JP2021107761A - Thermal decomposition pipe including fluid stirring element - Google Patents
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- Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)
Abstract
Description
本発明は、エチレン等製造用の熱分解反応炉に用いられる熱分解管に関するものであり、より具体的には、管内流体の撹拌作用を高める撹拌要素が管内面から突設された熱分解管に関するものである。 The present invention relates to a pyrolysis tube used in a pyrolysis reaction furnace for producing ethylene or the like, and more specifically, a pyrolysis tube in which a stirring element for enhancing the stirring action of the fluid in the pipe is projected from the inner surface of the pipe. It is about.
エチレン、プロピレン等のオレフィンは、炭化水素(ナフサ、天然ガス、エタンなど)を含む原料流体を外部から加熱された熱分解管に高速流通させ、原料流体を反応温度域まで加熱して熱分解することにより生成される。 For olefins such as ethylene and propylene, a raw material fluid containing hydrocarbons (naphtha, natural gas, ethane, etc.) is circulated at high speed through an externally heated thermal decomposition tube, and the raw material fluid is heated to the reaction temperature range for thermal decomposition. Is generated by.
熱分解反応を効率良く行なうには、高速流通する原料流体を短時間で管路の径方向中心部まで熱分解反応温度域に加熱昇温させ、且つ、過加熱をできるだけ回避することが重要である。原料流体の過加熱は、炭化水素類の過度の軽質化(メタン、遊離炭素等の生成)や分解生成物の重縮合反応を招き、目的製品の収率低下が大きくなる。また、コーキング(遊離炭素の管内面への沈積)が助長され、管体の熱伝達係数の低下を招くから、デコーキング作業の実施を頻繁に行なう必要が生じ、操業時間が低下してしまう。 In order to carry out the pyrolysis reaction efficiently, it is important to heat and raise the temperature of the raw material fluid that flows at high speed to the radial center of the pipeline to the thermal decomposition reaction temperature range in a short time, and to avoid overheating as much as possible. be. Overheating of the raw material fluid causes excessive lightening of hydrocarbons (production of methane, free carbon, etc.) and polycondensation reaction of decomposition products, resulting in a large decrease in the yield of the target product. In addition, caulking (deposition of free carbon on the inner surface of the pipe) is promoted, which leads to a decrease in the heat transfer coefficient of the pipe body. Therefore, it becomes necessary to carry out decoking work frequently, and the operating time is reduced.
そこで、熱分解管の内面に流通流体の撹拌要素として突条を設けることが行なわれている(たとえば、特許文献1参照)。特許文献1では、突条は管軸に対してらせん状に旋回するよう形成されている。そして、高速流通する流体は突条による撹拌を受けて熱伝達が促進され、急速に昇温加熱されて熱分解は短時間で完結する。これにより、過加熱による過分解やコーキングの発生を抑え、また、熱分解管の熱伝達効率の向上により、熱分解管の加熱温度を低くすることが可能となり、熱分解管の耐用寿命向上の効果がもたらされる。 Therefore, a ridge is provided on the inner surface of the pyrolysis pipe as a stirring element for the flowing fluid (see, for example, Patent Document 1). In Patent Document 1, the ridges are formed so as to spirally swivel with respect to the pipe axis. Then, the fluid flowing at high speed is agitated by the ridges to promote heat transfer, and is rapidly heated to a high temperature, and the thermal decomposition is completed in a short time. This suppresses the occurrence of over-decomposition and coking due to overheating, and by improving the heat transfer efficiency of the pyrolysis tube, it is possible to lower the heating temperature of the pyrolysis tube and improve the service life of the pyrolysis tube. The effect is brought about.
しかしながら、らせん状の突条は、流体の撹拌作用を向上させると同時に、管内流体の圧力損失を高めてしまう。圧力損失の増大は、オレフィンの収率の低下を招く可能性がある。そのため、圧力損失の少ない熱分解管が求められている。 However, the spiral ridges improve the agitation of the fluid and at the same time increase the pressure loss of the fluid in the pipe. An increase in pressure drop can lead to a decrease in olefin yield. Therefore, there is a demand for a pyrolysis tube with low pressure loss.
本発明は、管内流体の撹拌効果を具備しつつ圧力損失の低減を図ることのできる熱分解管を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a pyrolysis tube capable of reducing pressure loss while having a stirring effect of a fluid in a tube.
本発明の撹拌要素を具える熱分解管は、
管の内面に1又は複数の流体の撹拌要素を内向きに突出形成してなる熱分解管であって、
前記撹拌要素は、
前記管の内面に沿って延び、管軸に対してらせん状に傾斜した第1突条と、
前記第1突条とは傾斜角度が異なる第2突条であって、前記第1突条同士を実質的に或いは仮想的に連結する第2突条と、
を含む。
The pyrolysis tube provided with the stirring element of the present invention
A pyrolysis tube formed by inwardly projecting one or more fluid stirring elements on the inner surface of the tube.
The stirring element is
A first ridge extending along the inner surface of the pipe and spirally inclined with respect to the pipe axis.
A second ridge having a different inclination angle from the first ridge, and a second ridge that substantially or virtually connects the first ridges to each other.
including.
本発明の撹拌要素を具える熱分解管は、
管の内面に1又は複数の流体の撹拌要素を内向きに突出形成してなる熱分解管であって、
前記撹拌要素は、
前記管の内面に、管軸に対して直交する第1突条と、
前記管軸に対して前記第1突条とは傾斜角度が異なる第2突条であって、前記第1突条同士を実質的に或いは仮想的に連結する第2突条と、
を含む。
The pyrolysis tube provided with the stirring element of the present invention
A pyrolysis tube formed by inwardly projecting one or more fluid stirring elements on the inner surface of the tube.
The stirring element is
On the inner surface of the pipe, a first ridge orthogonal to the pipe axis,
A second ridge having an inclination angle different from that of the first ridge with respect to the pipe axis, and a second ridge that substantially or virtually connects the first ridges to each other.
including.
前記第2突条は、前記第1突条の端縁同士を繋ぐ構成とすることができる。 The second ridge may be configured to connect the edges of the first ridge to each other.
前記第2突条は、前記第1突条の端縁以外の部分同士を繋ぐ構成とすることができる。 The second ridge may be configured to connect portions other than the edge of the first ridge.
前記第1突条の高さH1は、前記第2突条の高さH2と同等とすることができる。 The height H1 of the first ridge can be equal to the height H2 of the second ridge.
前記第1突条の高さH1と前記第2突条の高さH2は、H2/H1≧1/2とすることができる。 The height H1 of the first ridge and the height H2 of the second ridge can be H2 / H1 ≧ 1/2.
前記第2突条は、前記第1突条同士を管軸方向と平行に繋ぐ構成とすることができる。 The second ridge may be configured to connect the first ridges in parallel with the pipe axis direction.
前記第2突条は、前記第1突条同士を前記第1突条と直交するように繋ぐ構成とすることができる。 The second ridge may be configured to connect the first ridges so as to be orthogonal to the first ridge.
前記第1突条が形成された第1突条区間は、前記第2突条が形成された第2突条区間以上の長さであるとすることが望ましい。 It is desirable that the first ridge section in which the first ridge is formed has a length equal to or longer than the second ridge section in which the second ridge is formed.
前記第1突条区間は、前記第1突条区間と前記第2突条区間の合計の60%〜80%とすることができる。 The first ridge section may be 60% to 80% of the total of the first ridge section and the second ridge section.
本発明の熱分解管によれば、流体は、第1突条により撹拌を受ける。第1突条を通過した流体は、乱流となるが、第1突条とは角度の異なる第2突条により流れの向きが変えられて整流されることで、圧力損失を低減できる。これにより、撹拌効果を具備して熱伝達効率を確保しつつ、圧力損失の増大を防止して、オレフィンの収率の向上を図り、過分解によるコーキングの発生を抑制できる。 According to the pyrolysis tube of the present invention, the fluid is agitated by the first ridge. The fluid that has passed through the first ridge becomes a turbulent flow, but the pressure loss can be reduced by changing the direction of the flow and rectifying the fluid by the second ridge having a different angle from the first ridge. As a result, it is possible to prevent an increase in pressure loss, improve the yield of olefins, and suppress the occurrence of caulking due to overdecomposition, while providing a stirring effect and ensuring heat transfer efficiency.
以下、本発明の熱分解管10について、図面を参照しながら説明を行なう。なお、図示の熱分解管10は、直管であるが、一般的には、直管からなる熱分解管10同士を屈曲したベンド管で接続し、蛇行した形状として熱分解炉に配備し、管外部から加熱を受けて、内部を流通する流体の熱分解を行なう。
Hereinafter, the
図1は、本発明の熱分解管10の一実施例を示す展開図、図2は、図1の線II−IIに沿う拡大断面図である。説明の都合上、図1の紙面左側を上流側、右側を下流側としている。
FIG. 1 is a developed view showing an embodiment of the
熱分解管10は、耐熱合金材料から形成することができ、25Cr−Ni(SCH22)、25Cr−35Ni(SCH24)、インコロイ(商標名)、或いは、Al:6.0質量%を上限として含有する合金を例示できる。もちろん、熱分解管10の材料はこれらに限定されず、高温の使用環境に耐え、要求される性能を具備する種々の耐熱合金材料を使用できる。
The
熱分解管10には、管内面から内向きに突出する撹拌要素20が形成されている。より詳細には、撹拌要素20は、第1突条21と、第1突条21とは角度が異なる第2突条25とすることができる。
The
第1突条21は、主として流体の撹拌、第2突条25は、主として流体の整流を行なう。
The
第1突条21は、図1では、管軸と直交する面に対して上流側から下流側に向けて角度θ1で傾斜するらせん状形状とすることができる。管内面において、第1突条21が形成された区間を第1突条区間22と称する。そして、第1突条21は、端縁又は端縁以外の部分で第2突条25に連結される。第2突条25は、第1突条21の角度θ1とは異なる角度θ2の突条である。管内面において、第2突条25の形成された区間を第2突条区間26と称する。第2突条25の下流側には、第1突条21が形成されており、第2突条25は、第1突条21と連結される。
In FIG. 1, the
第2突条25は、図1に示すように、第1突条21の端縁同士を繋ぐ形態としてもよいし、また、第1突条21(23,24)の端縁以外の部分同士を繋ぐ形態(図3及び図4参照)としてもよい。なお、第1突条21と第2突条25は、図1に示すように、実質的に連結されている構成とすることが望ましいが、第1突条21と第2突条25の間に隙間を設けて、第2突条25の延長線が第1突条21と仮想的に連結する構成としてもよい。
As shown in FIG. 1, the
第1突条21の傾斜角度θ1は、85°以下とすることが好適であり、30°以下とすることが望ましい。突条21の傾斜角度θ1は、15°以上とすることが望ましい。第1突条21は、図3に符号23で示すように、θ1=0°として、管軸に直交する形態としても構わない。傾斜角度θ1が小さ過ぎると突条21の下流側に淀みが発生し易くなる一方で、小さい程、管軸に対して第1突条21の傾きは大きいから、流通する流体の撹拌、乱流発生効果を高めることができる。
The inclination angle θ1 of the
第2突条25の傾斜角度θ2は、第1突条21の傾斜角度θ1とは異なる角度であり、たとえば、図1、図3及び図4に示すように、第2突条25は、管軸と平行な角度(θ2=90°)とすることができる。第1突条21(23,24)の傾斜角度θ1と第2突条25の傾斜角度θ2は、何れも管軸に直交する面に対して同方向の仰角が0°以上90°以下、且つ、θ1はθ2よりも小さい角度となるように形成することが望ましい。
The inclination angle θ2 of the
第1突条21及び第2突条25は、連続的な形態とすることができるが、断続的な形態であってもよい。図4は、第1突条21を断続的な突条24,24とした実施形態であり、第2突条25は、断続的な第1突条24,24の端縁以外の部分同士を繋いでいる。
The
第1突条21同士の間隔Iは、管内径が30−150mmの場合、約20−400mmとすることができる。図1の第1突条21は、1条のらせん形態であるが、複数条のらせん形態を平行又は傾斜角度を変えて設けることもできる。
The distance I between the
第1突条区間22と第2突条区間26の長さを比較した場合、図1に示すように、第1突条区間22は、第2突条区間26以上の長さとすることが好適である。望ましくは、第1突条区間22の占める比率(第1突条区間22/(第1突条区間22+第2突条区間26))は、50%以上が好適であり、60%以上が望ましく、65%以上がより望ましい。第2突条25による整流効果よりも、第1突条21による撹拌効果が重視されるためである。一方、第2突条区間26の整流効果を発揮するために、第1突条区間22の占める比率は80%以下とすることが好適であり、70%以下とすることが望ましい。
When comparing the lengths of the
図2に示す第1突条21の高さH1及び第2突条25の高さH2は、管内径の約1/60−1/10とすることが望ましい。第1突条21の高さH1が、管内径の1/60よりも低いと、流体の撹拌、乱流発生効果を十分に発揮できない虞がある。また、第2突条25の高さH2が、管内径の1/60よりも低いと、流体の整流効果を十分に発揮できない虞がある。また、第1突条21の高さH1、第2突条25の高さH2が、管内径の1/10よりも高いと、第1突条21、第2突条25が流体の流通を阻害し、圧力損失が大きくなり、さらには、第1突条21、第2突条25の下流側で流体が滞留して過分解やコークが堆積し易くなる虞がある。故に、第1突条21の高さH1、第2突条25の高さH2は、上記規定を満たすことが望ましい。なお、第1突条21の高さH1と第2突条25の高さH2は同等とすることが、撹拌、整流効果の点で望ましく、また、第1突条21と第2突条25の形成を簡便化する点でも高さを同等とすることが望ましい。本明細書において、「同等」とは、当業者によって測定された数値が許容可能な誤差範囲内にあることを意味する。もちろん、その値は、測定方法にも依存する。また、「同等」には、測定された数値の20%まで、10%まで、5%まで、或いは、1%までの範囲を含むものとする。
It is desirable that the height H1 of the
第1突条21と第2突条25は、第1突条21の高さH1を第2突条25の高さH2よりも高くすることもできる。この場合、第2突条25の高さH2は、第1突条21の高さH1の1/2倍、すなわち、H2/H1≧1/2とするこが好適である。第1突条21により撹拌を受けて乱流となった流体は、第2突条25により整流されるが、第2突条25を第1突条21よりもやや低く形成することで、整流時の圧力損失を低減できる。また、第1突条21の高さH1は、第2突条25の高さH2の2倍以上(H1≧2×H2)としてもよい。第2突条25の高さH2を高くすることで、整流効果を高められると共に、第2突条25の比表面積が大きくなる結果、熱伝達率を向上できる。
The
第1突条21及び第2突条25は、たとえば、粉体プラズマ溶接(PTA溶接)、MIG溶接、TIG溶接、レーザー溶接などの肉盛溶接法により、肉盛ビードとして効率的に形成することができる。もちろん、押出加工により熱分解管10と一体に第1突条21及び第2突条25を作製することもできる。
The
第1突条21、第2突条25は、上記した熱分解管10と同種の耐熱合金材料から形成することができるが、これに限定されるものではない。
The
上記の如く撹拌要素20として第1突条21と第2突条25を形成した熱分解管10に流体を流通させると、図1に矢印Aで示すように、流体は、第1突条21により撹拌作用を受け、第1突条21に沿いらせん状に旋回する流れとなる。これにより流体は、管路の径方向中心部まで撹拌されて速やかに加熱昇温することができる。また、旋回し一部が乱流となった流体は、図1に矢印Bで示すように第2突条25に当たって流れの向きが変えられて管軸方向に整流されることで、圧力損失を低減させることができる。そして、図1に矢印Cで示すように、再度下流側の第1突条21により撹拌を受ける。
When the fluid is circulated through the
これにより、本発明の熱分解管10は、原料流体を管路の径方向中心部まで熱分解反応温度域に速やかに加熱昇温しつつ、圧力損失の増大を抑制でき、目的製品の収率向上を達成できる。
As a result, the
上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するように解すべきものではない。又、本発明の各部構成は上記一実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。 The description of the above-described embodiment is for explaining the present invention, and should not be construed as limiting or reducing the scope of the invention described in the claims. Further, the configuration of each part of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that various modifications can be made within the technical scope described in the claims.
図5に示すように、上流側に1.6mの助走区間31を有し、下流側に図1に示す長さ0.6mの発明例の熱分解管10、又は、図6に示す長さ0.6mの比較例の熱分解管40を接続した供試熱分解管30を作製し、流体を流通させて圧力損失(kPa)、出口温度(℃)及び熱交換量(kW)を測定、比較した。熱分解管10の内径Dは、表1に示す発明例11〜16と比較例11が40mm、表2に示す発明例21〜23と比較例21が90mmである。
As shown in FIG. 5, the
発明例の熱分解管10は、図1に示すように、内部に撹拌要素としてらせん状の連続する1条の第1突条21と、第1突条21とは傾斜角度等の異なる第2突条25を形成している。表1に示すように、発明例11〜16の第1突条21の高さH1と傾斜角度θ1は同じであるが、第2突条25の高さH2、傾斜角度θ2、第2突条の高さを変えている。表2に示すように、発明例21〜23は、第1突条21の高さH1や傾斜角度θ1も変えている。また、発明例では、表1及び表2の「第1突条区間合計、第2突条区間合計、第1突条区間の占める比率」の夫々示すように、突条21,25が形成される区間の長さを変えている。たとえば、発明例12は、第1突条21の形成された第1突条区間22が0.34m、第2突条25が形成された第2突条区間26が0.26mであり、第1突条区間22の占める比率は、0.34/0.6=約56.7%である。何れの突条21,25も断面半円形であり、幅は7.0mmである。なお、第1突条21と第2突条25の内径Dに対する高さの比率(H1/内径D、H2/内径D)、また、第1突条21の高さH1に対する第2突条25の高さH2の比率(H2/H1)を合わせて表1、表2に示す。
As shown in FIG. 1, in the
比較例11、21の熱分解管40は、図6に示すように、内部にらせん状の連続する1条の第1突条21のみを形成したものである。第1突条21の断面は半円形である。
As shown in FIG. 6, the
上記構成の供試熱分解管30を壁面が1000℃一定となるように加熱しつつ、エタン70重量%、水蒸気30重量%からなる流体を、700℃に昇温し、流入する質量流量が0.2104kg/sとなるように供給した。結果を上記表1に示す。
While heating the
表1、表2を参照すると、発明例は、比較例に比べて、出口温度及び熱交換量は略同等でありながら、圧力損失が大幅に小さくできたことがわかる。これは、撹拌要素20として設けられた第1突条21に対し、少なくとも傾斜角度が異なり、高さや形成区間の異なる第2突条25を設けたことで、第1突条21により生じた乱流が整流されたことによる(図1の矢印B)。そして、撹拌効果を具備して同等の熱伝達効率を確保しつつ、圧力損失の低減できたことで、オレフィンの収率の向上を図り、過分解によるコーキングの発生を抑制できる。
With reference to Tables 1 and 2, it can be seen that the pressure loss of the invention example was significantly smaller than that of the comparative example, although the outlet temperature and the amount of heat exchange were substantially the same. This is because the
次に、発明例同士を比較する。発明例11〜13を比較すると、第1突条区間22の占める比率を大きくすることで圧力損失はやや大きくなっている。しかしながら、第1突条区間22の占める比率を大きくしたことで撹拌効果を得つつ、撹拌された流体に対し、第2突条25による整流が行なわれることで、好適な出口温度、熱交換量を確保できることがわかる。従って、第1突条区間22の占める比率は50%以上であることが望ましい。
Next, the invention examples are compared. Comparing Invention Examples 11 to 13, the pressure loss is slightly increased by increasing the ratio occupied by the
第2突条25の高さH2が異なる発明例11と発明例16、また、発明例21〜23を比較すると、第2突条25の高さH2が高くなるほど、圧力損失はやや大きくなるが、好適な出口温度、熱交換量を具備できる。これは、第2突条25が適度な高さを有することで、効果的な整流効果を発揮できるためである。発明例15も参照すると、第1突条21に対する第2突条25の高さの比率は0.5以上(H2/H1≧1/2)が好適である。
Comparing Invention Examples 11 and 16, and Invention Examples 21 to 23, which have different heights H2 of the
10 熱分解管
20 撹拌要素
21 第1突条
25 第2突条
10
Claims (10)
前記撹拌要素は、
前記管の内面に沿って延び、管軸に対してらせん状に傾斜した第1突条と、
前記第1突条とは傾斜角度が異なる第2突条であって、前記第1突条同士を実質的に或いは仮想的に連結する第2突条と、
を含む、
熱分解管。 A pyrolysis tube formed by inwardly projecting one or more fluid stirring elements on the inner surface of the tube.
The stirring element is
A first ridge extending along the inner surface of the pipe and spirally inclined with respect to the pipe axis.
A second ridge having a different inclination angle from the first ridge, and a second ridge that substantially or virtually connects the first ridges to each other.
including,
Pyrolysis tube.
前記撹拌要素は、
前記管の内面に、管軸に対して直交する第1突条と、
前記管軸に対して前記第1突条とは傾斜角度が異なる第2突条であって、前記第1突条同士を実質的に或いは仮想的に連結する第2突条と、
を含む、
熱分解管。 A pyrolysis tube formed by inwardly projecting one or more fluid stirring elements on the inner surface of the tube.
The stirring element is
On the inner surface of the pipe, a first ridge orthogonal to the pipe axis,
A second ridge having an inclination angle different from that of the first ridge with respect to the pipe axis, and a second ridge that substantially or virtually connects the first ridges to each other.
including,
Pyrolysis tube.
請求項1又は請求項2に記載の熱分解管。 The second ridge connects the edges of the first ridge to each other.
The pyrolysis tube according to claim 1 or 2.
請求項1又は請求項2に記載の熱分解管。 The second ridge connects parts other than the edge of the first ridge.
The pyrolysis tube according to claim 1 or 2.
請求項1乃至請求項4の何れかに記載の熱分解管。 The height H1 of the first ridge is equivalent to the height H2 of the second ridge.
The thermal decomposition tube according to any one of claims 1 to 4.
請求項1乃至請求項4の何れかに記載の熱分解管。 The height H1 of the first ridge and the height H2 of the second ridge are H2 / H1 ≧ 1/2.
The thermal decomposition tube according to any one of claims 1 to 4.
請求項1乃至請求項6の何れかに記載の熱分解管。 The second ridge connects the first ridges in parallel with the pipe axis direction.
The thermal decomposition tube according to any one of claims 1 to 6.
請求項1乃至請求項6の何れかに記載の熱分解管。 The second ridge connects the first ridges to each other so as to be orthogonal to the first ridge.
The thermal decomposition tube according to any one of claims 1 to 6.
請求項1乃至請求項8の何れかに記載の熱分解管。 The first ridge section in which the first ridge is formed is longer than the second ridge section in which the second ridge is formed.
The thermal decomposition tube according to any one of claims 1 to 8.
請求項9に記載の熱分解管。 The first ridge section is 60% to 80% of the total of the first ridge section and the second ridge section.
The thermal decomposition tube according to claim 9.
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