特許 7538028 流体撹拌要素を具える熱分解管

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-13

(45)【発行日】2024-08-21

(54)【発明の名称】流体撹拌要素を具える熱分解管

(51)【国際特許分類】

   F28F 1/40 20060101AFI20240814BHJP

【ＦＩ】

F28F1/40 D

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020213656

(22)【出願日】2020-12-23

(65)【公開番号】P2021107761

(43)【公開日】2021-07-29

【審査請求日】2023-06-22

(31)【優先権主張番号】P 2019237856

(32)【優先日】2019-12-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001052

【氏名又は名称】株式会社クボタ

(74)【代理人】

【識別番号】110001438

【氏名又は名称】弁理士法人 丸山国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松原 基行

(72)【発明者】

【氏名】橋本 国秀

【審査官】古川 峻弘

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－２０１６８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－３３９５１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０３－０７１２７４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０２－２８０９３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－３４６５８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｆ １／４０

Ｆ２８Ｄ １／００－１／０６，７／００－７／１６

Ｆ１６Ｌ ９／００－９／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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り、炭化水素を含む原料流体を高速流通させ、前記管を外部から加熱することで、前記原料流体を反応温度域まで加熱して熱分解してオレフィンを精製する熱分解管であって、
前記管及び前記撹拌要素は、１０００℃の使用環境に耐える耐熱合金材料から作製され、
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、
を含み、
前記第１突条と前記第２突条は、少なくとも一方が長さ０．３ｍ以上の区間に１条形成されており、
前記第１突条又は前記第２突条の一方により前記原料流体が撹拌され、前記第１突条又は前記第２突条の一方により前記原料流体が整流される、
熱分解管。

【請求項2】

管の内径は、３０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である、
請求項１に記載の熱分解管。

【請求項3】

前記第２突条は、前記第１突条の端縁同士を繋ぐ、
請求項１又は請求項２に記載の熱分解管。

【請求項4】

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、
請求項１又は請求項２に記載の熱分解管。

【請求項5】

前記第１突条の高さＨ１は、前記第２突条の高さＨ２と同等である、
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の熱分解管。

【請求項6】

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である、
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の熱分解管。

【請求項7】

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、
請求項１乃至請求項６の何れかに記載の熱分解管。

【請求項8】

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、
請求項１乃至請求項６の何れかに記載の熱分解管。

【請求項9】

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、
請求項１乃至請求項８の何れかに記載の熱分解管。

【請求項10】

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％である、
請求項９に記載の熱分解管。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００８－２４９２４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

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。

【0007】

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。

【課題を解決するための手段】

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【発明の効果】

【0018】

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。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、本発明の一実施形態による撹拌要素を形成した熱分解管の展開図である。

【図2】図２は、図１の線ＩＩ－ＩＩに沿う断面図である。

【図3】図３は、異なる形態の撹拌要素を形成した熱分解管の展開図である。

【図4】図４は、さらに異なる形態の突条を形成した熱分解管の展開図である。

【図5】図５は、実施例に用いた供試熱分解管の説明図である。

【図6】図６は、比較例の熱分解管の展開図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【実施例】

【0039】

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。

【0040】

【表1】

【0041】

【表2】

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【符号の説明】

【0048】

１０ 熱分解管
２０ 撹拌要素
２１ 第１突条
２５ 第２突条

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】