JP4434659B2

JP4434659B2 - 低温液体加熱方法及びその装置

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Publication number: JP4434659B2
Application number: JP2003290695A
Authority: JP
Inventors: 庸司小島; 誠尾崎; 信雄浅原; 博衛塘; 拓也川越; 昌司山村
Original assignee: Toray Industries Inc; IHI Plant Construction Co Ltd
Current assignee: Toray Industries Inc; IHI Plant Construction Co Ltd
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2023-08-08
Also published as: JP2005058873A

Description

本発明は、アンモニア液、ＬＰＧ、液体エチレンなど低温液体を、スチームで０℃以上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で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、流量範囲の広い低温液体を、スチームで加熱するにおいて、簡単な装置構成で、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、外胴内にスチームを供給して下部の伝熱管から排出される低温液体を０℃以上に加熱するための低温液体加熱方法において、上部伝熱管の上流側の外胴内にスチームの凝縮水相とガス相とを形成し、その下流側の外胴内のガス相に窒素などの不活性ガスを供給して、上部伝熱管に沿ったガス相内にスチーム相と不活性ガス相とを形成し、伝熱管を流れる低温液体がスチーム相から不活性ガス相を通り凝縮水相を通って排出されるようになし、伝熱管出口の低温液体温度に応じてスチームの供給量を調整すると共に、凝縮水相の凝縮水面が一定となるように制御し、さらにスチーム相内の圧力を検出してガス相の圧力が一定となるように不活性ガスを供給して、スチーム相温度を制御し、これによりスチーム相と不活性ガス相の拡散境界面に対するスチーム相内のスチーム流速を制御して上部伝熱管がスチーム相に接する伝熱面積を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、低温液体の供給量が１００〜２５％で調整され、凝縮水相中とガス相中の伝熱面積の比が１：３〜１：５に設定される請求項１記載の低温液体加熱方法である。

請求項３の発明は、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相に供給する不活性ガスの供給量を調整する請求項１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、外胴内にスチームを供給して下部の伝熱管から排出される低温液体を０℃以上に加熱するための低温液体加熱装置において、外胴上部でかつ上部伝熱管の上流側に位置してスチームの供給ラインを接続し、低温液体の排出ラインに出口温度計を接続し、スチームの供給ラインに、出口温度計の出口温度でスチームの流量（圧力）を設定する流量調節計を接続すると共にその流量調節計で制御される流量調整弁を接続し、上記外胴に、凝縮水を排出して加熱流体の凝縮水面を制御する液面調節手段を設け、さらに外胴の上部でかつスチームの供給ラインの下流側に位置して不活性ガス供給ラインを接続し、上記外胴にスチーム相の圧力を検出する圧力調整計を接続し、上記不活性ガス供給ラインに圧力調整計で制御される不活性ガス注入弁を接続した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水の相とを形成し、さらにスチームを供給する位置のガス相の下流側に不活性ガスを供給することで、ガス相内をスチーム相と不活性ガス相に形成でき、スチーム相に供給するスチーム流速を制御することで、スチーム相での伝熱面積を自動的に変えて、低温液体の流量範囲が広くても、精度良い加熱が行える。

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１６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、その入口チャネル１５から上部伝熱管１２ａの上流側に位置してスチームＷｓの供給ライン２１が接続され、底部には、凝縮水２８を排出する凝縮水排出ライン２３が接続される。

凝縮水排出ライン２３は、凝縮水槽２４に接続される。凝縮水槽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。

加熱流体Ｗｓの供給ライン２１より下流側に位置した外胴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。

このように、加熱流体Ｗｓの供給ライン２１が、入口チャネル１５から上部伝熱管１２ａの上流側に位置するよう、また、下流側に不活性ガスＷｎを供給する不活性ガスライン２７が下流側に位置するように外胴１１の頂部に接続することで、後で詳述するが往路側上部伝熱管１２ａの下部より上方の外胴１１内にガス相Ｇが形成され、さらに往路側上部伝熱管１２ａの上流側にスチーム相Ｓが形成され、下流側に不活性ガス相Ｎが形成され、低温熱流体Ｗａの流量に対応して供給ライン２１からのスチーム流量と不活性ガスライン２７からの不活性ガス量を調整することで、そのスチーム相Ｓと不活性ガス相Ｎとの拡散境界面Ｂを自在に変えることが可能となり、スチーム相Ｓでの加熱量を精度良く制御することが可能となる。

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（Ｆｉｃ−１）３０と流量調節弁（Ｆｃｖ−１）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（Ｆｉｃ−２）３３と流量調節弁（Ｆｉｖ−２）３４とが接続される。出口温度計（Ｔｉｃ−１）３２の検出値（低温液体の出口温度）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（Ｐｉｃ−１）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（Ｐｃｖ−１）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、所定の最低運転圧力より低くなる時は、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内の凝縮水２８の液面Ｌを検出する液面調節計（Ｌｉｃ−１）３７が設けられ、凝縮水排出ライン２３には、液面調節弁（Ｌｃｖ−１）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−１）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の上部伝熱管１２ａの往路側上流には、供給ライン２１よりスチームＷｓが供給されると共に往路側下流には供給ライン２７より不活性ガスＷｎが供給される。

この際、スチームＷｓの供給量を調整することにより、ガス相Ｇにスチーム相Ｓと不活性ガス相Ｎが形成され、不活性ガスが往路側伝熱管１２ａを覆ったり或いは裸管にしたりして、スチーム相Ｓでのスチームによる伝熱面積を縮小・拡大するので、一定の伝熱管１２ａの露出（液面一定）面積でもスチ−ムＷｓで直接加熱する場合よりも、巾広い流量域（伝熱量範囲）で、且つガス相Ｇの圧力をプラス圧力で、温度の制御が可能となる。

低温流体Ｗａによる伝熱管１２ａ表面でのスチームの凝縮水による氷結を防止するために、低温流体Ｗａの殆どの加熱を高温のスチームの凝縮熱で行なう。このようにして伝熱管外表面を０℃以上にして凝縮水を氷結させないようにしたものである。従って、低温流体Ｗａは熱交換器１０の上部のガス相Ｇから伝熱管１２ａに流入し下部伝熱管１２ｂに流下する構造である（一般の熱交換器の流し方と逆となる）。

低温流体Ｗａをガス相Ｇで加熱して凝縮した水は外胴１１内に凝縮水２８として溜めるようにし、この凝縮水２８でも低温流体Ｗａを加熱できるように伝熱管１２ｂを凝縮水中に水没した構造となっている。

凝縮水２８の液面位置を適切にすることにより、スチ−ムＷｓが流れるガス相の断面積（伝熱管に垂直な断面）を狭めてスチームの断面を流れる流速を適切な速度以上にし、不活性ガスのスチーム相Ｓへの拡散と伝熱管１２ａ上への拡散を防止する。

このようにすることにより、スチーム相Ｓでは、伝熱管１２ａにスチームＷｓが直接接触するので、高い伝熱量となり伝熱面積を小さくでき、また、負荷に対応して不活性ガスにより伝熱面が自動的に縮小・拡大するので、限られたスチーム温度（圧力）範囲のスチ−ム条件に対して巾広い安定した伝熱量の制御が可能となる。

又、拡散境界面Ｂに対するスチームＷｓの速度を適切な速さ以上にすると、境界面Ｂを垂直に近く形成できるので、不活性ガスが伝熱管１２上を過度に覆うことが無いために伝熱管を有効に使用でき、伝熱面積を少なくすることができる。

熱交の各負荷に対する拡散境界面Ｂの位置と形状を効果的に制御し熱交換が出来る構造の加熱器である。

効果的な拡散境界面Ｂの位置は１００％負荷の時に往路側上部伝熱管１２ａを殆ど覆わなくなる位置であり、これは許容スチーム圧力に対して初期不活性ガス充填量を適切にすることにより決る。

拡散境界面Ｂの形は垂直に近くして伝熱管１２ａ上を不活性ガスが無駄に覆わなくすることが必要である。境界面の形は同圧下ではスチ−ムが境界面に衝突する時の速度が早い程垂直に近づくので、１００％負荷時の伝熱管の末端（折り返し部）での凝縮量（伝熱量）と、伝熱管に垂直な気相の断面積の比を適切な値以上にしてスチーム速度を確保することが必要である。このために熱交換器の構造と凝縮水面の位置が適切になるように設計する。

伝熱管１２内の低負荷に対応して管内流速が低下するために管内の伝熱境膜係数も減少する。拡散界面に近い先端の伝熱管の単位長さ当りの伝熱量から必要なスチーム量を算出し、この部分の伝熱管に垂直な気相断面積からスチームの流速を求めて拡散境界面の形状を確認し、出来る限り１００％流量と同様に垂直に近い形状にするスチーム速度になるような気相断面積の構造にする。

このようにすると、拡散境界面が負荷に対応して伝熱管上を垂直に近い形状で移動するので、直接スチームに接触する伝熱管の有効長さが自動的に素早く形成されて加熱温度を精度良く制御することになる。

加熱スチームの使用可能圧力を有効に使用（高圧使用）するためには、不活性ガスがスチームで圧縮されてもスチームの使用圧力以上にならないようにしなければスチームの必要量が流入しない。このためには常温の起動前に充填した不活性ガスが、１００％流量時に不活性ガスが占める体積に収縮しても、その圧力がスチームの最高使用圧力以下になるような体積の構造を持つ加熱器（熱交換器）である。不活性ガスが過度に充填された場合は、安全弁３９（或いは圧力逃がし弁）で外部に排気される。

気相部は加熱量の約９０〜９５％の熱伝達を行い、残りの熱量は凝縮水から熱伝達される。

加熱量の殆どを伝熱する気相部の体積は比較的小さいので、調節弁（スチーム、液面、流体、流量等）の変動により圧力（凝縮温度）が変動し易いこと、及び気相の熱容量も小さいために圧力（温度）が変化し易く流体への熱伝達が安定しない。気相の温度変化を緩和するために熱交換器の下部に熱容量の大きい凝縮水を溜めて、気相での加熱温度が標準値より降下した場合は加熱し、高くなった場合は冷却して流体の温度変化を緩和する働きをする。

熱交換器の下部に瑠まった凝縮水は液面制御弁（ＬＣＶ−１）３８により、設定された液面になるように調節されて熱交換器外に排出される。

熱交換器に溜まる凝縮水の液面は液面調節弁（ＬＣＶ−１）３８の設定値を変えることにより、気相と液相の伝熱面積の比を必要に応じて変えることができる。但し、不活性ガスの拡散が少なくするスチーム速度範囲内で気相断面積を変えることができる。これにより低温流体の出口温度の制御性の改善、或はスチームの消費量を減少させる等の調整が可能となる。

温度計の感知遅れによるスチ−ム流量調節弁（ＦＣＶ−２）３４の振れ、或は液面調節弁（ＬＣＶ−１）３８の関度の振動等により熱交換器の出口温度の制御値が、流量１００％に較べて２５％の場合に大きく変動する場合がある。

低温のアンモニア液（−３３℃）を加熱する場合、凝縮水中の伝熱面積と気相中の伝熱面積の比を１：３〜５程度にすると、流量２５〜１００％の流量範囲でも出口温度を精度よく制御することが可能である。

熱交換器の気相部（シェル側スチーム相）に不活性ガス（窒素ガス等）が注入できるように不活性ガス供給ラインが設置されている。ラインにより熱交換器の気相圧力がプラス圧力になるように不活性ガスを供給する。液面の設定と不活性ガスの共存により、低温流体の流量変動に対して巾広く柔軟に対応することができる。

加熱源のスチーム圧力が０．６ＭＰａの場合、気相のプラスゲージのスチーム圧力（温度）変化だけで加熱できる低温流体の流量範囲は、大体１００％から６５％程度と推算される。更に低流量領域の加熱を行うためには、スチ−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が、このためにガス相Ｇが負圧となり、凝縮水が排出できなくなる。これを防止するために凝縮温度が低下しても、気相のゲージ圧力が負にならないようにするために不活性ガス（窒素ガス等）をスチーム中に入れる。

気相全体はスチームの混合した不活性ガスのためにプラスのゲージ圧力となる。

スチーム量は加熱に必要な量に流量調節弁（ＦＣＶ−２）３４で制御することにより、伝熱量に合致した凝縮温度（分圧）に自動的に自己バランスする。

不活性ガスは凝縮水に微量溶解するために徐々に失われて気相圧力が低下するので、圧力下限値に達したら不活性ガスを気相に供給しなければならない。このために不活性ガス注入装置が設置されている。

気相をプラスのゲージ圧力にすることにより液面調節弁（ＬＣＶ−１）３８の作動が安定し、スチ−ムの流量調節弁（ＦＣＶ−２）３４も円滑に作動するために、装置全体が安定して運転できる。

気相部の伝熱管が複数のパスと複数の段数で構成されている場合、液面位置によってはパスごとにスチーム相への接触の状態が異なるために加熱された温度も異なる。このためにスチーム相を通過した伝熱管内の流体は熱交換器の中間で集めてほぼ均一な温度とし、その後凝縮水中での加熱を均一に行ない、最終出口での混合による温度のバラッキを少なくしている。

気相部の圧力を不活性ガスでプラス圧力に保つために、運転中及び停止中にバキュームになって空気及び水を吸込むことが無く、酸素の供給が無いために腐食防止に有効となる。

以下にアンモニア液（−３３℃）を１℃にするシェル＆チューブ型の熱交換器において、不活性ガスとして窒素ガス（Ｎ₂ ガス）を使用し、スチ−ムを凝縮させた場合の実施例について説明する。この場合、管内をアンモニア液、シェル側をスチ−ムを流す。

Ａ．Ｎ₂ ガスの熱交換器内の挙動
（１）伝熱管の長手方向に流れるスチームと封入Ｎ₂ ガスの境界面の状態の推察
熱交換器内のＮ₂ ガスの挙動について、Ｎ₂ ガスの拡散境界モデルにより伝熱管を被覆する拡散境界厚みの計算法を使用して推算する。

１）拡散境界モデル
図２は、拡散境界厚みを説明するＮ₂ ガスの拡散境界モデルを示したものである。

図２は、図１とは、スチーム相ＳとＮ₂ ガス相Ｎの向きは逆であるが、供給ライン２１から入口スチーム流速Ｕ_vin でスチーム相Ｓに供給されるスチーム流速Ｕ_v に逆らってＮ₂ ガスが分子拡散する簡易モデルとして計算する。このモデルは不活性ガスを封入したヒートパイプ等で一般に使用されているものである。

今、Ｎ₂ ガス相Ｎとスチーム相Ｓのガス拡散面Ｂの座標原点をＸ_O とし、Ｎ₂ ガスに対してスチームの比重が軽いため、図示のようにＮ₂ ガス質量分布Ｄが生じ、そのＮ₂ ガス拡散流をＷｇ、座標原点をＸ_O におけるＮ₂ ガス拡散流の微小Ｎ₂ ガス質量分率Ｗｇ₀ ＝１、拡散境界厚みをｌ_dif とし、伝熱管中スチーム相Ｓに位置した伝熱管の凝縮管全長をｌ_def としたときの物質収支を以下に説明する。

２）モデルをベースにした推算式
スチームとＮ₂ ガスの界面でのＮ₂ ガスの物質収支は次式で示される。
（−Ｕ_vin／（ｌ_deft×Ｄ_dif））×ｘ² ／２＝ｌｎ（ｗｇ）
Ｕ_v ＝Ｕ_vin×ｘ／ｌ_deft ｘ点でのスチーム流速ｍ／ｓ
ｘ：座標ｍ
Ｕ_vin：入口スチ−ム流速ｍ／ｓ
ｗｇ：Ｎ₂ ガス質量分率 --
Ｄ_dif：拡散係数ｍ²／ｓ
ｌ_deft：凝縮管実長ｍ
ｗｇ＝ｅｘｐ（（−Ｕ_vin／ｌ_deft ×Ｄ_dif ）×ｘ²／２）
ｘ＝（（２×（−Ｄ_dif ×ｌ_deft／Ｕ_vin）×ｌｎ（ｗｇ））^1/2
Ｎ₂質量分率がほぼ零となる拡散境界厚み
ｌ_dif＝ｓｑｒｔ（２×（−Ｄ_dif×ｌ_deft／Ｕ_vin）×ｌｎ（ｗｇ₀））
拡散係数の温度、圧力依存性
Ｄ_dif＝Ｄ_dif0×（（Ｔｇ＋273.15)／273.15）^1.75／（Ｐ／101325）
Ｄ_dif0 ：基準拡散係数ｍ²／ｓ
Ｔｇ：温度 ℃
Ｐ：圧力Ｐａ
ｗｇ₀ ：微小Ｎ₂ ガス質量分率 --
ｌ_dif ：拡散境界厚みｍ
ｌ_dact＝ｌ_deft−ｌ_dif ：凝縮管実効長ｍ

３）拡散境界厚み計算
熱交換器について拡散境界面長をスチーム圧力と流速別に求め、伝熱管の有効長さと利用率を算出する。（利用率＝有効長さ／実長）
熱交換器の下部には凝縮水を溜めて液面を作り、スチームは伝熱管上部のバッフルプレート切り欠き部分を流れる場合について計算する。

実機熱交換器の仕様を下記に示す。

形式シェル＆チューブ
胴内径ｍ０．５
胴長さｍ５．２５
水位ｍ０．３５
伝熱管外径ｍ０．０４５
伝熱管内径ｍ０．０３８
（ａ）アンモニア液流量２５％の場合
アンモニア液流量２５％ｋｇ／ｈ 3,125
スチーム圧力Ｐａ 157,000
Ｕ_vin ：入口スチーム流速ｍ／ｓ 0.1 0.5 1 1.5
Ｕ_v ：拡散境界面付近速度ｍ／ｓ 0.020 0.100 0.200 0.300
ｌ_dif ：拡散境界厚みｍ 1.10 0.49 0.35 0.28
ｌ_dact＝ｌ_deft−ｌ_dif：ｍ 3.90 4.51 4.65 4.72
伝熱管利用率％ 78.0 90.2 93.1 94.3
ｌ_deft ：伝熱管実長ｍ５５５５
Ｄ_dif0 ：基準拡散係数ｍ²／ｓ 0.000022 0.000022 0.000022 0.000022
Ｔｇ：温度 ℃ 34.35 34.35 34.35 34.35
Ｐ：圧力Ｐａ 157000 157000 157000 157000
Ｄ_dif：拡散係数ｍ²／ｓ 1.75E-05 1.75E-05 1.75E-05 1.75E-05
ｗ_g0：微小Ｎ₂ガス質量分率 -- 1.0E-300 1.0E-300 1.0E-300 1.0E-300
（ｂ）アンモニア液流量１００％の場合
アンモニアァ液流量100％ｋｇ／ｈ１２，５００
スチーム圧力Ｐａ２９９,０００
Ｕ_vin：入口スチーム流速ｍ／ｓ 0.1 0.5 1 1.5
Ｕ_v：拡散境界面付近速度ｍ／ｓ 0.020 0.100 0.200 0.300
ｌ_dif：拡散境界厚みｍ 0.87 0.39 0.27 0.22
ｌ_dact＝ｌ_deft−ｌ_dif：ｍ 4.13 4.61 4.73 4.78
伝熱管利用率％ 82.6 92.2 94.5 95.5
ｌ_deft：伝熱管実長ｍ５５５５
Ｄ_dif0 ：基準拡散係数ｍ²／ｓ 0.000022 0.000022 0.000022 0.000022
Ｔｇ：温度 ℃ 66.9 66.9 66.9 66.9
Ｐ：圧力Ｐａ 299000 299000 299000 299000
Ｄ_dif：拡散係数ｍ²／ｓ 1.09E-05 1.09E-05 1.09E-05 1.09E-05
ｗ_g0：微小Ｎ₂ガス質量分率 -- 1.0E-300 1.0E-300 1.0E-300 1.0E-300

４）伝熱管の有効長の選定
１０％流量で伝熱管を約９５％以上の効率で伝熱を利用するためには、上記の計算に示したように、熱交換器入口のスチームの流速（Ｕ_vin ）を１ｍ以上（Ｕｖ＞１ｍ）にすることが必要である。

（２）伝熱管に垂直な断面のＮ₂ ガスの境界面
図３は、熱交換器の断面図であり、凝縮水相２８Ｐの制御液面２８Ｌ上に、Ｎ₂ ガス相Ｎが形成され、その上部にスチーム相Ｓが形成され、スチーム相Ｓのスチームは往路側の伝熱管１２ａに対して図示の矢印のように流れて凝縮し、凝縮水相２８Ｐに溜まる。

従って、伝熱管１２ａの底部より下のガス相Ｇでは凝縮によるスチームの流れはないので、Ｎ₂ ガス拡散境界面の水平位置はほぼ伝熱管１２ａの底部となる。

（３）Ｎ₂ ガス相内の状態
伝熱管１２ａの底部より下のガス相ではスチ−ムの凝縮による流れはないので、伝熱管１２ａ上で凝縮した液の温度に平衡な蒸気圧のスチームと圧縮されたＮ₂ ガスが混在している。

拡散境界面以後のＮ₂ ガス相Ｎは下部で凝縮水面と接しているので、凝縮水温度に平衡した飽和蒸気圧力でスチ−ムが気化する。Ｎ₂ ガス相Ｎには伝熱管１２ａの一部が入ってＮ₂ ガス相を冷却するが、この伝熱量は不活性ガス中の伝熱のために伝熱境膜係数が非常に小さくなるので、Ｎ₂ ガス中のスチームの冷却凝縮が少なく、余りスチーム量は減少しない。従って、Ｎ₂ ガス中のスチームは凝縮水の飽和圧力に近い圧力（分圧）で混在している。

（４）Ｎ₂ ガス充填量
Ｎ₂ ガスの初期充填量は、所定の気相体積に対してアンモニア液の低流量（２５％）でもプラス圧にし、最高流量（１００％）ではＮ₂ ガスがスチームで圧縮されてもスチーム供給圧力よりも低い圧力で伝熱が可能な量とする。

上記のＮ₂ ガス組成をベースにして、垂直と水平の拡散境界面の位置からＮ₂ ガスの体積を求め、Ｎ₂ ガスの許容充填圧力を決める。

Ｎ₂ ガス初期充填圧力；
Ｐ_rc＝（Ｖ_n ＋Ｖ_s ）／Ｖ_n ×Ｐ_i× Ｔ_r／Ｔ_i ＜Ｐ_s
Ｐ_rc：運転圧力
Ｐ_i ：初期Ｎ₂ 充填圧力
Ｖ_s ：スチーム相体積
Ｖ_n ：Ｎ₂ ガス相体積
Ｔ_r ：Ｎ₂ ガス運転温度
Ｔ_i ：Ｎ₂ ガス充填時温度
Ｐ_s ：スチ−ム利用可能圧力
Ｂ．スチ−ム凝縮圧力と熱交換器：
（１）Ｎ₂ ガスの存在下におけるアンモニア加熱用の熱交換器の実施例の仕様を表１に示す。

Ｎ₂ガスの存在下での低温のアンモニア液の流量別のＮ₂ ガス圧力、スチ−ム圧力加熱器入口スチーム速度（Ｕ_vin ）、スチーム凝縮管長（ｌ_dact）、気相全体積（Ｖ_t ）、負荷別Ｎ₂ ガス体積（Ｖ_r ）等の計算値及び期待値と運転結果値を比較する。

表１
実施例の熱交換器仕様
アンモニア負荷率％ 100 25
アンモニア液流量ｋｇ／ｈ 12,1500 3,125
入口温度 ℃ −３２ −３２
出口温度 ℃ １１
不活性ガス注入圧力(常温) ＭＰａ０．１１０．１１
スチーム圧ＭＰａ０．２９９０．１５７
飽和温度 ℃ １３３．４１１２．７
総伝熱面積ｍ² ５．６５５．６５
気相部伝熱面積（伝熱管１段）ｍ² １．４１１．４１
凝縮水部伝熱面積（３段水没）ｍ² ４．２４４．２４
伝熱管寸法内径ｍ０．０３８０．０３８
外径ｍ０．０４５０．０４５
パス数２２
段数４４
胴内径ｍ０．５０．５
胴長さｍ５．２５５．２５
水位７０％ｍ０．３５０．３５
スチーム凝縮部管長ｌ_dact ｍ／１本３．４３２．０２
スチーム凝縮部管面積ｍ² ０．９７０．５７
全気相体積Ｖ_t ｍ³ ０．２２０．２２
負荷別Ｎ₂ガス収縮体積Ｖ_r ｍ³ ０．１５００.１７９
スチーム流路断面積ｍ² ０．０４５０.０４５
運転時Ｎ₂ ガス計算圧力Ｐ_rc ＭＰａＧ０．３０１０．１８１
スチームの加熱器入口速度Ｕ_vin ｍ／ｓ２．３４０１．２６０
拡散境界厚みｍ０．１３９０．１８５
実運転気相運転圧力ＰｒＭＰａＧ０．２９９０．１５７
凝縮水相加熱量分担率％１１．５８．４
アンモニア液の出口温度 ℃ ±０．０１ ±０．１５
アンモニア液出口温度制御目標値℃ ±１ ±１

（２）実機の特徴
上記実施例での気相部伝熱の利用率は１００％流量で６８．６％となり、３１．４％の余裕がある。

Ｖ_t 、Ｖ_r 及びＰ_i から計算されたＰ_rcと実際の運転圧力Ｐ_r は１００％運転では略一致するが、２５％運転では少し差がある。これは１００％運転を長時間した後の記録のために、Ｎ₂ ガスが凝縮水に溶解して気相から失われたために実機の運転ではＰ_r ＜Ｐ_rcになったものである。

結果はアンモニア液の制御温度は目標値をクリアーし、精度良く制御することが出来た。

（３）実施形態のシステムの説明
図３の熱交換器システムフローシートに基づいて熱交換器の運転と機能について説明する。

１）起動準備
凝縮水槽２４に水（水道水）を所定液面迄溜める。

熱交換器１０が所定の液面になるように液面調節計（ＬｉＣ−１）３７の設定値（７０％）をセットする。

熱交換器１０に所定液面（約７０％）迄水を溜める。

ガス相Ｇに圧力調節計（Ｐｉｃ−１）３５と不活性ガス注入弁（ＰＣＶ−１）３６により所定の圧力（０．１ＭＰａＧ）迄Ｎ₂ ガス（Ｗｎ）をいれる。入れ方は自動或は手動でもよい。

アンモニア液の加熱制御温度（１℃）に出口温度計（ＴｉＣ−１）３２の制御値をセットする。

２）運転
アンモニア液は流量調節計（Ｆｉｃ−１）３０と流量調節弁（ＦＣＶ−１）３１により流量を制御されて、熱交換器１０の上部（ガス相Ｇ）に設置されている伝熱管１２ａの上部入口から流入する。

アンモニア液を流量調節計３０と流量調節弁３１により所定流量になるまで徐々に流量を増やす。

この時、通常は出口温度計３２の温度は外気温度などのために、加熱制御温度（１℃）よりも高くなっているのでスチームの流量調節弁（ＦＣＶ−２）３４は閉じている。

熱交換器１０からアンモニア液が流出しはじめると徐々に温度が低下し、制御温度以下になると流量調節弁（ＦＣＶ−２）３４が開き熱交換器１０のガス相Ｇにスチームを供給して、温度を所定の温度（１℃）にするように制御する。

ガス相Ｇの伝熱管１２ａに流入したアンモニア液Ｗａは、スチームで加熱される。ガス相Ｇ（スチーム）での加熱量はクールダウン後の定常状態では約８５％〜９５％となる。加熱により凝縮したスチームは下部に溜まっている水面に落下して比重差のために層状に蓄積する。

ガス相Ｇで加熱されたアンモニア液Ｗａは、熱交換器下部の貯蔵水（凝縮水２８）中に設置されている伝熱管１２ｂに流入し、凝縮水２８により加熱される。凝縮水２８はガス相Ｇ中のスチ−ムの圧力（分圧）と平衡した温度で凝縮するので水面は高い温度（約３０〜ｌ００℃）状態にある。一方、ガス相Ｇからのアンモニア液は０℃以下であり、凝縮水２８は熱伝達に充分な温度となっている。

凝縮水２８中の伝熱管１２ｂは液面から下方に向って配列されているので、伝熱管１２ｂ中のアンモニア液は液面から下方に流れて凝縮水２８を冷却する。従って、凝縮水２８の温度は表面から下方に向って低くなり、安定した温度勾配の層流となるので安定した伝熱となる。

起動時は、出口温度計３２に到達する迄に、アンモニア液は熱交換器１０の貯蔵水をク−ルダウンしながら流出するので、クールダウン完了後に制御温度に収斂する。

ガス相Ｇに流入したスチ−ムは不活性ガスと混合して伝熱量に必要な温度（分圧）でバランスする。不活性ガスがプラスのゲージ圧力となっているのでガス相Ｇの圧力はマイナスのゲージ圧力とならない。

このために流量が少ない場合でも１００％の流量に比較して、表１からも明かなように流量調節弁３４の差圧は大きくならないので、広範囲の流量領域で安定した弁の開度が得られる。

スチ−ム相の伝熱係数は大きく、スチーム条件（圧力、温度）が変ると伝熱量も大きく変るために加熱温度が変動する。熱交換器１０のガス相Ｇの体積は通常非常に小さいので、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Ｇの温度変化を緩和するために設けられたのが熱交換器１０の下部の凝縮水溜である。凝縮水は単位体積当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存できる。この特性を利用してガス相Ｇで加熱されたアンモニア液温度の微小変動を少量の凝縮水で吸収させる。短時間のアンモニア液の温度変化では凝縮水の温度はほとんど変らないので、伝熱の温度差がアンモニア液の入口温度の変化だけ対応して変化するので、緩和のための温度差が素早くできるために加熱或は冷却を効果的に行なえる。

この場合、ガス相Ｇの伝熱面と凝縮水中の伝熱面の比を１：３〜５程度にすると、広範囲の流量域でアンモニア液を安定した温度に加熱できる。

入口チャネル１５からのアンモニア液は上段の伝熱管１２ａを通過した後、一旦中間チャネル１６に集められ、各伝熱管１２ａのアンバランスな加熱温度を混合により平準化して次の伝熱管１２ｂに送られる。これにより次の伝熱管１２ｂでの加熱のばらつきを少なくして精度のよい出口温度を得る。

アンモニア液の熱交換器出口温度は出口温度計３２で検知し、制御温度から乖離する場合はスチ−ム量を適正な流量に制御するために、流量調節計３３にフィードバックして流量調節弁３４を制御することにより適性な温度を得る。

凝縮水２８は液面調節計３７により液面を検知して一定設定液面（通常５０〜８０％）になるように液面調節弁（ＬＣＶ−１）３８を制御する。

液面調節計３７の設定値を可変にすることにより、必要に応じてガス相Ｇの伝熱面と凝縮水２８中の伝熱面の比を選定できるようにする。

ガス相Ｇのイナーガスは少しずつ凝縮水２８中に溶解して凝縮水２８と共に失われてガス相Ｇの圧力が低下するので、圧力調節計３５でガス相圧力を検知し圧力が下限値迄低下（通常約０．１ＭＰａ）した時、不活性ガス注入弁３６で所定の圧力（約０．２ＭＰａ）まで不活性ガス（窒素ガス等）を自動或は手動で補給する。

凝縮水は凝縮水槽Ｔに排出されて一旦貯蔵されてから廃棄される。

本発明の一実施の形態を示す図である。本発明において、Ｎ₂ ガスの拡散境界モデルを説明する図である。図１における熱交換器の断面図である。

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凝縮水
Ｇガス相
Ｎ不活性ガス相
Ｓスチーム相
Ｗａ低温液体
Ｗｓ加熱流体

Claims

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、外胴内にスチームを供給して下部の伝熱管から排出される低温液体を０℃以上に加熱するための低温液体加熱方法において、上部伝熱管の上流側の外胴内にスチームの凝縮水相とガス相とを形成し、その下流側の外胴内のガス相に窒素などの不活性ガスを供給して、上部伝熱管に沿ったガス相内にスチーム相と不活性ガス相とを形成し、伝熱管を流れる低温液体がスチーム相から不活性ガス相を通り凝縮水相を通って排出されるようになし、伝熱管出口の低温液体温度に応じてスチームの供給量を調整すると共に、凝縮水相の凝縮水面が一定となるように制御し、さらにスチーム相内の圧力を検出してガス相の圧力が一定となるように不活性ガスを供給して、スチーム相温度を制御し、これによりスチーム相と不活性ガス相の拡散境界面に対するスチーム相内のスチーム流速を制御して上部伝熱管がスチーム相に接する伝熱面積を制御することを特徴とする低温液体加熱方法。
低温液体の供給量が１００〜２５％で調整され、凝縮水相中とガス相中の伝熱面積の比が１：３〜１：５に設定される請求項１記載の低温液体加熱方法。
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相に供給する不活性ガスの供給量を調整する請求項１記載の低温液体加熱方法。
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、外胴内にスチームを供給して下部の伝熱管から排出される低温液体を０℃以上に加熱するための低温液体加熱装置において、外胴上部でかつ上部伝熱管の上流側に位置してスチームの供給ラインを接続し、低温液体の排出ラインに出口温度計を接続し、スチームの供給ラインに、出口温度計の出口温度でスチームの流量（圧力）を設定する流量調節計を接続すると共にその流量調節計で制御される流量調整弁を接続し、上記外胴に、凝縮水を排出して加熱流体の凝縮水面を制御する液面調節手段を設け、さらに外胴の上部でかつスチームの供給ラインの下流側に位置して不活性ガス供給ラインを接続し、上記外胴にスチーム相の圧力を検出する圧力調整計を接続し、上記不活性ガス供給ラインに圧力調整計で制御される不活性ガス注入弁を接続したことを特徴とする低温液体加熱装置。