JP6868146B1

JP6868146B1 - 流体撹拌要素を具える熱分解管

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Publication number: JP6868146B1
Application number: JP2020111567A
Authority: JP
Inventors: 基行松原; 国秀橋本; 徹壽川
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2040-06-29
Also published as: JP2022010814A; US12372312B2; US20220316814A1; WO2022004465A1; CA3181888A1

Abstract

【課題】本発明は、管内流体の圧力損失の増大を防ぎつつ、良好な撹拌効果と熱伝達効率を向上できる撹拌要素の形成された熱分解管を提供する。
【解決手段】本発明の撹拌要素を具える熱分解管１０は、管軸の一端側に流体入口、他端側に流体出口を有する管の内面に、１又は複数の流体の撹拌要素２０を頂部２１が内向きに突出するよう形成した熱分解管であって、前記撹拌要素は、前記管軸に対して長手方向が螺旋状に傾斜又は直交するよう形成され、前記長手方向に対して直交する幅方向の中心Ｏに対し、前記頂部が前記流体入口側１１又は前記流体出口側１２に偏心している。
【選択図】図３

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、管内を流通する流体の撹拌作用を高める撹拌要素が管の内面から突設された熱分解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。

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。

そこで、熱分解管の内面に、流通流体の撹拌要素として断面が半円形又は半楕円形の突条を管軸に対して螺旋状に旋回するよう形成している（たとえば、特許文献１参照）。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。

特開２００８−２４９２４９号公報

熱分解管には、さらなる熱伝達効率の向上が求められている。そのためには、流体を突条によってより撹拌させる必要がある。そこで、突条の形状をそのままにして、高さを高くしてみたところ、撹拌効果は高まるが、流体流路が狭くなる結果、流体の圧力損失が増大してしまい、熱伝達率の向上や目的製品の収率向上には繋がらなかった。

そこで、流体の圧力損失の増大を防ぎつつ、流体の撹拌効果を高めることで、熱伝達効率を向上させて目的製品の収率増加を達成できる熱分解管の開発が求められている。

本発明は、管内流体の圧力損失の増大を防ぎつつ、良好な撹拌効果と熱伝達効率を向上できる撹拌要素の形成された熱分解管を提供することを目的とする。

本発明の撹拌要素を具える熱分解管は、
管軸の一端側に流体入口、他端側に流体出口を有する管の内面に、１又は複数の流体の撹拌要素を頂部が内向きに突出するよう形成した熱分解管であって、
前記撹拌要素は、前記管軸に対して長手方向が螺旋状に傾斜又は直交するよう形成され、前記長手方向に対して直交する幅方向の中心に対し、前記頂部が前記流体入口側又は前記流体出口側に偏心している。

前記撹拌要素は、前記頂部の中心が、前記撹拌要素の前記幅方向の中心に対して前記流体入口側に１０％以上又は前記流体出口側に５％以上偏心していることが望ましい。

前記撹拌要素は、前記頂部の中心が、前記撹拌要素の前記幅方向の中心に対して前記流体入口側に９０％以下又は前記流体出口側に８５％以下偏心していることが望ましい。

前記撹拌要素は、前記頂部を挟んで、前記流体入口側に入口側傾斜面、前記流体出口側に出口側傾斜面を有しており、前記入口側傾斜面と前記出口側傾斜面は傾斜角度が異なる構成とすることができる。

前記入口側傾斜面及び／又は前記出口側傾斜面は、凸形状又は凹形状とすることができる。

前記凸形状又は前記凹形状の傾斜面は、さらに凸部又は凹部を少なくとも１つ以上を前記傾斜面に有する形状とすることができる。

前記撹拌要素は、前記長手方向の長さが、前記幅方向の長さよりも長い構成とすることができる。

前記頂部は、略平坦な平坦面を有しており、前記平坦面の幅方向中心は前記流体入口側又は前記流体出口側に偏心した構成とすることができる。

本発明の熱分解管によれば、流体は、撹拌要素により撹拌を受ける。撹拌要素は、頂部が幅方向中心に対して、流体入口側又は流体出口側の何れかに偏心している。撹拌要素の頂部を流体入口側に偏心させた場合には、撹拌要素は、流体入口側の傾斜角度が大きくなるから、撹拌要素に当たる流体の抵抗が増加し、管中心となる管軸側に向けて勢いよく流体が流れて、流体の撹拌エネルギーが増大する。その結果、管の内面近傍に形成されやすい境膜が破壊されて、熱伝達効率を高めることができる。一方、撹拌要素の頂部を流体出口側に偏心させた場合には、撹拌要素は、流体出口側の傾斜角度が大きくなるから、撹拌要素を超えた流体は、撹拌要素の流体出口側で勢いよく管の内面に叩きつけられる。その結果、撹拌要素の流体出口側に形成される境膜が破壊され、熱伝達効率を高めることができる。何れの場合も、流体の圧力損失の増大を防ぎつつ、良好な撹拌効果により、熱伝達効率の向上を達成でき、目的製品の収率向上や、過分解によるコーキングの発生を抑制できる。

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管軸に沿う断面図である。図２は、撹拌要素を断続的な螺旋状に形成した熱分解管の管軸に沿う断面図である。図３は、図１の線Ｘ−Ｘに沿う断面図であって、流体入口側に頂部が偏心した撹拌要素の断面図であり、（ａ）は山型、（ｂ）は頂部に平坦面を有する撹拌要素の断面図である。図４は、流体入口側に頂部が偏心した撹拌要素の断面図であり、（ａ）は入口側傾斜面が凸形状、（ｂ）は凹形状の撹拌要素の断面図である。図５は、図１の線Ｘ−Ｘに沿う断面図であって、流体出口側に頂部が偏心した撹拌要素の断面図であり、（ａ）は山型、（ｂ）は頂部に平坦面を有する撹拌要素の断面図である。図６は、流体出口側に頂部が偏心した撹拌要素の断面図であり、（ａ）は入口側傾斜面が凸形状、（ｂ）は凹形状の撹拌要素の断面図である。図７は、実施例１にて形成した撹拌要素のテクスチャ、（ｂ）は３Ｄ写真を示している。図８は、（ａ）が図７（ａ）の水平線に沿う撹拌要素の長手方向のプロファイルグラフ、（ｂ）が図７（ａ）の垂直線に沿う撹拌要素の幅方向のプロファイルグラフである。図９は、実施例２の供試熱分解管の概略構成を示す図である。図１０は、実施例２の圧力損失と熱伝達率を示すグラフである。

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。

図１は、本発明の熱分解管１０の一実施例を示す管軸に沿う断面図であって、撹拌要素２０を螺旋状に連続して設けた管１０の断面図、図２は、撹拌要素２０を断続的な螺旋状の形態で設けた管１０の断面図である。また、図３及び図４は、図１の線Ｘ−Ｘに沿う第１実施形態の撹拌要素２０の拡大断面図、図５及び図６は、第２実施形態の撹拌要素２０の拡大断面図である。説明の都合上、管１０は、図１の紙面左側を流体入口側１１、右側を流体出口側１２としており、第１実施形態を示す図３及び図４は、撹拌要素２０の頂部２１が、管１０の流体入口側１１に偏心し、第２実施形態を示す図５及び図６は、撹拌要素２０の頂部２１が、管１０の流体出口側１２に偏心した実施形態を示している。以下では、まず、両実施形態に共通する形態について説明した後、各実施形態について説明を行なう。

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。

管１０には、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、管の内面に向けて突出する突条形状とすることができる。本発明では、撹拌要素２０に関し、頂部２１が流体入口側１１又は流体出口側１２の何れかに偏心していることを特徴としている。

撹拌要素２０は、図１では、長手方向が螺旋状に傾斜して連続する形態としている。撹拌要素２０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傾斜する角度をθとして規定した場合、熱分解管１０の上流側から下流側まで同じ傾斜角度θとすることができるし、角度θを変えて設けることもできる。たとえば、撹拌要素２０の傾斜角度θ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。撹拌要素２０の傾斜角度θは、１５°以上とすることが望ましい。撹拌要素２０は、θ＝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θが小さ過ぎると撹拌要素２０の下流側に淀みが発生し易くなる一方で、小さい程、管軸に対して撹拌要素２０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。

なお、撹拌要素２０は、連続する形態ではなく、図２に示すように断続的な形態とすることもできる。撹拌要素２０を断続的な形態とすることで、撹拌効果は若干低下するが、流体の圧力損失を大きく低減できる。

撹拌要素２０は、長手方向の長さが、直交する幅方向の長さよりも長い形状とすることが望ましい。これにより、流体が管内で撹拌要素２０に好適に衝突し、撹拌効果を高めることができる。

撹拌要素２０同士の間隔Ｓ（図１参照）は、管内径が３０−１５０ｍｍの場合、約２０−４００ｍｍとすることができる。図１の撹拌要素２０は、１条の螺旋形態であるが、複数条の螺旋形態を平行又は傾斜角度を変えて設けることもできる。

撹拌要素２０の高さＨ１（図３（ａ）、図５（ａ）参照）は、管内径の約１／６０−１／１０とすることが望ましい。撹拌要素２０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、撹拌要素２０の高さＨ１が、管内径の１／１０よりも高いと、撹拌要素２０が流路抵抗となって流体の流通を阻害し、圧力損失が大きくなり、さらには、撹拌要素２０の下流側で流体が滞留し易くなり、過分解やコークが堆積してしまう虞がある。故に、撹拌要素２０の高さＨ１を上記のとおり規定した。

撹拌要素２０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。

撹拌要素２０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と撹拌要素２０を一体に作製してもよく、また、切削等の機械加工により形成することもできる。

＜第１実施形態＞
第１実施形態では、撹拌要素２０は、図３（ａ）に断面を示すように、その頂部２１が流体入口側１１に偏心している。本明細書において、撹拌要素２０の頂部２１とは、撹拌要素２０が管内面から管軸側に向けて内向きに突出した最も高い部分をいう。撹拌要素２０が、図３（ａ）に示すような山型であればその頂点が頂部２１であり、図３（ｂ）に示すように撹拌要素２０の頂部２１が平坦面２２を有する場合には、平坦面２２の幅方向の中心Ｏ’を頂部２１として規定する。

頂部２１は、撹拌要素２０の幅方向の中心Ｏに対する偏心の度合い、すなわち偏心度が、流体入口側１１に１０％以上であることが好適であり、３０％以上であることがより望ましい。また、偏心度の上限は、流体入口側１１に９０％以下であることが好適であり、８０％以下であることがより望ましい。偏心度は、図３（ａ）に示すように撹拌要素２０の幅を２Ｗとしたときに、撹拌要素２０の幅方向の中心Ｏから頂部２１までの距離ｗに対し、ｗ／Ｗ％で規定することができる。図３（ｂ）に示すように撹拌要素が平坦面２２を有する場合には、ｗは、撹拌要素２０の幅方向中心Ｏから平坦面２２の中心Ｏ’である頂部２１までの距離として規定される。

撹拌要素２０の幅方向中心Ｏに対する流体入口側１１への偏心度は、第２実施形態で示す流体出口側１２への偏心度に比べて、下限及び上限を大きく設定している。これは、頂部２１が流体入口側１１に偏心した撹拌要素２０と流体出口側１２に偏心した撹拌要素２０による撹拌効果、生ずる旋回流の大きさを比較すると、流体入口側１１に偏心させた方が、撹拌効果、生ずる旋回流ともに大きいためであり、流体入口側１１に大きく偏心させた方が、目的製品の収率向上を図れることによる。

撹拌要素２０は、頂部２１を挟んで、流体入口側１１に入口側傾斜面２３、流体出口側１２に出口側傾斜面２４を有する形状とすることができ、入口側傾斜面２３の管内面に対する傾斜角度αは、出口側傾斜面２４の管内面に対する傾斜角度βよりも大きいことが好適である。具体的には、傾斜角度αは、傾斜角度βよりも５°以上大きいことが望ましく、１０°以上がより望ましい。これにより、管内を流通する流体は、急峻な入口側傾斜面２３に当たって抵抗が増加し、管中心となる管軸側に向けて勢いよく流れ、流体の撹拌エネルギーを増大させることができる。その結果、管の内面近傍に形成されやすい境膜が破壊されて、流体の熱伝達効率を高めることができる

入口側傾斜面２３及び出口側傾斜面２４は、図３に示すように、平坦な形状とすることができる。

撹拌要素２０の頂部２１が流体入口側１１に偏心した熱分解管１０に、流体入口側１１から流体出口側１２に向けて流体を流通させると、図３に矢印Ａで示すように、撹拌要素２０の入口側傾斜面２３に当たって勢いよく管軸方向に向かう流れ、或いは、矢印Ｂで示す撹拌要素２０を乗り越える流れを発生させることができる。管軸方向に向かう流体の流れは、管の径方向に好適に撹拌を行なうことができ、管の径方向の流体の温度差を小さくすることができ、均一な温度上昇を達成できる。また、撹拌要素２０を乗り越えた流体の流れは、管内面近傍の境膜の発生を阻止し、境膜を破壊して熱伝達効率の向上に寄与する。さらに、撹拌要素２０を管軸に対して螺旋状に形成した場合には、図１に矢印Ｃで示すように、流体の一部は螺旋状の撹拌要素２０に沿って螺旋状に旋回する流れとなり、撹拌効果を高めて熱伝達効率の向上を図ることができる。

なお、入口側傾斜面２３及び出口側傾斜面２４は、図４（ａ）に示すように凸形状又は図４（ｂ）に示すように凹形状とすることもできる。入口側傾斜面２３を凸形状とすることで、撹拌要素２０は、流体入口側１１の立ち上がりをより急峻にすることができ、当たった流体の一部を管軸方向に向かう勢いのよい流れ（矢印Ｄ）とすることができ、管の径方向に好適な撹拌を行なうことができる。また、入口側傾斜面２３を凹形状とすることで、撹拌要素２０は、頂部２１近傍での角度を急峻にすることができるから、撹拌要素２０に当たって下流側に向かう流体の流れ（矢印Ｅ）を途中から勢いよく加速させることができ、撹拌効果を高めることができる。

また、出口側傾斜面２４を凹形状（図４（ａ））とすることで、撹拌要素２０は、頂部２１を超えた直後で急峻な形状とすることができるから、流体の流れを勢いよく加速させることができ（矢印Ｄ’）、管内面に向けて加速した流体が管内面に当たって管内面近傍の境膜を破壊し、熱伝達効率を高めることができる。また、一部が凹形状に沿って旋回する流れ（Ｄ”）となる。一方、出口側傾斜面２４を図４（ｂ）に示すように凸形状とすることで、頂部２１を超えた直後は撹拌要素２０に沿ってなだらかに流体を移動させ、立ち下がり部分で管内面に向けて傾斜が急峻になるから、流体を加速状態で管内面に当てることができ（矢印Ｅ’）、管内面近傍の境膜を好適に破壊して、熱伝達効率を高めることができる。

なお、凸形状又は凹形状の入口側傾斜面２３及び／又は出口側傾斜面２４には、さらに凸部又は凹部を少なくとも１つ以上形成することで、流体に乱流を発生させることができ、さらに撹拌効果を高めることができる。

上記のように、管１０の内面に頂部２１が流体入口側１１に偏心した撹拌要素２０を形成することで、流体の撹拌効果を高め、流体の圧力損失の増大を防ぎつつ、良好な撹拌効果により、熱伝達効率の向上を達成でき、目的製品の収率向上を図ることができる。また、流体が好適な撹拌により過加熱や滞留をし難い構成であるから、原料流体の過分解によるコーキングの発生も抑制でき、デコーキング作業を低減でき操業時間の増大、また、これによる目的製品の収量向上を図ることができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態では、撹拌要素２０は、図５に断面を示すように、その頂部２１が流体出口側１２に偏心している。なお、頂部２１の規定や下記する偏心度の規定等、第１実施形態で説明した部分については適宜説明を省略する。

頂部２１は、撹拌要素２０の幅方向中心Ｏに対する偏心度が、流体出口側１２に５％以上であることが好適であり、１５％以上であることがより望ましい。また、偏心度は、流体出口側１２に８５％以下であることが好適であり、７５％以下であることがより望ましい。

撹拌要素２０は、頂部２１を挟んで、流体入口側１１に入口側傾斜面２３、流体出口側１２に出口側傾斜面２４を有する形状とすることができ、第１実施形態とは逆に、出口側傾斜面２４の傾斜角度βが、入口側傾斜面２３の傾斜角度αよりも大きいことが好適である。具体的には、傾斜角度βは、傾斜角度αよりも５°以上大きいことが望ましく、１０°以上がより望ましい。これにより、撹拌要素２０を乗り越えた流体は、急峻な出口側傾斜面２４に沿って勢いを増し、撹拌エネルギーを高めたまま管内面に叩きつけられる。その結果、撹拌要素２０の流体出口側１２に形成される境膜が破壊され、熱伝達効率を高めることができる。何れの場合も、流体の圧力損失の増大を防ぎつつ、良好な撹拌効果により、熱伝達効率の向上を達成でき、目的製品の収率向上や、過分解によるコーキングの発生を抑制できる。

入口側傾斜面２３及び出口側傾斜面２４は、図５に示すように、平坦な形状とすることができる。

撹拌要素２０の頂部２１が流体出口側１２に偏心した熱分解管１０に、流体入口側１１から流体出口側１２に向けて流体を流通させると、図５に矢印Ｆで示すように、撹拌要素２０の入口側傾斜面２３に当たって管軸方向に向かう流れ、或いは、矢印Ｇで示すように撹拌要素２０を乗り越える流れを発生させることができる。撹拌要素２０は、第１実施形態に比べて入口側傾斜面２３が緩やかであるから、管軸方向に向かう流れは第１実施形態に比べて勢いは小さく、故に圧力損失の増大を抑えることができ、一方、撹拌要素２０を乗り越える流体の勢いを増大させることができる。そして、撹拌要素２０を乗り越えた流体の流れは、急峻な出口側傾斜面２４に沿って管内面に当たり、管内面近傍の境膜の発生を阻止し、境膜を破壊して熱伝達効率を向上させることができる。また。撹拌要素２０を管軸に対して螺旋状に形成した場合には、図１に矢印Ｃで示すように、流体の一部は螺旋状の撹拌要素２０に沿って螺旋状に旋回する流れとなり、撹拌効果を高めて熱伝達効率の向上を図ることができる。

なお、入口側傾斜面２３及び出口側傾斜面２４は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように凸形状又は凹形状とすることもできる。入口側傾斜面２３を図６（ａ）に示すように凸形状とすることで、撹拌要素２０は、流体入口側１１の立ち上がりをより急峻にすることができ、当たった流体の一部を管軸方向に向かう勢いのよい流れ（矢印Ｈ）を生じせしめ、高い撹拌効果を得ることができる。入口側傾斜面２３を図６（ｂ）に示すように凹形状とすることで、撹拌要素２０は、頂部２１近傍での角度を急峻にすることができるから、撹拌要素２０に当たって下流側に向かう流体の流れ（矢印Ｉ）を途中から勢いよく加速させることができ、撹拌効果を高めることができる。

また、出口側傾斜面２４を図６（ａ）に示すように凹形状とすることで、撹拌要素２０は、頂部２１を超えた直後で急峻な形状とすることができるから、流体の流れ（矢印Ｈ’）を勢いよく加速させることができ、管内面に向けて加速した流体が管内面に当たって管内面近傍の境膜を破壊し、熱伝達効率を高めることができる。また、一部が凹形状に沿って旋回する流れ（Ｈ”）となる。一方、出口側傾斜面２４を図６（ｂ）に示すように凸形状とすることで、頂部２１を超えた直後は撹拌要素２０に沿ってなだらかに流体を移動させ、立ち下がり部分で管内面に向けて傾斜が急峻になるから、流体を加速状態で管内面に当てることができ（矢印Ｉ’）、管内面近傍の境膜を好適に破壊して、熱伝達効率を高めることができる。

上記のように、管１０の内面に頂部２１が流体出口側１２に偏心した撹拌要素２０を形成することで、流体の撹拌効果を高め、流体の圧力損失の増大を防ぎつつ、良好な撹拌効果により、熱伝達効率の向上を達成でき、目的製品の収率向上を図ることができる。また、流体が好適な撹拌により過加熱や滞留をし難い構成であるから、原料流体の過分解によるコーキングの発生も抑制でき、デコーキング作業を低減でき操業時間の増大、また、これによる目的製品の収量向上を図ることができる。

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１＞
管の内面にＴＩＧ溶接により、撹拌要素を肉盛ビードとして形成した。

図７（ａ）は、形成された撹拌要素のテクスチャ、図７（ｂ）は３Ｄ写真である。また、図８（ａ）は図７（ａ）の水平線に沿う撹拌要素の長手方向のプロファイルグラフ、図８（ｂ）は図７(ａ)の垂直線に沿う撹拌要素の幅方向のプロファイルグラフである。図に示すように、撹拌要素は、管の流体入口側１１（図７上側）に偏心した形状に形成できていることがわかる。

＜実施例２＞
図９に示すように、上流側に助走区間３１を有し、下流側に図３（ａ）、図５（ａ）に示す発明例１、発明例２の熱分解管１０、比較例１、比較例２の熱分解管を接続した供試熱分解管３０を作製し、流体を流通させて出口温度（℃）及び熱交換量（ｋＷ）を測定、比較した。

発明例１は、図３（ｂ）に示すように、撹拌要素２０の頂部２１が流体入口側１１に偏心し、平坦面２２を有する管１０である。撹拌要素２０の幅（２Ｗ）は８．７ｍｍ、頂部２１の高さは２．１ｍｍ、平坦面２２の幅は１．８ｍｍ、偏心度は流体入口側１１に向けて１１％である。

発明例２は、図５（ｂ）に示すように、撹拌要素２０の頂部２１が流体出口側１２に偏心し、平坦面２２を有する管１０である。撹拌要素２０の幅（２Ｗ）は８．７ｍｍ、頂部２１の高さは２．１ｍｍ、平坦面２２の幅は１．８ｍｍ、偏心度は流体出口側１２に向けて１１％である。

比較例１、比較例２は、撹拌要素の頂部が幅方向中央に形成された管である。比較例１の撹拌要素の幅は８．７ｍｍ、頂部の高さは２．１ｍｍ、平坦面の幅は２．８ｍｍ、比較例２の撹拌要素の幅は６．６ｍｍ、頂部の高さは１．５ｍｍ、平坦面の幅は２．０ｍｍである。

何れも管１０に形成される撹拌要素２０は、図１に示すように、管軸に対してθ（＝３０°）傾斜した１条の螺旋形状としている。

供試熱分解管３０の上流側の助走区間３１の長さは１．６ｍであり、壁面断熱を施している。何れの発明例、比較例も、管１０と接続される助走区間３１に、管１０と同じ螺旋状の撹拌要素２０を夫々形成している。管１０は、長さ０．６ｍであり、壁面が１０００℃一定となるように加熱した。

上記構成の供試熱分解管３０にエタン７０重量％、水蒸気３０重量％からなる流体を、７００℃に昇温し、流入する質量流量は０．２１０４ｋｇ／ｓとなるように供給した。そして、管１０内の５点平均の圧力損失（ｋＰａ）と熱伝達率（ｈ）（Ｗ／ｍ２・Ｋ）と測定した。結果を図１０に示す。

図１０を参照すると、発明例１、発明例２は、比較例１、比較例２に比べて多少圧力損失は増大しているものの、熱伝達率を約１０％以上高くできたことがわかる。発明例１、発明例２の圧力損失が、比較例１、比較例２と比べて大きくなった理由は、発明例１、発明例２は、撹拌要素２０の頂部２１が流体入口側１１又は流体出口側１２に偏心させたためであり、その結果、偏心のない比較例１、比較例２比べて、流体の撹拌が高められ、撹拌エネルギーが大きくなったことによる。

一方で、発明例１、発明例２は、比較例１、比較例２よりも熱伝達効率が高くなっている。これは、撹拌要素２０の頂部２１が流体入口側１１又は流体出口側１２に偏心していることで、流体が好適に撹拌され、管１０の径方向の温度差を小さくすることができ、均一な温度上昇を達成できたためである。また、撹拌要素２０を乗り越えた流体の流れは、管内面近傍の境膜の発生を阻止し、境膜を破壊したことも熱伝達効率の向上に寄与している。

発明例１と発明例２を比べると、発明例１の方が圧力損失は若干高いが、熱伝達率を向上している。これは、撹拌要素２０について、頂部２１を流体入口側１１に偏心させることで、入口側傾斜面２３を急勾配にできるから、流体は、入口側傾斜面２３に当たって、図３（ａ）中矢印Ａで示す管軸方向に向かう流れを大きくでき、管の径方向に好適に撹拌を行なうことができ、管の径方向の流体の温度差を小さくして、均一な温度上昇を達成できたことによる。

１０熱分解管
２０撹拌要素
２１頂部

Claims

管軸の一端側に流体入口、他端側に流体出口を有する管の内面に、１又は複数の流体の撹拌要素を頂部が内向きに突出するよう形成した熱分解管であって、
前記撹拌要素は、
前記管軸に対して長手方向が螺旋状に傾斜又は直交するよう形成され、前記長手方向に対して直交する幅方向の中心に対し、前記頂部が前記流体入口側又は前記流体出口側に偏心しており、
前記頂部を挟んで、前記流体入口側に入口側傾斜面、前記流体出口側に出口側傾斜面を有し、前記入口側傾斜面と前記出口側傾斜面は傾斜角度が異なるものであって、
前記入口側傾斜面及び／又は前記出口側傾斜面は、凸形状又は凹形状であり、
前記凸形状又は前記凹形状の傾斜面は、少なくとも１つ以上の凸部又は凹部をさらに有する、
撹拌要素を具える熱分解管。
前記撹拌要素は、前記頂部の中心が、前記撹拌要素の前記幅方向の中心に対して前記流体入口側に１０％以上又は前記流体出口側に５％以上偏心している、
請求項１に記載の撹拌要素を具える熱分解管。
前記撹拌要素は、前記頂部の中心が、前記撹拌要素の前記幅方向の中心に対して前記流体入口側に９０％以下又は前記流体出口側に８５％以下偏心している、
請求項１に記載の撹拌要素を具える熱分解管。
前記撹拌要素は、前記長手方向の長さが、前記幅方向の長さよりも長い、
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の撹拌要素を具える熱分解管。
前記頂部は、略平坦な平坦面を有しており、前記平坦面の幅方向中心は前記流体入口側又は前記流体出口側に偏心している、
請求項１に記載の撹拌要素を具える熱分解管。