JP2014112024A - 伝熱管および伝熱管を用いた分解炉 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱効率がよく圧力低下が少ない、加熱炉に適した伝熱管を提供する。
【解決手段】伝熱管１０は管の内壁に配置されたねじれバッフル１１を含み、当該ねじれバッフル１１は前記伝熱管１０の軸方向に沿って螺旋状に延伸している。当該ねじれバッフル１１は、前記伝熱管１０の一端側から見たときに、閉じた円を形成する。前記ねじれバッフル１１は複数の孔４１を有している。
【選択図】図２

Description

発明の詳細な説明

〔技術分野〕
本発明は、加熱炉に特に適した伝熱管に関する。また、本発明は、上記伝熱管を用いる分解炉に関する。

〔背景技術〕
石油化学産業における主要な装置である分解炉は、多量の熱を必要とする分解反応を起こすために炭化水素材料を加熱することに主に使用されている。フーリエの法則によれば、以下の式が成り立つ。
ｑ／Ａ＝−ｋ（ｄｔ／ｄｙ）
（式中、ｑは伝熱量、Ａは伝熱面積、ｋは伝熱係数、ｄｔ/ｄｙは温度勾配である。）
石油化学産業で用いられる分解炉を例に取ると、伝熱面積Ａ（分解炉の性能によって定められる）と温度勾配ｄｔ/ｄｙとが決定されると、単位面積当たりの伝熱量ｑ/Ａを高める唯一の方法は、伝熱係数ｋの値を高めることである。伝熱係数ｋは、主流体の熱抵抗、境界層の熱抵抗などの影響を受ける。

プラントルの境界層理論によれば、実流体が固体壁に沿って流れると、壁面近くの流体の極薄層が、滑り落ちることなく壁に付着する。つまり、壁面に付着した流体（境界層を形成する流体）の速度はゼロである。この境界層は非常に薄いが、その熱抵抗は非常に大きい。熱は、境界層を通り過ぎれば、主流体に急速に伝達される。したがって、境界層を何とかして薄くできれば、伝熱量を効率的に増加できるであろう。

先行技術では、石油化学産業で一般に使われている分解炉の炉管は、通常、以下のような構造を有する。すなわち、分解炉の炉コイルの軸方向に沿って入口端部から出口端部に至る領域の一ヵ所、複数個所、あるいは全箇所の内側表面にリブが配置され、当該リブは炉コイルの内側表面において炉コイルの軸方向に沿って螺旋状に延伸する。上記リブは流体をかき混ぜて境界層の厚みを最小限に抑える目的を果たすことができるが、炉コイルの内側表面に形成されるコークスは、時間の経過とともにリブの役割を弱めていくことになり、その結果、炉コイルの境界層を減らすというリブの機能は小さくなる。また、炉管の内側表面には、互いに間隔を置いた複数のフィンが設けられる。これらのフィンも、境界層の厚みを減らすことができる。しかし、炉管の内側表面のコークスが増えるにつれて、これらのフィンも同様に効果を失っていく。

したがって、本技術分野では、伝熱要素を向上させ、炉コイルの伝熱効果をさらに高めることが重要である。

〔発明の概要〕
先行技術における上記の技術的課題を解決するため、本発明は優れた伝導効果を有する伝熱管を提供する。本発明はまた、当該伝熱管を用いる分解炉に関する。

本発明の第一の態様によれば、管部の内壁に配置されたねじれバッフルを有し、当該ねじれバッフルは上記管部の軸方向に沿って螺旋状に延伸している伝熱管を開示する。

本発明の伝熱管では、ねじれバッフルの働きにより、流体がねじれバッフルに沿って流れ、回転流となる。流体の接線速度により境界層が破壊され、伝熱を高めるという目的が達成される。

一つの実施形態によれば、上記ねじれバッフルは複数の孔を有する。軸方向に流れる流体および半径方向に流れる流体はともに、上記複数の孔を通って流れることができる。すなわち、これらの孔は流体の流れる方向を変えて伝熱管内の乱流状態を強め、それによって、境界層を破壊し、伝熱を高めるという目的を達成することができる。加えて、異なる方向からの流体それぞれが、これらの孔を通って下流へ支障なく流れることができ、それによって、流体の流れに対する抵抗をさらに減らし、流体の圧力の損失をさらに減らすことができる。流体内を運ばれるコークスの破片もこれらの孔を通って下流へ流れるので、排出するのが容易である。

好ましい実施形態によれば、上記複数の孔の合計面積と上記ねじれバッフルの面積との比率が０．０５：１から０．９５：１の範囲である。上記比率が上記範囲の中で小さい値である場合、伝熱管は高性能であるが流体の圧力低下も大きい。上記比率の値が上がるにつれて伝熱管の性能は下がるが、流体の圧力低下はそれにともなって小さくなる。上記比率が０．６：１から０．８：１の範囲にある場合、伝熱管の性能と流体の圧力低下はともに適切な範囲である。二つの隣接する孔の中心線間の軸方向の間隔と上記ねじれバッフルの軸方向の長さとの比率は、０．２：１から０．８：１の範囲である。

一つの実施形態によれば、上記ねじれバッフルは、ねじれ角が９０°から１０８０°の範囲である。ねじれ角が比較的小さい場合、流体の圧力と回転する流体の接線速度はともに小さい。したがって、伝熱管の効果は小さい。ねじれ角が大きくなるにつれて、回転流の接線速度が速まり、その結果、伝熱管の効果が改善されるが、流体の圧力低下も大きくなる。ねじれ角が１２０°から３６０°の範囲である場合、伝熱管の性能と流体の圧力低下はともに適切な範囲である。伝熱管におけるある単一の領域に、互いに平行な複数のねじれバッフルを備え、伝熱管の一端側から見たときに当該複数のねじれバッフルが閉じた円を形成するようにしてもよい。好ましい実施形態によれば、上記円の径と伝熱管の径との比は、０．０５：１から０．９５：１の範囲である。この比率が比較的小さい場合は、伝熱管は高性能であるが、流体の圧力低下も大きい。上記比率の値が上がるにつれて、伝熱管の性能は下がるが、流体の圧力低下はそれにともなって小さくなる。この比率が０．６：１から０．８：１の範囲である場合、伝熱管の性能と流体の圧力低下はそれぞれ適切な範囲である。この構成では、伝熱管の壁面に近い部分だけにねじれバッフルを備え、伝熱管の中心部分は実際には流路を形成する。このように構成することで、流体が伝熱管を流れるとき、流体の一部が上記流路を通って管の外に直接流れ出ることができるので、より良好な伝熱効果が得られるだけでなく、圧力低下も小さくできる。さらに、上記流路のおかげで、コークスの破片もすみやかに排出できる。

好ましい実施形態によれば、上記ねじれバッフルの軸方向の長さと伝熱管の内径との比率は、１：１から１０：１である。この比率が比較的小さい場合、回転流の接線速度は比較的高く、その結果、伝熱管は高性能であるが、流体の圧力低下は比較的大きい。上記比率の値が次第に上がるにつれて、回転流の接線速度は遅くなり、そのため伝熱管の性能も下がるが、流体の圧力低下は小さくなる。この比率が２：１から４：１の範囲にある場合、伝熱管の性能と流体の圧力低下はそれぞれ適切な範囲にある。ねじれバッフルがそのような大きさを有する場合、伝熱管内の流体は境界層を破壊するのに十分な接線速度を有することになり、その結果、より優れた伝熱効果を得ることができ、コークスが伝熱壁に形成される傾向も弱まる。

一つの実施形態では、上記円の軌跡に沿ってケーシングが配置され、当該ケーシングは上記ねじれバッフルの半径方向の内端に固定されている。上記ケーシングを配置することで、流体の回転流れは上記ケーシング内の流れに影響されなくなり、そのため流体の接線速度はさらに速まり、伝熱がさらによくなり、伝熱壁に付着するコークスがさらに減少する。また、上記ケーシングはねじれバッフルの強度も高める。例えば、上記ケーシングはねじれバッフルを効果的に支持し、それによってねじれバッフルの安定性と衝撃に対する抵抗力とを高める。

本発明の第二の態様によれば、本発明の分解炉は、放射コイルを備える分解炉であって、当該放射コイルは、本発明の第一の態様の伝熱管を少なくとも１本、好ましくは２本ないし１０本備える。

一つの実施形態では、上記複数の伝熱管は、上記放射コイル内に、当該放射コイルの軸方向に沿って、互いに間隔を置いて配置される。上記間隔と、上記伝熱管の直径との比率は、１５：１から７５：１、好ましくは２５：１から５０：１の範囲である。互いに間隔を置いた複数の伝熱管により、放射コイル内の流体は絶えずピストン流から回転流へ変化し、それによって伝熱効率が高まる。

本開示の文脈において、「ピストン流」とは、理想的には、流体が流れ方向に混ざり合うが、半径方向には決して混ざり合わないことを意味する。しかし、実際には、完全なピストン流は実現不可能であり、近似的ピストン流だけが実現可能である。

先行技術と比較すると、本発明は以下の点で優れている。まず、伝熱管内にねじれバッフルを配置することで、ねじれバッフルに沿って流れる流体を回転流に変えることができ、それによって流体の接線速度を速め、境界層を破壊し、伝熱を高めるという目的を達成できる。次に、ねじれバッフルに設けられた複数の孔により、流体の流れ方向を変え、伝熱管内の乱流状態を強め、伝熱を高めるという目的を達成できる。さらに、これらの孔は流体の流れに対する抵抗を減らし、その結果、圧力低下をさらに小さくできる。さらに、流体内を運ばれるコークスの破片もこれらの孔を通って下流へ流れることができ、それによって排出が促進される。伝熱管におけるある単一の領域に、互いに平行な複数のねじれバッフルを備え、伝熱管の一端側から見たときに、これら複数のねじれバッフルが閉じた円を形成する場合、伝熱管の中心部分は実際には流路を形成し、これは圧力低下を小さくするとともに、コークスの破片をすみやかに排出する点でも好ましい。さらに、上記円の軌跡に沿って、ケーシングが形成される。したがって、上記ケーシング、ねじれバッフル、および伝熱管の内壁は、一体となって螺旋空洞を形成し、ここにおいて流体は完全な回転流に変わり、流体の接線速度がさらに速まるので、伝熱をさらに高め、伝熱管の壁面にコークスが形成されるのをさらに減らすことができる。加えて、上記ケーシングはねじれバッフルを支持することができ、それによってねじれバッフルの安定性と衝撃に対する抵抗力とを高める。

〔図面の簡単な説明〕
以下に、本発明を、具体的な実施形態を参照しながら、図面を参照しつつ詳述する。
〔図１〕本発明の伝熱管の第一の実施形態の概略を示す斜視図である。
〔図２〕本発明の伝熱管の第二の実施形態の概略を示す斜視図である。
〔図３〕本発明の伝熱管の第二の実施形態の概略を示す斜視図である。
〔図４〕本発明の伝熱管の第二の実施形態の概略を示す断面図である。
〔図５〕本発明の伝熱管の第三の実施形態の概略を示す断面図である。
〔図６〕本発明の伝熱管の第四の実施形態の概略を示す斜視図である。
〔図７〕従来の伝熱管の概略を示す斜視図である。
〔図８〕本発明の伝熱管を用いる分解炉の放射コイルの概略図である。

上記図面では、同じ部材は同じ参照符号で言及される。上記図面は実際の寸法に基づくものではない。

〔発明を実施するための形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明をさらに説明する。

図１は、本発明の伝熱管１０の第一の実施形態の概略を示す斜視図である。伝熱管１０は、流体を導いて回転して流れさせる二つのねじれバッフル１１と１１’を備えている。ねじれバッフル１１と１１’は互いに平行であり、伝熱管１０の軸方向に沿って螺旋状に延伸している。その構造は、ＤＮＡ分子の二重螺旋構造に似ている。ねじれバッフル１１と１１’はねじれ角が９０°から１０８０°であり、伝熱管１０の軸方向に沿った貫通垂直流路１２（すなわち、図４に示す円１２）を形成する。しかし、ねじれバッフルは、垂直流路１２を形成するものとして構成される代わりに、シート体として構成されてもよい。これについては以下で述べる。

垂直流路を形成していないねじれバッフルは、伝熱管１０の１本の直径線を、その中点を中心に回転させながら当該伝熱管１０の軸方向に沿って上方または下方に移動させたときに形成される軌跡表面の形状であると解することができる。それに対して、垂直流路を形成するねじれバッフルは、伝熱管１０と同心の円筒から、垂直流路を形成していないねじれバッフルの中心部分を取り除くことで形成でき、これによって、図１に示すような、同一形状で互いに平行な２つのねじれバッフルが形成できる。このように、２つのねじれバッフル１１と１１’はどちらも、伝熱管１０の内壁と常に接する一組のねじれた側端とともに、互いに平行な上端と下端も有する。

以下、図１に示すようなねじれバッフルの一実施形態について、ねじれバッフル１１を例に取って説明する。ねじれバッフル１１の軸長と、伝熱管１０の内径との比率は、１：１から１０：１の範囲内である。ねじれバッフル１１の軸長は「ピッチ」と称することができ、「ピッチ」と伝熱管１０の内径との比率は「ねじれ比」と称することができる。ねじれ角とねじれ比はともに、伝熱管１０内の流体の回転の程度に影響する。ねじれ比が定まると、ねじれ角が大きいほど、流体の接線速度は速まるが、流体の圧力低下もそれに応じて大きくなる。ねじれバッフル１１は、伝熱管１０内の流体が、境界層を破壊するのに十分な接線速度を持つようなねじれ比とねじれ角を有し、その結果、優れた伝熱効果が実現される。この場合、伝熱管の内壁にコークスが形成される傾向は弱まり、流体の圧力低下は許容範囲内に抑えられる。

ねじれバッフル１１と１１’は螺旋状に延伸しているので、ねじれバッフル１１と１１’に誘導されて、流体はピストン流から回転流へと変わる。接線速度により、流体は境界層を破壊して伝熱を高める。さらに、流体の接線速度のために、伝熱管１０の内壁にコークスが形成される傾向は弱まる。さらに、伝熱効果を高める以外に、ねじれバッフル１１と１１’によって形成される流路（すなわち、上記した垂直流路または図４に示す円１２）も、伝熱管１０を流れる流体への抵抗を減らすことができる。加えて、上記流路は、剥がれたコークスの破片を排出するのにも役立つ。

図２と図３に、ねじれバッフルの第二の実施形態の概略を示す。本実施形態では、ねじれバッフル１１と１１’はともに複数の孔４１を備えている。ねじれバッフル１１を例に取ると、軸方向に流れる流体と半径方向に流れる流体のどちらも、複数の孔４１を通って流れることができる。このように、ねじれバッフル１１に誘導されて、流体は回転流になり境界層の厚みを減らすことができるだけでなく、複数の孔４１を滑らかに通過して下流に流れていくことができる。これにより、流体の圧力の損失は大幅に減る。さらに、流体中のコークスの破片も複数の孔４１を通過できるので、機械的なコークス除去または水圧によるコークス除去の作業が容易になる。図４は図２と図３の断面図であり、伝熱管１０の構造を明示する。

図５に、伝熱管１０の第三の実施形態の概略を示す。第三の実施形態の構造は、第二の実施形態の構造と実質的に同じであるが、両者の違いは以下の点にある。第三の実施形態では、まず、垂直流路の軌跡（すなわち、図４に示す円１２）に沿ってケーシング２０が配置され、ねじれバッフル１１と１１’の半径方向の内端に固定されて、ねじれバッフル１１と１１’を支持するとともに、ねじれバッフル１１と１１’の安定性と衝撃に対する抵抗力とを高める。さらに、ケーシング２０、ねじれバッフル１１と１１’、伝熱管１０の内壁が一体となって、螺旋空洞２１と２１’を囲む。流体が螺旋空洞２１と２１’に入ると、その流体はピストン流から回転流へ変わる。ケーシング２０によって引き離されているので、上記回転流はケーシング内のピストン流には影響されない。その結果、上記回転流は接線速度がより速くなり、伝熱を高めるとともに、伝熱管の壁にコークスが付着するのを減らす。回転流が螺旋空洞２１と２１’から流れ出ると、その慣性効果により、伝熱管１０内の流体の乱流状態を強め、それによって伝熱効果をさらに高めることができる。好ましい実施形態では、ケーシング２０と伝熱管１０の内径比率は、０．０５：１から０．９５：１の範囲であり、そのためシート状のコークスがケーシング２０を通過することができるので、容易に排出することができる。

図５に示す実施形態のねじれバッフル１１と１１’は複数の孔４１を備えているが、いくつかの実施形態では、ねじれバッフルは実際には孔がなくてもよい。こうした実施形態は、簡略化のためここでは述べない。

図６に、伝熱管１０の第四の実施形態の概略を示す。図６のねじれバッフル４０が図１ないし５のねじれバッフルのいずれとも異なるのは、ねじれバッフル４０は図１ないし５に示す垂直流路を囲んでいない点である。螺旋状のねじれバッフル４０は、境界層の厚みを減らせるとともに、ねじれバッフル４０の有する複数の孔４２が、軸方向に沿って流れる流体に対する抵抗を減らし、流体の圧力の損失を減らす。特定の実施形態では、複数の孔４２の合計面積と、ねじれバッフル４０の面積との比率は、０．０５：１から０．９５：１の範囲である。また、二つの隣接する孔４２の中心線間の軸方向の間隔と、ねじれバッフル４０の軸方向の長さとの比率は、０．２：１から０．８：１の範囲である。

本発明はまた、上記の伝熱管１０を用いた分解炉（図示せず）に関する。分解炉は当業者に周知なので、ここでは説明しない。分解炉の放射コイル５０は、上記した伝熱管１０を少なくとも１つ備える。図８に、３つの伝熱管１０の概略を示す。これらの伝熱管１０は、放射コイル内で軸方向に沿って、互いに間隔を置いて配置されることが好ましい。例えば、２つの隣接する伝熱管１０の軸方向の間隔と、伝熱管１０の内径との比率は、１５：１から７５：１、好ましくは２５：１から５０：１の範囲であり、こうすれば、放射コイル内の流体はピストン流から回転流へと絶えず変化し、それによって伝熱効率を高める。複数の伝熱管を用いる場合、それらの伝熱管は図１から６のいずれに示した構成であってもよい。

以下では、特定の例を用いて、本発明に係る伝熱管１０が用いられた場合の分解炉の放射コイルの伝熱効率と圧力低下について説明する。

〔実施例１〕
分解炉の放射コイルは、図１に示す伝熱管１０を６つ備える。各伝熱管１０の内径は５１ｍｍである。ねじれバッフルが形成する上記の閉じた円と伝熱管との径の比は、０．６：１である。また、このねじれバッフルは、ねじれ角が１８０°、ねじれ比が２．５である。２つの隣接する伝熱管１０の間隔は、伝熱管の内径の５０倍である。実験の結果、放射コイルの伝熱負荷は１，２７０．１３ＫＷであり、圧力低下は７０，１８０．７Ｐａであった。

〔実施例２〕
分解炉の放射コイルは、図２に示す伝熱管１０を６つ備える。各伝熱管１０の内径は５１ｍｍである。ねじれバッフルが形成する上記の閉じた円と伝熱管との径の比は、０．６：１である。また、このねじれバッフルは、ねじれ角が１８０°、ねじれ比が２．５である。２つの隣接する伝熱管１０の間隔は、伝熱管の内径の５０倍である。実験の結果、放射コイルの伝熱負荷は１，２６７．５９ＫＷであり、圧力低下は７０，１１０．５Ｐａであった。

〔比較例１〕
分解炉の放射コイルに、従来の伝熱管５０’を６つ搭載する。図７に示すように、伝熱管５０’は、そのケーシング内にねじれバッフル５１’を備え、ねじれバッフル５１’は伝熱管５０’を、互いに通じていない２つの物質流路に分割する。伝熱管５０’の内径は５１ｍｍである。また、このねじれバッフル５１’のねじれ角は１８０°であり、ねじれ比は２．５である。２つの隣接する伝熱管５０’の間隔は、伝熱管の内径の５０倍である。実験の結果、放射コイルの伝熱負荷は１，２６４．０８ＫＷであり、圧力低下は７１，１４０Ｐａであった。

上記の実施例および比較例から、従来の伝熱管を用いた分解炉内の放射コイルの伝熱効率に比べて、本発明の伝熱管を用いた分解炉内の放射コイルの伝熱効率は大幅に改善されていることがわかる。放射コイルの伝熱負荷は１，２７０．１３ＫＷの高さにまで改善され、圧力低下は６，５７３．８Ｐａにまで抑えられた。こうした構成は、炭化水素分解反応に非常に役立つ。

以上、本発明を、好ましい実施例を参照しつつ説明してきたが、本発明の範囲は、具体的に開示された実施例のみならず、それに代わる他の実施例および／または本発明の使用方法および本発明の明らかな改良および均等物も含む。特に、構造面での矛盾がない限り、本発明の各実施例およびすべての実施例で開示された技術的構成は、任意の形態で互いに組み合わせることができる。本明細書に開示された本発明の範囲は上に開示した特定の実施例に限定されるものではなく、以下の請求項の範囲内にある各技術的解決方法をすべて含む。

本発明の伝熱管の第一の実施形態の概略を示す斜視図である。 本発明の伝熱管の第二の実施形態の概略を示す斜視図である。 本発明の伝熱管の第二の実施形態の概略を示す斜視図である。 本発明の伝熱管の第二の実施形態の概略を示す断面図である。 本発明の伝熱管の第三の実施形態の概略を示す断面図である。 本発明の伝熱管の第四の実施形態の概略を示す斜視図である。 従来の伝熱管の概略を示す斜視図である。 本発明の伝熱管を用いる分解炉の放射コイルの概略図である。

Claims (11)

1. 管部の内壁に配置されたねじれバッフルを有し、当該ねじれバッフルは上記管部の軸方向に沿って螺旋状に延伸していることを特徴とする伝熱管。
2. 上記ねじれバッフルは複数の孔を有することを特徴とする請求項１に記載の伝熱管。
3. 上記複数の孔の合計面積と上記ねじれバッフルの面積との比率が、０．０５：１から０．９５：１、好ましくは０．６：１から０．８：１の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の伝熱管。
4. 二つの隣接する孔の中心線間の軸方向の間隔と上記ねじれバッフルの軸方向の長さとの比率が、０．２：１から０．８：１の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の伝熱管。
5. 上記ねじれバッフルは、ねじれ角が９０°から１０８０°の範囲、好ましくは１２０°から３６０°の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の伝熱管。
6. 上記伝熱管におけるある単一の領域に、互いに平行な複数のねじれバッフルが備えられており、当該伝熱管の一端側から見たときに当該複数のねじれバッフルが閉じた円を形成していることを特徴とする請求項５に記載の伝熱管。
7. 上記円の径と上記伝熱管の径との比が、０．０５：１から０．９５：１、好ましくは０．６：１から０．８：１の範囲であることを特徴とする請求項６に記載の伝熱管。
8. 上記円の軌跡に沿ってケーシングが配置され、当該ケーシングは上記ねじれバッフルの半径方向の内端に固定されていることを特徴とする請求項６に記載の伝熱管。
9. 上記ねじれバッフルの軸方向の長さと伝熱管の内径との比率が、１：１から１０：１、好ましくは２：１から４：１の範囲であることを特徴とする請求項６に記載の伝熱管。
10. 放射コイルを備える分解炉であって、当該放射コイルは、請求項１に記載の伝熱管を少なくとも１本、好ましくは２本から１０本備えていることを特徴とする分解炉。
11. 複数の上記伝熱管が、上記放射コイル内に、当該放射コイルの軸方向に沿って、互いに間隔を置いて配置され、当該間隔と上記伝熱管の直径との比率が、１５：１から７５：１、好ましくは２５：１から５０：１の範囲であることを特徴とする請求項１０に記載の分解炉。

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