JP2014520241A - 外面に突起を有する炉コイル - Google Patents

Abstract

エタン、プロパン若しくはナフサ原料又はその混合物を分解する炉における炉管又はコイルへの熱伝導効率を、管又はコイルの表面に、ｉ）コイルの外径の３〜１５％の最大高さと、ｉｉ）コイルとの接触面であって、面積がコイルの外断面積の０．１％〜１０％の接触面と、ｉｉｉ）体積が比較的小さく外面が比較的大きい幾何学形状とを有する突起を設けることによって、向上できる。

Description

本発明は、パラフィンをオレフィンに分解する分野に関し、特に、分解炉の放射部（ラジアントセクション）にあるプロセスコイルの鉛直部の外面の突起に関する。特に、突起は、角錐、立方体、円錐、弓状から、球形（例えば、半球形又はそれよりも浅い形状）、又は涙滴形とすることができるが、選択的な形状は、体積が小さく外面が広い形状である。突起は、一定のパターンで離間させることができ、あるいは、その平方インチ（６．４５１６平方センチメートル）当たりの密度をコイルに沿って異ならせたり、炉内の局所放射強度へのコイルの曝露に応じて決めたりすることができる。単一の突起のサイズは、その底面（コイルとの接触面）がコイル断面の１０％を超えないよう、且つ、その高さがコイル内径の１５％を超えないようにすべきである。

これらの突起によって、火炎、燃焼ガス、及び周囲の炉壁からプロセスコイルの外面へ伝導する放射・対流熱の純量が増加する。

熱交換器設計の分野では、熱伝導を向上させるためのフィンの用途が数多くある。典型的には、強制対流メカニズムによる熱伝導である。強制対流による熱伝導は、固体面と、ガスや液体といった流動している流体との間に起こり、伝導及び流体流を組み合わせた効果を含む。この種の熱伝導は、従来の加熱システム、つまり、温水又は電気による産業用熱交換器のほとんどで起こる。

エタンやナフサ等のパラフィンの分解プロセスにおいて、供給材料は、分解炉の放射部内部の、１０５０℃まで加熱される炉コイル（管）を流通する。これらの温度で、供給材料は、フリーラジカル分解（クラッキング分解）や不飽和生成物の再形成、水素の共生産といった複数回の反応を起こす。これらの反応は、コイル内での供給材料の滞留時間に対応する非常に短時間の間に起こる。

炉の放射部の内側は、熱吸収／放射耐火物で裏打ちされており、典型的に、ガス燃焼バーナにより加熱される。炉内部の、火炎、燃焼ガス、耐火物、及びプロセスコイル間の熱伝導のほとんどは、放射、及び強制対流によるものである。

プロセスコスト及び温室ガス排出量を削減できるとして分解炉の効率性を向上させようとする流れがある。効率性を向上させるためには、以下の２つの主な手法が存在する。炉コイルへの熱伝導、即ち、火炎、燃焼ガス、及び耐火壁からプロセスコイルの外面への熱伝導の向上と、コイル内における熱伝導、即ち、コイル壁からコイル内部を流通する供給材料への熱伝導の向上である。

２番目の手法を代表する方法の１つが、炉コイルの内壁に内部フィンを追加して、コイル内部での供給材料の「旋回」つまり混合を促進するものである。この方法は、供給材料の流れの乱流を増大させるとともにコイルの熱い内壁の熱伝導面を増大させることで、コイル壁から供給材料への対流熱伝導を向上する。

１９９９年９月１４日に杉谷らに発行され株式会社クボタに譲渡された特許文献１には、この種の技術の一例が提供されている。

非特許文献１及び非特許文献２には、螺旋状フィン及び長尺状フィン（より正確には稜線又は隆起）が内部に設けられたコイルにおける分解プロセスの論理シミュレーションが提供されている。このシミュレーションの結果を、このような内部にフィンが設けられたコイル内に熱気を流通させる実験室規模の実験で検証している。非特許文献１及び２は、内部螺旋状フィンを有する管は、内部長尺状フィンを有するものよりも、運転が良好で、「内部螺旋状フィンを有する管の結果は、産業的な観察結果と優れた一致を示す」と結論付けている。しかしながら、これらの結論を裏付ける実験データは提供されていない。また、内部リブやフィンを有さない裸管の性能との比較もなされていない。著者は、内部フィンを有するこのようなコイルで考えうる欠点の一つが、フィンの上に炭素の堆積物が堆積して、管内の圧力損失が増大しうることであると認めている。

コイルの外面にフィンを追加することもまた、先行技術で教示されている。１９９７年１月７日に石田らに発行され株式会社神戸製鋼所に譲渡された特許文献２には、その表面に複数の外部頂点（クレスト）及び稜線を有する熱交換器管が開示されている。この管は、液体（例えば水）を該管の外面に直接接触させる冷凍・空調用途に使用される。特許文献２は、この管を分解炉の放射部に使用しうるとは示唆していない。

２００６年８月２９日にＣｈａｎｇらに発行されＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙに譲渡された特許文献３には、スラリー反応（フィッシャー・トロプシュ合成）における、外部にフィンが設けられた熱交換器管が教示されている。この反応において、触媒を含むヒドロカルビル希釈剤中のＣＯ及び水素のスラリーが、内部を冷却水が流れる熱交換器管上を流れる。この水は、プロセス中加熱されて蒸気となり、反応熱を除去する。

前述の特許文献はいずれも強制対流による熱交換を教示している。つまり、流れる流体（水又は炭化水素）が、その表面に溝又はフィンを有する加熱／冷却管の外面に接触する。しかしいずれの特許文献も、管への放射熱伝導を向上させる外部突起を示唆していない。

２００６年１０月３１に発行されたＮＯＶＡ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓの特許文献４は、コイルに対する対流熱交換を増加させる分解炉コイルの外部環状フィンを教示している。

ＮＯＶＡ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓの名前で２０１１年３月２９日に出願された「Ｆｕｒｎａｃｅ Ｃｏｉｌ Ｆｉｎｓ」という名称の特許文献５には、炉管の通路にある長尺状フィンが開示されている。この特許文献５は、本発明の突起を示唆していない。

１９８３年９月６日にＣａｒｎａｖｏｓらに発行されＮｏｒａｎｄａ Ｍｉｎｅｓ Ｌｉｍｉｔｅｄに譲渡された特許文献６には、パイプの外周に一定の間隔で離間されギザギザのダイヤモンドパターンに形成された複数の角錐フィンを有する熱伝導性材料のベース壁を備え壁面が拡張された熱伝導装置が開示されている。しかしながら、そのフィンは、０．０１５〜０．０４０インチ（０．３８〜１．０ミリメートル）とサイズが非常に小さく、その主要な目的は、流動流体から固体面への対流熱伝導を向上させることであった。

１９８０年１１月１１日にＦｅｎｎｅｒらに発行されＵｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅに譲渡された特許文献７には、熱伝導能力を向上させた、熱交換器用の金属管であって、ランダムに分散された不規則な金属体又は粒子の層がその内面に設けられた金属管が開示されている。その不規則な金属体又は粒子は、その内面に接合され互いに離間したしている。管内径に対するこれら金属体又は粒子の算術平均高さの比率は少なくとも０．００６である。

２００８年６月１７日にＧｒｅｅｎらに発行されＰｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｍｆｇ ＬＬＣに譲渡された特許文献８には、テクスチャ状に形成された複数の交差溝を含む略均一パターンをその冷却面に有する、熱伝導を向上させた燃焼器ライナが開示されている。このテクスチャは、高さが０．０１インチ（０．２５４ミリメートル）の、例えば角錐台の形状とすることもできる。

上述の全ての引用文献は、その表面の変更が幾何学的に非常に小さくむしろ溝又は材料の「テクスチャ」を表し、主に熱交換器における流体間の対流熱伝導を増加させるように設計されており、本発明の主題から遠ざかることを教示している。

米国特許第５，９５０，７１８号明細書 米国特許第５，５９０，７１１号明細書 米国特許第７，０９６，９３１号明細書 米国特許第７，１２８，１３９号明細書 カナダ特許出願第２，７３５，５３３号明細書 米国特許第４，４０２，３５９号明細書 米国特許第４，２３２，７２８号明細書 米国特許第７，３８６，９８０号明細書

論文「Ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｃｏｕｐｌｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｕｒｎａｃｅｓ ａｎｄ ｒｅａｃｔｏｒ ｔｕｂｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｏｆ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ」，Ｔ．Ｄｅｔｅｍｍｅｒｍａｎ，Ｇ．Ｆ．Ｆｒｏｍｅｎｔ，（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅｉｔ Ｇｅｎｔ，Ｋｒｉｊｇｓｌａａｎ ２８１，ｂ９０００ Ｇｅｎｔ−Ｂｅｌｇｉｕｍ，ｍａｒｓ−ａｖｒｉ，１９９８） 論文「Ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｉｎｔｅｒｎａｌｌｙ ｆｉｎｎｅｄ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｉｌｓ ｆｏｒ ｏｌｅｆｉｎｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｅｖｅｒｉｔｙ」，Ｊｊｏ ｄｅ Ｓａｅｇｈｅｒ，Ｔ．Ｄｅｔｅｍｍｅｒｍａｎ，Ｇ．Ｆ．Ｆｒｏｍｅｎｔ，（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅｉｔ Ｇｅｎｔ１，Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｕｍ ｖｏｏｒ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｒｎｉｓｃｈｅ Ｔｅｃｈｎｉｅｋ，Ｋｒｉｊｇｓｌａａｎ ２８１，ｂ−９０００ Ｇｅｎｔ，Ｂｅｌｇｉｕｍ，１９９８）

本発明の目的は、分解炉の放射加熱部におけるプロセスコイルに捕捉される放射熱及び対流熱の純量を増加する方法を提供することである。

本発明は、Ｃ_２−４アルカンからなる群から選択される供給材料及びナフサを熱分解する炉において、複数の低プロファイルな突起により拡張された外面を有し、１つ以上の通路を備える１つ以上のプロセスコイルを、該炉の放射部において使用し、上記突起が、
ｉ）体積が比較的小さく外面が比較的大きい幾何学形状（例えば、四面体、角錐、立方体、円錐等）と
ｉｉ）コイルの外径の３．０％〜１５％の最大高さと、
ｉｉｉ）コイルと接触する面であって、前記コイルの外断面積の０．１％〜１０％を超えない底面面積とを有することを特徴とする炉を提供する。

さらなる実施例において、上記突起は、コイルの外径の３％〜１０％の最大高さを有する。

さらなる実施例において、上記突起の形状は、四面体（三角形の底面と、正三角形の３つの面とを有する錐体）である。

さらなる実施例において、上記突起の形状は、ジョンソンの四角錐（正方形の底面と正三角形の側面とを有する角錐）である。

さらなる実施例において、上記突起の形状は、４つの二等辺三角形の側面を有する角錐である。

さらなる実施例において、上記突起の形状は、二等辺三角形の側面を有する任意の角錐である。

さらなる実施例において、上記突起の形状は、球の断片である。

さらなる実施例において、上記突起の形状は、楕円体の断片である。

さらなる実施例において、上記突起の形状は、涙滴（不均一に変形させた楕円体）の断片である。

さらなる実施例において、放射部における炉コイルの選択された通路のみが、突起を有する。

さらなる実施例において、上記突起の底面は、それらの間に空間を一切残さずにコイルの全面を覆っている（突起の底面が、コイルの表面を完全に被覆することを可能にする例えば球状の形状を有さない場合）。

さらなる実施例において、上記突起は、コイルの外面上において、同じ密度（平方インチ（６．４５１６平方センチメートル）当たりの突起の数）の一定のパターンで離間している。

さらなる実施例において、突起は、コイルの外面上において、一定のパターンで離間しているが、その平方インチ（６．４５１６平方センチメートル）当たりの密度は、コイル全体に亘って異ならせてもよく、炉内の局所放射強度へのコイルの曝露に応じて決めてもよい。

さらなる実施例において、好ましくは、上記突起は（突起がコイルと同じ材料組成を有するように）コイルの一体部分として鋳造又は機械加工される。

さらなる実施例において、炉の放射コイルは、Ｎｉを約５５〜６５重量％と、Ｃｒを約２０〜１０重量％と、Ｃｏを約２０〜１０重量％と、Ｆｅを約５〜９重量％と、残部として痕跡元素の１種類以上とを含む。

さらなる実施例において、上記コイルの痕跡元素は、成分の合計が１００重量％となるように、Ｍｎを０．２〜３重量％までと、Ｓｉを０．３〜２重量％と、チタン、ニオブ、及び他の全ての種類の痕跡金属を５重量％未満と、０．７５重量％未満の量で炭素とを含む。

さらなる実施例において、上記炉の放射コイルは、成分の合計が１００重量％となるように、Ｃｏを４０〜６５重量％と、Ｃｒを１５〜２０重量％と、Ｎｉを２０〜１３重量％と、Ｆｅを４重量％未満と、残部として１種類以上の痕跡元素及び２０重量％までのＷとを含む。

さらなる実施例において、上記コイルの痕跡元素は、Ｍｎを０．２〜３重量％までと、Ｓｉを０．３〜２重量％と、チタン、ニオブ、及び他の全ての種類の痕跡金属を５重量％未満と、０．７５重量％未満の量で炭素とを含む。

さらなる実施例において、上記炉の放射コイルは、クロムを２０〜３８重量％と、Ｎｉを２５〜４８重量％とを含む。

さらなる実施例において、上記放射コイルは、Ｍｎを０．２〜３重量％までと、Ｓｉを０．３〜２重量％と、チタン、ニオブ、及び他の全ての種類の痕跡金属を５重量％未満と、０．７５重量％未満の量で炭素と、残部として実質的に鉄とをさらに含む。

分解炉の概略図を示す。 プロセスコイルの一部の概略図を示す。 突起の形状、寸法、及び管表面の被覆密度によって決まる、突起を有する管の外面の増大を示すグラフを示す。 例１で説明する炉モデルを使用して得られたコンピュータ・シミュレーション結果に基づく、炉の放射部における裸のフィンレス・コイルに沿う燃焼ガス及び供給材料の計算された温度分布のプロットを示す。 例１のシミュレーションで使用したのと同様のパラメータで運転させた、分解炉の放射部で測定した、裸のフィンレス・コイルの外面の実際の温度プロファイルを示す。 一辺が「ａ＝７ｍｍ」の、等辺角錐（四面体）の形状の突起により拡張された外面を有するコイルを示す。 ｉ）図４ですでに示した裸のフィンレス・コイルと、ｉｉ）上記等辺角錐（ａ＝７ｍｍ）の形状の突起で外面が覆われたコイルとの燃焼ガス（及び供給材料）の計算された温度分布を比較するグラフを示す。

エチレンを製造する場合、典型的にＣ_２−４アルカンからなる群から選択される供給材料と、ナフサとを、分解炉内を通過する１つ以上の炉コイルに供給する。図１に概略的に示す炉は、供給材料（２）が最初に予熱される対流部（１）と、実際の分解プロセスが起こる放射部（３）との２つの主要部分を含む。炉の放射部は、対流部の下流に位置し炉の放射部の約半分を占め「コールド」ボックスと呼ぶ場合もある入口（４）と、「ホット」ボックスと呼ぶ出口（５）とを備える。供給材料は、炉の放射部の入口（４）及び出口（５）内部に懸架された長管（７）を含むプロセスコイル（６）内を流通する。コイルの長さを延長し、それにより供給材料が炉の放射部の両方の部位に十分な時間滞在させるように、コイルは、図２に示すように、Ｕ字状エルボで相互に接続された複数の鉛直直線管（７）（「通路」と呼ぶ）を備える。供給材料が、炉の放射部入口（４）（「コールド」ボックス）内のコイル通路を流通すると、分解反応が始まる温度までおおよそ加熱される。次に、供給材料は、放射部入口から出て、炉の放射部出口（５）（「ホット」ボックス）内のプロセスコイルの通路を流通する。この部位において、供給材料はさらに加熱され、最終生成物（８）がコイル出口から抽出されるまで、分解反応が進行する。炉の放射部の両方の部位において、供給材料は、火炎及び燃焼ガスによって加熱される。その燃焼ガスは、炉壁及び炉底部に取り付けられたバーナによって生成される。燃焼ガス及び火炎からプロセスコイル（６）への熱伝導は、その大部分が放射によって、また一部ではあるが強制対流のメカニズムによって起こる。火炎及び燃焼ガスは、コイルだけではなく炉壁も加熱する。熱吸収／放射耐火物で裏打ちされた壁部は、熱をコイルに対して放射することによって、流通する供給材料（２）の加熱プロセスにも寄与する。

炉の放射部におけるプロセスコイルへの熱伝導効率を最大化又は単に増大させると、バーナによる燃料消費を低減させることができ、その結果、温室ガス排出も低減できる。放射部における熱伝導効率の増大によって、燃料消費を変化させずに炉容量を増加できる、すなわち、コイル内でより多くの流量の供給材料を分解できるといった他の可能性ももたらされる。

本発明によれば、コイルの外面を、少なくとも分解炉の放射部における１つ以上の通路（７）の部分において比較的小さい突起により拡張している。

突起は、通路に亘って均一に離間させてもよく、通路に沿って不均一に離間させてもよい。突起の互いに対する近接関係は、通路の長さに亘って変化させてもよく、突起は、管の一部分においてのみ又は全ての部分において均一に離間させてもよい。突起は、炉の放射部における通路の上端においてより多く密集させてもよい。

突起は、コイル通路（７）の外面の１０％〜１００％（あるいはこの間のいずれかの範囲）を覆うようにできる。本発明の一部の実施例において、突起は、放射コイルの通路の外面の、４０〜１００％、典型的には５０％〜１００％、一般的には７０％〜１００％を覆うようにしてもよい。突起が、コイル通路全体を覆わず通路の１００％未満を覆う場合には、該突起を通路（７）の底部、中間部、又は上部に位置付けることができる。

突起の底面は、コイルの外面に接触している。突起の底面の面積は、コイルの断面積の０．１％〜１０％以下である。

突起は、例えば、四面体、角錐、立方体、円錐、球の断片（例えば、半球形又はそれよりも浅い形状）、楕円体の断片、変形楕円体の断片（例えば、涙滴形）等といった、比較的体積が小さく比較的外面が広い幾何学形状とすることができる。突起に有用な形状としては、
四面体（三角形の底面と正三角形の３つの面とを有する錐体）；
ジョンソンの四角錐（正方形の底面と正三角形の側面とを有する錐体）；
４つの二等辺三角形の側面を有する錐体；
二等辺三角形の側面を有する錐体（例えば、４つの面を有する錐体であれば、底面は正方形でなくてもよく、長方形又は平行四辺形であってもよい）；
球の断片（例えば、半球形又はそれよりも浅い形状）；
楕円体の断片（例えば、楕円をその長軸又は短軸周りに回転させた時に形成される形状又は体積の断片）；
涙滴形の断片（例えば、不均一に変形された楕円体をその変形軸周りに回転させた時に形成される形状又は体積の断片）；
放射線（パラボラ）形の断片（例えば、パラボラをその長軸周りに回転させた時に形成される形状又は体積の断片〜変形半球（又はそれよりも浅い形状））例えば、異なる種類の三角翼等。

突起の形状の選択の大部分は通路又は管の製造のし易さに基づく。通路に突起を形成する方法の１つは、鋳型壁に突起の形状を有する鋳型で鋳造することである。これは、比較的単純な形状に有効である。突起は、例えばローレットロール等のローレット装置を使用する等して鋳造管の外面を機械加工することによって製造してもよい。

上述の形状は、閉じられた立体である。

突起のサイズは、慎重に選択する必要がある。サイズが小さければ小さいほど、突起の体積に対する面積の比率は大きくなるが、そのようなテクスチャを鋳造又は機械加工することはより難しくなりうる。また、極めて小さい突起の場合、その存在の恩恵は、コイル表面の異なる不純物の堆積により、時間が経つにつれて徐々に小さくなる。しかしながら、突起は理想的に対称である必要はない。例えば、楕円形の底面は、涙滴形に変形させてもよく、そのような形状とした場合、好ましくは、その「尾（ｔａｉｌ）」部が、通路を炉内に位置決めした時に下を向くようにする。

突起は、放射コイルの表面から、コイル外径の３％〜１５％、あるいはこの間のいずれかの範囲、好ましくはコイル外径の３％〜１０％だけ突出する高さ（Ｌ_Ｚ）を有する。

一実施例において、突起の密集度は均一であり、コイルの外面を完全に覆う。しかしながら、密集度は、コイル通路（７）の位置における放射フラックス（例えば、幾つかの位置では他の位置（コーナー部）よりもフラックスが大きい）に基づき選択してもよい。

突起を設計する際には、それが放射するよりも多くの放射エネルギーを吸着するように注意が必要である。これは、突起の底面からコイルへの熱の伝導が、
同じ動作条件下での裸のフィンレス・コイルの同等の表面への伝導を超える必要があると言い換えてもよい。突起の密集度が過剰でその形状が適切に選択されない場合、熱伝導が低下し始める。これは、過剰な伝導抵抗の熱的影響によるものであり、本発明の目的にそぐわない。適切に設計・製造された突起は、周囲を流れる燃焼ガス、火炎、及び炉の耐火物からコイルに伝導される放射熱及び対流熱の純量を増加させる。放射熱伝導に対するそのプラスの効果は、燃焼ガスとコイルとの接触面積を増加するように拡大されたコイル外面を介して吸収しうる熱量を増加するという理由だけではなく、コイル面がもはや平滑ではないため放射コイル面を介した相対熱損失を低下させるという理由のためでもある。従って、突起がその周囲にエネルギーを放射すると、このエネルギーの一部が他の突起に送達又は捕捉され、従って、コイル面にまた戻るように向けられる。突起はまた、流れる燃焼ガスと接触するコイル外面の増加のため、また、コイル面に沿う乱流を増加し境界層の厚さを低下させることによって、コイルへの対流熱伝導を増加する。

突起は、コイル通路（７）の重量の１０％〜３５％を占めることができる。考慮すべき限定事項の１つは、突起の追加重量によるコイル通路（７）のクリープ（変形）である。これは、突起の位置及び密集度にも影響を及ぼしうる。通路の上面により多くの突起があればクリープを軽減しうる。好ましくは、突起は、コイル通路の一体部分であり、鋳造管を鋳造又は機械加工することによって形成できる。その結果、好ましくは、突起の材料は、放射コイルの通路（７）の材料と同じ組成を有する。当然、突起の形状の選択及びその製造方法に関して、コストは考慮材料である。

コイルの通路は、錬鋼ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、ＨＰ，ＨＴ，ＨＵ，ＨＷ，及びＨＸステンレス鋼、耐熱鋼、及びニッケル系合金からなる群から選択できるステンレス鋼の管とすることができる。コイルの通路は、低合金高張力鋼（ＨＳＬＡ）；高強度構造用鋼又は超高強度鋼とすることができる。このような鋼の分類及び組成は当業者には既知である。

一実施例において、上記ステンレス鋼、好ましくは耐熱ステンレス鋼は、典型的に、クロムを１３〜５０重量％、好ましくは２０〜５０重量％、最も好ましくは２０〜３８重量％含む。ステンレス鋼は、Ｎｉを２０〜５０重量％、好ましくは２５〜５０重量％、最も好ましくは２５〜４８重量％、望ましくは約３０〜４５重量％さらに含んでもよい。該ステンレス鋼の残りの部分は、実質的に鉄としてよい。

本発明は、ニッケル及び／又はコバルト系の超オーステナイト系高温合金（ＨＴＡ）と共に使用してもよい。典型的に、該合金は、多量のニッケル又はコバルトを含む。典型的に、ニッケル系高温合金は、組成が１００重量％となるように、Ｎｉを約５０〜７０重量％、好ましくは約５５〜６５重量％と、Ｃｒを約２０〜１０重量％と、Ｃｏを約２０〜１０重量％と、Ｆｅを約５〜９重量％と、残部として以下に列記する痕跡元素の１つ以上とを含む。典型的に、コバルト系高温合金は、Ｃｏを４０〜６５重量％と、Ｃｒを１５〜２０重量％と、Ｎｉを２０〜１３重量％と、Ｆｅを４重量％未満と、及び、残部として以下に設定する痕跡元素の１種類以上及びＷを２０重量％までとを含む。成分の合計は１００重量％となる。

本発明の一部の実施例において、上記鋼はさらに、マンガンを少なくとも０．２重量％〜３重量％まで、典型的には１．０重量％〜２．５重量％まで、好ましくは２重量％以下と、Ｓｉを０．３〜２重量％、好ましくは０．８〜１．６重量％、典型的には１．９重量％未満と、チタン、ニオブ、及び他の全ての痕跡金属を３重量％未満、典型的には２重量％未満（典型的にはニオブを２．０重量％未満、好ましくは１．５重量％未満）と、２．０重量％未満の量で炭素とを含む多くの種類の痕跡元素を含む。痕跡元素は、該鋼の組成が合計で１００重量％となるような量で存在する。

以下、本発明を、下記の非限定の例によって説明する。

（例１）
（分解炉の放射部のモデルの検証）
ＪｏｆｆｒｅでのＮＯＶＡ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓのエタン分解器の放射部のコンピュータモデルを開発した。このモデルは、Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｃ．によるＴＫ Ｓｏｌｖｅｒ（ｒｅｌｅａｓｅ ４）（登録商標）を使用して描いた。このモデルを実行して、炉の放射部におけるコイルがフィンレスの分解炉におけるプロセスのシミュレーションを行なった。モデルにより、コイル内の供給材料を所望の温度レベルに加熱しながら、プロセスコイルを流通して熱を炉の放射部のコイルの外面に伝導する燃焼ガスの温度を予測した。その結果を図４に示す。上記シミュレーションに使用した入力データ、例えば、炉及びコイルの具体的な形状及び寸法、供給材料の流量、燃料ガスの組成及びバーナへの流量、供給材料及び製品の組成並びに炉の放射部の入口及び出口での温度等、はＪｏｆｆｒｅの分解炉で測定した実際の動作データであった。計算された燃焼ガス温度を、図５に示す、コイル外面の測定温度と比較した。計算された燃焼ガス温度と測定したコイル面温度との間には良好な定量的一致が見られたため、モデルの妥当性は、炉の放射部の運転を表している。

（例２）
（燃料の燃焼と、以下のａ）及びｂ）を具備する炉の効率性との比較）
ａ）裸の放射プロセスコイル（突起を有さない）
ｂ）図６に示すような等辺角錐のような形状の突起に外面が覆われた放射コイル。
上記形状の両方を呈する放射プロセスコイルの効率性及び性能を比較する基礎を作るために、シミュレーションの目的のために以下の仮定を行なった。
・２種類のサイズの突起を考慮した。辺寸法がそれぞれ（ｉ）ａ＝７ｍｍ及び（ｉｉ）ａ＝１１ｍｍの等辺角錐であって、コイルの全長に沿って均一に分散させ、それぞれコイル外面の〜１００％及び〜６５％を覆うようにした（コイル面の被覆率％は、突起の形状及びサイズによって決まり、図３に示す）。
・突起の全質量は、裸コイルの重量の３０％と等しくなるように維持した。この手法をとったのは、拡張された面を有するコイルの設計において重要な限定要因が、拡張部の追加質量だからである。突起の寸法及び質量を増加させることによって、コイルの効率性を向上しうるが、コイルがクリープ（変形）する傾向も増加する。
・裸の放射コイルの寸法（直径、壁厚、長さ）は、シミュレーションにおいて両方の場合（すなわち、裸のフィンレス・コイル及び突起を有するコイル）で同一とし、且つ、Ｊｏｆｆｒｅの分解炉に現在装着されているフィンレス・コイルの実際の寸法と等しくした。

得られたシミュレーション結果を図７に示す。その結果は、突起を追加することによって、プロセスコイルが裸のフィンレス管である場合と比較して、熱伝導が向上したことを示している。拡張された外面を有するコイルがより多くの熱を燃焼ガスから吸収し、その結果、コイル通路に沿って流れる燃焼ガスの温度が、裸のコイルに熱を伝導するガスの温度と比較して、より低いレベルに低下する。突起を有するコイルによる燃焼ガスのより効率的な「冷却」の効果を、比較した両方の場合における燃焼ガス温度の差Δｔによって図７に表す。

突起の質量を変化させずにそのサイズを７ｍｍから１１ｍｍに増加させた場合には、より大きい突起がコイル面の約６５％のみを覆うことになる。その結果、コイル性能の効率性は向上せず逆にわずかに低下した。

拡張された外面を有するコイルによるより効果的な熱吸収によって、コイル外面の温度も上昇し、最終のコイルセグメントにおいて、許容できないほど高くなる。従って、コイルに伝導する過剰な熱を利用し、許容できる温度レベルまでコイル面を「冷却」できるよう、コイルを流通する供給量を増加させる必要がある。必要なコイル温度限界を維持するために必要な増加した供給流量をプロセス／分解するために、燃料ガスの供給も、裸コイルで運転する炉で消費されるレベルよりも多くなるように増加させる必要がある。従って、拡張された外面を有するコイルを適用することによって、炉容量の増加、燃料消費の増加、炉の放射部の全体効率の向上に繋がった。

上記効果を定量化したこのシミュレーションの結果を表１に示す。

（表１）
（分解炉における放射プロセスコイルの外面の拡張の、炉の放射部の燃料消費、容量及び効率性に対する影響）

本発明に係る、表面に突起を有しエタン等のパラフィン原料を分解するための炉管は、放射及び熱の両方の加熱特性が向上し、プロセスの経済性を向上する。

Claims (21)

1. Ｃ_２−４アルカンからなる群から選択される供給材料及びナフサを熱分解する炉において、
   突起により拡張された外面を有し、１つ以上の通路を備える１つ以上のプロセスコイルを、該炉の放射部において使用し、
   前記突起が、
   ｉ）前記コイルの外径の３〜１５％の最大高さと、
   ｉｉ）コイルとの接触面、又は底面であって、その面積が前記コイルの外断面積の０．１％〜１０％である接触面と、
   ｉｉｉ）体積が比較的小さく外面が比較的大きい幾何学形状と
   を有することを特徴とする炉。
2. 前記突起が、前記コイルの外径の３％〜１０％の最大高さを有する、請求項１に記載の炉。
3. 前記炉の放射コイルが、
   Ｎｉを約５５〜６５重量％と、Ｃｒを約２０〜１０重量％と、Ｃｏを約２０〜１０重量％と、Ｆｅを約５〜９重量％と、残部として痕跡元素の１種類以上とを含む、請求項２に記載の炉。
4. 前記炉の放射コイルが、成分の合計が１００重量％となるように、Ｍｎを０．２〜３重量％までと、Ｓｉを０．３〜２重量％と、チタン、ニオブ、及び他の全ての種類の痕跡金属を５重量％未満と、０．７５重量％未満の量で炭素とをさらに含む、請求項３に記載の炉。
5. 前記炉の放射コイルが、成分の合計が１００重量％となるように、Ｃｏを４０〜６５重量％と、Ｃｒを１５〜２０重量％と、Ｎｉを２０〜１３重量％と、Ｆｅを４重量％未満と、残部として１種類以上の痕跡元素及び２０重量％までのＷとを含む、請求項２に記載の炉。
6. 前記炉の放射コイルが、Ｍｎを０．２〜３重量％までと、Ｓｉを０．３〜２重量％と、チタン、ニオブ、及び他の全ての種類の痕跡金属を５重量％未満と、０．７５重量％未満の量で炭素とをさらに含む、請求項５に記載の炉。
7. 前記炉の放射コイルが、クロムを２０〜３８重量％とＮｉを２５〜４８重量％とを含む、請求項２に記載の炉。
8. 前記炉の放射コイルが、Ｍｎを０．２〜３重量％までと、Ｓｉを０．３〜２重量％と、チタン、ニオブ、及び他の全ての種類の痕跡金属を５重量％未満と、０．７５重量％未満の量で炭素と、残部として実質的に鉄とをさらに含む、請求項７に記載の炉。
9. 前記突起が、角錐である、請求項２に記載の炉。
10. 前記突起が、三角形の底面を有する角錐である、請求項９に記載の炉。
11. 前記突起が、四面体である、請求項１０に記載の炉。
12. 前記突起が、長方形の底面を有する角錐である、請求項９に記載の炉。
13. 前記突起が、正方形の底面を有する角錐である、請求項９に記載の炉。
14. 前記突起が、ジョンソンの角錐である、請求項１３に記載の炉。
15. 前記突起が、円形の底面を有する、請求項２に記載の炉。
16. 前記突起が、楕円形の底面を有する、請求項２に記載の炉。
17. 前記突起が、涙滴形の底面を有する、請求項２に記載の炉。
18. 前記突起の底面が、前記放射コイルの全面を覆っている、請求項２に記載の炉。
19. 前記突起の底面が、前記炉コイルの外面上で互いに離間している、請求項２に記載の炉。
20. 前記突起が、互いに離間して、前記炉コイルの外面に対して、略均一な分布パターンをなしている、請求項２に記載の炉。
21. 前記放射部における前記炉コイルの部分にのみ突起を有する、請求項１２に記載の炉。