JP2005214468A - 熱交換器および熱交換器での熱交換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被加熱流体がチューブ内面近傍にて高温に加熱されることを防いで、易重合性物質の重合物の生成を抑制し、長期安定運転が可能になる熱交換器および熱交換器での熱交換方法を提供する。
【解決手段】 本発明の熱交換器は、易重合性物質を含む被加熱流体と、該被加熱流体を加熱するスチームとで熱交換する熱交換器１０において、スチームを熱交換器１０内に導入する導入管１３に、スチーム供給量を調節する調節弁１５が設置されている。また、本発明の熱交換器での熱交換方法は、熱交換器１０を用いて、易重合性物質を含む被加熱流体と、該被加熱流体を加熱するスチームとで熱交換する際に、熱交換器１０に供給するスチーム量を調節する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、易重合性物質を含む流体とスチームとを熱交換する熱交換器に関する。また、熱交換器を用いて易重合性物質を含む流体とスチームとで熱交換する際の熱交換方法に関する。

スチームを使用する機器、例えば、液体や気体などの被加熱流体を所定温度に加熱するヒータや、蒸留塔のリボイラ、各種装置の予熱器などがプラント内に２機以上存在する場合には、プラント内にスチームの圧力を一定に保持するためのスチームヘッダを設置し、このスチームヘッダから各機器にスチームを供給する方法が一般的に採用されている。
ここで、スチームを使用する機器は、多くの場合、スチームを加熱媒体として、伝熱壁を介して被加熱流体を加熱する、いわゆる伝熱壁型熱交換器である。この伝熱壁型熱交換器のうち多管式熱交換器は他の種類の熱交換器と比べて、過酷な条件で使用でき、長期間連続運転できるため、信頼性が高いという特徴を有しており、広く使用されている。

従来の多管式熱交換器は、図２に示すように、円筒のシェル２１と、シェル２１の内部に収納された、細く、肉厚の薄い、多数のチューブ２２（伝熱管）を１本に束ねた管束と、スチームヘッダからスチームをシェル２１内に導入する導入管２３と、スチームの凝縮水（ドレイン）をシェル２１から排出するドレイン排出管２４とを具備するものである。また、従来の多管式熱交換器のドレイン排出管２４には、開閉弁２５が設置されている。なお、多管式熱交換器においては、スチームの流れを規制して熱交換の伝熱効率を高くするとともに、チューブを保持する邪魔板を設ける場合がある。
上記多管式熱交換器では、チューブ２２の管壁を介してチューブ２２の内外を流れる流体間で熱交換する。具体的には、熱交換器の底部からチューブ２２内に被加熱流体を流通し、シェル１１内のチューブ外側２６に導入管２３からスチームを流通し、チューブ２２の管壁を介して熱交換する。この熱交換において、スチームは凝縮潜熱を放出して凝縮するとともに、被加熱流体はスチームによって加熱される。スチームの凝縮水は、ドレイン排出管２４を介してドレイン排水として熱交換器外へ排出する。なお、図中、実線の矢印はスチームの流れを示し、破線の矢印は被加熱流体の流れを示す。

この多管式熱交換器においては、開閉弁２５をドレイン排出量調節弁として用いた伝熱面積制御方法により、スチーム圧力を一定にしたまま加熱量を調整する。具体的には、調節弁の開度によって凝縮水の水位を増減することで有効伝熱面積を変化させて加熱量を調整する。開閉弁２５の開度を小さくした場合には、スチームの凝縮によって生成する凝縮水を熱交換器内に意図的に滞留させることができ、その結果、凝縮水の水面以下の水没した面において伝熱が実質的に無効になり、加熱量を少なくできる。
特開平８−２８５３６８号公報

しかしながら、上記方法では、スチームヘッダでの圧力と同じ圧力のスチームが熱交換器内に導入されるため、熱交換器におけるスチームの温度が高かった。スチームの温度が高いと、チューブ内面近傍の被加熱流体が高温に加熱されるので、被加熱流体に易重合性物質を含む場合には、運転時間が長くなるにつれて被加熱流体側のチューブ内面に重合物が生成した。特に、スチームの入口側では、スチームの温度がより高温になっているため重合物が生成しやすかった。さらには、このような重合物の付着が核となり、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して生成した化合物、被加熱流体の主成分の一部が何らかの反応を起こして生成した化合物などが蓄積して付着物が増加した。そして、その重合物や付着物の蓄積によって最終的にはチューブが閉塞することがあった。あるいは、重合物や付着物の蓄積によっ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して、被加熱流体を十分に加熱できなくなるという問題があった。

そのため、一般的には、定修時などでチューブを洗浄して、チューブ内面に付着した付着物を除去する。ところが、重合物や付着物によってチューブが閉塞してしまうと、適切な洗浄液を使用して洗浄したとしても、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をしたり、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したりしなければならなかった。このような作業は長時間を要し、経済的にも不利である。
また、定修時以外でも洗浄のために熱交換器の運転を停止する場合もあり、その場合には、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。

本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、被加熱流体がチューブ内面近傍にて高温に加熱されることを防いで、易重合性物質の重合物の生成を抑制し、長期安定運転が可能になる熱交換器および熱交換器での熱交換方法を提供することを目的とする。

本発明の熱交換器は、易重合性物質を含む被加熱流体と、該被加熱流体を加熱するスチームとを熱交換する熱交換器において、
スチームを該熱交換器内に導入する導入管に、スチーム供給量を調節する調節弁が設置されていることを特徴とする。
本発明の熱交換器においては、調節弁により、スチームの絶対圧力Ｐが、下記式（Ｉ）の範囲に調節されていることが好ましい。
１０ｋＰａ＜Ｐ＜５００ｋＰａ・・・（Ｉ）
本発明の熱交換器は、多数のチューブを具備し、チューブ内に被加熱流体が流通し、チューブの外側にスチームが流通する多管式熱交換器であってもよい。
本発明の熱交換器において、易重合性物質が、（メタ）アクロレイン、（メタ）アクリル酸、（メタ）アクリル酸のエステルから選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。
本発明の熱交換器での熱交換方法は、易重合性物質を含む被加熱流体と、熱交換器を用いて、該被加熱流体を加熱するスチームとを熱交換する際に、熱交換器に供給するスチーム量を調節することを特徴とする。

本発明の熱交換器および熱交換器での熱交換方法によれば、被加熱流体がチューブ内面近傍で高温に加熱されることを防ぎ、易重合性物質の重合物の生成を抑制するので、長期安定運転が可能になる。さらには、重合物や付着物による閉塞が防止されるので、熱交換器のチューブ内を容易に洗浄でき、洗浄に要する時間を短くでき、経済的である。また、洗浄のために運転を停止しなくてよいから、生産性の低下を防止できる。

以下、本発明の熱交換器および熱交換器での熱交換方法について図１を参照して説明する。
図１に示す多管式熱交換器１０は、シェルアンドチューブ式熱交換器とも呼ばれるものであって、シェル１１の内部に多数本のチューブ１２，１２・・・が収納されたものである。また、シェル１１内にスチームを導入する導入管１３と、スチームおよびスチームの凝縮水をシェル１１から排出する排出管１４とが設けられ、導入管１３には、シェル１１へのスチームの供給量を調節する調節弁１５が設置されている。
この多管式熱交換器１０では、底部から頂部に向けてチューブ１２内に被加熱流体を流通させるとともに、シェル１１の内側でありチューブ１２の外側である部分１６にスチームを流通させて、チューブ１２の側壁、すなわち伝熱壁を介して熱交換する。熱交換によって、被加熱流体は加熱されるとともに、多管式熱交換器１０内に供給されたスチームの少なくとも一部は凝縮する。なお、熱交換の際に凝縮しなかったスチームは、排出管１４に接続されたスチームトラップ１７にて凝縮して、コンデンセートとして回収される。

多管式熱交換器１０の運転にあたっては、調節弁１５の開度を調節して、被加熱流体の出口温度が一定になるようにスチーム絶対圧力Ｐを調節する。なお、スチーム絶対圧力Ｐは導入管１３に設けられた圧力計１８により測定される。

ここで、調節弁１５により、スチーム絶対圧力Ｐは、被加熱流体の加熱前の温度、目的とする加熱温度、多管式熱交換器１０のサイズなどに応じて適宜調節されるが、下記式（Ｉ）の範囲内に調節されることが好ましい。
１０ｋＰａ＜Ｐ＜５００ｋＰａ・・・（Ｉ）
スチーム絶対圧力Ｐが１０ｋＰａを越えると、伝熱面積の小さな小型の熱交換器が利用可能になり、熱交換器のコスト、設置面積の削減の点で有利である。また、５００ｋＰａ未満の場合、被加熱流体と接触する伝熱面の温度を低く抑えられるので被加熱流体中の易重合性物質の重合を抑制でき、重合トラブルが起き難い。

上記熱交換器１０を用いた熱交換においても、被加熱流体を、被加熱流体の温度より高い温度のスチームで加熱するので、熱交換器１０の運転を長時間継続した場合には、時間の経過とともにチューブ１２内面に付着物が付着、蓄積していくことは避けられない。したがって、そのまま運転を継続した場合には、総括伝熱係数が徐々に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、被加熱流体を所望の温度まで加熱できなくなるおそれがある。よって、そのような場合には、調節弁１５の開度を大きくし、スチーム絶対圧力を上昇させて、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。このように、調節弁の開度を徐々に大きくすることによって、被加熱流体が所定の温度で一定になるように加熱できる。
調節弁１５の開度の制御方法としては、例えば、熱交換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、調節弁１５の開度を調節する方法などが挙げられる。

被加熱流体に含まれる易重合性物質は、ビニル結合を有する化合物などの化学合成プロセス液体原料であり、化学合成プロセス液体原料の中でも、本発明の効果がとりわけ発揮されることから、（メタ）アクロレイン、（メタ）アクリル酸、（メタ）アクリル酸のエステルから選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。
なお、被加熱流体に含まれる易重合性物質がメタクリル酸である場合には、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付着物となる。

以上説明した熱交換器１０は、導入管１３に調節弁１５を設置しており、その調節弁１５でスチーム供給量を調節できるので、排出管１４に調節弁を設置しなくてもよい。排出管１４に調節弁を設置しないことで、熱交換器１０内の凝縮水を速やかに熱交換器１０外に排出する。その結果、熱交換器１０の伝熱面を実質的に全て有効に使用できるので、高圧力・高温であるスチームヘッダのスチームを熱交換器１０内に直接導入することなく、調節弁１５でスチームヘッダの圧力より低い圧力に調整されたスチームを供給しても、被加熱流体を所定の温度に加熱できる。よって、被加熱流体がチューブ１２内面近傍で高温に加熱されることが抑えられ、易重合性物質の重合を抑制できるので、重合物や付着物によるトラブルが減少して熱交換器１０の長期安定運転が可能になる。

なお、上述した実施形態例では、熱交換器が多管式熱交換器であり、チューブ内に被加熱流体が流れ、シェル内のチューブ外側にスチームが流れる例であったが、本発明はこれ以外の熱交換器であってもよい。例えば、被加熱流体がシェル側に流れてもよい。

以下、本発明を実施例により説明する。
（実施例１）
シェル内に外径２５．４ｍｍ、厚さ２．０ｍｍ、長さ４．０ｍのチューブが２１３本収納され、スチームの導入管にスチーム供給量を調節する調節弁を備えた多管式熱交換器を蒸留塔のリボイラとして用い、シェル内のチューブ外側にスチームを流通させ、チューブ内にメタクリル酸含有液（被加熱流体）を流通させた。ここで、調節弁による調節前のスチームの絶対圧力Ｐ（スチームヘッダにおけるスチームの絶対圧力）は２５０ｋＰａであり、メタクリル酸含有液の組成を、メタクリル酸が９９質量％、高沸点不純物が１質量％とした。
運転開始当初、調節弁によりスチームの絶対圧力を９４ｋＰａに調節した。この時点でのスチームの温度は、スチームが飽和状態にあると仮定すると９８℃である。
その後は、伝熱速度が一定になってメタクリル酸含有液の出口側温度が一定になるように、多管式熱交換器へのスチーム供給量を調節弁で調節した。具体的には、バルブの開度が徐々に大きくなるように、スチームの絶対圧力が高くなるように調節した。
半年経過後、熱交換器に供給されるスチームの絶対圧力Ｐは１６０ｋＰａまで上昇したが、スチームヘッダの圧力よりも低い圧力で運転することができた。その結果、重合物の付着によるリボイラの詰りなどのトラブルも無く安定に運転を継続できた。その後、運転を停止し、リボイラのチューブ内を洗浄し、チューブの内部を目視で点検してみたが、チューブ内面に重合物の付着は見られなかった。

（比較例１）
スチームの凝縮水を排出する排出管に調節弁を設置し、導入管に設置しなかった以外は、実施例１と同様の多管式熱交換器を用い、実施例１と同じ条件で運転を開始した。
運転開始時、シェル内のスチーム導入管側のスチーム絶対圧力はスチームヘッダの圧力と同じ２５０ｋＰａであった。この時点でのスチームの温度は、スチームが飽和状態であると仮定すると１２７℃である。
この多管式熱交換器では、排出管に設置された調節弁によってシェル内のドレインの液面高さを調節して加熱伝熱面積を調整する方法であるため、運転当初から安定運転中も常にスチーム導入管側が高圧・高温状態であった。
メタクリル酸含有液の出口温度を９３℃に維持しながら運転を継続したところ、およそ２ヶ月で所定の伝熱量を維持できなくなり、運転不能に陥った。運転を停止し、リボイラのチューブ内を洗浄後、チューブの内部を目視で点検したところ、８９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を除去することが出来たが、ほとんどのチューブは重合物による付着が著しく、完全に除去するにはドリルを使用して重合物および付着物を機械的に除去しなければならなかった。

（実施例２）
シェル内に外径２５．４ｍｍ、厚さ２．０ｍｍ、長さ４．０ｍのチューブが３６５本収納され、スチームの導入管にスチーム供給量を調節する調節弁を備えた多管式熱交換器を蒸留塔のリボイラとして用い、シェル内のチューブ外側にスチームを流通させ、チューブ内にメタクリル酸含有液（被加熱流体）を流通させた。ここで、調節弁による調節前のスチームの絶対圧力Ｐ（スチームヘッダにおけるスチームの絶対圧力）は３９７ｋＰａであり、メタクリル酸含有液の組成を、メタクリル酸が８０質量％、メタクリル酸メチルが５質量％、酢酸が４質量％、アクリル酸が３質量％、その他の不純物が８質量％とした。
運転開始当初、調節弁によりスチームの絶対圧力を１０１ｋＰａに調節した。この時点でのスチームの温度は、スチームが飽和状態にあると仮定すると１００℃である。
その後は、伝熱速度が一定になってメタクリル酸含有液の出口側温度が一定になるように、多管式熱交換器へのスチーム供給量を調節弁で調節した。具体的には、バルブの開度が徐々に大きくなるように、スチームの絶対圧力が高くなるように調節した。
半年経過後、熱交換器に供給されるスチームの絶対圧力Ｐは１５８ｋＰａまで上昇したが、スチームヘッダの圧力よりも低い圧力で運転することができた。その結果、重合物の付着によるリボイラの詰りなどのトラブルも無く安定に運転を継続できた。その後、運転を停止し、リボイラのチューブ内を洗浄し、チューブの内部を目視で点検してみたが、チューブ内面に重合物の付着は見られなかった。

（比較例２）
スチームの凝縮水を排出する排出管に調節弁を設置し、導入管に設置しなかった以外は、実施例２と同様の多管式熱交換器を用い、実施例２と同じ条件で運転を開始した。
運転開始時、シェル内のスチーム導入管側のスチーム絶対圧力はスチームヘッダの圧力と同じ３９７ｋＰａであった。この時点でのスチームの温度は、スチームが飽和状態であると仮定すると１４３℃である。
この多管式熱交換器では、排出管に設置された調節弁によってシェル内のドレインの液面高さを調節して加熱伝熱面積を調整する方法であるため、運転当初から安定運転中も常にスチーム導入管側が高圧・高温状態であった。
メタクリル酸含有液の出口温度を９５℃に維持しながら運転を継続したところ、およそ１ヶ月で所定の伝熱量を維持できなくなり、運転不能に陥った。運転を停止し、リボイラのチューブ内を洗浄後、チューブの内部を目視で点検したところ、１１４本のチューブが閉塞しているのが確認された。また、高圧水によるジェット洗浄では付着物を完全に除去することができず、ほとんどのチューブはドリルを使用して重合物および付着物を機械的に除去しなければならないくらい重合物の付着が激しかった。

本発明の熱交換器の一実施形態例を示す概略構成図である。 従来の熱交換器を示す概略構成図である。

符号の説明

１０ 多管式熱交換器（熱交換器）
１２ チューブ
１３ 導入管
１５ 調節弁
１６ チューブの外側

Claims (5)

1. 易重合性物質を含む被加熱流体と、該被加熱流体を加熱するスチームとで熱交換する熱交換器において、
   スチームを該熱交換器内に導入する導入管に、スチーム供給量を調節する調節弁が設置されていることを特徴とする熱交換器。
2. 調節弁により、スチームの絶対圧力Ｐが、下記式（Ｉ）の範囲に調節されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
   １０ｋＰａ＜Ｐ＜５００ｋＰａ・・・（Ｉ）
3. 多数のチューブを具備し、チューブ内に被加熱流体が流通し、チューブの外側にスチームが流通する多管式熱交換器であ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。
4. 易重合性物質が、（メタ）アクロレイン、（メタ）アクリル酸、（メタ）アクリル酸のエステルから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換器。
5. 熱交換器を用いて、易重合性物質を含む被加熱流体と、該被加熱流体を加熱するスチームとで熱交換する際に、熱交換器に供給するスチーム量を調節することを特徴とする熱交換器での熱交換方法。

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