JP2011513685A - 温度および滞留時間に敏感な製品を加熱するための熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、温度に敏感でかつ／または重合可能である媒体における熱伝達のための管束熱交換器に関する。本発明の構成では、１つまたは複数の製品出口（８）と、１つまたは複数の製品入口（１）とを備えたハウジング（４）内に管束が配置されており、該管束の管内にそれぞれ複数の押しのけロッド（７，１０，１２，１５）が配置されており、当該管束熱交換器の少なくとも１つの熱交換器フードが、製品充填された容積を減少させるために押しのけ体（３）で満たされている。

Description

発明の分野
本発明は温度に敏感で、つまり感温性でかつ／または重合可能である製品のための熱交換器に関する。

背景技術
文献により、熱交換器の多数の種々の実施態様が知られている。すなわち、短い滞留時間のためには、たとえばプレート型熱交換器またはマイクロ熱交換器のタイプの熱交換器が挙げられる。しかし、これらの熱交換器には、狭い流れギャップに基づいて低粘度の製品のためにしか適していないという不都合がある。高粘度の製品の場合には、これらの熱交換器による圧力降下が極めて高くなる恐れがある。重合傾向のある製品、たとえばモノマまたは、まだモノマを含有しているポリマシロップの場合には、モノマが熱交換器中で作動時または休止中に重合してしまう危険が生じる。完全に重合したシロップをプレート型熱交換器またはマイクロ熱交換器から取り除くことは、全く不可能ではないにしても極めて手間のかかる作業となる。高い粘度、特に数Ｐａｓおよび高い圧力、特に１０バールよりも高い圧力のためには、製作方法や、発生する力に基づき、プレート型熱交換器は考えられない。

米国特許第１９６１９０７号明細書には、管内に螺旋状に溝付けされた押しのけ体を備えた管束熱交換器が記載されている。螺旋状の流れによって、特に効果的な熱伝達が達成される。しかし、押しのけ管内部での調温したい媒体の流れにより、付加的な圧力損失および付加的な滞留時間が生ぜしめられ、このような滞留時間は製品にとって有害となる恐れがある。さらに、複雑な構造に基づき、高いコスト、悪い分解可能性および困難な排出可能性が生じる結果となる。

ドイツ連邦共和国実用新案第８７１２８１５号明細書（VIA Gesellschaft fuer Verfahrenstechnik）には、圧縮空気乾燥器に用いられる管束熱交換器が記載されている。管内に導入された押しのけ体は、材料節約の理由から再び管から成っており、この管は流入側で閉じられている。この押しのけ管は刻み目付けされた表面を有していてよい。しかし、温度に敏感な製品のために開発されたわけではないこの構造は、製品充填された大きな容量を有している。なぜならば、極めて小さなホールドアップ（滞留量）を有する底部が使用されず、押しのけロッドが下側で閉じられていないからである。さらに、押しのけ管は取外し不可能である。このことは温度に敏感なポリマにおいて大きな不都合となる。

ドイツ連邦共和国実用新案第８９０３３４９号明細書（VIA Gesellschaft fuer Verfahrenstechnik）には、特に圧縮空気乾燥器に用いられる管束熱交換器が記載されている。熱伝達媒体をできるだけ均一に装置に通して流れさせるために、当該装置内には篩いプレートが配置される。この篩いプレートにより、管の均一な流過が生ぜしめられる。しかし、この管束熱交換器もしくは管束伝熱器では、穏やかな熱伝達が必要とならないので、押しのけロッドの横断面に対する特別な要求は課せられておらず、最小のホールドアップを有する押しのけフードまたは扁平底部も必要とされない。さらに、押しのけロッドは取外し不可能である。

高粘度の製品においても僅かな圧力降下しか示さない熱交換器は、しばしばたとえば管束タイプの熱交換器である。この構成では、製品が、平行に配置された複数の管を通流する。しかしこの場合に不都合となるのは、管束熱交換器が通常、小さな比熱交換面（spezifische Waermeaustauschflaeche）しか有しないことである。この比熱交換面は、製品により満たされた管内の容積に対する熱交換面積の比として定義される。小さな比熱交換面積に基づき、一般に大型の熱交換器、ひいては管内の大きなホールドアップを有する熱交換器が必要とされる。それゆえに、滞留時間は管束熱交換器においては極めて長くなる。

課題
上で述べた公知先行技術に鑑み、熱交換器内で加熱または冷却したい製品のための滞留時間をできるだけ短くさせる熱交換器を開発するという課題が生じた。熱交換器はさらに、低粘度の製品も高粘度の製品も加熱もしくは冷却され得るように形成されていることが望ましい。

この場合、
・短い滞留時間と同時に僅かな圧力降下を可能にし、
・簡単にクリーニングすることができ、
・簡単に製作することができ、
・簡単にシールすることができ、
・広い温度・圧力・粘度スペクトルのために使用可能であり、
・製品室と加熱室もしくは冷却室との間の温度差を良好に受け止める
熱交換器の構成が求められた。

この課題は、製品充填された管内の特殊に形成された複数の押しのけロッドを備えた管束熱交換器により解決される。これらの押しのけロッドは、管内に存在する容積の４０％よりも多い容積を占め、有利には管内に存在する容積の５０％よりも多い容積を占め、極めて特に有利には管内に存在する容積の６０％よりも多い容積を占めるように形成されている。装置内の製品充填された容積を小さく保持するために、装置の熱交換器フード内に１つまたは複数の押しのけ体が配置されるか、または少なくとも１つの扁平底部が使用されると有利である。

本発明による管束熱交換器の１実施形態を示す概略図である。 熱交換器管内の押しのけロッドの平面図である。 図４のＡ−Ｂ線に沿った押しのけロッドの断面図である。 図３に示した押しのけロッドの概略図である。 図６のＡ−Ｂ線に沿った押しのけロッドの断面図である。 図５に示した押しのけロッドの概略図である。 熱交換器管に面した側が円錐状に形成されている熱交換器フードを示す概略図である。 扁平底部を備えた本発明による管束熱交換器の別の実施形態を示す概略図である。

発明の実施
１.管束熱交換器の構成
説明
管束熱交換器はハウジング４と管束とから成っている。管束は、調温したい製品によって通流される、ほぼ平行に配置された１つまたは複数の管から形成される。これらの管は互いに整合して配置されているか、互いにずらされて配置されているか、または互いに同心的な複数の孔円を描くように配置されていてよい。ほぼ等しい最小の管間隔が有利であり、これにより製品充填された小さな容積６が得られる。管の均一な流過と、底部範囲における僅かなデットゾーンを得るためには、これらの管が同心的な円を描くように配置されていると特に有利である。

製品はこれらの管内を通流し、管ジャケットを介して加熱されるか、または冷却される。加熱媒体もしくは冷却媒体５は管の外側のジャケット内を通流する。管はこの場合、製品流に対して直交流、向流または並流の形で加熱媒体もしくは冷却媒体５によって流過され得る。調温は主として直交・向流で行われると有利である。なぜならば、こうして調温媒体、つまり加熱媒体もしくは冷却媒体５と製品室６との間の小さな駆動温度差で十分となるからである。排出を簡単に行うことができるようにするために、熱交換器は上方から下方へ向かって製品によって通流されると有利である。加熱媒体もしくは冷却媒体５の空気抜きを簡単に行うことができるようにするためには、熱交換器が加熱媒体もしくは冷却媒体５によって下方から上方へ向かって通流されると有利である。

管束の少なくとも一方の端部が底部によって取り囲まれ、この底部を通じて製品は流入するか、もしくは流出する。この底部は小さな肉厚さを有する熱交換器フード２として形成されるか、または厚肉で、ただしコンパクトなフラットな扁平底部１７として形成されていてよい。この底部は有利には装置フランジを有しているので、この底部を熱交換器本体にフランジ締結するか、または再び取り外すことができる。底部は、有利には軸線上に位置する管片を有していてよく、この管片を通じて製品は流入するか、もしくは流出することができる。また、軸線近傍に複数の管片を配置して、これらの管片を通じて製品を流出させることも考えられる。底部は、該底部が調温媒体、つまり加熱媒体もしくは冷却媒体５によって加熱されるか、もしくは冷却され得るように形成されると有利である。しかし、電気的な加熱も考えられる。

また、熱交換器が直接に別の装置に接続されていて、この接続された側において相応する底部を不要にすることも考えられる。

膨張補償のためには、必要に応じて補償器を外側のジャケットに挿入することができ、これにより管束と外側ジャケットとの間の熱膨張差を補償することができる。

利点
熱交換管内での圧力降下は高粘度の製品に関しては、適当な管直径の選択によってコントロール可能である。

２.押しのけロッドの構成
説明
熱交換器管内での製品６の容積を減少させかつ熱伝達を向上させるためには、押しのけロッド７，１０，１２，１５が管内に導入される。押しのけロッド７，１０，１２，１５は部分的に熱交換器フード２内に突入することができる。押しのけロッド７，１０，１２，１５は、熱交換器管内の容積の４０％よりも多い容積を押しのけるように形成されている。管の空容積の６０％よりも多い容積が押しのけロッド７，１０，１２，１５によって押しのけられると有利である。伝熱器もしくは熱交換器のコンパクトな構造を得ると同時に圧力降下を小さく抑えるためには、容積の９５％より少ない容積が押しのけられると有利である。押しのけロッド７，１０，１２，１５の外側輪郭は、デッドゾーンを回避しかつ熱交換器管の横断面にわたり均一な流れを得るために、管内での押しのけロッド７，１０，１２，１５の軸線がセンタリングされるように形成されていると有利である。製品流は押しのけロッド７，１０，１２，１５と熱交換器管の内壁との間のギャップ１１内を流れる。

押しのけロッド７，１０，１２，１５を管内で、規定されたギャップを持ってセンタリングするためには、押しのけロッド７，１０，１２，１５が、たとえば次のように形成されていてよい：
・管９内でのセンタリングのために横断面がその軸線に沿って少なくとも２つの部分範囲１４，１６において変形加工されている、両側で閉じられた管、閉じられた中空体または中実体１５（図２、図５および図６参照）、
・管内でのセンタリングのために、少なくとも２つの軸方向位置で外部に取り付けられたエレメント１３を備えた、両側で閉じられた管、閉じられた中空体または中実体１５（図３および図４参照）、
・容積を押しのける特性を持った、管軸線に沿ってずらされたプレート。

押しのけロッド７，１０，１２，１５は、有利には管９内に押し込まれているので、必要に応じてクリーニング目的および検査目的で、これらの押しのけロッド７，１０，１２，１５を再び取り出すことができる。押しのけロッド７，１０，１２，１５は直列接続された複数の個々のロッドから成っていてよい。また、中空の押しのけロッドを使用することも考えられる。その場合、これらの押しのけロッドは、熱輸送を改善する媒体で充填されている。たとえば、水が含まれていてよい。水は高温範囲において蒸発し、低温範囲では凝縮するので、熱は軸方向に輸送される。また、押しのけ管を通流する熱担持媒体を用いて付加的に熱を伝達することも考えられる。別の可能性は、電気的に加熱された押しのけロッドを使用することにある。これにより、比熱伝達面は一層高められ、滞留時間は一層低減され得る。同じく、上で挙げた押しのけロッドの組合せを使用することも考えられる。

押しのけロッドは、有利には管の加熱された部分において狭い横断面を形成しており、流入範囲においては、管底部範囲における圧力損失を減少させるために横断面拡開部が設けられていてよい。

利点
押しのけロッド７，１０，１２，１５により、管路６内の製品のホールドアップは減じられ、比熱交換面は増大される。押しのけロッド７，１０，１２，１５を備えた管束伝熱器もしくは管束熱交換器を介して生じる圧力降下は、同じ熱出力および同じ管数のマイクロ熱交換器およびプレート型熱交換器の場合よりも小さい。マイクロ熱交換器およびプレート型熱交換器の場合には、これらの熱交換器タイプにおける管数を著しく高めることによってしか、圧力降下を、押しのけロッドを備えた管束熱交換器のレベルにまで低下させることができない。小さな管直径および多数の管により、このような熱交換器のクリーニングもしくは清浄化は著しく困難となる。

押しのけロッドを備えた管束熱交換器の滞留時間はもちろん、同じ直径の押しのけロッドを有しない管束熱交換器におけるよりも短い。著しく小さな直径を有するが、ただしその場合には著しく長尺に形成される空管に関してしか、押しのけロッドを備えた管束熱交換機の場合と同じレベルに滞留時間を調節することができない。

３.熱交換器フード内の押しのけ体
説明
熱交換器フード２内のホールドアップを最小限に抑えるためには、熱交換器フード２内に押しのけ体３が組み込まれる。熱交換器フード２は同じく加熱または冷却されていてよい。センタリングのために、熱交換器フード２は、たとえば外側に金属薄板またはピンを有していてよい。熱交換器管に液体を均一に供給するためには、熱交換器管に面した側が、円錐状に形成されると有利である（図７参照）。

利点
熱交換器フード２内での滞留時間の低減、ひいては製品の熱負荷の低減。

４.扁平底部
製品入口１および製品出口８のためのゾーンは、切欠きを備えた扁平底部（low volume head）１７として形成されていてもよい（図８参照）。これらの切欠きは、底部における製品の滞留時間が、全負荷の場合には０.５〜２０秒、有利には１.５〜１５秒となり、部分負荷の場合には１〜４０秒、有利には１.５〜３０秒となるように寸法設定される。切欠きは、たとえば旋削加工またはフライス加工によって製作され得る。扁平底部の切欠きは円錐状に形成されていてよい。

５.作動パラメータ
説明
作動温度Ｔ＝−２０℃〜＋４００℃；
管６および熱交換器フード２の製品室内の圧力Ｐ＝−０.９５ｂａｒｇ〜＋１００ｂａｒｇ。

熱担持媒体５の室内の圧力はＰ＝−０.９５ｂａｒｇ〜＋５０ｂａｒｇであってよい。熱担持媒体５の温度はＴ＝−２０℃〜＋４００℃であってよい。

熱担持媒体５は液状または蒸気状に供給され得る。本発明において記載されている熱交換器は、η＝０.１ｍＰａｓ〜５００Ｐａｓの粘度を有する製品を加熱するか、もしくは冷却するために適している。熱交換器内での製品の滞留時間は１秒〜３００秒であってよい。

利点
この熱交換器は、温度、圧力および粘度の広い範囲の調節を可能にする。

公知先行技術のコンベンショナルな熱交換器と、環状ギャップを備えた熱交換器との間での比較
次の表は、質量収支およびエネルギ収支の結果ならびに管および環状ギャップ内の流れおよび熱伝達の算出の結果を要約している。圧力損失の算出は、層流状に通流される管（ハーゲン・ポアズイユ流れ）もしくは層流状に通流される環状ギャップのための運動量保存の法則の方程式（Impulserhaltungsgleichung）の解析的な解に基づいている。熱伝達の算出は、流体力学的にかつ熱的には形成されていない層流のための半経験的（semiempirisch）なヌッセルト数の関係に基づいている。特に別記しない限り、質量流量は１０００ｋｇ／ｈ、管内滞留時間は６０秒間、加熱したい媒体の温度増大は１００Ｋ、そして熱担持媒体５と、加熱したい媒体との間の対数温度差は３０Ｋであると仮定する。直前の両数値をまとめて３.３３の商を形成することができる。物質値としてさらに０.１５Ｗ／ｍＫの熱伝導率、１０００ｋｇ／ｍ^３の密度、２.２００Ｊ／ｋｇＫの比熱容量および１Ｐａｓの一定の動粘度が使用される。すなわち、ニュートン媒体から出発する。さらに、熱担体側の熱伝達抵抗ならびに管壁による管路抵抗は無視し得る程度であることが前提条件とされる。

例Ａは、コンベンショナルな管束伝熱器もしくは管束熱交換器において、規定の条件を達成するために極めて密集した長尺な管が必要となることを示している。しかし、このような管は極めて製作が困難であり、しかも実質的にクリーニングすることができない。

例Ｂおよび例Ｃは、短い滞留時間（ケースＢ）または変えられた熱条件（ケースＣ）において短尺の管が可能となることを示している。しかしこの場合、同時に管直径は一層減少し、管数は著しく増大するので、このような構成にケースＡに対する択一的な手段を認めることはできない。

例Ｄおよび例Ｅは、たしかに比較的長い滞留時間（ケースＤ）または比較的高い壁温度（比較的大きな対数温度差；ケースＥ）を用いて、比較的大きな管直径を得ることができることを示している。しかし、比較的大きな直径に基づいた良好なクリーニング可能性の利点は、製作可能性を極めて困難にする極端に高められた管長ならびに高められた滞留時間および壁温度に基づいた製品品質の悪化によって過剰補償される。さらに、このように長尺な装置の、建物内での所要スペースも問題となる。

例Ｆおよび例Ｇは、比較的短い滞留時間（ケースＦ）または変えられた熱条件（ケースＧ）によって比較的小さな管直径が極端に大きな管数を招くことを示している。このように高い数の精巧な管は、高い圧力および高い温度に合わせて管束装置が設計されなければならないことを考慮すると製作不可能である。

さらに、無視することのできない管長は、装置内部のクリーニングを不可能にする。

例Ｈは、高められた管数および短縮された長さによって、低減された圧力降下が、小さな管直径を生ぜしめないことを示している。極端に短いとは云えない長さを有する高い数の細い管に基づき、この場合にも、クリーニング可能性ならびに製作可能性は実質的に不可能となる。

本発明における設計（例Ｉ）と、コンベンショナルな管束伝熱器もしくは管束熱交換器に関する設計（例Ａ−Ｈ）との比較：
例Ｉは、押しのけロッドを備えた本発明による熱交換器のための設計を例示的に示している。滞留時間、熱条件および圧力降下を考慮して、本発明による熱交換器はコンベンショナルな熱交換器の例（例Ａ−Ｈ）に比べて、極めて大きな管直径を有しており、このような大きな管直径は良好なクリーニング可能性を保証する。さらに、例Ａ、例Ｄおよび例Ｅに比べて、管長は制限されており、これにより良好な製作可能性およびクリーニング可能性が可能となり、僅かな所要スペースしか必要とされない。さらに、例Ａ−Ｃおよび例Ｆ−Ｈに比べて、管数が少ないので、簡単でかつ廉価な製作が可能となる。

本発明による管束熱交換器は、特に有利にはポリマの合成の際に使用され得る。なぜならば、短い滞留時間と同時に効果的な熱伝達により、製品はあまり熱負荷されず、こうして望ましくない重合が阻止されるからである。

計算方法
管壁における熱収支：

に基づき、３つの幾何学的形状量、つまり３つのジオメトリ量（ギャップ外径ｄ_ａ、ギャップ内径ｄｉ、管長Ｌ）のうちの２つのジオメトリ量が予め設定されると、第３のジオメトリ量を算出することができる。

この場合、Ｌは管長もしくは環状ギャップ長さであり、Ｔは滞留時間であり、ｄ_ａは環状ギャップもしくは管直径の外径であり、ｄ_ｉは環状ギャップの内径であり（管：ｄ_ｉ＝０）、ρは密度であり、ｃ_ｐは比熱容量であり、ΔＴ_ｓはシロップの温度増大であり、ｄ_ｈは水力直径であり、λは熱伝導率であり、ΔＴ_ｌｇは加熱媒体５とシロップとの間の対数温度差である。

平均ヌッセルト数Ｎｕｍは、ベール／シュテファン（Baehr/Stefan）（「Waerme- und Stoffuebertragung」、出版社Springer- Verlag Berlin、１９９４年、第３８１頁〜第３８２頁）による管に関して、流体力学的および熱的な始動（Anlauf）を考慮して：

を介して算出される。

この場合、Ｐｒはプラントル数であり、Ｘは無次元長さ：

である。

Ｋ＝ｄｉ／ｄａを用いて、外部から加熱された環状ギャップにおける平均ヌッセルト数については、さらに：

が成立する。

環状ギャップ内または管（Ｋ＝０）内の圧力損失については、マーティン（Martin）（「Waermeuebertrager」、出版社Georg Thieme Verlag Stuttgart、１９８８年、第２４頁）に基づき：

が成立する。

１ 管入口
２ 熱交換器フード
３ 押しのけ体
４ 熱交換器ハウジング
５ 熱交換器管を取り囲む加熱媒体および／または冷却媒体
６ 熱交換器管内の製品室
７ 管束の管内の押しのけロッド
８ 製品出口
９ 熱交換器管（概略的）
１０ 押しのけロッド
１１ 押しのけロッドと熱交換器管との間の自由容積
１２ 押しのけロッド
１３ 熱交換器内に押しのけロッドをセンタリングするためのホルダ
１４ 押しのけロッドの部分範囲におけるセンタリング範囲
１５ 押しのけロッド
１６ 押しのけロッドの部分範囲に設けられたセンタリング範囲
１７ 扁平底部（low volum head）

Claims (10)

1. 温度に敏感でかつ／または重合可能である媒体における熱伝達のための管束熱交換器において、１つまたは複数の製品出口（８）と、１つまたは複数の製品入口（１）とを備えたハウジング（４）内に管束が配置されており、該管束の管内にそれぞれ複数の押しのけロッド（７，１０，１２，１５）が配置されており、当該管束熱交換器の少なくとも１つの熱交換器フードが、製品充填された容積を減少させるために押しのけ体（３）で満たされていることを特徴とする管束熱交換器。
2. 押しのけロッド（７，１０，１２，１５）が、クリーニング目的のために取出し可能に形成されている、請求項１記載の管束熱交換器。
3. 押しのけロッド（７，１０，１２，１５）が、セルフセンタリング作用を持った横断面を有している、請求項１記載の管束熱交換器。
4. 押しのけロッド（７，１０，１２，１５）が、管の容積の４０％よりも多い容積を占めている、請求項１記載の管束熱交換器。
5. 押しのけロッド（７，１０，１２，１５）が、管の容積の５０％よりも多い容積を占めている、請求項１記載の管束熱交換器。
6. 押しのけロッド（７，１０，１２，１５）が、管の容積の６０％よりも多い容積を占めている、請求項１記載の管束熱交換器。
7. 押しのけロッド（７，１０，１２，１５）が、管の容積の最大９５％を占めている、請求項１記載の管束熱交換器。
8. ポリマの合成における、請求項１から７までのいずれか１項記載の管束熱交換器の使用。
9. 温度に敏感でかつ／または重合可能である媒体における熱伝達のための管束熱交換器において、１つまたは複数の製品出口（８）と、１つまたは複数の製品入口（１）とを備えたほぼ円筒状のハウジング（４）内に管束が配置されており、該管束の管内にそれぞれ複数の押しのけロッド（７，１０，１２，１５）が配置されており、当該管束熱交換器の少なくとも１つの底部が、製品充填された容積を減少させるために扁平底部（１７）として形成されていることを特徴とする管束熱交換器。
10. 前記扁平底部（１７）に設けられた切欠き内での製品の滞留時間が、０.５秒〜４０秒である、請求項９記載の、温度に敏感でかつ／または重合可能である媒体における熱伝達のための管束熱交換器。

Images