JP5289811B2

JP5289811B2 - 反応管

Info

Publication number: JP5289811B2
Application number: JP2008091165A
Authority: JP
Inventors: 実日根野; 正樹三宅
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009243783A

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反応管に関するものであり、より具体的には、管内を流れる流体に対して乱流を発生させる乱流生起部を管内面に有する反応管において、管どうしを接続する溶接部の経年損傷を低減することのできる反応管に関するものである。

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、エタン等)の原料流体を外部から加熱された反応管に高速流通させ、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。一般的に反応管は、真っ直ぐな管(以下「直管」と称する)どうし、又は、直管と湾曲した管(以下「ベンド管」と称する)とを溶接することで、全長を長くして使用される。

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。原料流体を過加熱すると、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等により、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ずる。

そこで、管内を流通する流体を撹拌させるために、フィン状の突起を設けている(例えば、特許文献１参照)。フィン状の突起は、管内面に連続的又は断続的に形成された凸部であり、高速流通する流体は凸部による撹拌を受け、熱伝達が促進されて、急速に加熱昇温することが可能となる。この結果、反応を短時間で完結させることができ、過分解に伴う軽質化が回避される。また、フィン状の突起を形成することにより、反応管の熱伝達効率が向上し、反応管の加熱温度を低くすることが可能となり、反応管の耐用寿命向上の効果がもたらされる。

再公表特許ＷＯ２００４−０４６２７７号公報

反応管の寿命は、エチレン分解管の場合、一般的に約５〜１０年である。反応管は、経年損傷(使用中の材料劣化、例えば、浸炭やクリープ損傷)によって損傷を受けるが、特に、管どうしを接続する溶接部は、母材である直管部分に比してクリープ強度が弱いため、経年損傷を受けやすい。
従って、上記溶接部の経年損傷を低減させることで、反応管の長寿命化を達成できる。

本発明の目的は、管どうしを接続する溶接部の経年損傷を低減することにより長寿命化を達成することのできる反応管を提供することである。

上記課題を解決するために本発明の反応管は、
管内を流れる炭化水素流体に対して乱流を発生させる乱流生起部の凸部及び／又は凹部が管内面に連続的又は断続的に連なって存在している反応管において、
乱流生起部により発生した乱流により、所定の流体撹拌領域を乱流生起部下流側の管壁近傍に形成しており、
少なくとも一方の管端部、又は管どうしを接続する溶接部は、管内面における管周方向長さの少なくとも二分の一を前記流体撹拌領域とすることで、該流体撹拌領域に含まれる溶接部の温度を、流体撹拌領域から外れ、溶接部から上流側に６０ｍｍだけ離れた位置の温度と比較して、前記溶接部の温度を２４〜３０℃低く抑えるようにした。
これにより、他部材と溶接予定の管端部、又は管どうしを接続する溶接部において、管内流体に乱流が発生し流体が撹拌を受けて熱伝達が促進され、反応管の他の部分に比して、前記溶接部の温度上昇を抑えることができる。従って、溶接部及びその近傍の経年損傷を低減でき、反応管の長寿命化を達成することができる。

乱流生起部が、管内面に存在する凸部及び／又は凹部であって、凸部及び／又は凹部を、連続的又は断続的に連なって存在するよう形成することが望ましい。
上記のように乱流生起部を形成することにより、溶接部を流体撹拌領域におくことにより、溶接部の温度上昇を可及的に抑えることができる。

上記の如く、流体撹拌領域に乱流生起部を形成することで、溶接部は、他の領域よりも１０〜３５℃の温度差を生じる領域とすることができ、溶接部の経年損傷が低減され、反応管の長寿命化が達成される。

反応管は、一般的に、複数の直管を屈曲したベンド管で接続し、蛇行した形状に構成され、熱分解炉に配備されて、管外部から加熱を受ける。

図１は、本発明の反応管(10)(12)(直管)どうしの接続部分を管軸に沿って断面して示す図である。図に示すように、上流側の反応管(10)と下流側の反応管(12)は、溶接部(20)により接続される。流体の流れ方向を図中矢印で示している。
なお、本願において、溶接部(20)とは、溶接によって熱影響を受ける領域を意味し、具体的には、溶接時に反応管(10)(12)どうしを突き合わせた面から夫々管軸方向に１０ｍｍずつまでの帯状に存在する管壁の範囲を言う。

反応管(10)及び／又は反応管(12)の内面には、溶接部(20)の近傍に乱流生起部(30)が形成されている。乱流生起部(30)は、管内を流通する流体を撹拌させる凸部及び／又は凹部であり、管内面に連続的に形成された突条又は凹溝、断続的に連なって形成された突起又は凹みを例示できる。
乱流生起部(30)は、管軸に対して、螺旋状又は円環状とすることができ、螺旋状の場合、１条又は複数条の連続又は断続的に連なる形状とすることができる。円環状の場合、一重又は複数の環状の連続又は断続的に連なる形状とすることができる。

乱流生起部(30)に、流体が当たることにより、乱流が生じ、乱流生起部(30)の近傍の流体が撹拌される。この撹拌を受ける領域を、流体撹拌領域(40)と称する。
流体撹拌領域(40)は、乱流生起部(30)の下流側に形成される。流体撹拌領域(40)は、反応管(10)(12)の内径や、乱流生起部(30)の形状、高さ等により左右されるが、管内の流体流速が５０〜３００ｍ／ｓｅｃの場合、乱流生起部(30)の下流側の約５０ｍｍ以下の範囲に生ずる。

従って、溶接部(20)に乱流生起部(30)による撹拌流体の影響が及ぶようにするために、溶接部(20)が、流体撹拌領域(40)に含まれる必要があり、上記の場合、乱流生起部(30)は、溶接部(20) の管軸方向中央から流体の管軸方向上流側に４０ｍｍ以下の距離に形成する。

乱流生起部(30)を凸部とする場合、凸部は、肉盛ビード溶接により形成することができる。凸部は、反応管(10)(12)の内径が３０〜３００ｍｍの場合、高さは１〜１５ｍｍとすることが望ましい。凸部は、凸部の頂点から溶接部(20)の管軸方向の中央までの距離を４０ｍｍ以下となるように形成することで、溶接部(20)を流体撹拌領域(40)に含むことができる。
凸部は、反応管(10)(12)と同種の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)を例示できる。この他、反応管(10)(12)の使用環境に耐え得る種々の耐熱合金材料を適宜使用することができる。

乱流生起部(30)を螺旋状とする場合、螺旋の角度は、６０〜８５°とすることが望ましいが、図２に示すように、溶接部(20)近傍では乱流生起部(30)が溶接部(20)に沿うように、溶接部(20)に近接させることで溶接部(20)を流体撹拌領域に納めるようにしてもよい。

さらに、乱流生起部(30)は、図３に示すように、溶接部(20)の近傍のみ複数条(例えば２〜８条)として、流体撹拌領域を構成してもよい。

何れの場合においても、乱流生起部(30)は、管内面を一周する必要はないが、乱流生起部(30)の管軸方向に投影された管軸方向に垂直な総延長が、管内周長さの少なくとも二分の一以上となるようにすることが望ましい。

反応管(10)(12)の溶接部(20)の近傍以外の箇所、即ち、流体撹拌領域(40)以外の部分は、必要に応じて、図４及び図５に示すように、乱流生起部(30)に連続して又は断続的に、螺旋状又は円環状の凸部(50)及び／又は凹部を形成することができる。なお、流体撹拌領域(40)以外の部分には、凸部及び／又は凹部を設けない構造としてもよい。

上記のように、反応管(10)(12)どうしの溶接部(20)に流体撹拌領域(40)を形成することで、溶接部(20)及びその近傍における管内流体の乱流発生効果により、溶接部(20)の温度上昇を抑えることができる。これにより、溶接部(20)の経年損傷を低減でき、反応管(10)(12)の長寿命化を達成できる。

上記では、反応管(10)(12)を溶接した状態について説明したが、本発明は、溶接による接続が予定される反応管単体に予め乱流生起部(30)を形成しておくことにより実現できるものであり、本発明の範囲が、溶接前の反応管単体にも及ぶことは勿論である。

図１乃至図５に示した発明例１〜発明例５と、溶接部を含め、全長に亘って螺旋フィン状の突起を形成した比較例１を作製し、炉中にて外部加熱しながら、管内部に以下の条件で流体を流通させ、溶接部及びその近傍の温度を測定した。

実験条件は次の通りである。
・試験流体：空気
・流体温度：８１５℃
・レイノルズ数：９２０００

温度測定は、溶接部、流体撹拌領域に含まれる溶接部の上流及び下流側の１０ｍｍの位置、及び流体撹拌領域から外れる溶接部から上流及び下流側に６０ｍｍだけ離れた位置について行なった。結果を表１に示している。

表１を参照すると、発明例は、溶接部及び流体撹拌領域における温度上昇が、比較例に比して１０〜３５℃低く抑えられていることがわかる。即ち、本発明の如く、反応管の溶接部に乱流生起部を設けたことで、反応管の溶接部及びその近傍における温度上昇を防止させることができ、溶接部の経年損傷を低減できることがわかる。

本発明は、管端部又は管どうしを接続する溶接部の経年損傷を低減することのできる反応管として有用である。

溶接部に螺旋状の乱流生起部を形成した反応管(発明例１)の断面図である。溶接部に近づくにつれて溶接部に近接する乱流生起部を形成した反応管(発明例２)の断面図である。溶接部に複数条の乱流生起部を形成した反応管(発明例３)の断面図である。溶接部に複数条の乱流生起部を形成し、流体撹拌領域以外の部分に螺旋状の突起を形成した反応管(発明例４)の断面図である。溶接部に複数条の円環状の乱流生起部を形成し、流体撹拌領域以外の部分に円環状の突起を形成した反応管(発明例５)の断面図である。

符号の説明

(10) 上流側反応管
(12) 下流側反応管
(20) 溶接部
(30) 乱流生起部
(40) 流体撹拌領域

Claims

管内を流れる炭化水素流体に対して乱流を発生させる乱流生起部の凸部及び／又は凹部が管内面に連続的又は断続的に連なって存在している反応管であって、
乱流生起部により発生した乱流により、所定の流体撹拌領域を乱流生起部下流側の管壁近傍に形成しており、
少なくとも一方の管端部、又は管どうしを接続する溶接部は、管内面における管周方向長さの少なくとも二分の一を前記流体撹拌領域とすることで、該流体撹拌領域に含まれる溶接部の温度を、流体撹拌領域から外れ、溶接部から上流側に６０ｍｍだけ離れた位置の温度と比較して、前記溶接部の温度を２４〜３０℃低く抑えることを特徴とする反応管。
管内の流体流速が５０〜３００ｍ／ｓｅｃである場合、乱流生起部の下流側５０ｍｍ以下の範囲が流体撹拌領域であり、
少なくとも一方の管端部、又は管どうしを接続する溶接部は、管内面における管周方向長さの全てを流体撹拌領域とする請求項１に記載の反応管。
管の内径が３０〜３００ｍｍ、乱流生起部が凸部であって該凸部の高さが１〜１５ｍｍであり、
少なくとも一方の管端部、又は管どうしを接続する溶接部の管軸方向中央から、流体撹拌領域を形成する凸部頂点までの管軸方向距離が４０ｍｍ以下である請求項１乃至請求項２に記載の反応管。
乱流生起部の管軸方向に投影された管軸方向に垂直な総延長が、管内周長さの少なくとも二分の一である請求項１乃至請求項３の何れかに記載の反応管。
乱流生起部である凸部は、管内面で連続的又は断続的に連なる螺旋状を描いており、
凸部による所定の流体撹拌領域において、管壁に沿って延びる螺旋状凸部が、少なくとも一方の管端部、又は管どうしを接続する溶接部に近接する構造である請求項１乃至請求項４の何れかに記載の反応管。
乱流生起部である凸部は、一条又は複数条の連続又は断続的に連なる螺旋形状からなる請求項１乃至請求項５の何れかに記載の反応管。
乱流生起部である凸部は、管内面で連続的又は断続的に連なる円環状をなしており、凸部による所定の流体撹拌領域において、管壁に沿って延びる円環状凸部が、少なくとも一方の管端部、又は管どうしを接続する溶接部に近接する構造である請求項１乃至請求項４の何れかに記載の反応管。
乱流生起部である凸部が、肉盛ビード溶接により形成される請求項１乃至請求項７の何れかに記載の反応管。