JPWO2004046277A1 - 螺旋状フィン付きクラッキングチューブ - Google Patents

Abstract

エチレン等を製造する熱分解反応炉で用いられるクラッキングチューブ（５０）であって、管の内面に、管内流体の撹拌作用を有するフィン（１）が管軸に対して傾斜して形成されており、フィンは１条乃至複数条の螺旋軌跡を描いて螺旋方向に断続して配備され、管軸の一方の端面から他方の端面まで、管軸方向の全体に亘って、管内面にフィンの存在しない領域（ＺＢ）を有している。

Description

本発明は、エチレン等製造用熱分解反応炉のクラッキングチューブに関し、特に管内流体の撹拌作用を有するフィンが管内面に設けられたクラッキングチューブにおいて、管内流体に対する伝熱促進効果を維持しつつ、圧力損失を可及的に抑制し得るようにしたものである。

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）の原料ガスを熱分解することによって生成される。熱分解反応は、外部から熱供給される加熱炉内に配備されたクラッキングコイル中に、炭化水素原料ガスを水蒸気と共に導入し、クラッキングコイル内を高速で流通する間に、反応温度域まで加熱することによって行われる。
クラッキングコイルは、典型的には、複数のチューブ（直管）に、屈曲したベンド管を接続し、蛇行した形状に構成されている。
熱分解反応を効率良く行なうには、高速流通する管内流体を短時間に管路の径方向中心部まで熱分解反応温度域に加熱昇温し、かつ高温加熱をできるだけ回避することが重要である。高温での加熱時間が長くなると、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、クラッキングコイルのチューブ内面に管内流体の撹拌要素としてフィンを設けることが行われており、高速流通する流体はフィンの撹拌によって乱流を形成し、急速に加熱昇温することが可能となる。この結果、反応は短時間で完結し、過分解に伴う軽質化が回避される。また、管体の熱伝達効率の向上により、管体温度を低くすることが可能となり、管体の耐用寿命向上の効果がもたらされる。
クラッキングチューブのフィン形成例として、例えば、図１２乃至図１４の展開図に示される形態のものが提案されている（特開平９−２４１７８１号）。
図１２の例は、フィン（１）が、管軸に対して一定の傾斜角θにて連続する螺旋に形成されている。
図１３の例は、図１２の連続螺旋フィンを断続的に形成したもので、螺旋軌跡上におけるフィン（１）と非フィン部（２）とが、１旋回毎に入れ替わった千鳥状の分布パターンをもって形成されている。
これらの例は、管内流体の撹拌効果が大きく、管内流体に対する熱伝達性能にすぐれるが、一方では、管内流体の圧力損失が大きいため、内圧が上昇し、熱分解操業において、エチレン、プロピレン等の収率の低下を招く不都合がある。
図１４の例は、管軸に平行な複数の線上に、フィン（１）と非フィン部（２）とが交互に分布する分布パターンをもって形成されている。しかし、フィンが管軸に対して平行であるため、管内流体の撹拌効果が不十分であり、所望の熱伝達性能が得られない。
上記に鑑み、本発明の目的は、管内流体に対する伝熱促進効果を維持しつつ、圧力損失を可及的に抑制することである。

上記目的を達成するために、本発明のクラッキングチューブは、管の内面に、管内流体の撹拌作用を有するフィンが管軸に対して傾斜して形成され、該フィンは１条乃至複数条の螺旋軌跡を描いて螺旋方向に断続して配備されており、管軸の一方の端面から他方の端面まで、管軸方向の全長に亘って、管内面にフィンの存在しない領域を有するようにしたものである。
この構成によって、螺旋状フィンによる管内流体への高い熱伝達作用を維持しながら、管内流体の圧力損失を可及的に少なく抑えることができる。

図１は、本発明のクラッキングチューブの管内面に形成されたフィンの分布パターンの一実施例を説明するための管内面の展開図である。
図２は、本発明のクラッキングチューブの管内面に形成されたフィンの分布パターンの他の実施例を説明するための管内面の展開図である。
図３は、本発明のクラッキングチューブの管内面に形成されたフィンの分布パターンの他の実施例を説明するための管内面の展開図である。
図４は、本発明のクラッキングチューブの管内面に形成されたフィンの分布パターンの他の実施例を説明するための管内面の展開図である。
図５は、本発明のクラッキングチューブの管内面に形成されたフィンの分布パターンの他の実施例を説明するための管内面の展開図である。
図６は、図３に示すフィンの分布形態の説明図である。
図７は、図１に示す実施例のチューブの横断面図である
図８は、螺旋状フィンを肉盛ビードとして形成する肉盛溶接の施工方法を説明する図である。
図９は、実験による供試管の伝熱特性を示すグラフである。
図１０は、実験による供試管の圧力損失特性を示すグラフである。
図１１は、供試コイルの概略形状を説明する図である。
図１２は、従来のクラッキングチューブの管内面に形成されたフィンの分布パターンを説明するための管内面の展開図である。
図１３は、従来のクラッキングチューブの管内面に形成されたフィンの他の分布パターンを説明するための管内面の展開図である。
図１４は、従来のクラッキングチューブの管内面に形成されたフィンの他の分布パターンを説明するための管内面の展開図である。

本発明のクラッキングチューブについて、図面に示す実施例を参照し、以下に詳細に説明する。
図１は、本発明の螺旋状フィンの分布形態の一実施例を示す管内面の展開図である。
フィン（１）は、管軸方向ｘに対して一定の傾斜角θをなす螺旋軌跡に沿って断続的に形成されている。斜めの点線は螺旋軌跡、垂直の点線は螺旋の繋がりを夫々示しており、水平の鎖線は管軸方向にフィン（１）が並んで分布する帯域Ｚ_Ａと、フィンが存在しない非フィン部（２）の帯域Ｚ_Ｂを示している。
図１では、１旋回当たりのフィンの個数が４個の例を示しているが、各旋回線上の相対応するフィン（１）と非フィン部（２）は管軸に平行な向きに並んでいる。
図２乃至図５は、本発明の螺旋状フィンの分布形態の他の実施例を示す管内面の展開図である。
図２は、傾斜角θの異なる螺旋軌跡が連続した螺旋状フィンの例である。管路の領域Ｉにおける螺旋の傾斜角θＩは、領域ＩＩにおける螺旋の傾斜角θＩＩよりも大きくなっており、フィン（１）と非フィン部（２）は夫々が管軸に平行な帯域Ｚ_ＡとＺ_Ｂ内に配置されている。
図３は、螺旋軌跡を２条とした例であり、フィンは、同じ傾斜角θにて、螺旋軌跡Ｓ１及びＳ２に沿って断続的に形成されている。フィン（１１）と非フィン部（２１）は螺旋軌跡Ｓ１上に形成され、フィン（１２）と非フィン部（２２）は螺旋軌跡Ｓ２上に形成され、フィン（１１）（１２）は帯域Ｚ_Ａ、非フィ部（２１）（２２）は帯域Ｚ_Ｂ内に配置されている。
図４は、２条の螺旋軌跡Ｓ１及びＳ２からなる螺旋状フィンにおいて、各螺旋軌跡のフィンを異なるサイズに形成した例を示している。螺旋軌跡Ｓ１のフィン（１１）は、螺旋軌跡Ｓ２のフィン（１２）よりも長く形成されている。この場合も、フィン（１１）（１２）は帯域Ｚ_Ａ内にあり、非フィン部（２１）（２２）の全部又は一部分は帯域Ｚ_Ｂ内に配置されている。
図５の螺旋状フィンは、４条の螺旋軌跡Ｓ１−Ｓ４を有し、各螺旋軌跡Ｓ１−Ｓ４の夫々に属するフィン（１１）−（１４）を円周方向に少しずつ間隔を変えて形成した例である。４条の螺旋軌跡Ｓ１−Ｓ４において、各螺旋軌跡上のフィン群（１１）−（１４）は帯域Ｚ_Ａ内に、非フィン部群（２１）−（２４）は帯域Ｚ_Ｂ内に配置されている。しかも、各螺旋軌跡のフィン（１１）−（１４）は、帯域Ｚ_Ａ内で波形状（鎖線で表示）を描いている。
それゆえ、図２乃至図５の例は全て、管軸の一方の端面から他方の端面まで、管軸方向の全長亘って、管内面にフィンの存在しない領域Ｚ_Ｂを有している。
図６は、図３に示すフィンの分布形態の説明図であり、θは螺旋状フィンの傾斜角、ｐはピッチで、隣り合う旋回線上の相対するフィンどうしの管軸方向の中心間距離であり、これらは管の内径Ｄに応じて適宜定められる。
例えば、内径Ｄが約３０−１５０ｍｍのチューブにおいて、傾斜角θは約１５−８５度、ピッチｐは約２０−４００ｍｍの例を挙げることができる。ピッチｐは螺旋の傾斜角θと螺旋条数Ｎにより拡縮調整される（ｐ＝Ｅ／Ｎ、但し、Ｅは螺旋リード）。
フィンの高さＨ（管内面からの突出高さ）は例えば管内径の約１／３０乃至１／１０、フィンの長さＬは例えば約５−１００ｍｍであり、具体的には管内径Ｄ及び螺旋軌跡の１旋回線当たりの分断数等に応じて設定される。
図７は、管軸直交面における螺旋状フィンの断面図であり、１旋回線上のフィン数が４つの例を示している。各フィンの弧長（投影面）をｗ、１旋回線上のフィンの個数をｎで表すと、フィンの弧長の総和ＴＷは、ＴＷ＝ｗ×ｎである。
なお、フィンの弧長総和ＴＷが管の内面周長Ｃ（Ｃ＝πＤ）に占める比率Ｒ（Ｒ＝ＴＷ／Ｃ）は、約０．３−０．８であることが望ましい。螺旋状フィンによる管内流体に対する伝熱促進作用を維持しつつ、圧力損失をできるだけ低く抑えるためであり、この値があまりに小さいと伝熱促進作用が低下し、あまりに大きいと圧力損失が大きくなりすぎるためである。
螺旋状フィンは、例えば、例えば粉体プラズマ溶接（ＰＴＡ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。図８はその施工例を示している。
チューブ（５０）は、回転駆動装置（図示せず）に水平担持され、管軸ｘを中心に回転可能である。溶接トーチ（５１）は支持アーム（５２）に固定されている。支持アーム（５２）は管軸に平行な姿勢を保持して管軸方向に進退移動するように配置されている。
溶接トーチ（５１）は、粉体（肉盛用材料）が供給管（５３）により供給され、管内面に肉盛ビードを形成する。チューブ（５０）の回転と溶接トーチ（５１）の水平移動（管軸方向）により、プラズマ溶接を断続的に行ない、肉盛ビードからなる螺旋状フィンが形成される。
図示のように２台の溶接トーチ（５１）を設置している場合は、２条の螺旋状フィンが形成される。
形成される螺旋状フィンの条数、傾斜角θ、ピッチｐ、フィンの帯域Ｚ_Ａの数と幅（図６の投影像における弧長）等は、チューブ（５０）の回転速度、溶接トーチ（５１）の設置台数、水平移動速度、プラズマアークの断続周期等によって適宜調節することができる。
螺旋状フィンは、チューブの入側端から出側端に到る管路全長に亘って、或いは管路の適宜箇所、例えば管路の入側付近の領域、中間領域、出側付近の領域等の如く、１乃至複数の領域を選択して配設される。
なお、螺旋状フィンを形成する材料は、チューブと同種の耐熱合金、例えば２５Ｃｒ−Ｎｉ（ＳＣＨ２２）、２５Ｃｒ−３５Ｎｉ（ＳＣＨ２４）、インコロイ（商標名）等であり、このほかチューブの使用環境に耐え得る種々の耐熱合金が適宜使用される。
次に具体的実施例を挙げて説明する。

供試管Ｔ１−Ｔ５を作製し、境膜伝熱係数ｈ（Ｗ／ｍ^２／Ｋ）と圧力損失ｄＰ（Ｐａ）を測定した。
Ｔ１は発明例、Ｔ２−Ｔ５は比較例であり、それらの形態を表１に示す。

実験条件は次の通りである。
・試験流体：空気
・流体温度（入側端）：室温
・レイノルズ数：２０，０００−６０，０００
・圧力損失の測定区間：１０００ｍｍ
測定結果を、図９（境膜伝熱係数ｈ）及び図１０（圧力損失ｄＰ）に示しており、夫々、供試管Ｔ５のレイノルズ数２０，０００での値を１．０（基準値）とする比率で表している。
図９及び図１０を参照すると、発明例の供試管Ｔ１は、伝熱特性については連続螺旋フィンの供試管Ｔ２及び断続螺旋フィンのＴ３とほぼ同等であり、圧力損失については供試管Ｔ４とほぼ同等である。
しかし、供試管Ｔ２及びＴ３は、供試管Ｔ１と比べて圧力損失が大きく、後述の如く、収率の低下を招く。
一方、供試管Ｔ４は、供試管Ｔ１と比べて伝熱特性に劣るから、収率低下の他、コーキング発生の問題がある。
なお、供試管Ｔ５はフィンなしの平滑管であるため、圧力損失の点では、本発明の供試管Ｔ１よりもすぐれているが、伝熱特性の点で劣り、供試管Ｔ４と同様、収率とコーキングの問題が生ずる。
これに対し、発明例の供試管Ｔ１は、所望の伝熱特性を維持しつつ、圧力損失を可及的に抑制することができる。

次に、図１１に示すＷ型コイルについて、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を行ない、管内流体の圧力損失と、エチレン及びプロピレンの収率を求めた。
図１１に示すコイルのチューブ（直管部）は、内径６３．５ｍｍ、肉厚は６．４ｍｍ、長さ９．６ｍであり、上流側から第１パス、第２パス、第３パス、第４パスであり、供試管Ｔ６−Ｔ９の構造を表２に記載している。
供試管Ｔ６は発明例、供試管Ｔ７−Ｔ９は比較例であり、チューブ（直管部）のフィンの分布形態は、供試管Ｔ６は図１、Ｔ７は図１３、Ｔ８は図１２に示すものと同じである。なお、Ｔ９は、フィンを形成しない例である。

解析条件は、コイル出口の流体圧力を１．９８ｋｇ／ｃｍ^２（絶対圧力）、コイル入口温度を６００℃、コイル出口温度を８３０℃に設定した。なお、１コイルあたりの流量設定は、ナフサが８４０ｋｇ／ｈ、スチームが４２０ｋｇ／ｈである。
チューブの第１パス−第４パスにおける温度を表３に示している。
コイルの入口と出口での管内流体の圧力及び温度、圧力損失、エチレン及びプロピレンの収率の解析結果を表４に示している。

表３に示されるように、Ｔ６の管温度はＴ７−Ｔ８と同程度であり、Ｔ９と比べると約２０℃以上低い。これは、Ｔ６−Ｔ８がほぼ同程度の伝熱効率を有しており、より低い管温度で操業できることを意味する。
表４を参照すると、Ｔ６はＴ７−Ｔ８よりも圧力損失が少なく、エチレン及びプロピレンの収率にすぐれている。なお、Ｔ９は、圧力損失は少ないが、伝熱効率に劣るため、エチレン及びプロピレンの収率に劣っている。

本発明のクラッキングチューブは、管内面に形成された螺旋状フィンの分布形態により、フィンの撹拌作用による高伝熱特性を維持しつつ、管内流体の圧力損失を可及的に少なくすることができる。
従って、エチレン、プロピレン等の収率の向上の他、チューブのデコーキング作業の低減、チューブの耐用寿命の向上をもたらすことができる等、エチレン等製造用熱分解炉におけるクラッキングチューブとして有用である。

Claims (4)

1. 管の内面に、管内流体の撹拌作用を有するフィンが管軸に対して傾斜して形成されたクラッキングチューブにおいて、
   フィンは１条乃至複数条の螺旋軌跡を描いて螺旋方向に断続して配備され、管軸の一方の端面から他方の端面まで、管軸方向の全長に亘って、管内面にフィンの存在しない領域を有することを特徴とするクラッキングチューブ。
2. フィンの傾斜角は１５度〜８５度である請求項１に記載のクラッキングチューブ。
3. フィンは、管内面の周長Ｃ（Ｃ＝πＤ、但し、Ｄは管の内径）に対するフィンの弧長の和ＴＷ（ＴＷ＝ｗ×ｎ、但し、ｗはフィンの弧長で管軸直交面における投影面上の長さ、ｎは１旋回線上のフィンの数）の比ＴＷ／Ｃは、０．３−０．８である請求項１又は請求項２に記載のクラッキングチューブ。
4. フィンは溶接肉盛ビードである請求項１に記載のクラッキングチューブ。

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