JP2023160120A - 熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱交換器の総括伝熱係数を大きくし、また、蒸気使用箇所のみならず、その前後の工程を含む全体の工程の進捗度を把握することができる。【解決手段】蒸気を熱源流体とする熱交換器を有した熱交換工程を含む生産プロセスの生産性を向上させる方法であって、該蒸気を発生させるボイラの給水又は該蒸気に滴状凝縮促進剤を添加して生産プロセスの生産性を向上させる方法において、滴状凝縮促進剤を添加することによる該熱交換器の昇温時間短縮度を測定して、全体の生産プロセスの調整を行う。【選択図】図１
Description
この発明は、蒸気を使用する熱交換工程を含む生産プロセスの生産性を向上させる方法に関する
生産工程中に、蒸気や温水による加温、冷水や空気等による冷却を行う工程は産業界の製造プロセスで一般的なものである。
例えば、化学品の合成による反応釜では、蒸気や温水による加熱工程により重合を促進させ、また、反応を停止させる際には、速やかな冷却のために、冷水や冷媒を導入して冷却を行っている。
この生産工程は、一般に交互に行われ、１回の製造バッチ毎に繰り返されるので、スタート時の昇温時間が長くなるほど、加熱工程が長くなるので製造時間が長くなって生産性が低下する。
ひとつの製品においても、複数の製造工程を組み合わせて実施することも多いが、一工程の製造時間の遅れが、全体の工程に影響を与えることも多い。
昇温時間が長くなる事由としては、冷間起動の際、熱交換器内の空気の存在、初期ドレンの滞留による熱交換の阻害の他、もともと限られた熱交換器の容量が律速となり、昇温時間を要する場合などが挙げられる。
一方で、熱交換器自体が炭素鋼等の場合は、工水水質や、蒸気性状によって内面が腐食すれば、その金属酸化物によって、あるいは硬度による内面スケールによる伝熱阻害が昇温時間の遅れをきたして、生産時間そのものが長くなってしまうことがあった。
また、蒸気凝縮水をボイラ側に回収しているような場合は、冷水が残存していると、それがボイラ側に持ち込まれてボイラのスケールの問題をきたす恐れがある。そのため、冷水から蒸気への切り替え時には初期の凝縮水を一部排出する作業を徹底する必要がある。あるいは、回収自体を見送る場合も多く、熱損失につながってる。
また、多くの化学工業においては、蒸気加熱工程のみならず、前後に、複数工程を有していることから、単に加熱時間の短縮にとどまらず、その短縮状況を把握したうえで、前後の工程の最適化を図る必要性が、全体最適には必要であった。これは、従前は、各工程の作業者が、各々個別に監視しており、全体として情報を把握して、工程全体に反映させる必要があった。
特許文献１には、蒸気を熱交換器に導入し、該熱交換器内の冷却体に接触させることで液化凝縮する方法において、皮膜性アミン等の適状凝縮促進剤を、熱交換器に導入される蒸気に添加することで、適状凝縮を促進して凝縮効率を高めることが記載されている。
熱交換器からの空気の排出は、熱交換器にエアーベントを設置し、蒸気弁開度を上げて、熱交換器内部の蒸気圧を上げて、蒸気凝縮水の排出を促することにより行われるが、熱交換器の有効伝熱面積には限りがあるので、限界がある。
伝熱面の汚れや錆は総括伝熱係数を低下させる。錆を防止するために熱交換器自体を耐食性のステンレスやチタンに変えたりすることが考えられるが、新たな設備更新が必要であったり、金属自体の熱伝導率が低いため、設置スペースなどの観点で現実的ではない。
伝熱面のスケール生成を防止するために、冷水を水処理することが行われている。蒸気と冷水の交互使用の場合は、切り替えのタイミングによっては熱交換器内に残存した冷水中の硬度成分やシリカが切り替え時に乾燥してスケール化する。これによって、総括伝熱係数が低下して、昇温時間を更に長くしてしまう。
熱交換器内に残存する冷水を排水するために、時間をかけてフラッシングすることがある。これは排水量を増加させるうえ、加熱冷却の製造工程の時間が長くなる。
熱交換器を含む生産プロセスにおける生産性を向上させるためには、熱交換器の総括伝熱係数をなるべく大きくすることが重要である。
また、蒸気使用箇所のみならず、その前後の工程を含む全体の工程の進捗度を把握することが全体最適には必要である。
本発明は、熱交換器の総括伝熱係数を大きくし、また、蒸気使用箇所のみならず、その前後の工程を含む全体の工程の進捗度を把握することができる、熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法を提供することを課題とする。
本発明は、次によって上記課題を解決する。
［１］ 蒸気を熱源流体とする熱交換器を有した熱交換工程を含む生産プロセスの生産性を向上させる方法であって、
該蒸気を発生させるボイラの給水又は該蒸気に滴状凝縮促進剤を添加して生産プロセスの生産性を向上させる方法において、
滴状凝縮促進剤を添加することによる該熱交換器の昇温時間短縮度を測定して、全体の生産プロセスの調整を行うことを特徴とする熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
該蒸気を発生させるボイラの給水又は該蒸気に滴状凝縮促進剤を添加して生産プロセスの生産性を向上させる方法において、
滴状凝縮促進剤を添加することによる該熱交換器の昇温時間短縮度を測定して、全体の生産プロセスの調整を行うことを特徴とする熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
［２］ 前記熱交換器の昇温時間の短縮度は、該熱交換器の冷間起動の際の昇温時間の短縮度であることを特徴とする［１］の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
［３］ 測定された昇温時間短縮度に基づいて、各工程の稼働状況（作業工数、作業人員、又は投入エネルギー）を調整することを特徴とする［１］又は［２］の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
［４］ 滴状凝縮促進剤が揮発性滴状凝縮促進剤であることを特徴とする［１］又は［２］の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
［５］ 前記滴状凝縮促進剤が防食性能を有することを特徴とする［１］又は［２］の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
［６］ 前記ボイラ給水又は蒸気にｐＨ調整剤又は脱酸素剤を添加することを特徴とする［１］又は［２］の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
［７］ 前記熱交換器において、蒸気による熱交換工程と冷水による冷却工程とを行う方法であって、該冷却工程では、滴状凝縮促進剤の撥水性によって熱交換器内に残存する冷水を排出促進させることで溶存固形物の固着によるスケール生成を抑制することを特徴とする［１］又は［２］の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
［８］ 前記熱交換器からの凝縮水をボイラに回収する場合、凝縮水に含まれるスケール成分がボイラ内でスケール化することを防止するために、ボイラ給水にスケール防止剤を添加することを特徴とする［１］又は［２］の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
［９］ スケール防止剤がポリアクリル酸塩、ポリマレイン酸塩、及びリン酸塩のいずれか１つ以上であることを特徴とする［８］の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
［１０］ 滴状凝縮促進剤が、オレイルアミン、オクタデシルアミン、オレイルプロパンジアミン、アゼライン酸とその塩、サルコシン誘導体、ポリソルベートのいずれか１つ以上であることを特徴とする［１］又は［２］の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
［１１］ 前記熱交換器への蒸気の供給ラインに、過熱蒸気中に水を噴霧する減温器を備えており、滴状凝縮促進剤の撥水性によって噴霧水由来の溶存固形物の固着によるスケール生成を抑制することを特徴とする［１］又は［２］の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
本発明によれば、蒸気を熱源流体として使用する熱交換工程を含む生産プロセスにおいて、加熱蒸気側に滴状凝縮促進剤を存在させることで、対象設備の冷間起動時間の短縮のみならず、金属酸化物や冷水中のスケール成分の付着防止により、該蒸気による加熱効率を向上・維持させることができる。
また、複数工程の全体最適を図ることで、生産性の最大化を図ることができる。
本発明の一態様の生産性向上方法は、蒸気を熱源流体とする熱交換器を有した熱交換工程を含む生産プロセスの生産性を向上させる方法であって、該蒸気を発生させるボイラの給水又は該蒸気に滴状凝縮促進剤を添加して生産プロセスの生産性を向上させる方法において、滴状凝縮促進剤を添加することによる該熱交換器の昇温時間短縮度を測定して、全体の生産プロセスの調整を行うことを特徴とする。
本発明が適用される熱交換器の材質としては特に制限はなく、用いる滴状凝縮促進剤により撥水皮膜の形成で滴状凝縮を実現できるような材質であればよく、例えば、軟鋼、低合金鋼、合金鋼、銅、銅合金、チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金などが挙げられる。
本発明では、滴状凝縮促進剤は、熱交換器に導入される蒸気又はこの蒸気を発生させるボイラの給水に添加される。蒸気に滴状凝縮促進剤を添加する場合における添加箇所の好適例を図１，２に示す。
図１では、ボイラ１からの蒸気が配管２を通って蒸気ヘッダ３に導入される。蒸気ヘッダ３内の蒸気が、配管４を通って熱交換器５に供給され、また配管６を通って熱交換器７に供給される。さらに、蒸気ヘッダ３内の蒸気は、配管８を通って蒸気ヘッダ１０に供給される。蒸気ヘッダ１０内の蒸気は、配管１１を通って熱交換器１２に供給され、また配管１３を通って熱交換器１４に供給される。
配管８から配管１５が分岐している。配管１５はさらに別の蒸気ヘッダや蒸気使用機器（図示略）に接続されている。配管１５はブローラインとして使用されることもある。
図１では、配管４，６，１１，１３に滴状凝縮促進剤の添加部４ａ，６ａ，１１ａ，１３ａが設けられている。
図２では、配管４，６及び配管８（ただし配管１５の分岐部よりも下流側）に滴状凝縮促進剤の添加部４ａ，６ａ，８ａが設けられている。
図３は比較例を示すものであり、配管２及び配管８（ただし配管１５の分岐部よりも下流側）に滴状凝縮促進剤の添加部２ａ，８ａが設けられている。図３では、配管１５へ分岐して流れる蒸気にも滴状凝縮促進剤が含まれることになる。そのため、図１，２のように、熱交換器に供給される蒸気にのみ滴状凝縮促進剤を添加することが好ましい。
本発明の一態様では、熱交換器の昇温時間の短縮は、該熱交換器の冷間起動の際の昇温時間の短縮である。
昇温時間改善の評価方法の一例として、反応釜への適用事例を下記に示す。
反応釜は、釜の中の製造物に、蒸気で間接的に熱を加える設備であり、ジャケット式と呼ばれる構造が多い。反応釜では、通常、設定温度に到達するまでジャケット内に蒸気を流し続けて加温する。
この蒸気又は蒸気を発生させるボイラの給水に滴状凝縮促進剤を添加することにより、高い総括伝熱係数が得られ、その結果、図４の通り、設定温度に到達するまでの時間が短縮される。多くの場合、反応釜に昇温過程を記録するシステムが設置されているため、同じ製造品を同量製造する場合には、この加熱時間の短縮分をモニタリングすることが可能である。この昇温時間の短縮度に基づいて、前後の工程の最適化し、生産性を向上させることができる。
また、別例として、過熱蒸気中に水を噴霧し、水が蒸発することで蒸気中の熱を吸収し、飽和蒸気温度に近い蒸気を発生させる減温器が使用される場合があるが、滴状凝縮促進剤の撥水性によって熱交換器内に堆積する噴霧水由来の溶存固形物の固着によるスケール生成を抑制することができる。
蒸気加熱工程の前後に複数工程がある場合は、各工程での作業時間、中間原料在庫、投入エネルギーと加熱短縮時間を演算して、フィードバック制御することで、全体最適を計ることができる。例えば、各工程の稼働状況（例えば、作業工数、作業人員、投入エネルギーなど）を調整することができる。
図５は、並行して進行する製造工程Ａ１，Ａ２，Ａ３を備えた生産プロセスのフロー図である。なお、製造工程Ａ１，Ａ２，Ａ３を経て製品が製造される。製造工程Ａ３は、加熱用熱交換器と冷却用熱交換器とを備えている。加熱用熱交換器には蒸気が供給され、凝縮水は回収されるか又は排出される。冷却用熱交換器にはチラーからの冷水が循環通水される。上記の蒸気又はこの蒸気発生用のボイラへの給水に滴状凝縮促進剤が添加される。
例えば、図５において、製造工程Ａ１の単位時間当たりの製造量、あるいは製造工程Ａ２の単位時間当たりの製造量のキャパシティーを超えて製造工程Ａ３の生産性を向上させても、並行して進行する製造工程Ａ１，Ａ２の生産性がそのままではプロセス全体としての生産性を向上させることはできない。そこで、製造工程Ａ１，Ａ２における中間製造品の在庫量と製造工程Ａ３の生産性向上度合いをモニタリングしながら、工程Ａ１，Ａ２，Ａ３への作業人員配分の見直し、工程Ａ１，Ａ２の製造機器へのエネルギー投入量を増加させるなどのフィードバック制御を行うことで、プロセス全体の生産性を向上させることが可能となる。
本発明において、滴状凝縮促進剤は、適用対象の金属表面に撥水性をもたせるものであってよく、蒸気系統で揮発性を有するものが好ましい。滴状凝縮促進剤としては、オレイルアミン、オクタデシルアミン、オレイルプロパンジアミン、アゼライン酸とその塩、サルコシン誘導体、ポリソルベートのいずれか１つ以上が例示されるが、これに限定されない。
これらの滴状凝縮促進剤は１種のみを用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
滴状凝縮促進剤の添加量は、熱交換器における滴状凝縮の促進効果が得られる程度であればよく、滴状凝縮促進剤の種類や熱交換器の形式等によっても異なるが、通常、水換算の蒸気量に対して０．００１～１０ｍｇ／Ｌ、特に０．０１～２．０ｍｇ／Ｌ程度とすることが好ましい。
滴状凝縮促進剤は間欠添加でも連続添加でもよいが、熱交換器内の冷却体表面に凝縮による撥水皮膜を安定に維持する観点からは、連続添加とすることが好ましい。
滴状凝縮促進剤は、水の他、メタノール、エタノール、イソプロパノール等の溶媒に溶解させて蒸気又は給水に添加してもよいが、乳化剤を用いて水性エマルジョンとし、これを蒸気又は給水に添加してもよい。
本発明の一態様では、滴状凝縮促進剤として揮発性があるものを用いて、ボイラ給水、熱交換器前蒸気、あるいはその両方に添加してもよい。
本発明の一態様では、熱交換器の腐食による金属酸化物の付着を防止することも並行して行う。熱交換器の腐食防止方法としては、加熱蒸気を発生させるボイラ系統に防食性能のある滴状凝縮促進剤、ｐＨ調整剤及び脱酸素剤のいずれか１つ以上を使用する方法が好適である。
本発明の一態様では、蒸気による熱交換と冷水による冷却を別々の工程で行う熱交換器において、滴状凝縮促進剤の撥水性によって熱交換器内に残存する冷水を排出促進させる。これにより、溶存固形物の固着によるスケール生成を抑制することができる。なお、スケール成分としては、冷水中の硬度、シリカ、鉄、銅、亜鉛のいずれか一つ以上が例示される。
本発明の一態様では、熱交換器からの凝縮水を回収してボイラ用水として用いる場合に、排出される凝縮水に含まれるスケール成分がボイラ内でスケール化することを防止するため、ボイラ給水にスケール防止剤を好ましくはスケール成分防止の等量以上の添加量にて添加する。スケール防止剤としては、ポリアクリル酸塩、ポリマレイン酸塩、リン酸塩のいずれか一つ以上が例示される。
本発明の一態様において、過熱蒸気中に水を噴霧し、水が蒸発することで蒸気中の熱を吸収し、飽和蒸気温度に近い蒸気を発生させる減温器が設置されている場合、滴状凝縮促進剤の撥水性によって熱交換器内に堆積する噴霧水由来の溶存固形物の固着によるスケール生成を抑制することで減温器の清掃頻度の低減することができる。
１ ボイラ
３，１０ 蒸気ヘッダ
５，７，１２，１４ 熱交換器
３，１０ 蒸気ヘッダ
５，７，１２，１４ 熱交換器
特許文献１には、蒸気を熱交換器に導入し、該熱交換器内の冷却体に接触させることで液化凝縮する方法において、皮膜性アミン等の滴状凝縮促進剤を、熱交換器に導入される蒸気に添加することで、滴状凝縮を促進して凝縮効率を高めることが記載されている。
熱交換器からの空気の排出は、熱交換器にエアーベントを設置し、蒸気弁開度を上げて、熱交換器内部の蒸気圧を上げて、蒸気凝縮水の排出を促進することにより行われるが、熱交換器の有効伝熱面積には限りがあるので、限界がある。
Claims (11)
- 蒸気を熱源流体とする熱交換器を有した熱交換工程を含む生産プロセスの生産性を向上させる方法であって、
該蒸気を発生させるボイラの給水又は該蒸気に滴状凝縮促進剤を添加して生産プロセスの生産性を向上させる方法において、
滴状凝縮促進剤を添加することによる該熱交換器の昇温時間短縮度を測定して、全体の生産プロセスの調整を行うことを特徴とする熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。 - 前記熱交換器の昇温時間の短縮度は、該熱交換器の冷間起動の際の昇温時間の短縮度であることを特徴とする請求項１の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
- 測定された昇温時間短縮度に基づいて、各工程の稼働状況（作業工数、作業人員、又は投入エネルギー）を調整することを特徴とする請求項１又は２の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
- 滴状凝縮促進剤が揮発性滴状凝縮促進剤であることを特徴とする請求項１又は２の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
- 前記滴状凝縮促進剤が防食性能を有することを特徴とする請求項１又は２の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
- 前記ボイラ給水又は蒸気にｐＨ調整剤又は脱酸素剤を添加することを特徴とする請求項１又は２の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
- 前記熱交換器において、蒸気による熱交換工程と冷水による冷却工程とを行う方法であって、該冷却工程では、滴状凝縮促進剤の撥水性によって熱交換器内に残存する冷水を排出促進させることで溶存固形物の固着によるスケール生成を抑制することを特徴とする請求項１又は２の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
- 前記熱交換器からの凝縮水をボイラに回収する場合、凝縮水に含まれるスケール成分がボイラ内でスケール化することを防止するために、ボイラ給水にスケール防止剤を添加することを特徴とする請求項１又は２の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
- スケール防止剤がポリアクリル酸塩、ポリマレイン酸塩、及びリン酸塩のいずれか１つ以上であることを特徴とする請求項８の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
- 滴状凝縮促進剤が、オレイルアミン、オクタデシルアミン、オレイルプロパンジアミン、アゼライン酸とその塩、サルコシン誘導体、ポリソルベートのいずれか１つ以上であることを特徴とする請求項１又は２の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
- 前記熱交換器への蒸気の供給ラインに、過熱蒸気中に水を噴霧する減温器を備えており、滴状凝縮促進剤の撥水性によって噴霧水由来の溶存固形物の固着によるスケール生成を抑制することを特徴とする請求項１又は２の熱交換工程を有する生産プロセスの生産性向上方法。
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