JP3001181B2 - エチレン製造用反応管 - Google Patents
エチレン製造用反応管Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばエチレンプラン
トの熱分解反応管（エチレン・クラッキング・チュー
ブ）等として有用な熱伝達性能にすぐれた熱交換用管に
関する。
トの熱分解反応管（エチレン・クラッキング・チュー
ブ）等として有用な熱伝達性能にすぐれた熱交換用管に
関する。
【０００２】
【従来の技術】エチレン製造用熱分解炉では、ナフサ，
天然ガス，エタン等の炭化水素類は、水蒸気との混合流
体（温度約７００°Ｋ）として反応管内に送給され、管
路内を高速度で通過（例えば管長約10〜13ｍの反応管で
は、約0.1 〜0.8 秒で通過）する間に、管外部からの熱
供給により所定温度（約１０９０°Ｋ程度）に加熱さ
れ、熱分解によるエチレン，プロピレン等のオレフィン
を生成する。上記熱分解操業においては、管内を高速で
通過する流体への熱伝達を効率よく行わせ、迅速に管路
の中心部まで反応温度域に加熱昇温することが要求され
る。それと同時に、熱分解温度域を越える不必要な高温
加熱をできるだけ回避することが必要である。熱分解温
度域を越える高温域の滞留時間が長くなると、炭化水素
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等により、目的製品の収率の低下が
大きくなり、また遊離炭素は管壁内面に沈積し、デコー
キングの実施頻度の増大等の不利を招くからである。
天然ガス，エタン等の炭化水素類は、水蒸気との混合流
体（温度約７００°Ｋ）として反応管内に送給され、管
路内を高速度で通過（例えば管長約10〜13ｍの反応管で
は、約0.1 〜0.8 秒で通過）する間に、管外部からの熱
供給により所定温度（約１０９０°Ｋ程度）に加熱さ
れ、熱分解によるエチレン，プロピレン等のオレフィン
を生成する。上記熱分解操業においては、管内を高速で
通過する流体への熱伝達を効率よく行わせ、迅速に管路
の中心部まで反応温度域に加熱昇温することが要求され
る。それと同時に、熱分解温度域を越える不必要な高温
加熱をできるだけ回避することが必要である。熱分解温
度域を越える高温域の滞留時間が長くなると、炭化水素
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等により、目的製品の収率の低下が
大きくなり、また遊離炭素は管壁内面に沈積し、デコー
キングの実施頻度の増大等の不利を招くからである。
【０００３】従来、上記反応管の熱伝達性能を高め、管
内流体を迅速に加熱昇温するための手段として、管路の
口径を縮小（例えば孔径４０mm以下）し、内容積に対す
る伝熱表面積を大きくすることが行われている。また、
管の断面形状の工夫として、図１２のように、内壁面を
波状の凹凸面１５とし、その凹凸を管軸と平行に、また
は螺旋状に形成することにより伝熱面積を大きくした熱
交換用管も提案されている（特開昭５８−１７３０２２
号公報，特開平１−１２７８９６号公報）。
内流体を迅速に加熱昇温するための手段として、管路の
口径を縮小（例えば孔径４０mm以下）し、内容積に対す
る伝熱表面積を大きくすることが行われている。また、
管の断面形状の工夫として、図１２のように、内壁面を
波状の凹凸面１５とし、その凹凸を管軸と平行に、また
は螺旋状に形成することにより伝熱面積を大きくした熱
交換用管も提案されている（特開昭５８−１７３０２２
号公報，特開平１−１２７８９６号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】反応管の管径を小さく
することは、管内流体に対する熱伝達性を高めるのに有
効ではあるけれども、同じエチレン製造能力を維持しよ
うとすれば、管径を縮小した分だけ、反応管の炉内設置
本数を多く必要とすることとなり、運転管理の煩瑣化を
免れず、また管径の縮小化に伴って遊離炭素の管壁沈積
も短時間で生じ易くなる欠点がある。図１２のように管
内壁面を波状凹凸面とした反応管についても、管壁内面
積の増加量に相当する程度の熱伝達性の改善効果が得ら
れるにとどまり、通常の管体（管壁内面に凹凸のないス
トレート管）と比べて、格段の改善効果を期待し得るも
のとはいえない。本発明は、上記に鑑み、管路の口径を
縮小化することなく、管内流体に対する熱伝達性能を飛
躍的に高め、管路の中心部まで迅速に所要温度に加熱昇
温することができ、エチレン製造用熱分解炉では、製造
能力の大幅な増大、装置のコンパクト設計、運転管理の
容易化等を可能とする新規熱交換用管を提供するもので
ある。
することは、管内流体に対する熱伝達性を高めるのに有
効ではあるけれども、同じエチレン製造能力を維持しよ
うとすれば、管径を縮小した分だけ、反応管の炉内設置
本数を多く必要とすることとなり、運転管理の煩瑣化を
免れず、また管径の縮小化に伴って遊離炭素の管壁沈積
も短時間で生じ易くなる欠点がある。図１２のように管
内壁面を波状凹凸面とした反応管についても、管壁内面
積の増加量に相当する程度の熱伝達性の改善効果が得ら
れるにとどまり、通常の管体（管壁内面に凹凸のないス
トレート管）と比べて、格段の改善効果を期待し得るも
のとはいえない。本発明は、上記に鑑み、管路の口径を
縮小化することなく、管内流体に対する熱伝達性能を飛
躍的に高め、管路の中心部まで迅速に所要温度に加熱昇
温することができ、エチレン製造用熱分解炉では、製造
能力の大幅な増大、装置のコンパクト設計、運転管理の
容易化等を可能とする新規熱交換用管を提供するもので
ある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、管内にガス流
体が送給され、熱分解反応を行うエチレン製造用反応管
において、管路の入側端から出側端に到る管軸方向の１
もしくは複数の領域ないし全域における管壁内面に、管
軸と交叉する向きをなし前記ガス流体に対して攪拌作用
をなすフィンが適宜ピッチを有して形設されていること
を特徴としている。上記フィンは、管軸方向に管壁内面
を螺回する螺旋突起として、または管壁内面に沿って管
軸の周りを周回する円環状突起として形成される。管体
の入側端から出側端に到る管路内のフィンの形設領域、
管軸に対するフィンの交叉角θ、およびフィンのピッチ
等は、熱交換用管の使用条件、要求される熱伝達性能、
圧損の許容範囲等の具体的条件に応じて適宜決定され
る。
体が送給され、熱分解反応を行うエチレン製造用反応管
において、管路の入側端から出側端に到る管軸方向の１
もしくは複数の領域ないし全域における管壁内面に、管
軸と交叉する向きをなし前記ガス流体に対して攪拌作用
をなすフィンが適宜ピッチを有して形設されていること
を特徴としている。上記フィンは、管軸方向に管壁内面
を螺回する螺旋突起として、または管壁内面に沿って管
軸の周りを周回する円環状突起として形成される。管体
の入側端から出側端に到る管路内のフィンの形設領域、
管軸に対するフィンの交叉角θ、およびフィンのピッチ
等は、熱交換用管の使用条件、要求される熱伝達性能、
圧損の許容範囲等の具体的条件に応じて適宜決定され
る。
【０００６】
【作用】管軸と交叉（直交ないし斜交）する向きに形成
された管壁内面のフィンは、管路内の流体に対する攪拌
要素として機能し、攪拌作用による管内流体の乱流形成
の効果として、管内流体に対する管壁からの熱伝達性能
を高める。すなわち、本発明は、管壁の伝熱面積の増大
効果として熱伝達性能を高めている従来の熱交換用管と
異なって、管内流体に対するフィンの攪拌作用による乱
流形成に専ら依存し、乱流形成による強力な流体混合効
果として、管壁面から管軸部への径方向全体にわたる管
内流体の均一な温度分布と、所要温度への迅速な加熱昇
温を可能にしている。なお、管路内壁面に形設されるフ
ィンは、管内流体の加熱昇温を促進する反面において、
管内流体の圧損増加の要因となるが、管路径等に応じた
フィンの設計条件、例えば管軸との交叉角θ、ピッチｐ
等の適切な設計により、実操業に支障のない範囲内に圧
損を抑制しつつ、効果的な攪拌作用に基づく高熱伝達性
能を確保することができる。
された管壁内面のフィンは、管路内の流体に対する攪拌
要素として機能し、攪拌作用による管内流体の乱流形成
の効果として、管内流体に対する管壁からの熱伝達性能
を高める。すなわち、本発明は、管壁の伝熱面積の増大
効果として熱伝達性能を高めている従来の熱交換用管と
異なって、管内流体に対するフィンの攪拌作用による乱
流形成に専ら依存し、乱流形成による強力な流体混合効
果として、管壁面から管軸部への径方向全体にわたる管
内流体の均一な温度分布と、所要温度への迅速な加熱昇
温を可能にしている。なお、管路内壁面に形設されるフ
ィンは、管内流体の加熱昇温を促進する反面において、
管内流体の圧損増加の要因となるが、管路径等に応じた
フィンの設計条件、例えば管軸との交叉角θ、ピッチｐ
等の適切な設計により、実操業に支障のない範囲内に圧
損を抑制しつつ、効果的な攪拌作用に基づく高熱伝達性
能を確保することができる。
【０００７】図１および図２は、本発明による管壁内面
に対するフィンの形設態様の例を示している。図１にお
けるフィン２０は、管軸方向に管壁内面を螺回する螺旋
突起として形成され、図２のフィン２０は、管壁内面に
沿って管軸の周りを周回する円環状突起として形成され
ている。図１では、螺旋フィンを１条の螺旋突起で形成
した例を示しているが、複数条の螺旋突起として形成さ
れる場合もある。
に対するフィンの形設態様の例を示している。図１にお
けるフィン２０は、管軸方向に管壁内面を螺回する螺旋
突起として形成され、図２のフィン２０は、管壁内面に
沿って管軸の周りを周回する円環状突起として形成され
ている。図１では、螺旋フィンを１条の螺旋突起で形成
した例を示しているが、複数条の螺旋突起として形成さ
れる場合もある。
【０００８】図３は、螺旋突起からなるフィン２０を有
する管体について、管壁内面上の螺旋パターンを示す展
開図である。θは管軸１０ａに対するフィン２０の交叉
角、ｐはフィンのピッチ、Ｓは周長（＝πＤ，Ｄは管路
内口径）であり、この例におけるフィン２０のピッチｐ
は、１条の螺旋突起からなるので、螺旋突起に沿って管
軸の周りを１回転したときに進む管軸方向の距離「リー
ド」Ｌ（＝πＤ／tanθ）に等しい。複数条の螺旋突起
で螺旋フィン２０を形成する場合のフィンのピッチｐ
は、隣合う螺旋突起間の離隔幅（軸方向距離）として任
意に設定することができる。図４は、円環状突起からな
るフィンを有する管体における管壁内面の展開図であ
る。そのフィンの交叉角θは９０°であり、ピッチｐは
隣合うフィン２０間の管軸方向の離隔距離として任意の
値に設定することができる。
する管体について、管壁内面上の螺旋パターンを示す展
開図である。θは管軸１０ａに対するフィン２０の交叉
角、ｐはフィンのピッチ、Ｓは周長（＝πＤ，Ｄは管路
内口径）であり、この例におけるフィン２０のピッチｐ
は、１条の螺旋突起からなるので、螺旋突起に沿って管
軸の周りを１回転したときに進む管軸方向の距離「リー
ド」Ｌ（＝πＤ／tanθ）に等しい。複数条の螺旋突起
で螺旋フィン２０を形成する場合のフィンのピッチｐ
は、隣合う螺旋突起間の離隔幅（軸方向距離）として任
意に設定することができる。図４は、円環状突起からな
るフィンを有する管体における管壁内面の展開図であ
る。そのフィンの交叉角θは９０°であり、ピッチｐは
隣合うフィン２０間の管軸方向の離隔距離として任意の
値に設定することができる。
【０００９】管壁内面のフィンは、管路の入側端から出
側端に到る管軸方向の適宜位置における１の領域、また
は図５のように複数箇所の領域（同図は、管路入側端１
０1から出側端１０2 に到るＡ1,Ａ2,およびＡ3 の３箇
所の領域に形設した例である）、あるいは図６に示すよ
うに、入側端１０1 から出側端１０2 に到る管路のほぼ
全域Ａに亘つて形成される。１つの管路内におけるフィ
ンは、螺旋突起または円環突起のいずれか一方の突起か
らなるフィンとして形成され、あるいは両者を併用して
形成される。例えば、図５における領域Ａ1 に円環突起
のフィン、領域Ａ2,領域Ａ3 に螺旋突起のフィンを適用
する等、螺旋突起と円環突起の選択と組合せは任意であ
る。
側端に到る管軸方向の適宜位置における１の領域、また
は図５のように複数箇所の領域（同図は、管路入側端１
０1から出側端１０2 に到るＡ1,Ａ2,およびＡ3 の３箇
所の領域に形設した例である）、あるいは図６に示すよ
うに、入側端１０1 から出側端１０2 に到る管路のほぼ
全域Ａに亘つて形成される。１つの管路内におけるフィ
ンは、螺旋突起または円環突起のいずれか一方の突起か
らなるフィンとして形成され、あるいは両者を併用して
形成される。例えば、図５における領域Ａ1 に円環突起
のフィン、領域Ａ2,領域Ａ3 に螺旋突起のフィンを適用
する等、螺旋突起と円環突起の選択と組合せは任意であ
る。
【００１０】管壁内面のフィン２０は、管内流体の攪拌
要素として、管内流体に対する熱伝達性能を高めると同
時に、流体の圧損増大の因子ともなるが、管路口径に応
じたフィンのピッチｐ，交叉角θ等の適宜設計により、
圧損の増大を抑制しつつ、改良された高熱伝達性による
迅速な加熱昇温効果を確保することができる。管路内の
領域位置に応じてフィンのピッチｐを異ならしめること
は、熱伝達性能の向上と圧損抑制の両面の要請をバラン
スさせる有効な一法である。例えば、前記図５のように
管軸方向に断続した複数箇所の領域にフィンを形設する
場合において、任意の１の領域（領域ｉ）におけるフィ
ンのピッチｐi と、それに隣接する領域（ｊ）のフィン
のピッチｐj を異なる大きさに設定してピッチｐの粗密
を管軸方向に反復させる形設態様が採用される。前記図
６のように管路のほぼ全域に亘つてフィンを形設する場
合においても、その一連の領域を複数の連続した領域部
分に分け、上記と同じように隣合う領域部分毎にフィン
のピッチｐを異ならしめ、管軸方向にピッチｐの粗密が
反復する形設態様を採用することができる。
要素として、管内流体に対する熱伝達性能を高めると同
時に、流体の圧損増大の因子ともなるが、管路口径に応
じたフィンのピッチｐ，交叉角θ等の適宜設計により、
圧損の増大を抑制しつつ、改良された高熱伝達性による
迅速な加熱昇温効果を確保することができる。管路内の
領域位置に応じてフィンのピッチｐを異ならしめること
は、熱伝達性能の向上と圧損抑制の両面の要請をバラン
スさせる有効な一法である。例えば、前記図５のように
管軸方向に断続した複数箇所の領域にフィンを形設する
場合において、任意の１の領域（領域ｉ）におけるフィ
ンのピッチｐi と、それに隣接する領域（ｊ）のフィン
のピッチｐj を異なる大きさに設定してピッチｐの粗密
を管軸方向に反復させる形設態様が採用される。前記図
６のように管路のほぼ全域に亘つてフィンを形設する場
合においても、その一連の領域を複数の連続した領域部
分に分け、上記と同じように隣合う領域部分毎にフィン
のピッチｐを異ならしめ、管軸方向にピッチｐの粗密が
反復する形設態様を採用することができる。
【００１１】また、管路の複数箇所の領域ないし全域に
フィンが形設される管体において、入側端から管路の途
中に到る上流側域のフィンを比較的密なピッチｐ1 と
し、下流側域のフィンを比較的粗なピッチｐ2 （ｐ1 ＜
ｐ2 ）とする場合には、上流側での強い攪拌作用による
迅速加熱昇温が確保されると共に、出側端に到る下流側
における圧損増大が抑制緩和される。管路の下流側で強
い攪拌作用による管内流体の迅速加熱昇温を望む場合に
は、上流側と下流側におけるフィンのピッチを上記と逆
の関係（ｐ1 ＞ｐ2 ）に設定すればよい。フィンの高さ
ｈ（図１，図２参照）は、管路の口径Ｄ等に応じて適宜
設定される。管路内の形設位置により、フィン高さｈを
異ならしめ、例えば、隣合う領域のフィンに高低の差異
を与え、あるいは管路の上流側（または下流側）のフィ
ン高さｈを比較的大きく、下流側（または上流側）にお
けるそれを小さく設計することも、攪拌作用による熱伝
達性能をより高めながら、圧損の増大を抑制するための
一法として採用される。
フィンが形設される管体において、入側端から管路の途
中に到る上流側域のフィンを比較的密なピッチｐ1 と
し、下流側域のフィンを比較的粗なピッチｐ2 （ｐ1 ＜
ｐ2 ）とする場合には、上流側での強い攪拌作用による
迅速加熱昇温が確保されると共に、出側端に到る下流側
における圧損増大が抑制緩和される。管路の下流側で強
い攪拌作用による管内流体の迅速加熱昇温を望む場合に
は、上流側と下流側におけるフィンのピッチを上記と逆
の関係（ｐ1 ＞ｐ2 ）に設定すればよい。フィンの高さ
ｈ（図１，図２参照）は、管路の口径Ｄ等に応じて適宜
設定される。管路内の形設位置により、フィン高さｈを
異ならしめ、例えば、隣合う領域のフィンに高低の差異
を与え、あるいは管路の上流側（または下流側）のフィ
ン高さｈを比較的大きく、下流側（または上流側）にお
けるそれを小さく設計することも、攪拌作用による熱伝
達性能をより高めながら、圧損の増大を抑制するための
一法として採用される。
【００１２】エチレン製造用反応管においては、高速度
で給送される管内ガス流体の迅速な加熱昇温のために、
管軸方向の少なくとも３箇所の領域、ないし管路の全長
に亘つてフィンを形設するのが望ましい。管路口径Ｄ約
１５０mm以下の反応管において、ピッチｐは約２０〜３
５０mm、交叉角θは約１５°以上、フィン高さｈは約１
〜１５mmが適当である。管軸方向に断続する複数の領域
にフィンを形設する場合、各領域の管軸方向長さは約１
ｍ以上とするのがよく、隣合う領域間の離隔距離は、例
えば５０〜２０００mm程度である。管路のぼぼ全域に亘
つてフィンが形設される管体において、その領域を連続
した複数部分に分け、各領域部分毎にピッチｐ等の異な
る形設態様をもたせる場合、各領域部分の管軸方向長さ
は、約１ｍ以上としてよい。なお、フィンの肉厚ｔは、
管路口径等に応じて約５〜１０mm程度の範囲内で設定す
ればよい。
で給送される管内ガス流体の迅速な加熱昇温のために、
管軸方向の少なくとも３箇所の領域、ないし管路の全長
に亘つてフィンを形設するのが望ましい。管路口径Ｄ約
１５０mm以下の反応管において、ピッチｐは約２０〜３
５０mm、交叉角θは約１５°以上、フィン高さｈは約１
〜１５mmが適当である。管軸方向に断続する複数の領域
にフィンを形設する場合、各領域の管軸方向長さは約１
ｍ以上とするのがよく、隣合う領域間の離隔距離は、例
えば５０〜２０００mm程度である。管路のぼぼ全域に亘
つてフィンが形設される管体において、その領域を連続
した複数部分に分け、各領域部分毎にピッチｐ等の異な
る形設態様をもたせる場合、各領域部分の管軸方向長さ
は、約１ｍ以上としてよい。なお、フィンの肉厚ｔは、
管路口径等に応じて約５〜１０mm程度の範囲内で設定す
ればよい。
【００１３】エチレン製造用反応管における迅速加熱昇
温と圧損抑制の両面のバランスを考慮して、螺旋突起か
らなるフィンを設ける場合の一例を下記に示す。 管路口径Ｄ約１５０〜１００mmの反応管 交叉角θ：40〜85°，ピッチｐ：20〜150 mm。 管路径Ｄ約１００〜５０mmの反応管 交叉角θ：25〜65°，ピッチｐ：50〜300mm 。 管路径Ｄ約５０mm以下の反応管 交叉角θ：25〜45°，ピッチｐ：50〜300mm 。 また、螺旋突起に代え、円環状突起（交叉角θ＝90°）
を適用する場合のフィンの形設態様の例として、管路口
径Ｄ約１５０〜１００mmの反応管では、ピッチｐ 50 〜
150mm 、管路口径Ｄ約１００〜５０mmの反応管では、ピ
ッチｐ 100〜350mm 、管路口径Ｄ約５０mm以下の反応管
では、ピッチｐ 100〜350mm 、とする形設態様が挙げら
れる。上記反応管の管路内のフィンの形設には、所望に
より、ピッチｐの管軸方向における領域毎の粗密の変化
やフィン高さｈの変化等の前記した種々の形設態様が適
宜採用される。
温と圧損抑制の両面のバランスを考慮して、螺旋突起か
らなるフィンを設ける場合の一例を下記に示す。 管路口径Ｄ約１５０〜１００mmの反応管 交叉角θ：40〜85°，ピッチｐ：20〜150 mm。 管路径Ｄ約１００〜５０mmの反応管 交叉角θ：25〜65°，ピッチｐ：50〜300mm 。 管路径Ｄ約５０mm以下の反応管 交叉角θ：25〜45°，ピッチｐ：50〜300mm 。 また、螺旋突起に代え、円環状突起（交叉角θ＝90°）
を適用する場合のフィンの形設態様の例として、管路口
径Ｄ約１５０〜１００mmの反応管では、ピッチｐ 50 〜
150mm 、管路口径Ｄ約１００〜５０mmの反応管では、ピ
ッチｐ 100〜350mm 、管路口径Ｄ約５０mm以下の反応管
では、ピッチｐ 100〜350mm 、とする形設態様が挙げら
れる。上記反応管の管路内のフィンの形設には、所望に
より、ピッチｐの管軸方向における領域毎の粗密の変化
やフィン高さｈの変化等の前記した種々の形設態様が適
宜採用される。
【００１４】次に、本発明に従って管壁内面にフィンを
形設した管体（供試管Ａ）について、エチレン製造用反
応管の使用条件を模擬した熱流体解析結果について説明
する。フィンの形設態様および解析条件は下記のとおり
である。 (1)管路 口径Ｄ：60mm, 管路長さ：10ｍ。 (2)フィン形設態様 円環状突起からなるフィンを、前記図６のように管路の
入側端から出側端に到るほぼ全域に形成（フィン高さｈ
3mm, 肉厚ｔ 5mm）。フィンのピッチｐは、上流側（管
路入側端から管路全長の約４０％を占める領域）におい
て１００mm、下流側（管路全長の約６０％を占める下流
側領域）において３００mm。
形設した管体（供試管Ａ）について、エチレン製造用反
応管の使用条件を模擬した熱流体解析結果について説明
する。フィンの形設態様および解析条件は下記のとおり
である。 (1)管路 口径Ｄ：60mm, 管路長さ：10ｍ。 (2)フィン形設態様 円環状突起からなるフィンを、前記図６のように管路の
入側端から出側端に到るほぼ全域に形成（フィン高さｈ
3mm, 肉厚ｔ 5mm）。フィンのピッチｐは、上流側（管
路入側端から管路全長の約４０％を占める領域）におい
て１００mm、下流側（管路全長の約６０％を占める下流
側領域）において３００mm。
【００１５】(3)管壁温度：1300°Ｋ (4)管内流体 流速：１００ｍ（管路滞留時間：０．１秒） 温度（管路入側端）：７００°Ｋ 動粘性係数：１０２．７mm2 / ｓ レイノルズ数：48685
【００１６】図７は、上記流体解析による反応管（供試
管Ａ）の管内流体の温度分布を示している。エチレンへ
の熱分解反応の温度域は、領域ａ（1093〜1120°Ｋ）で
ある。図８は、フィンを有しない通常の管体（管路径Ｄ
および管路長さは、供試管Ａと同じ）であるストレート
管（供試管Ｂ）について、上記と同一の流体解析条件下
に得られた管内流体の温度分布を示している。図７およ
び図８に示したとおり、フィンを有しないストレート反
応管Ｂ（図８）における管径方向の温度勾配は大きく、
管軸付近の流体は、管路全長の約４／５（ｘ2 位置）を
通過した後にようやく熱分解反応に必要な温度域ａにな
っているのに対し、フィンを有する反応管Ａ（図７）で
は、管径方向の温度勾配が著しく小さく、管路の約２／
５（ｘ1 位置）を通過した時点で、既に管軸部まで熱分
解反応に必要な温度域ａに到達し、更には温度域ｉに達
する程の迅速な加熱昇温性能を有している。
管Ａ）の管内流体の温度分布を示している。エチレンへ
の熱分解反応の温度域は、領域ａ（1093〜1120°Ｋ）で
ある。図８は、フィンを有しない通常の管体（管路径Ｄ
および管路長さは、供試管Ａと同じ）であるストレート
管（供試管Ｂ）について、上記と同一の流体解析条件下
に得られた管内流体の温度分布を示している。図７およ
び図８に示したとおり、フィンを有しないストレート反
応管Ｂ（図８）における管径方向の温度勾配は大きく、
管軸付近の流体は、管路全長の約４／５（ｘ2 位置）を
通過した後にようやく熱分解反応に必要な温度域ａにな
っているのに対し、フィンを有する反応管Ａ（図７）で
は、管径方向の温度勾配が著しく小さく、管路の約２／
５（ｘ1 位置）を通過した時点で、既に管軸部まで熱分
解反応に必要な温度域ａに到達し、更には温度域ｉに達
する程の迅速な加熱昇温性能を有している。
【００１７】図９は、上記反応管Ｂと同じくフィンを有
しない反応管（供試管Ｃ）を使用して、フィンを有する
反応管Ａとほぼ同等の加熱昇温を行わせている例であ
る。反応管Ｃの管路径Ｄは３８mmである。図１０は、反
応管Ｃと反応管Ａにおける管軸部の流体温度を示してい
る（図中、イ：反応管Ａ，ロ：反応管Ｃ）。反応管Ｃ
（ストレート管）は、フィンを有する反応管Ａと同等の
熱伝達性能を有してはいるが、その管径（Ｄ＝３８mm）
は、反応管Ａの管径（Ｄ＝６０mm）に比し著しく小径で
ある。このことは、管壁内面のフィンの形設の効果とし
て、ストレート管に対し、管路口径を大幅に拡大でき、
大径管の使用が可能となることを意味している。
しない反応管（供試管Ｃ）を使用して、フィンを有する
反応管Ａとほぼ同等の加熱昇温を行わせている例であ
る。反応管Ｃの管路径Ｄは３８mmである。図１０は、反
応管Ｃと反応管Ａにおける管軸部の流体温度を示してい
る（図中、イ：反応管Ａ，ロ：反応管Ｃ）。反応管Ｃ
（ストレート管）は、フィンを有する反応管Ａと同等の
熱伝達性能を有してはいるが、その管径（Ｄ＝３８mm）
は、反応管Ａの管径（Ｄ＝６０mm）に比し著しく小径で
ある。このことは、管壁内面のフィンの形設の効果とし
て、ストレート管に対し、管路口径を大幅に拡大でき、
大径管の使用が可能となることを意味している。
【００１８】図１１は、上記反応管Ａ（フィン付き）お
よび反応管Ｃ（ストレート管）における管内流体の管軸
方向の圧力の変化（管路入側端を基準とする圧損）を示
している（イ：反応管Ａ，ロ：反応管Ｃ）。反応管Ａの
圧損は反応管Ｃのそれに比し大きいが、熱分解操業の遂
行に支障のない圧損レベルに保持されている。反応管Ａ
に関し、所望により、管内流体の速度を若干低くして、
出側端の圧力変化を反応管Ｃと同等にすることも可能で
ある。なお、同図のグラフ（イ）〔反応管Ａ〕の勾配
は、Ｉ点の左側（管路上流側）に比べ、右側（下流側）
において著しく緩慢化している。この勾配の変化は、フ
ィンのピッチｐの粗密の変化（上流側のピッチｐは密
で、下流側のそれは粗である）に対応している。このよ
うに、フィンのピッチｐを、管路の上流側と下流側とで
変化させることは、フィンの攪拌作用による高熱伝導性
能を確保しつつ、圧損増大を緩和するのに有効である。
よび反応管Ｃ（ストレート管）における管内流体の管軸
方向の圧力の変化（管路入側端を基準とする圧損）を示
している（イ：反応管Ａ，ロ：反応管Ｃ）。反応管Ａの
圧損は反応管Ｃのそれに比し大きいが、熱分解操業の遂
行に支障のない圧損レベルに保持されている。反応管Ａ
に関し、所望により、管内流体の速度を若干低くして、
出側端の圧力変化を反応管Ｃと同等にすることも可能で
ある。なお、同図のグラフ（イ）〔反応管Ａ〕の勾配
は、Ｉ点の左側（管路上流側）に比べ、右側（下流側）
において著しく緩慢化している。この勾配の変化は、フ
ィンのピッチｐの粗密の変化（上流側のピッチｐは密
で、下流側のそれは粗である）に対応している。このよ
うに、フィンのピッチｐを、管路の上流側と下流側とで
変化させることは、フィンの攪拌作用による高熱伝導性
能を確保しつつ、圧損増大を緩和するのに有効である。
【００１９】管壁内面にフィンを形設することにより得
られる改良された高熱伝達性能に基づいて、エチレン製
造用反応管では、熱分解炉のコンパクト設計、製造能力
の増大、運転管理の容易化等が可能となる。すなわち、
管内流体を迅速に中心部まで熱分解温度に加熱できるの
で、管内流体の送給は、管径を縮小した場合と同様の高
速送給とすることができ、管径の拡大と流体の高速送給
の効果として同一設備における製造能力が大幅に高めら
れる。また、製造能力を損なわずに、管路の長さを大幅
に短縮することも可能となる。例えば、前記図７の反応
管Ａと、図８の反応管Ｂとを比較すると、後者では管内
流体を管軸部まで熱分解温度に上昇させるのに、管路全
長の約４／５に到る滞留時間を要しているのに対し、前
者においては、管路全長の約２／５の滞留時間で管軸部
まで熱分解温度に到達しており、このことは、前者の反
応管を使用することにより、後者の反応管と同等のエチ
レン製造能力を維持しつつ、管長を後者の約半分ないし
それ以下のサイズに短縮でき、熱分解炉のコンパクト設
計を可能とすることを示唆している。更に、管径の縮小
化により熱伝達性を高めている従来の反応管と異なっ
て、本発明では比較的大きい管径を採用しながら、高熱
伝達性能を確保できるので、同じ製造能力を維持するに
必要な管本数を削減することができ、例えば前記供試管
Ｃ（管径Ｄ＝３８mm）から、供試管Ａ（管径Ｄ＝６０m
m）への管径拡大により、反応管の炉内設置本数は、半
分以下に削減することが可能となる。
られる改良された高熱伝達性能に基づいて、エチレン製
造用反応管では、熱分解炉のコンパクト設計、製造能力
の増大、運転管理の容易化等が可能となる。すなわち、
管内流体を迅速に中心部まで熱分解温度に加熱できるの
で、管内流体の送給は、管径を縮小した場合と同様の高
速送給とすることができ、管径の拡大と流体の高速送給
の効果として同一設備における製造能力が大幅に高めら
れる。また、製造能力を損なわずに、管路の長さを大幅
に短縮することも可能となる。例えば、前記図７の反応
管Ａと、図８の反応管Ｂとを比較すると、後者では管内
流体を管軸部まで熱分解温度に上昇させるのに、管路全
長の約４／５に到る滞留時間を要しているのに対し、前
者においては、管路全長の約２／５の滞留時間で管軸部
まで熱分解温度に到達しており、このことは、前者の反
応管を使用することにより、後者の反応管と同等のエチ
レン製造能力を維持しつつ、管長を後者の約半分ないし
それ以下のサイズに短縮でき、熱分解炉のコンパクト設
計を可能とすることを示唆している。更に、管径の縮小
化により熱伝達性を高めている従来の反応管と異なっ
て、本発明では比較的大きい管径を採用しながら、高熱
伝達性能を確保できるので、同じ製造能力を維持するに
必要な管本数を削減することができ、例えば前記供試管
Ｃ（管径Ｄ＝３８mm）から、供試管Ａ（管径Ｄ＝６０m
m）への管径拡大により、反応管の炉内設置本数は、半
分以下に削減することが可能となる。
【００２０】本発明の熱交換用管は、用途・使用条件に
応じて選ばれる耐熱合金（例えば、25Ｃｒ-20 Ｎｉ（SC
H22),25 Ｃｒ-35 Ｎｉ(SCH24),インコロイ等）からなる
管体に、耐熱合金からなるフィンを、溶接施工、例えば
粉体プラズマ・アーク溶接，非溶極式不活性ガスアーク
溶接，溶極性不活性ガスアーク溶接等の肉盛溶接施工で
管壁内面に形設することにより製作される。フィンは、
その溶接施工における管体の管軸を中心とする回転運動
と溶接トーチの連続的または断続的な管軸方向の移動操
作により、螺旋突起または円環状突起として形成され
る。
応じて選ばれる耐熱合金（例えば、25Ｃｒ-20 Ｎｉ（SC
H22),25 Ｃｒ-35 Ｎｉ(SCH24),インコロイ等）からなる
管体に、耐熱合金からなるフィンを、溶接施工、例えば
粉体プラズマ・アーク溶接，非溶極式不活性ガスアーク
溶接，溶極性不活性ガスアーク溶接等の肉盛溶接施工で
管壁内面に形設することにより製作される。フィンは、
その溶接施工における管体の管軸を中心とする回転運動
と溶接トーチの連続的または断続的な管軸方向の移動操
作により、螺旋突起または円環状突起として形成され
る。
【００２１】
【発明の効果】本発明の熱交換用管は、管壁内面に設け
たフィンの管内流体に対する攪拌・均一混合効果とし
て、著しく高い熱伝達性能を有し、その高熱伝達性能
は、管径の縮小を必要とせず、管径の大きい管において
も確保される。従って、エチレン製造用熱分解炉の反応
管として適用する場合は、管内流体の高速送給の維持，
管径拡大等による製造能力の大幅な増大、あるいは管長
の短縮による炉のコンパクト設計、炉内配管本数の削減
による運転管理の容易化等が可能となり、その工業的価
値は極めて大である。本発明の熱交換用管は、この他
に、例えば蒸気発生用ボイラーチューブ，都市ゴミ焼却
炉発電用スーパーヒータチューブ，鋼材熱処理炉用ラジ
アントチューブ, 還元製鉄用プレヒータチューブ等とし
て有用であり、その高熱伝達性能により、設備能力の増
強，コンパクト化，運転管理の負担軽減等の効果を奏す
る。
たフィンの管内流体に対する攪拌・均一混合効果とし
て、著しく高い熱伝達性能を有し、その高熱伝達性能
は、管径の縮小を必要とせず、管径の大きい管において
も確保される。従って、エチレン製造用熱分解炉の反応
管として適用する場合は、管内流体の高速送給の維持，
管径拡大等による製造能力の大幅な増大、あるいは管長
の短縮による炉のコンパクト設計、炉内配管本数の削減
による運転管理の容易化等が可能となり、その工業的価
値は極めて大である。本発明の熱交換用管は、この他
に、例えば蒸気発生用ボイラーチューブ，都市ゴミ焼却
炉発電用スーパーヒータチューブ，鋼材熱処理炉用ラジ
アントチューブ, 還元製鉄用プレヒータチューブ等とし
て有用であり、その高熱伝達性能により、設備能力の増
強，コンパクト化，運転管理の負担軽減等の効果を奏す
る。
【図１】螺旋突起からなるフィンを有する管体を示す軸
方向断面図である。
方向断面図である。
【図２】円環突起からなるフィンを有する管体を示す軸
方向断面図である。
方向断面図である。
【図３】螺旋突起を有する管体の管壁内面の展開図であ
る。
る。
【図４】円環突起を有する管体の管壁内面の展開図であ
る。
る。
【図５】管壁内面のフィンの形設分布の例を示す軸方向
断面説明図である。
断面説明図である。
【図６】管壁内面のフィンの形設分布の例を示す軸方向
断面説明図である。
断面説明図である。
【図７】フィンを備えた熱交換用管における管内流体の
温度分布を示す図である。
温度分布を示す図である。
【図８】フィンを有しない熱交換用管における管内流体
の温度分布を示す図である。
の温度分布を示す図である。
【図９】フィンを有しない熱交換用管における管内流体
の温度分布を示す図である。
の温度分布を示す図である。
【図１０】熱交換用管内における管軸部の流体温度を示
すグラフである。
すグラフである。
【図１１】熱交換用管内における流体圧力を示すグラフ
である。
である。
【図１２】従来の熱交換用管の例を示す径方向断面図で
ある。
ある。
１０ ：熱交換用管 １０1 ：管路入側端 １０2 ：管路出側端 １０ａ：管軸 １０ｓ：管壁内面 ２０：フィン ｐ ：フィンのピッチ θ ：管軸に対するフィンの交叉角 Ｄ ：管路径 ｈ ：フィン高さ ｔ ：フィン肉厚
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−127896（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−263792（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−200095（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−223494（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−122965（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭57−127659（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F28F 1/40 B21D 53/06
Claims (6)
- 【請求項１】 管内にガス流体が送給され、熱分解反応
を行うエチレン製造用反応管において、管路の入側端か
ら出側端に到る管軸方向の１もしくは複数の領域ないし
全域における管壁内面に、管軸と交叉する向きをなし前
記ガス流体に対して攪拌作用をなすフィンが適宜ピッチ
を有して形設されていることを特徴とするエチレン製造
用反応管。 - 【請求項２】 フィンが、管軸と直交する向きに管壁内
面を周回する円環状突起、または管軸方向に管壁内面を
螺回する螺旋突起からなり、管路の入側端から出側端に
到る少なくとも３つの領域ないしは全域に形設されてい
ることを特徴とする請求項１に記載のエチレン製造用反
応管。 - 【請求項３】 管路口径が１５０mm以下であるエチレン
製造用反応管において、フィンのピッチｐが２０〜３５
０ｍｍ、管軸に対するフィンの交叉角θが１５゜〜９０
゜、フィンの高さｈが１〜１５ｍｍ、であることを特徴
とする請求項２に記載のエチレン製造用反応管。 - 【請求項４】 入側端から出側端に到る３箇所以上の領
域もしくはほぼ全域にフィンが形設され、断続または連
続する複数の領域における任意の１の領域のフィンのピ
ッチｐｉと、それに隣接する領域のフィンのピッチｐｊ
とが、相異なる大きさであることを特徴とする請求項３
に記載のエチレン製造用反応管。 - 【請求項５】 各領域の管軸方向長さが１ｍ以上である
ことを特徴とする請求項４に記載のエチレン製造用反応
管。 - 【請求項６】 管路の入側端から略中央部付近までの上
流側域におけるフィンのピッチｐ１と、中央部付近から
出側端に到る下流側域におけるフィンのピッチｐ２と
が、ｐ１＜ｐ２、またはｐ１＞ｐ２であることを特徴と
する請求項３ないし請求項５のいずれか１つに記載のエ
チレン製造用反応管。
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7137785A JP3001181B2 (ja) | 1994-07-11 | 1995-06-05 | エチレン製造用反応管 |
| CA002153527A CA2153527C (en) | 1994-07-11 | 1995-07-10 | Heat exchange tubes |
| DE69522868T DE69522868T2 (de) | 1994-07-11 | 1995-07-10 | Verfahren zum Herstellen von Äthylen |
| EP95110758A EP0692693B1 (en) | 1994-07-11 | 1995-07-10 | Method for producing ethylene |
| CN95109989A CN1093250C (zh) | 1994-07-11 | 1995-07-11 | 在热裂解管中通过热裂解反应生产乙烯的方法 |
| KR1019950020250A KR100288324B1 (ko) | 1994-07-11 | 1995-07-11 | 에틸렌 제조방법 |
| TW084107215A TW278127B (ja) | 1994-07-11 | 1995-07-12 | |
| US08/814,693 US5950718A (en) | 1994-07-11 | 1997-03-11 | Heat exchange tubes |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6-158387 | 1994-07-11 | ||
| JP15838794 | 1994-07-11 | ||
| JP7137785A JP3001181B2 (ja) | 1994-07-11 | 1995-06-05 | エチレン製造用反応管 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0882494A JPH0882494A (ja) | 1996-03-26 |
| JP3001181B2 true JP3001181B2 (ja) | 2000-01-24 |
Family
ID=26470989
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7137785A Expired - Lifetime JP3001181B2 (ja) | 1994-07-11 | 1995-06-05 | エチレン製造用反応管 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5950718A (ja) |
| EP (1) | EP0692693B1 (ja) |
| JP (1) | JP3001181B2 (ja) |
| KR (1) | KR100288324B1 (ja) |
| CN (1) | CN1093250C (ja) |
| CA (1) | CA2153527C (ja) |
| DE (1) | DE69522868T2 (ja) |
| TW (1) | TW278127B (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102450647B1 (ko) * | 2022-04-19 | 2022-10-07 | 주식회사 대신기계 | 횡형 열교환기용 튜브 제조방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US7311137B2 (en) * | 2002-06-10 | 2007-12-25 | Wolverine Tube, Inc. | Heat transfer tube including enhanced heat transfer surfaces |
| DK1845327T3 (da) * | 2002-06-10 | 2009-03-09 | Wolverine Tube Inc | Fremgangsmåde til fremstilling af et varmeoverföringsrör |
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| DE10233961A1 (de) * | 2002-07-25 | 2004-02-12 | Schmidt + Clemens Gmbh + Co. Edelstahlwerk Kaiserau | Verfahren zum thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen |
| CN100342199C (zh) * | 2002-11-15 | 2007-10-10 | 株式会社久保田 | 具有螺旋翅片的裂化管 |
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| DE202004016252U1 (de) * | 2004-08-12 | 2005-12-22 | Schmidt + Clemens Gmbh & Co. Kg | Verbundrohr und eine Anlage zum thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen in Anwesenheit von Dampf |
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