JP2005061484A - 低温液体加熱方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な装置構成で、流量範囲の広い低温液体を０℃以上に精度良く加熱できる低温液体加熱方法及びその装置を提供する。
【解決手段】 横型の外胴１１内に多数の伝熱管１２を、その外胴１１内の上方から下方かけて折り返すように設けた熱交換器１０を用い、その上部伝熱管１２ａからアンモニア液等の低温液体Ｗａを流し、外胴１１内にスチームなどの凝縮性加熱流体Ｗｓを供給して下部の伝熱管１２ｂから０℃以上の低温液体に加熱するための低温液体加熱方法において、外胴１１内に加熱流体の凝縮液２８の相とガス相Ｇとを形成し、そのガス相Ｇに窒素などの不活性ガスＷｎを供給して、ガス相Ｇ内の加熱流体の分圧がマイナスゲージ圧力になっても、ガス相Ｇの圧力をプラスのゲージ圧に制御するようにしたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アンモニア液、ＬＰＧなど低温液体を、スチームなどの加熱源で０℃に加熱するための低温液体加熱器に係り、特に、流量が１００〜２５％と広範囲に亘って変動してもこれを精度よく加熱できる低温液体加熱方法及びその装置に関するものである。

通常、例えばアンモニア液（−３３℃）を、シェル＆チューブ式の熱交換器で、スチームを用いて０℃以上に加熱しようとする場合、温水式加熱システムと中間熱媒体式加熱器で加熱する２つの方式が知られている。

（１）温水式加熱器システム
このシステムは、スチームを熱源とする場合、循環水にスチームを吹き込んで温水とし、この温水をシェル＆チューブ式の熱交換器の外胴側に流し、低温液体を伝熱管内に流して、伝熱管の出口での低温液体の温度を制御するようにしている。

（２）中間熱媒体式加熱器
加熱源（スチーム、その他）から低温流体への熱伝達を中間に熱媒体を経由して行う方式である。すなわち、加熱源で中間熱媒体を蒸発させ、この蒸気で低温流体を凝縮加熱する。例えば、容器にアンモニア液をあるレベル迄溜めて、このアンモニア液中に加熱するスチームの伝熱管を設け、スチームでアンモニア液を蒸発させ、上部の気相に設けられている低温流体の伝熱管を凝縮加熱する間接加熱方式である。

特開平１１−２１０９９２号公報

しかしながら、（１）のシステムの構成機器は、スチーム吹き込みによる一定温度の循環水の製造装置、温水循環ポンプ、加熱器等と制御計器となり、装置構成が複雑となる問題がある。また、一般に加熱器をシェル＆チューブの形式で制作する場合、精度良く被加熱流体の温度を制御できる流量変動範囲は７０〜１００％程度であり、２５〜１００％の広範囲に流量が変化する場合には、熱交換器を３基に分割して流量の変化に応じて使用基数を選択して低温液体の温度制御を行わなければならない。従って、（１）のシステムでは、設置機器の数が多くなり制御点数が多くなると共に設置面積も広くなり、このため全体のコストも高くなる。

また（２）の加熱器では、広範囲の流量域で精度良く加熱温度を制御できるが、中間に熱媒体が介在しているので、伝熱のための温度差が蒸発側と加熱側（凝縮側）に二重に存在するため、一定流量で運転していれば支障がないものの、流量変動がある場合には、応答が遅いため安定する迄に時間がかかる。特に、スチームに比べて使用する熱媒体の熱伝達率は、蒸発と凝縮の熱伝達とも数分の１と劣るので、蒸発器、加熱器共に伝熱面積が非常に大きくなり、収容する容器も大型となる。しかもシェルは使用する熱媒体の性状から常温になって高圧になる場合には、十分な耐圧設計とする必要があるため、コストが高くなる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、簡単な装置構成で、流量範囲の広い低温液体を０℃以上に精度良く加熱できる低温液体加熱方法及びその装置を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、横型の外胴内に多数の伝熱管を、その外胴内の上方から下方にかけて折り返すように設けた熱交換器を用い、その上部伝熱管からアンモニア液等の低温液体を流し、外胴内にスチームなどの凝縮性加熱流体を供給して下部の伝熱管から０℃以上の低温液体に加熱するための低温液体加熱方法において、外胴内に加熱流体の凝縮液相とガス相とを形成し、そのガス相に窒素などの不活性ガスを供給して、ガス相内の加熱流体の分圧がマイナスゲージ圧力になっても、ガス相の圧力をプラスゲージ圧力に制御するようにした低温液体加熱方法である。

請求項２の発明は、凝縮液相の凝縮液面が一定となるように制御し、伝熱管に供給する低温液体の流量に応じて、加熱流体の供給量と不活性ガスの供給量を制御する請求項１記載の低温液体加熱方法である。

請求項３の発明は、伝熱管出口の低温液体温度に応じて加熱流体の供給量を調整し、外胴内のゲージ圧力が常にプラス圧力になるように不活性ガスの供給量を調整する請求項２記載の低温液体加熱方法である。

請求項４の発明は、横型の外胴内に多数の伝熱管を、その外胴内の上方から下方にかけて折り返すように設けた熱交換器を用い、その上部伝熱管からアンモニア液等の低温液体を流し、外胴内にスチームなどの凝縮性加熱流体を供給して下部の伝熱管から０℃以上の低温液体に加熱するための低温液体加熱装置において、外胴上部に加熱流体の供給ラインを接続し、その外胴に、凝縮液を排出して加熱流体の凝縮液面を制御する液面調節手段を設け、さらに外胴上部に、外胴内に形成されるガス相に窒素などの不活性ガスを供給してガス相内の加熱流体の分圧がマイナスゲージ圧力になっても、ガス相の圧力をプラスゲージ圧力に制御する不活性ガス供給ラインを接続したことを特徴とする低温液体加熱装置である。

以上要するに本発明によれば、低温液体をスチームなどの加熱流体で加熱するにおいて、外胴内にガス相と凝縮液の相とを形成し、ガス相に不活性ガスを供給してスチームの分圧を制御することで、流量範囲の広い加熱が、精度良く行える。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１において、１０はシェルアンドチューブ式の熱交換器で、横型の外胴１１内に多数の伝熱管１２が、その外胴１１内の上方から下方にかけて折り返すように設けられて構成される。

この熱交換器１０は、具体的には、外胴１１の一方に管板１３を介して胴蓋１４が取り付けられ、その胴蓋１４が、上下に３室のチャネル１５，１６、１７に仕切られる。上部の入口チャネル１５には、加熱すべきアンモニア液等の低温液体Ｗａの供給ライン１９が接続され、下部の出口チャネル１７には、加熱後の低温液体の排出ライン２０が接続される。

管板１３には、入口チャネル１５と中間チャネル１６とを結んで横型のＵ字状の上部伝熱管１２ａが設けられ、中間チャネル１６と出口チャネル１７とを結んで同じくＵ字状の伝熱管１２ｂが設けられ、低温液体の供給ライン１９から入口チャネル１５に流入した低温液体が上部伝熱管１２ａを通って中間チャネル１７に流れ、さらに下部伝熱管１２ｂを通って出口チャネル１７に流れ、排出ライン２０から排出されるようになっている。

外胴１１の頂部には、スチーム等の加熱流体Ｗｓの供給ライン２１が接続され、底部には、凝縮液２８を排出する凝縮液排出ライン２３が接続される。

凝縮液排出ライン２３は、凝縮液槽２４に接続される。凝縮液槽２４には、ガス排気ライン２５と液排出ライン２６が接続される。

外胴１１の頂部には、外胴１１内のガス相Ｇに窒素などの不活性ガスＷｎを供給する不活性ガスライン２７が接続される。

次に制御系を説明する。

低温液体Ｗａの供給ライン１９には、低温液体の流量調節計３０と流量調節弁３１とが接続され、流量調節計３０で設定された流量（１００〜２５％）になるように流量調節弁３１が制御される。

低温液体Ｗａの排出ライン２０には、低温液体の出口温度計３２が接続され、加熱流体Ｗｓの供給ライン２１には、加熱流体の流量（圧力）を設定する流量調節計３３と流量調節弁３４とが接続される。出口温度計３２の検出値（低温液体の出口温度Ｔａ３）は流量調節計３３に入力され、その検出値に基づいて、流量調節計３３が加熱流体の流量値（一次圧力Ｐｓ２）を設定し、その設定した流量値となるように流量調節弁３４を調節する。

外胴１１には、ガス相Ｇの圧力Ｐｓ２を検出する圧力調節計３５が接続され、不活性ガスＷｎの供給ライン２７には不活性ガス注入弁３６が接続され、圧力調節計３５で検出された圧力値に基づいて、不活性ガス注入弁３６の開度を調整し、ガス相Ｇ内の圧力Ｐｓ２（＝ガス相温度Ｔｓ）を制御するようになっている。

外胴１１には、外胴１１内の凝縮液２８の液面Ｌを検出する液面調節計３７が設けられ、凝縮液排出ライン２３には、液面調節弁３８が接続されて液面調節手段が構成され、液面計３７の検出値に応じて液面Ｌが一定となるように液面調節弁３８の開度が制御される。

以上において、先ずアンモニア液（−３３℃）等の低温液体Ｗａが供給ライン１９より、入口チャネル１５に供給され、上部伝熱管１２ａを通して、中間チャネル１６、下部伝熱管１２ｂを通し、出口チャネル１７から排出ライン２０に排出される。

この際、低温液体Ｗａの供給量（１００〜２５％）が流量調節計（Ｆｉｃ）３０で設定され、設定流量となるように流量調整弁３１の開度が調整される。

外胴１１には、供給ライン２１よりスチーム等の加熱流体Ｗｓが供給されると共に供給ライン２７より不活性ガスＷｎが供給される。

加熱流体Ｗｓは、流量調節計３３が流量調節弁３４の弁開度を調整することで、出口温度計３２の検出値（低温液体の出口温度Ｔａ３）に応じて供給され、また不活性ガスＷｎは、圧力調節計３５の検出圧力Ｐｓ２が設定値（０．０５〜０．１ＭＰａ内で適宜の圧力）となるように供給される。

外胴１１内のガス相Ｇ内に供給された加熱流体Ｗｓは、ガス相Ｇ内に位置した上部伝熱管１２ａを流れる低温液体により凝縮し、凝縮液２８となって外胴１１に溜まる。ガス相Ｇを通って加熱された低温液体は、その後、中間チャネル１６で混合され、下部伝熱管１２ｂを通る間に凝縮液２８と熱交換し、排出ライン２０から設定温度（例えば１℃）に加熱されて排出される。また外胴１１内の凝縮液２８は、液面Ｌから底部にかけて徐々に温度が下がり、排出ライン２３より排出される。また、外胴１１内のガス相Ｇに供給した不活性ガス（窒素）は、適宜凝縮液２８に溶解し、凝縮液槽２４の排気ライン２６から凝縮液と共に排出される。

この低温液体Ｗａの加熱において、ガス相Ｇでは、低温液体を熱伝達率の高いスチームなどの加熱流体で凝縮加熱することにより、伝熱面積を小さくでき、加熱システムをシンプルにして装置全体をコンパクトにすることができる。また、ガス相Ｇに不活性ガスを供給し、ガス相Ｇ内の加熱流体の分圧を大気圧力以下の凝縮圧力まで調整できるため、低温液体Ｗａの流量減少（２５％）に応じて、伝熱に必要なバランス凝縮温度が低下（凝縮分圧が大気圧以下に低下）しても、加熱流体Ｗｓを調整して、ガス相Ｇ内の凝縮圧力をプラスゲージ圧にすることができる。従って、凝縮液を外部に排出することができ、一定の液面を維持できるので、低温液体の流量に応じた加熱流体を供給し、一定の凝縮加熱が行える。

この場合、低温液体の加熱の大部分（約９０％）をガス相Ｇの凝縮熱で行うことで、伝熱管１２への氷結を防止できる。すなわち、低温液体は、アンモニア液であれば、入口温度が−３３℃であり、出入口を逆にした従来方式の加熱を行うと、伝熱管１２の表面に氷結が発生し、これが熱伝達を妨げて、さらに氷結を助長することになるが、本発明においては、ガス相Ｇ内で加熱流体の凝縮熱で設定温度（１℃）近くまで加熱することで、氷結を防止することが可能となる。また、ガス相Ｇに位置した伝熱管１２ａを通って加熱された低温液体は、その後、凝縮液と熱交換することで、設定温度まで精度良く加熱することが可能となる。

必要加熱量の殆どを伝熱するガス相Ｇの体積は比較的小さいので、このガス相Ｇでの熱交換量を精度良く制御するのは通常困難である。すなわち、流量調整弁３１，３４の開度制御で、流量を一定にしてガス相Ｇ内の圧力を一定にしようとしても、弁の精度からは、熱交換量を一定に保つことは通常は困難である。

本発明においては、外胴１１内にガス相Ｇを形成し、そのガス相Ｇ内での加熱流体の分圧を制御することで、凝縮温度（圧力）を一定に保ちつつ、外胴１１内に凝縮液２８の液面Ｌを制御することで、熱交換量の制御が可能となる。

これにより、低温液体の出口温度に応じて加熱流体を制御してその加熱量を自在に制御でき、しかも、低温液体の設定流量の変化に対しては、凝縮液２８の液面Ｌを制御して、最適なガス相Ｇ（凝縮熱による伝熱面積）を設定することができるため、凝縮熱による熱交換量を自在に制御することが可能となる。

通常、加熱源のスチーム圧力が０．６ＭＰａの場合、ガス相のプラスゲージのスチーム圧力（温度）の変化だけで加熱できるアンモニア液の流量範囲は、大体流量値で、１００％〜６５％程度と推算される。低流量領域の加熱を行うためには、スチームの凝縮温度を下げて、伝熱温度差を小さくして伝熱量を減少させなければならない。凝縮温度が低下してもガス相の圧力が負のゲージ圧力になるのを妨げるために不活性ガス（窒素ガス）をスチームに入れることで、この混合気体中でのスチームは低圧（単独ではマイナスのゲージ圧力）の分圧となって存在し、ガス相全体は不活性ガスのためにプラスのゲージ圧力となるため、スチームはガス相内の伝熱管面で一様に凝縮する。

スチーム凝縮領域の伝熱係数は大きく、スチーム条件（圧力、温度）が変わると伝熱量も大きく変わるために加熱温度が変動する。加熱器のガス相の体積は非常に小さいので、制御系その他の変化でスチーム量が小変動しても圧力変化を緩和できない。このガス相の温度変化を緩和するために設けられたのが凝縮液２８の相である。凝縮液２８は単位体積あたりの熱容量が大きいのでスチームに比較して大きな熱を保有することができると共に、外胴１１内に溜められた凝縮液２８は、液面は高い温度（約３０〜１００℃）状態にあり、底部に行くに従って低くなり、安定した温度勾配の層流となって排出ライン２３から排出される。

この特性を利用してガス相で加熱された低温液体（アンモニア液）の温度は、凝縮液による加熱（あるいは冷却）は略一定で安定しているので、出口温度制御は、アンモニア液の入口温度変化や流量変化に対して、ガス相に供給するスチーム量（分圧）を制御すればよい。この場合、ガス相の伝熱面積と凝縮液中の伝熱面積比を１対３〜５程度にすると、広範囲の流量域（１００〜２５％）で、低温液体（アンモニア液）を安定した温度に加熱できる。

また、ガス相Ｇ自体は、弁による流量変化に対してクッション作用があるため、微少な流量変化に対して自己バランス作用で、その変化に対して凝縮熱量を一定に保つことが可能となる。

さらに、外胴１１に窒素等の不活性ガスを注入することで、空気などを注入するのに比べて酸素がないため腐食防止に有効となる。

次に、低温液体としてアンモニア液を、加熱流体としてスチームを用いて加熱した場合の、より具体的な例を説明する。

以下の例では、同一の加熱器を用い凝縮液２８の液面Ｌを変え、伝熱面積を変えた２ケースについての伝熱特性を示している。またアンモニア液１００％流量時のスチームの分圧を大気圧付近（ケースＡ）とプラスゲージ圧力（ケースＢ）とした２ケースについて示す。

表１（スチームの凝縮圧力（分圧）と加熱器仕様）
ケースＡ ケースＢ
アンモニア液流量 12,500 kｇ／ｈ 12,500 ｋｇ／ｈ
アンモニア液入口温度 −３３ ℃ −３３ ℃
アンモニア液出口温度 １ ℃ １ ℃
アンモニア液流量範囲 ２５〜１００％ ２５〜１００％
スチーム一次供給圧（飽和） ０．６ＭＰａ ０．６ＭＰａ
不活性ガス分圧（注入圧力） ０．３ＭＰａ ０．２５ＭＰａ
スチーム分圧と流量；
流量１００％ 分圧 ０．０９７ＭＰａ ０．２５ＭＰａ
飽和温度 ９９℃ １２０℃
流量 ２５％ 分圧 ０．００４４ＭＰａ ０．００７ＭＰａ
ガス相運転圧力；
１００％流量 ０．３９７ＭＰａ ０．４５０ＭＰａ
２５％流量 ０．３０４ＭＰａ ０．２５７ＭＰａ
ガス相対凝縮液の伝熱面積比 １ ： ３ １ : ３．４
凝縮液での伝熱分担率 １４．１％ １６％
アンモニア液の出口温度；
流量１００％ １±０．１１℃ １±０．０７℃
流量 ２５％ １±２．４８℃ １±１．９２℃
以上、ガス相内でのスチームの分圧を大気圧付近（ケースＡ）とプラスゲージ（ケースＢ）にした例を示したが、アンモニア液流量が１００％での出口温度は両ケースＡ，Ｂとも設定温度に対して、約±０．１℃の精度で加熱が行える。また流量２５％での出口温度は、約±２℃となる。これは、通常、実用上は支障はない。

本発明の一実施の形態を示す図である。

符号の説明

１０ 熱交換器
１１ 外胴
１２ 伝熱管
１２ａ 上部伝熱管
１２ｂ 下部伝熱管
２８ 凝縮液
Ｇ ガス相
Ｗａ 低温液体
Ｗｓ 加熱流体

Claims (4)

1. 横型の外胴内に多数の伝熱管を、その外胴内の上方から下方にかけて折り返すように設けた熱交換器を用い、その上部伝熱管からアンモニア液等の低温液体を流し、外胴内にスチームなどの凝縮性加熱流体を供給して下部の伝熱管から０℃以上の低温液体に加熱するための低温液体加熱方法において、外胴内に加熱流体の凝縮液相とガス相とを形成し、そのガス相に窒素などの不活性ガスを供給して、ガス相内の加熱流体の分圧がマイナスゲージ圧力になっても、ガス相の圧力をプラスゲージ圧力に制御することを特徴とする低温液体加熱方法。
2. 凝縮液相の凝縮液面が一定となるように制御し、伝熱管に供給する低温液体の流量に応じて、加熱流体の供給量と不活性ガスの供給量を制御する請求項１記載の低温液体加熱方法。
3. 伝熱管出口の低温液体温度に応じて加熱流体の供給量を調整し、外胴内のゲージ圧力が常にプラス圧力になるように不活性ガスの供給量を調整する請求項２記載の低温液体加熱方法。
4. 横型の外胴内に多数の伝熱管を、その外胴内の上方から下方にかけて折り返すように設けた熱交換器を用い、その上部伝熱管からアンモニア液等の低温液体を流し、外胴内にスチームなどの凝縮性加熱流体を供給して下部の伝熱管から０℃以上の低温液体に加熱するための低温液体加熱装置において、外胴上部に加熱流体の供給ラインを接続し、その外胴に、凝縮液を排出して加熱流体の凝縮液面を制御する液面調節手段を設け、さらに外胴上部に、外胴内に形成されるガス相に窒素などの不活性ガスを供給してガス相内の加熱流体の分圧がマイナスのゲージ圧力になっても、ガス相の圧力をプラスのゲージ圧力に制御する不活性ガス供給ラインを接続したことを特徴とする低温液体加熱装置。

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