JP2003287375A - 熱交換器の運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被加熱流体の側の伝熱壁面に付着物が過度に
付着、蓄積する前の適切な時期に伝熱壁面を洗浄するこ
とにより、付着物を容易かつ経済的に除去可能な、熱交
換器の運転方法を提供する。 【解決手段】 被加熱流体と、該被加熱流体を加熱する
スチームとが伝熱壁を介して熱交換を行う熱交換器の運
転方法において、前記被加熱流体の側の伝熱壁面に付着
する付着物の量に応じて前記スチームの前記熱交換器内
での絶対圧力を上昇させ、前記スチームから前記被加熱
流体への伝熱速度を略一定に維持しつつ、前記付着物が
付着する前の前記熱交換器内でのスチーム絶対圧力Ｐ₁
と、前記付着物が付着した後の前記熱交換器内でのスチ
ーム絶対圧力Ｐ_nとが、１．０１＜Ｐ_n／Ｐ₁＜１．８を
満たす際に、前記付着物を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スチームを用い
て、各種プロセスにおいて流通する流体（以下、プロセ
ス流体という。）などの被加熱流体を加熱する熱交換器
の運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】蒸留塔のリボイラーや各種装置の予熱器
などには、プロセス流体のような被加熱流体をスチーム
などの加熱媒体で加熱する熱交換器が一般に使用されて
いる。このような熱交換器は、通常、被加熱流体と、こ
の被加熱流体を加熱するスチームとが伝熱壁を介して熱
交換を行うものであるが、熱交換器の運転を継続してい
くにともなって被加熱流体の側の伝熱壁面に付着物が付
着して、熱交換器の総括伝熱係数が低下し、スチームか
ら被加熱流体への伝熱速度が低下することがある。ここ
で付着物としては、例えば、被加熱流体に含まれる不純
物が析出したものや、不純物が何らかの反応を起こすこ
とにより生成した化合物、さらには、被加熱流体の主成
分の一部が何らかの反応を起こすことにより生成した化
合物などがある。

【０００３】このような付着物の増加にともなって伝熱
速度が低下すると、被加熱流体を十分に加熱できなくな
るという不具合が生じる。そこで、被加熱流体を安定か
つ十分に、所定の温度までに加熱するために、付着物の
量に応じて熱交換器内でのスチームの絶対圧力を上昇さ
せ、スチームの温度を上げることにより、スチームから
被加熱流体への伝熱速度を略一定に維持する方法が行わ
れている。そして、この熱交換器を例えば工場の定修時
などに洗浄して、伝熱壁面上に付着した付着物の除去を
行うことが一般的である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
熱交換器がシェルアンドチューブ式熱交換器であってチ
ューブ側に被加熱流体が流れる場合に、上述したように
被加熱流体の側の伝熱壁面、すなわち、チューブの側壁
面に付着物が過度に付着、蓄積すると、最終的にはチュ
ーブが付着物によって閉塞してしまうという問題があっ
た。そして、被加熱流体が易重合性物質を含有する液体
である場合にチューブがこのように閉塞してしまうと、
易重合性物質が加熱されたチューブ内で滞留することと
なり、容易に重合物が生成し、チューブの閉塞状態が一
層悪化した。

【０００５】このようにチューブが閉塞し、重合物が生
成してしまうと、適切な洗浄液を使用して洗浄したとし
ても、これらを十分に除去することは困難であった。そ
のため、最終的には熱交換器を分解し、高圧水によるジ
ェット洗浄や、場合によってはドリルなどを使用して、
チューブ内の重合物を機械的に除去する必要が生じた
が、このような作業は長時間を要し、経済的にも不利で
あった。また、付着物の過度な付着、蓄積を防ぐために
は、チューブ内の洗浄頻度を上げることも考えられる。
しかし、洗浄時には熱交換器の通常の運転を停止する必
要があるため、洗浄頻度が上がると、この熱交換器を備
えたプロセスの生産性が低下するという問題が生じた。

【０００６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、被加熱流体の側の伝熱壁面に付着物が過度に付着、
蓄積する前の適切な時期に伝熱壁面から付着物を除去す
ることにより、付着物を容易かつ経済的に除去可能な、
熱交換器の運転方法を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、熱交換器
内におけるスチームの供給圧力の変化に着目し、その圧
力から、被加熱流体の側の伝熱壁面から付着物を除去す
る時期を決定することにより、上記課題を解決可能であ
ることを見出し、本発明に到達した。本発明の熱交換器
の運転方法は、被加熱流体と、該被加熱流体を加熱する
スチームとが伝熱壁を介して熱交換を行う熱交換器の運
転方法において、前記被加熱流体の側の伝熱壁面に付着
する付着物の量に応じて前記スチームの前記熱交換器内
での絶対圧力を上昇させ、前記スチームから前記被加熱
流体への伝熱速度を略一定に維持しつつ、前記付着物が
付着する前の前記熱交換器内でのスチーム絶対圧力Ｐ₁
と、前記付着物が付着した後の前記熱交換器内でのスチ
ーム絶対圧力Ｐ_nとが、下記式（Ｉ）を満たす際に、前
記付着物を除去する工程を行うことを特徴とする。 １．０１＜Ｐ_n／Ｐ₁＜１．８・・・（Ｉ） 前記運転方法は、前記スチーム絶対圧力Ｐ₁が、下記式
（ＩＩ）を満たす場合に特に効果的である。 １０ｋＰａ＜Ｐ₁＜５００ｋＰａ・・・（ＩＩ） また前記運転方法は、前記熱交換器がシェルアンドチュ
ーブ式熱交換器であって、チューブ側に被加熱流体が流
れ、シェル側にスチームが流れる場合や、前記被加熱流
体が易重合性物質を含む液体である場合に特に効果的で
ある。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下本発明を詳細に説明する。本
発明の熱交換器の運転方法は、加熱媒体としてスチーム
を使用して、各種プロセス流体などの被加熱流体を加熱
する形態の熱交換器の運転に関するものであって、この
熱交換器においては、被加熱流体とスチームとは伝熱壁
を介して熱交換を行う。以下、このような熱交換器の一
例として、図１にシェルアンドチューブ式熱交換器１０
を例に挙げて説明する。

【０００９】図１のシェルアンドチューブ式熱交換器１
０は、多管式熱交換器とも呼ばれるものであって、シェ
ル１１の内部に複数本のチューブ１２が配され、チュー
ブ１２内を流通する流体と、シェル１１の内側でありチ
ューブ１２の外側である部分（以下、シェル内とい
う。）を流通する流体とが、チューブ１２の側壁、すな
わち伝熱壁を介して熱交換するものである。このような
シェルアンドチューブ式熱交換器１０においては、チュ
ーブ１２内またはシェル１１内のどちらか一方に被加熱
流体が流れ、他方にスチームが流れればよいが、図示例
のシェルアンドチューブ式熱交換器１０のようにチュー
ブ１２内に被加熱流体が流れ、シェル１１内にスチーム
が流れる場合、付着物の付着、蓄積に伴うチューブ内の
閉塞等の問題が生じやすく、後述するように、被加熱流
体側の伝熱壁面の付着物を除去する時期をスチーム絶対
圧力から判断することが、非常に容易で効果的となる。
図１中、実線はスチームの流れを示し、破線は被加熱流
体の流れを示す。

【００１０】被加熱流体としては特に制限はなく、加熱
される必要のある流体であれば制限はないが、特に被加
熱流体が易重合性物質を含有する液体である場合には、
この易重合性物質の少なくとも一部が重合して、チュー
ブ１２の側壁面に付着することがある。このようにして
生成した重合物が過度に付着すると、これを洗浄などで
除去することは難しく、最終的にはシェルアンドチュー
ブ式熱交換器１０を分解し、高圧水によるジェット洗浄
や、場合によってはドリルなどを使用した機械的な除去
が必要となり、時間や労力がかかる。よって、後述する
ように、被加熱流体側の伝熱壁面の付着物を除去する時
期をスチーム絶対圧力から判断することが、非常に有効
となる。

【００１１】このような易重合性物質を含む液体として
は、例えば、易重合性物質としてアクリル酸、メタクリ
ル酸などのビニル結合を有する化合物を含む、化学合成
プロセス液体原料などが挙げられる。また、付着物とし
ては、被加熱流体に含まれる不純物がそのまま析出した
ものや、不純物が何らかの反応を起こすことにより生成
した化合物、さらには、被加熱流体の主成分が一部何ら
かの反応を起こすことにより生成した化合物などが挙げ
られる。例えば、被加熱流体がメタクリル酸である場
合、この中に含まれる高沸点不純物であるテレフタル酸
や、メタクリル酸の一部が重合することにより生成する
ポリメタクリル酸などが挙げられる。

【００１２】図１のシェルアンドチューブ式熱交換器１
０の運転を開始する場合には、符号１３のスチーム用調
圧弁を調整して、シェルアンドチューブ式熱交換器１０
のシエル１１内におけるスチーム絶対圧力がＰ₁となる
ように、シェル１１内にスチームを供給する。Ｐ₁はス
チームを供給する配管に設けられた圧力計１４により測
定できる。供給されたスチームは、伝熱壁で凝縮され、
スチームトラップ１５を介してコンデンセートとして回
収される。一方、複数本のチューブ１２の内側には、ス
チームに加熱される被加熱流体を流通させる。

【００１３】この時点においては、シェルアンドチュー
ブ式熱交換器１０のチューブ１２の側壁面、すなわち、
被加熱流体の側の伝熱壁面には、付着物が実質的に付着
していない状態である。ここでの圧力Ｐ₁、すなわち付
着物が付着する前のシェルアンドチューブ式熱交換器１
０内でのスチーム絶対圧力Ｐ₁には特に制限はなく、加
熱対象である被加熱流体の加熱前の温度、目的とする加
熱温度、シェルアンドチューブ式熱交換器１０のサイズ
などに応じて適宜設定できるが、下記式（ＩＩ）を満足
する範囲内であることが好ましい。 １０ｋＰａ＜Ｐ₁＜５００ｋＰａ・・・（ＩＩ）

【００１４】スチーム絶対圧力Ｐ₁がこのような範囲内
である場合には、一般的に被加熱流体の側の伝熱壁面の
温度は、付着物が付着、蓄積しやすい温度となり、ま
た、この被加熱流体が易重合性物質を含む液体である場
合にはこれが重合しやすい温度となる。すなわち、スチ
ーム絶対圧力Ｐ₁がこのような範囲であると、チューブ
１２の側壁面に付着物が過度に蓄積してチューブ１２が
閉塞し、その結果、被加熱流体が易重合性物質を含有す
る液体である場合には、この易重合性物質が加熱された
チューブ１２内で滞留して重合物が生成し、チューブ１
２の閉塞状態を一層悪化させる傾向がある。したがっ
て、スチーム絶対圧力Ｐ₁がこのような範囲内である場
合に、後述するようにして伝熱壁面から付着物を除去す
る時期を判断し、適宜洗浄などを行うことが、より効果
的となる。

【００１５】このようにしてシェルアンドチューブ式熱
交換器１０を運転していくと、時間の経過とともに伝熱
壁面に付着物が付着、蓄積し、このシェルアンドチュー
ブ式熱交換器１０の総括伝熱係数が低下してスチームか
ら被加熱流体への伝熱速度が小さくなり、その結果、被
加熱流体を所望の温度まで加熱できなくなる。そこで、
このシェルアンドチューブ式熱交換器１０を運転する場
合には、被加熱流体の側の伝熱壁面に付着する付着物の
量に応じて、シェルアンドチューブ式熱交換器１０内に
おけるスチーム絶対圧力をＰ₁から上昇させてＰ_nとし、
スチームから被加熱流体への伝熱速度を略一定に維持
し、被加熱流体が所定の温度に安定に加熱されるように
運転する。具体的には、加熱後の被加熱流体の温度を測
定し、この温度が一定に維持されるように、スチーム絶
対圧力を上昇させつつ運転する。

【００１６】そして、スチーム絶対圧力Ｐ_nが徐々に上
昇し、下記式（Ｉ）を満たす範囲まで上昇した際に、シ
ェルアンドチューブ式熱交換器１０へのスチームの供給
と、被加熱流体の供給とを一旦停止して、被加熱流体の
側の伝熱壁面、すなわちチューブ１２の側壁面から付着
物を除去する。 １．０１＜Ｐ_n／Ｐ₁＜１．８・・・（Ｉ） ここでの付着物の除去方法には特に制限はなく、付着物
の種類に応じた洗浄液をチューブ内に流通させることに
よって、その側壁面に付着した付着物を洗浄する方法な
どが挙げられる。洗浄液としては、例えば、付着物が酸
性物質である場合には、水酸化ナトリウム水溶液などの
アルカリ性洗浄液が好適に使用できる。

【００１７】Ｐ_n／Ｐ₁が１．０１以下の場合には、付着
した付着物の量は少なく、容易に洗浄できるものの、洗
浄せずにこのまま運転を継続していても、直ちにチュー
ブ１２の閉塞などの問題を生じない。よって、このよう
な時期での洗浄はプロセスの生産性を低下させてしまう
だけであり経済的に好ましくない。Ｐ_n／Ｐ₁が１．８以
上となると、付着物の量が過剰となってチューブ１２は
閉塞に近い状態となり、被加熱流体に易重合性物質が含
まれる場合には、この易重合性物質が重合した重合物も
生成し、洗浄を行ってもこれらを十分には除去できなく
なる。すなわち、Ｐ_n／Ｐ₁が上記式（Ｉ）の範囲である
とチューブ１２は閉塞しておらず、また、被加熱流体が
易重合性物質を含有する液体であっても、この易重合性
物質の重合物もほとんど生成していないので、短時間で
容易かつ十分に洗浄でき、しかもプロセスの経済性を大
きく低下させることもない。

【００１８】このようにして付着物を除去した後には、
シェルアンドチューブ式熱交換器１０内におけるスチー
ム絶対圧力を通常Ｐ₁まで下げて、運転を再開する。

【００１９】このような熱交換器の運転方法によれば、
付着物が付着する前の熱交換器内でのスチーム絶対圧力
Ｐ₁と、付着物が付着、蓄積した後の熱交換器内でのス
チーム絶対圧力Ｐ_nとの比が特定の範囲となる際に、付
着物を除去する工程を行う。したがって、被加熱流体側
の流路が閉塞する前に付着物を除去でき、被加熱流体が
易重合性物質を含有する液体であっても閉塞にともなう
重合物の生成がなく、被加熱流体の側の伝熱壁面に付
着、蓄積した付着物を容易かつ十分に、経済的に除去す
ることができる。なお、以上の説明においては、熱交換
器としてシェルアンドチューブ式熱交換器１０を例示
し、チューブ１２内に被加熱流体が流れ、シェル１１内
にスチームが流れる場合について説明したが、上記運転
方法を適用できる熱交換器の種類に制限はなく、また、
チューブ１２内、シェル１１内のどちらに被加熱流体が
流れてもよく、被加熱流体の側の伝熱壁面に付着物が付
着する可能性のある熱交換器の運転に制限なく適用でき
る。

【００２０】

【実施例】以下に、本発明を、実施例により説明する。 （実施例１）外径２５．４ｍｍ、厚さ２．０ｍｍ、長さ
４．０ｍのチューブが２１３本設置され、その外側にシ
ェルが配置されたシェルアンドチューブ式熱交換器を蒸
留塔のリボイラーとして使用し、メタクリル酸の精製を
行った。リボイラーに供給される液の組成は、メタクリ
ル酸が９９ｗｔ％、高沸点不純物１ｗｔ％であり、この
不純物中のテレフタル酸が付着物となり、運転の継続と
ともにチューブの側壁面（伝熱壁面）上に析出・付着し
ていった。リボイラーに供給されるプロセス液（被加熱
流体）の温度は９３℃、この熱交換器のシェル内に供給
されるスチームの絶対圧力Ｐ₁が９４ｋＰaの状態で運転
を開始し、伝熱速度が一定となるようにこの熱交換器に
供給されるスチームの絶対圧力を上げながら運転を継続
した。３ヶ月経過後、熱交換器に供給されるスチームの
絶対圧力Ｐ_nが１６０ｋＰａまで上昇し、Ｐ_n／Ｐ₁＝
１．７０であったので、その時点で運転を停止し、チュ
ーブからプロセス液を抜き出した後にチューブの内部を
水酸化ナトリウム水溶液で洗浄した。洗浄後、チューブ
の内部を目視で点検したところ、十分に洗浄されてお
り、伝熱壁面に付着した付着物は全て取り除かれてい
た。

【００２１】（比較例１）実施例１と同様のシェルアン
ドチューブ式熱交換器について、実施例１と同じ条件で
運転を開始し、スチームの絶対圧力を上げて伝熱速度を
一定に保ちながら４ヶ月間運転を継続したところ、この
熱交換器に供給されるスチームの絶対圧力Ｐ_nは１８５
ｋＰａまで上昇し、Ｐ_n／Ｐ₁＝１．９７であったので、
その時点で運転を停止し、チューブからプロセス液を抜
き出した後にチューブの内部を水酸化ナトリウム水溶液
で洗浄した。洗浄後、内部を目視で点検したところ、４
８本のチューブが閉塞しているのが確認された。そのう
ち約２／３のチューブに関しては、高圧水によるジェッ
ト洗浄で付着物質を除去することが出来たが、残りのチ
ューブは付着物を完全に除去することが出来ず、ドリル
を使用して機械的に除去しなければならなかった。

【００２２】（実施例２）外径２５．４ｍｍ、厚さ２．
０ｍｍ、長さ５．０ｍのチューブが３６５本設置され、
その外側にシェルが配置されたシェルアンドチューブ式
熱交換器を蒸留塔のリボイラーとして使用し、メタクリ
ル酸の精製を行った。リボイラーに供給される液の組成
は、メタクリル酸が８０ｗｔ％、メタクリル酸メチルが
５ｗｔ％、酢酸が４ｗｔ％、アクリル酸が３wt％、その
他の不純物が８ｗｔ％であり、この不純物中のテレフタ
ル酸が付着物となり、運転の継続とともにチューブの側
壁面（伝熱壁面）上に析出・付着していった。リボイラ
ーに供給されるプロセス液（被加熱流体）の温度が９５
℃、この熱交換器のシェル内に供給されるスチームの絶
対圧力Ｐ₁が１０１ｋＰaの状態で運転を開始し、伝熱速
度が一定となるように熱交換器に供給されるスチームの
絶対圧力を上げながら運転を継続した。３ヶ月経過後、
熱交換器に供給されるスチームの絶対圧力Ｐ_nが１５８
ｋＰａまで上昇し、Ｐ_n／Ｐ₁＝１．５６であったので、
その時点で運転を停止し、チューブからプロセス液を抜
き出した後に、チューブの内部を水酸化ナトリウム水溶
液で洗浄した。洗浄後、チューブの内部を目視で点検し
たところ、十分に洗浄されており、伝熱壁面に付着した
付着物は全て取り除かれていた。

【００２３】（比較例２）実施例２と同様のシェルアン
ドチューブ式熱交換器について、実施例１と同じ条件で
運転を開始し、スチームの絶対圧力を上げて伝熱速度を
一定に保ちながら４ヶ月間運転を継続したところ、この
熱交換器に供給されるスチームの絶対圧力Ｐ_nは１８７
ｋＰａまで上昇し、Ｐ_n／Ｐ₁＝１．８５であった。その
時点で運転を停止し、チューブからプロセス液を抜き出
した後にチューブの内部を水酸化ナトリウム水溶液で洗
浄した。洗浄後、内部を目視で点検したところ、３２本
のチューブが閉塞しているのが確認され、高圧水による
ジェット洗浄で付着物を除去する必要があった。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の熱交換器の
運転方法によれば、付着物が付着する前の熱交換器内で
のスチーム絶対圧力Ｐ₁と、付着物が付着した後の熱交
換器内でのスチーム圧力Ｐ_nとの比が特定の範囲となる
際に、付着物を除去する工程を行うので、被加熱流体側
の流路が閉塞する前に付着物を除去でき、被加熱流体が
易重合性物質を含有する液体であってもこのような閉塞
にともなう重合物の生成がほとんどなく、被加熱流体の
側の伝熱壁面に付着、蓄積した付着物を容易かつ十分
に、短時間で経済的に除去することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明で使用される熱交換器の一例を示す概
略構成図である。

【符号の説明】

１０ シェルアンドチューブ式熱交換器 １１ シェル １２ チューブ

フロントページの続き (72)発明者 山近 肇 広島県大竹市御幸町20番１号 三菱レイヨ ン株式会社大竹事業所内 Ｆターム(参考） 3L103 AA19 AA20 AA31 AA33 BB12 BB26 CC12 CC30 CC40 DD08 DD42 DD63

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加熱流体と、該被加熱流体を加熱する
   スチームとが伝熱壁を介して熱交換を行う熱交換器の運
   転方法において、 前記被加熱流体の側の伝熱壁面に付着する付着物の量に
   応じて前記スチームの前記熱交換器内での絶対圧力を上
   昇させ、前記スチームから前記被加熱流体への伝熱速度
   を略一定に維持しつつ、 前記付着物が付着する前の前記熱交換器内でのスチーム
   絶対圧力Ｐ₁と、前記付着物が付着した後の前記熱交換
   器内でのスチーム絶対圧力Ｐ_nとが、下記式（Ｉ）を満
   たす際に、前記付着物を除去する工程を行うことを特徴
   とする熱交換器の運転方法。 １．０１＜Ｐ_n／Ｐ₁＜１．８・・・（Ｉ）
2. 【請求項２】 前記スチーム絶対圧力Ｐ₁が、下記式
   （ＩＩ）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の熱
   交換器の運転方法。 １０ｋＰａ＜Ｐ₁＜５００ｋＰａ・・・（ＩＩ）
3. 【請求項３】 前記熱交換器はシェルアンドチューブ式
   熱交換器であって、チューブ側に被加熱流体が流通し、
   シェル側にスチームが流通することを特徴とする請求項
   １または２に記載の熱交換器の運転方法。
4. 【請求項４】 前記被加熱流体が、易重合性物質を含む
   液体であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれ
   かに記載の熱交換器の運転方法。