ピッチ（Ｓｔｅｉｇｕｎｇ）
中間の曲線が示す：プロファイル３：３０°ピッチ
下の曲線が示す：プロファイル４：３フィンで、３０°ピッチを有する
この曲線は、４．８ｍｍの高いフィンを有するプロファイル６のより高い周速は、フィンの谷内で消費され、その一方でたった２ｍｍのフィン高を有する本発明に従うプロファイルの周速は、フローのコアに浸透することを明確に示す。たった３つのフィンを有するプロファイル４の周速は、ほぼ同様に高いが、コアフローのらせん状の加速に影響を及ぼさない。

図２に示される曲線に従って、本発明に従うプロファイルは、フィンの谷のらせん状の加速に影響を及ぼし（曲線の上部）、これは管の断面の広範囲に及ぶため、管の温度を均一にする作用がある。より低いフィンのピークにおける周速（曲線の下部）はさらに、乱流と逆流が生じないことを保証する。

図３は、それぞれのデータを含む３つのテスト管の断面図であり、これら管は本発明に従うプロファイル３を含む。この図はそれぞれ、ダークサイドとライトサイドとの管半径に亘る温度プロファイルを示す。これら図を比較することによって、本発明に従うプロファイル３の場合、管壁と管中央との間に温度差がより低いこと、管壁により低いガス温度があることが明らかになる。

本発明に従う渦流は、管の円周（すなわち、ライトサイドとダークサイドとの間）上の内壁温度の変動が１２℃より低いことを保証し、これは、管の加熱炉の慣習的に平行の列に配置される管コイルが、反対側のみに側壁バーナーを用いて燃焼ガスによって熱せられるかもしくは反応されることによって、管はそれぞれバーナーに直面するライトサイドと、そこに対して９０°からオフセットされるダークサイドとを有するとしても、保証する。平均管壁温度（すなわち、ライトサイド上の管壁温度とダークサイド上の管壁温度との差）は、内部ストレスを引き起こし、よって、管の寿命を決定する。したがって、本発明に従う管（３０°のピッチで８つのフィンを有し、３８．８ｍｍの管内部直径および５０．８ｍｍの管外部直径を有する、つまり、フィンの谷とフィンのピークとの間の高差は１１°で２ｍｍである管）の平均管壁温度を減少させることにより、５年間の平均寿命に基づく同じ直径の滑らかな管（図４に示される）と比べて、操作温度が１０５０℃で、ほぼ８年まで寿命を増やすと計算される。

図３に示される３つのプロファイルのライトサイドとダークサイドとの間の温度分布は、図５に示される。プロファイル３曲線の、滑らかな管（プロファイル０）に比べて、より低いレベルの温度曲線と、プロファイル１曲線に比べてプロファイル３曲線の顕著により狭い変動レンジとに気付く。

特に、好適な温度分布が、等温線がらせん状に管内壁からフローのコアにのびる場合、構築される。

断面上でより均一な温度分布が、特に、周速が２〜３ｍ内に高められ、その後管の全長の終わりまで一定である場合に生じる。

比較的短い管の長さを有する高いオレフィン生産高を達成する目的で、本発明に従うプロセスは、断面上の温度均一性係数と水力直径に関連する温度均一性係数とは、滑らかな管（Ｈ_ＧΦ）の均一性係数に対して１より大きい関係にある方法で操作されるべきである。これに関して、均一性係数は以下のように定義される：
Ｈ_ＧΦ［−］Ｈ_ＰΦ＝ΔＴ_０・ｄ_ｘ／ΔＴ_ｘ・ｄ_０
コアフローおよび渦流を含む、本発明に従うフロー構成は、フィン付き管によって達成され得、ここでこのフィンの側面角（いずれの場合も管部分の長さの始めから終わりまで一定であり、つまり、フィン側面と管半径との間の外角である）は１６°〜２５°であり、好ましくは１９°〜２１°である。このタイプの側面角は、２０°〜４０°（たとえば、２２．５°〜３２．５°）のフィンのピッチ（Ｓｔｅｉｇｕｎｇ）との組み合わせでは特に、フィンの谷に生じるものは、多かれ少なかれフィン側面の背後でフィンの谷に戻る継続的な渦流であり、フィンの谷に所望されない「ツイスター」の形成を引き起こすことを保証する。それどころか、フィンの谷に形成された乱流は、フィン側面から引き離されるようになり、渦流によって強められる。フィンによって導かれる渦巻くエネルギーは、ガス粒子を加速し、より早い全体速度をもたらす。これは、管壁温度の減少と均一をもたらし、さらに管断面に亘る温度と残留時間とがより均一にされる。

本発明に従うフィン付き管の性質は、図６の管断片図と関連する特徴パラメーターとから理解し得る：
― 水力直径Ｄｈ（ｍｍ単位）、Ｒｉ≦Ｄｈ／２
― 側面角 β
― フィン高Ｈ
― 包絡円半径Ｒａ＝Ｒｉ＋ＨおよびＤａ＝２×Ｒａ
― 中心角 α
― 曲率半径Ｒ＝Ｒａ（ｓｉｎα／２ｓｉｎβ＋ｓｉｎα）
― 包絡円円周２ΠＲａ
― 斜角をなす三角形の角度 γ＝１８０−（α＋β）
― 内角Ｒｉ＝２Ｒ（ｓｉｎγ／ｓｉｎα）−Ｒ
― フィン高Ｈ＝Ｒａ−Ｒｉ
― プロファイル円周Ｕｐ＝２×フィン数×πＲ／１８０（２β＋α）
― フィン表面積Ｆ_Ｒ
― 包絡円面積Ｆａ＝πＤａ^２／４
― 内円面積Ｆ_ｉ＝Π・Ｄｉ
― 包絡円内のプロファイル面積Ｆ_ｐ＝Ｆ_Ｒ・フィン数
― プロファイル円周Ｕｐ＝（１．０５〜０．９８）・２ΠＲａ
フィンの間にあるフィンとフィンの谷は、断面においてミラー対称の設計で、互いに隣接し得るか、もしくはいずれの場合も同一の曲率半径を有する波線を形成し得る。側面角はそれから、接触点において２つの曲率半径の接線（Tangent）と管半径との間に生じる。この場合、フィンは比較的浅く；フィン高と側面角とは、比率４×空間断面／プロファイルの円周からのプロファイルの水力直径が、プロファイルの内円以上であるような方法で互いに調和する。水力直径はしたがって、プロファイルの高さの３分の１以内にある。その結果、フィン高とフィン数は、この直径が大きくなるにつれて増え、その結果、渦流はプロファイルの活動に要求される方向と強さとを維持する。

より大きな流速（図２）はフィンの間もしくはフィンの谷内に生じ、自浄式の効果、すなわち、堆積される熱分解コークス量の減少をもたらす。

フィンが積層溶接またはオーバーレイ溶接によって、遠心鋳造管を用いて作製される場合、個々のフィンの間の管壁は実質的に変わらず、その結果フィンの谷は遠心鋳造管の内周に対応する共通の円上にある。

テストは、管の内直径とは関係なく、全部で８〜１２個のフィンが本発明に従うフロー構成を達成するのに十分であることを示した。

本発明に従うフィン付き管の場合、水テストにおける圧力損失ΔＰ_Ｒ／ΔＰ_０の商に対する熱移動の係数Ｑ_Ｒ／Ｑ_０の商の比は、類似の法則を適用かつ守り、ナフサ／蒸気の混合物に与えられたレイノルズ数を用いると、１．４〜１．５であることが好ましく、ここで、Ｒはフィン付き管を、０は滑らかな管を意味する。

本発明に従うフィン付き管（プロファイル３）の優れている点は、滑らかな管（プロファイル０）と８個の平行なフィンを有するフィン付き管（プロファイル１）と比べて、フィンの谷とフィンのピークとの間の半径方向の距離は４．８ｍｍであるうちで、下記の表に表されるデータによって説明される。フィン付き管は全て8個のフィンと同一の包絡円を有する。

この点において、水力直径は下記のように定義される：
Ｄ_ｈｙｄｒ＝４×（空間断面）／内周；
これは、比較され得る滑らかな管の内直径に対応し、１．４２５の均一性係数になることが好ましい。

水テストにおいて、本発明に従うフィン付き管は、滑らかな管よりも２．５６係数分高い熱移動（Ｑ_Ｒ）を出し、圧力損失（ΔＰ_Ｒ）は１．７６係数分だけ滑らかな管より高かった。

図７は、滑らかな内壁を有する管（滑らかな管）に対して、３つの異なるプロファイル管を比較しており、３０°ピッチ（Ｓｔｅｉｇｕｎｇ）である８個のフィンを有する本発明に従う管を含む。水力直径、軸速度、残留時間、および圧力損失が各断面に与えられる。

用いられた開始データは、水力直径と等しい３８ｍｍの内直径を有する操作上の滑らかな管の数量的な輸送量であった。類似の法則（同一のレイノルズ数）を用いて、これらデータは計算によって温水に変換され、テストの基準として使用された（水テスト用の熱移動と圧力損失との商の比と、ガスを用いる計算用に参照された均一性係数とを参照）。

異なる速度のプロファイルは、異なる水力直径における同一の数量的な流量から生じる（相互関係）。

プロファイル２とプロファイル３とを速度比較することにより、断面においては等しいが、本発明に従う管（プロファイル３）に速度、加速、および残留時間の向上が明らかになる。同一の水力直径で、フィンによって生じた渦巻きから引き起こされる円周方向の速度成分は、管壁からフローが分離することを招き、断面全体にらせん状に上昇する速度を生じさせる。

この分離したらせん状のフローは、管壁からの熱をフローに導入し、その結果、通常の方向付けされていない乱流（滑らかな管、プロファイル１およびプロファイル２）よりも均一に熱を分配する。同じことが粒子の残留時間に適用する。らせん状に方向付けられたフローは、粒子を断面上により均一に分配し、その一方で、プロファイル側面における加速は、平均残留時間を減少させる。プロファイル３のより高い圧力損失は、周速から生じる。プロファイル１の場合において、この原因は、フローの顕著な圧縮とプロファイルの大きな内面積における摩擦損失である。

材料に基づいて、本発明に従うフィン付き管は、たとえば、互いに対して回転する軸方向に平行なフィンを有する管の端によって、遠心鋳造管から作製され得、もしくは、たとえば、フライイングマンドレル（ｆｌｉｅｇｅｎｄｅｒＤｏｒｎ）やマンドレルロッド（Ｄｏｒｎｓｔａｎｇｅ）等のプロファイリング道具の手段として、たとえば、熱間鍛造、熱間延伸、または低温加工等によって、遠心鋳造管の変形から作製される内部のプロファイルによって作製され得る。

管の内部プロファイリングの切断機の多数の変型が知られており、たとえば、ドイツ特許第１９５２３２８０号明細書から周知である。これら機器はまた、本発明に従うフィン付き管の製造にも適している。

熱間形成（Ｗａｒｍｕｍｆｏｒｍ）の場合、変形温度は微構造の粒子が内面の領域内で部分的に破壊され、かつ操作温度の影響を受けて後の段階でそれ相応に再結晶されるような方法で設定されるべきである。これは、オーステナイト系マトリクスから管内面に、クロム、ケイ素および／またはアルミニウムを急速に分散させ、酸化物保護層がその後に急速に積層する、微粒子の微構造という結果となる。

本発明に従うフィンはまた、積層溶接によって作製され得る。この場合、個別のフィンの間に曲線状のフィンベースを形成することは可能ではなく、それどころか管内壁の元のプロファイルが実質的にフィンベースに維持される。

本発明に従う管の内面は、可能な限り荒い部分を減らすべきなので、それは、たとえば機械で磨くか電解によって均一にすることによって、滑らかになり得る。

エチレンプラントにて使用するための適切な管材料は、炭素０．１％〜０．５％、クロム２０％〜３５％、ニッケル２０％〜７０％、ケイ素３％まで、ニオブ１％まで、タングステン５％まで、およびハフニウム、チタニウム、希土類元素またはジルコニウムのいずれの場合も０．５％までの追加、および６％までのアルミニウムを含む鉄またはニッケルの合金である。

Claims

本明細書中に記載される発明。