JP4575636B2

JP4575636B2 - Multitubular heat exchanger, distillation apparatus equipped with the same, and heat exchange method

Info

Publication number: JP4575636B2
Application number: JP2002037113A
Authority: JP
Inventors: 智道日野; 朗小川; 宣生百冨; 美栄治杉山; 仁史藤本
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2022-02-14
Also published as: JP2003240482A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、易重合性物質を含むプロセス流体を管内流体として取り扱う竪型多管式熱交換器、これを用いた蒸留装置、および熱交換方法に関し、詳しくは、熱交換器内での易重合性物質の重合を抑制する多管式熱交換器、これを用いた蒸留装置、および熱交換方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温、低温の２流体間で熱の伝授を行わせる熱交換器は、化学工業で広く使用されており、これらの中でも、多管式熱交換器は、過酷な使用条件下においても信頼性が高く、長期連続運転に適しており、最も多く使用されているものである。図１１は、竪型の多管式熱交換器の一例を示す図であり、この多管式熱交換器１０は、管外流体の出入口１１，１２が設けられた筒状の胴体１３と、胴体１３内に配置された複数の伝熱管１４と、胴体１３の両端に設けられ、伝熱管１４の両端付近を支持する実質的に水平な上部管板１５および下部管板１６と、胴体１３の両端に設けられ、管内流体であるプロセス流体の出入口１７，１８がそれぞれ設けられた蓋体１９，２０とを具備して概略構成されるものである。
【０００３】
このような従来の多管式熱交換器１０においては、例えば、蓋体１９の出入口１７から供給されたプロセス流体は、上部管板１５側から伝熱管１４内に導入され、伝熱管１４の外側の管外流体との間で熱交換を行った後、この伝熱管１４末端から蓋体２０の出入口１８を経て多管式熱交換器１０の外に排出される。
ここで、伝熱管１４と上部管板１５とは、接合部における強固な接合を確保し、かつ多数の伝熱管１４を上部管板１５に簡易に取り付けるため、図１２に示すように、上部管板１５の表面から伝熱管１４の上端２１を突出して接合されている。また、伝熱管１４と下部管板１６とは、同じ理由から、下部管板１６の表面から伝熱管１４の下端を突出して接合されている。
【０００４】
すなわち、多管式熱交換器１０は、管内流体（プロセス流体）および管外流体の双方が常時、流入・流出しているため振動しており、さらに、ポンプ・圧縮機からの振動や回転機械からの直接の脈動流により伝熱管１４がこれらからの振動を受けている。したがって、これら振動によって伝熱管１４と上部管板１５並びに下部管板１６との接合部に緩みや破断が生じ、各流体が漏れ出すことを防止するため、上部管板１５並びに下部管板１６の表面から伝熱管１４の両端を突出させ、接合部の強度を確保している。
また、伝熱効率を向上させるために、伝熱管１４と管外流体との接触面を広く取る必要がある。そのため、伝熱管１４の管径はなるべく細くし、本数が多くされている。この多数の細い伝熱管１４と、上部管板１５並びに下部管板１６とを安定に、かつ簡便に接合するためには、上部管板１５並びに下部管板１６の表面から伝熱管１４を突出させておく方が都合がよい。
【０００５】
一方、多管式熱交換器において流体と接触する伝熱管の内部および外部の伝熱面は、使用時間の経過とともに異物が付着して汚れ、伝熱効率が悪化する。そして、この汚れにより熱交換率が低下し、汚れによる熱交換器の補修が必要となり、熱交換器の長期運転が困難となる。
この汚れは管内および管外流体に固形物、半固形物が含まれるときに生じるのである。また、流体自体に固形物等が含まれていない場合であっても、プロセス流体の流体成分が易重合性物質等である場合には、熱交換中に重合が生じ、この重合物により汚染が発生する。
【０００６】
例えば、蒸留塔の塔頂には、蒸留塔の塔頂に昇る低沸点成分に富む蒸気を伝熱管内にて冷却・凝縮させる多管式熱交換器（コンデンサー）が接続されている。ここで、蒸留対象物が、メタクロレイン、メタクリル酸等の易重合性化合物である場合には、コンデンサー内での重合が生じやすい。
すなわち、メタクロレインの製造は、イソブチレンを分子状酸素含有ガスにより接触気相酸化し、得られたメタクロレイン含有液を蒸留塔で蒸留することによって行われる。また、メタクリル酸の製造は、メタクロレインを分子状酸素含有ガスにより接触気相酸化し、得られたメタクリル酸含有液を蒸留塔で蒸留して行われる。このようなメタクロレイン、メタクリル酸含有液を蒸留する際には、メタクロレイン、メタクリル酸の重合が極めて起こり易い。
このため、ヒドロキノン、フェノチアジンなどの種々の重合防止剤がプロセス流体中に添加され、メタクロレイン、メタクリル酸等の重合を抑制しているが、重合を完全に抑制するに十分でない。
【０００７】
したがって、コンデンサーとして使用される竪型多管式熱交換器においては、主に上部管板の表面にプロセス流体が滞留しやすく、重合物が付着することが多い。なぜなら、上部管板から伝熱管の上端を突出させて接合した場合、上部管板の表面よりも伝熱管入口の位置の方が高くなってしまい、プロセス流体が上部管板の表面で滞留してしまうからである。
上部管板の表面に重合物が付着すると、分離効率が低下すると共に、上部管板の表面の重合物を核として、伝熱管内にも重合物による目詰まりが発生し、プロセスの長期連続運転を妨げる要因ともなる。
【０００８】
一方、竪型多管式熱交換器をリボイラーとして使用する場合、プロセス流体は下部管板側から伝熱管内に入り、加熱昇温されるが、大部分のプロセス流体は液体のままプロセス中に戻される。したがって、定常運転時、リボイラー内および上部管板付近はほぼプロセス流体で充たされ、流動しているので、竪型多管式熱交換器をコンデンサーとして使用する場合に比べて、上部管板の表面においてプロセス流体の滞留が生じる割合は少ない。しかしながら、運転を停止し、リボイラー内部のプロセス流体を系外に抜き出す際、上述した理由により、どうしても上部管板の表面にプロセス流体が滞留し、この一部が重合してしまう。次回の運転時において、この重合物はプロセス流体のさらなる重合の核となるため、プロセスの長期運転を妨げる要因となる。
【０００９】
この問題を解決する竪型多管式熱交換器としては、図１３および図１４に示すような、プロセス流体と接触する上部管板１５並びに下部管板１６表面からの伝熱管１４の突出部を全てなくし、さらに上部管板１５並びに下部管板１６表面を平滑化して、プロセス流体の各管板表面での滞留を減少させた多管式熱交換器２２が、特開２０００−２５４４８４号公報に提案されている。
しかしながら、上部管板１５の表面から伝熱管１４の上端２１を突出させて接合する場合に比べて、突出部をなくして伝熱管１４を上部管板１５に接合する作業は煩雑であるため、このような多管式熱交換器２２は、どうしても割高になってしまい、工業的には採用しにくい。
【００１０】
また、多管式熱交換器２２の場合、図１５および図１６に示すように、上部管板１５の表面から伝熱管１４の上端２１を突出させないで溶接する際の喉厚ｈが、上部管板１５の表面から伝熱管１４の上端２１を突出させて溶接する際の喉厚Ｈよりも小さくなる（Ｈ＞ｈ）ため、伝熱管１４と上部管板１５（または下部管板１６）との接合部の溶接強度がどうしても低くなってしまう。
【００１１】
さらに、多管式熱交換器２２の場合、多数の伝熱管１４を溶接にて上部管板１５に接合しているので、一部の伝熱管１４は溶接不良となってしまうことが多い。そのため、接合部の溶接強度が低いことに加えて、溶接不良が発生した接合部の溶接強度は、伝熱管を突出させて固定する場合に比べて、著しく低下してしまう。したがって、多管式熱交換器２２を用いて長期連続運転を行った場合、上述した振動に対する強度不足が原因となり、一部の伝熱管１４と上部管板１５（または下部管板１６）との接合部に亀裂が生じ、プロセス流体の漏れを引き起こすことがある。
このように、従来の多管式熱交換器においては、易重合性物質を多量に含むプロセス流体に対して、滞留の抑制、並びに伝熱管と管板との接合部の強度を両立させることは困難であった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
よって、本発明の目的は、伝熱管と上部管板との接合部の強度を十分に確保した上で、上部管板の表面および伝熱管内での重合物の生成を抑制し、熱交換器の破損もなく、長期の連続運転が可能な多管式熱交換器、これを具備した蒸留装置、およびこれらを用いた熱交換方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、竪型多管式熱交換器の上部管板の一部分にのみ、突出のない伝熱管を存在させることで、伝熱管と上部管板との接合部の強度を十分に確保するとともに、上面管板の表面でのプロセス流体の滞留を減少させることが可能となり、結果的に、装置の破損もなく、上部管板の表面での重合および伝熱管内の閉塞を効果的に抑制できることを見いだし、本発明を完成させるに至った。
【００１４】
すなわち、本発明の多管式熱交換器は、易重合性物質を含むプロセス流体を管内流体として取り扱う竪型多管式熱交換器であり、管外流体の入口および出口が設けられた筒状の胴体と、胴体内に配置され、内側のプロセス流体と外側の管外流体との間で熱交換を行う複数の伝熱管と、胴体の上端付近に設けられ、伝熱管と上部管板との間からのプロセス流体および管外流体の漏れを防ぐように伝熱管の上端付近を支持する上部管板とを具備し、前記複数の伝熱管のうち、一部の伝熱管はその上端が上部管板から突出していない伝熱管であり、他の伝熱管はその上端が上部管板から突出した伝熱管であることを特徴とする。
【００１５】
また、上端が上部管板から突出していない伝熱管は、上部管板の中心またはその近傍に設けられていることが望ましい。
また、上端が上部管板から突出していない伝熱管の本数は、全伝熱管の本数の３割以下であることが望ましく、１本であることがさらに望ましい。
また、伝熱管と上部管板とが、強力溶接、またはシール溶接および拡管によって接合されていることが望ましい。
また、易重合性物質は、（メタ）アクロレイン、（メタ）アクリル酸、および（メタ）アクリル酸エステルからなる群から選ばれる１種であることが望ましい。ここで、（メタ）アクロレインは、アクロレインまたはメタクロレインを表し、（メタ）アクリル酸は、アクリル酸またはメタクリル酸を表す。
【００１６】
また、本発明の熱交換方法は、本発明の多管式熱交換器を用いて、易重合性物質を含むプロセス流体と管外流体との間で熱交換を行うことを特徴とする。
また、本発明の蒸留装置は、本発明の多管式熱交換器が、蒸留塔塔頂部にコンデンサーとして接続されていることを特徴とする。
また、本発明の蒸留装置は、本発明の多管式熱交換器が、蒸留塔塔底部にリボイラーとして接続されていることを特徴とする。
また、本発明の熱交換方法は、本発明の蒸留装置のコンデンサーまたはリボイラーにおいて、易重合性物質を含むプロセス流体と管外流体との間で熱交換を行うことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳しく説明する。
本発明は、管外流体の入口および出口が設けられた筒状の胴体と、胴体内に配置された鉛直方向に延びる複数の伝熱管と、胴体の上端付近に設けられ、伝熱管の上端付近を支持する水平な上部管板とを少なくとも具備する竪型多管式熱交換器を対象とする。上部管板を有する竪型多管式熱交換器を対象としたのは、この熱交換器の伝熱管内にプロセス流体を流すと、上部管板の表面にプロセス流体が滞留する場合があり、これを有効に防止することを本発明が目的とするからである。
【００１８】
図１は、本発明の多管式熱交換器の一例を示す断面図であり、図２は、その上部管板付近の拡大断面図である。
この多管式熱交換器３０は、易重合性物質を含むプロセス流体を管内流体として取り扱う竪型多管式熱交換器であり、管外流体の出入口１１，１２が設けられた筒状の胴体１３と、胴体１３内に平行に配置された鉛直方向に延びる複数の伝熱管１４と、胴体１３の上端に設けられ、伝熱管１４の上端付近を支持する水平な上部管板１５と、胴体１３の下端に設けられ、伝熱管１４の下端付近を支持する水平な下部管板１６と、管内流体であるプロセス流体の出入口１７が設けられ、フランジ部が上部管板１５に接合された蓋体１９と、プロセス流体の出入口１８が設けられ、フランジ部が下部管板１６に接合された蓋体２０とを具備して概略構成されるものである。
【００１９】
そして、前記複数の伝熱管１４のうち、上部管板１５の中心に位置する伝熱管１４は、その上端２１が上部管板１５から突出していない伝熱管１４ａであり、他の伝熱管１４は、その上端２１が上部管板１５から突出した伝熱管１４ｂである。
また、すべての伝熱管１４は、その下端が下部管板１６から突出した状態で下部管板１６に接合されている。
【００２０】
伝熱管１４としては、通常、鋼管が使用される。鋼管としては、特に限定はされないが、溶接鋼管の作成のしやすさから、オーステナイト系鋼管、オーステナイト・フェライト系鋼管、フェライト系鋼管が好適に用いられる。また、これら鋼管は、易重合体物質と反応せず、易重合性物質に変性等を与えず、伝熱管自体の腐食を生じることがない。
伝熱管１４の外径、長さ等は、多管式熱交換器３０のサイズや形状、使用目的等により適宜選択される。
【００２１】
上端２１が上部管板１５から突出していない伝熱管１４ａの本数は、上部管板１５表面でのプロセス流体の滞留を防ぐことができる本数であればよく、好ましくは全伝熱管１４の本数の３割以下、より好ましくは２割以下、さらに好ましくは１割以下、最も好ましくは１本である。伝熱管１４ａの本数が３割を超えると、比較的接合強度（溶接強度）の低い、伝熱管１４ａと上部管板１５との接合部が増えるため、接合不良（溶接不良）が発生する確率が増加し、運転時の振動によって、接合部に割れ等が生じやすくなるおそれがある。
【００２２】
伝熱管１４と上部管板１５並びに下部管板１６との接合形態は、上部管板１５並びに下部管板１６に伝熱管１４を強固に固定でき、かつ伝熱管１４と上部管板１５並びに下部管板１６との間からのプロセス流体および管外流体の漏れを防ぐことができる形態であれば、どのような接合形態でも構わない。
接合形態の一例としては、例えば、図３に示すような、上端２１が上部管板１５から突出していない伝熱管１４ａの上端面と上部管板１５とを強力溶接３１で溶接し、上端２１が上部管板１５から突出した伝熱管１４ｂの上端付近の外周壁と上部管板１５とを強力溶接３１で溶接した形態が挙げられる。ここで、強力溶接とは、後述する拡管を行わずに溶接のみで伝熱管を管板に固定する方法である。
【００２３】
また、他の接合形態としては、図４に示すような、伝熱管１４に形成された拡管３２によって伝熱管１４を上部管板１５に固定し、さらに伝熱管１４ａの上端面と上部管板１５とをシール溶接３３で溶接し、伝熱管１４ｂの上端付近の外周壁と上部管板１５とをシール溶接３３で溶接した形態が挙げられる。ここで、拡管とは、数個の小径ローラーをマンドレルによって伝熱管内面に押し付けながら回転させる等の手段により、強力に管を押し広げ伝熱管を管板に固定する方法である。また、シール溶接とは、拡管部からの流体の漏れを防止することを目的とした漏れ止め溶接のことである。
【００２４】
胴体１３、上部管板１５、下部管板１６、蓋体１９および蓋体２０としては、従来の多管式熱交換器と同様のものを用いることができる。また、これらの外径、長さ、厚さ等は、多管式熱交換器３０のサイズや形状、使用目的等により適宜選択される。
【００２５】
次に、この多管式熱交換器３０を用いた熱交換方法を以下に説明する。
この多管式熱交換器３０においては、例えば、蓋体１９の出入口１７から供給されたプロセス流体は、上部管板１５側から伝熱管１４内に導入され、伝熱管１４の外側の管外流体との間で熱交換を行った後、この伝熱管１４末端から蓋体２０の出入口１８を経て多管式熱交換器３０の外に排出される。ここで、図５に示すように、上部管板１５表面に滞留しようとするプロセス流体３５は、上部管板１５の表面と入口の高さが同じとされた伝熱管１４ａの上端２１から伝熱管１４ａへと流れ出る。
【００２６】
このような熱交換方法にて扱われるプロセス流体は、易重合性物質を含むものである。このプロセス流体は、易重合性物質を含むものであれば、気体、液体の別を問わない。
多管式熱交換器３０で取り扱う易重合性物質としては、気体、液体の別を問わず、例えば、アクロレイン、メタクロレイン、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、またはこれらのエステル体、スチレン、アクリロニトリル等が例示できる。中でも、（メタ）アクロレイン、（メタ）アクリル酸、および（メタ）アクリル酸エステルからなる群から選ばれる１種が、多管式熱交換器３０で好適に取り扱われる。
【００２７】
これら易重合性物質には、さらに高沸点物質、溶媒、易重合性物質の生成時の副生物などが含まれていてもよい。例えば、アクリル酸およびアクリル酸エステルの場合には、アクリル酸を接触気相酸化反応で得る際に副生する酢酸、プロピオン酸、アクロレイン、マレイン酸、水、ホルマリン等を挙げることができる。また、例えば、メタクロレインの場合には、メタクロレインを接触気相酸化反応で得る際に生じる酢酸、水等を挙げることができる。また、例えば、メタクリル酸およびメタクリル酸エステルの場合には、メタクリル酸を接触気相酸化反応で得る際に生じるアクリル酸、酢酸等を挙げることができる。
【００２８】
また、多管式熱交換器３０を用いた熱交換方法においては、易重合性物質の取り扱いに際し、プロセス流体に重合防止剤を添加することが好ましい。これにより多管式熱交換器３０における易重合性物質の重合をさらに抑制することができるからである。
重合防止剤としては、分子状酸素含有ガス、ヒドロキノン、メトキノン、クレゾール、フェノール、ｔ−ブチルカテコール、ジフェニルアミン、フェノチアジン、メチレンブルーから選ばれる１種以上；ジメチルジチオカルバミン酸銅、ジエチルジチオカルバミン酸銅、ジブチルジチオカルバミン酸銅およびサリチル酸銅などの銅塩化合物、酢酸マンガンなどのマンガン塩化合物から選ばれる１種以上；ｐ−フェニレンジアミンなどのｐ−フェニレンジアミン類；４−ヒドロキシ−２，２，６，６−テトラメチルピペリジノオキシルなどのＮ−オキシル化合物；尿素などの尿素類；チオ尿素などのチオ尿素類などを好適に用いることができる。上記の化合物は単独でも、あるいは２種類以上組み合わせて使用することもできる。
【００２９】
重合防止剤をプロセス流体に添加する方法についても特に制限はなく、後述の蒸留塔に直接導入してもよいし、供給液や還流液、または他の溶媒に溶解して後述の供給ライン、還流ライン等より導入してもよい。
また、分子状酸素含有ガスの供給方法についても特に制限はなく、バブリング等により易重合性物質に直接混入させても、あるいは溶剤に溶解させて間接的に混入させてもよい。なお、分子状酸素含有ガスを後述の蒸留塔の塔底部および／またはリボイラーからガス状で供給すれば、簡単にバブリングさせることができる。
【００３０】
以上説明したような多管式熱交換器３０にあっては、複数の伝熱管１４のうち、上部管板１５の中心に位置する伝熱管１４が、その上端２１が上部管板１５から突出していない伝熱管１４ａであるので、上部管板１５の表面と伝熱管１４ａ入口の高さが同じとなり、図５に示すように、上部管板１５上にあるプロセス流体３５が伝熱管１４ａ入口から流れ出て、上部管板１５表面におけるプロセス流体３５の滞留を抑制できる。
【００３１】
また、多管式熱交換器３０にあっては、複数の伝熱管１４のうち、一部の伝熱管１４がその上端２１が上部管板１５から突出していない伝熱管１４ａであり、他の伝熱管１４がその上端２１が上部管板１５から突出した伝熱管１４ｂであるので、全ての伝熱管がその上端が上部管板から突出していない伝熱管である従来の多管式熱交換器に比べ、上端２１が上部管板１５から突出していない伝熱管１４ａの本数が少なくなる。そのため、伝熱管１４を上部管板１５に接合する際、接合強度（溶接強度）が弱いために、接合（溶接等）の状態を厳しく管理する必要のある伝熱管１４ａと上部管板１５との接合部が減り、この接合部での接合不良（溶接不良）の発生が低減される。
このような多管式熱交換器３０は、冷却器、凝縮器、加熱器、蒸発器の何れとして使用することができる。
【００３２】
なお、本発明の多管式熱交換器は、図示例の多管式熱交換器３０に限定はされず、上記の構成のうち、少なくとも、管外流体の出入口１１，１２が設けられた筒状の胴体１３と、胴体１３内に配置された鉛直方向に延びる複数の伝熱管１４と、胴体１３の上端に設けられ、伝熱管１４の上端付近を支持する水平な上部管板１５とを具備するものであれば、どのような形態のものであっても構わない。
【００３３】
また、本発明の多管式熱交換器において、上端が上部管板から突出していない伝熱管を設ける位置も、上部管板の表面におけるプロセス流体の滞留を防ぐことができる位置であれば特に制限はされないが、図示例のように上部管板１５の中心またはその近傍とすることが好ましい。このようにすれば、上部管板の表面のプロセス流体の流量が少なくても、プロセス流体が確実に伝熱管内に流れて行くだけでなく、プロセス流体の上部管板の表面での滞在時間も短く抑えることが可能となる。
また、下部管板では、プロセス流体は自重により比較的自然落下しやすいことから、下端が下部管板から突出していない伝熱管を設ける必要はない。
【００３４】
また、本発明の多管式熱交換器は、一般的な熱交換器が有する邪魔板、長手邪魔板、緩衝板、仕切室胴フランジ、胴蓋側フランジ、胴側ノズル、遊動頭蓋、固定棒およびスペーサー、ガス抜き座、ドレン抜き座、計器座、支持脚、つり金具、液面計座、伸縮継手熱膨張対策等を有していてもよい。
また、本発明の多管式熱交換器においては、供給されたプロセス流体が管板に接合された伝熱管に導入されるものであれば、その胴体の形状は特に制限されない。プロセス流体（管内流体）の貯溜形式等としては、図１に示すような１パス形に限られず、２パス形、３パス形であってもよい。また、胴体の仕切等として、長手邪魔板２パス形、分流形、二重分流形、分割流形等のいずれも採用することができる。
【００３５】
また、本発明の多管式熱交換器においては、蓋体の形状は図１に例示されるものに限定されず、易重合体性物質の精製蒸留塔等に連結するために都合のよい形状を採用できる。具体的には、易重合性物質を蒸留する蒸留塔塔頂部及び塔底部に連結するための蓋体を採用した多管式熱交換器の例としては、図６に示すような蛇腹状の蓋体４１を有するもの、図７に示すようなプロセス流体の出入口を拡げた蓋体４２を有するもの、図８に示すようなプロセス流体の出入口を側面に設けた蓋体４３を有するものなどが挙げられる。また、図９に示すように、蓋体を設けず、これの代わりに、配管（図示略）を接続するための接続管４４を設けたものであっても構わない。
【００３６】
次に、本発明の多管式熱交換器を用いた蒸留装置について説明する。
図１０は、本発明の蒸留装置の一例を示す概略図である。この蒸留装置５０は、蒸留塔５１と、蒸留塔５１の塔頂部にコンデンサーとして接続された多管式熱交換器３０と、蒸留塔５１の塔底部にリボイラーとして接続された多管式熱交換器３０とを具備して概略構成されるものである。
【００３７】
蒸留塔５１としては、易重合性物質を含むプロセス流体を蒸留できるものであれば特に限定されないが、充填塔、棚段塔（トレイ塔）、濡壁塔、スプレー塔などを挙げることができる。中でも、重合防止、塔効率の観点から、棚段塔（トレイ塔）が好ましい。
【００３８】
次に、この蒸留装置を用いたプロセス流体の精製および熱交換方法について、プロセス流体としてメタクロレイン含有液もしくはメタクリル酸含有液を用いた場合を例に説明する。
メタクロレイン含有液もしくはメタクリル酸含有液（以下、供給液）は、供給ライン５２を通って、蒸留塔５１に供給される。供給液は、蒸留塔５１にて精留され、留出物は気体となって蒸留塔５１塔頂部から留出物移送ライン５３を通って多管式熱交換器３０（コンデンサー）に供給される。
【００３９】
この多管式熱交換器３０において、蓋体１９の出入口１７から供給された留出物は、上部管板１５側から伝熱管１４内に導入され、伝熱管１４の外側の管外流体との間の熱交換によって冷却、凝縮されて液体となり、この伝熱管１４末端から蓋体２０の出入口１８を経て多管式熱交換器３０の外に排出される。
凝縮された留出物は、留出物排出ライン５４を経由して系外に取り出される。
【００４０】
一方、蒸留塔５１における缶出物は、液体となって缶出物排出ライン５６を経由して系外に取り出されるが、一部は多管式熱交換器３０（リボイラー）に供給される。
この多管式熱交換器３０において、蓋体２０の出入口１８から供給された缶出物は、下部管板１６側から伝熱管１４内に導入され、伝熱管１４の外側の管外流体との間の熱交換によって加熱されて一部は気体となり、この伝熱管１４の上端２１から蓋体１９の出入口１７を経て多管式熱交換器３０の外に排出される。排出された気体の缶出物は、再供給ライン５７を通って、再び蒸留塔５１に戻される。
【００４１】
メタクロレイン、メタクリル酸含有液に重合防止剤を添加する場合、重合防止剤としては、上述されているような一般にメタクロレイン、メタクリル酸等の易重合性物質の重合防止剤として知られている化合物であればいずれも使用することができる。また、添加方法についても特に制限はなく、上述されているような方法であれば全く問題はない。
【００４２】
メタクロレイン含有液としては、イソブチレンを分子状酸素含有ガスにより接触気相酸化して得られるメタクロレイン含有ガスを水と接触させて、メタクロレインをメタクロレイン水溶液として捕集したものが一例として挙げられる。また、メタクリル酸含有液としては、メタクロレインを分子状酸素含有ガスにより接触気相酸化して得られるメタクリル酸含有ガスを水と接触させて、メタクリル酸をメタクリル酸水溶液として捕集したもの、およびこのメタクリル酸水溶液から有機溶剤を抽剤としてメタクリル酸を抽出して得られる抽出液や、この抽出液を適宜蒸留して得られる流体等が挙げられる。
【００４３】
以上の説明したような蒸留装置５０にあっては、多管式熱交換器３０をコンデンサーとして使用しているので、気体であるプロセス流体の凝縮が上部管板１５側で生じたとしても、上部管板１５上にある液体のプロセス流体が伝熱管１４ａ入口から流れ出て、上部管板１５表面におけるプロセス流体の滞留を抑制できる。また、蒸留装置５０にあっては、多管式熱交換器３０をリボイラーとして使用しているので、運転を停止し、蒸留装置５０内部のプロセス流体を系外に抜き出す際にも、リボイラーの上部管板１５表面におけるプロセス流体の滞留を抑制できる。
【００４４】
なお、本発明の蒸留装置における、多管式熱交換器の頭部蓋体の形状としては、蓋板分離形、蓋板一体形、管板一体形等のいずれでもよく、さらに図６に示すような蛇腹状の蓋体４１を有するもの、図７に示すようなプロセス流体の出入口を拡げた蓋体４２を有するもの、図８に示すようなプロセス流体の出入口を側面に設けた蓋体４３を有するものでもよい。また、図９に示すように、蓋体を設けず、これの代わりに、配管（図示略）を接続するための接続管４４を設けたものであっても構わない。さらに、多管式熱交換器の下部蓋体の形状も、固定管板形、遊動頭グランド形、遊動頭割フランジ形、遊動頭引き抜き形等のいずれでもよい。また、胴体のサイズは、使用目的に応じて適宜選択することができる。
【００４５】
【実施例】
以下に実施例を示して、本発明をさらに説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４６】
（実施例１）
図１０に示される構成の蒸留装置を用い、メタクロレイン含有液の精製を行った。
蒸留塔としては、内径０．０６ｍ、段数３０段のステンレス鋼製（ＳＵＳ３０４）のシーブトレーが内装されたものを用いた。
蒸留塔の塔頂に接続されるコンデンサーとしては、図１に示す構成の多管式熱交換器を用いた。多管式熱交換器における伝熱管としては、ステンレス鋼製（ＳＵＳ３０４）、内径１５．８ｍｍ、外径１９．０ｍｍ、長さ７０ｃｍのものを２３本用い、これらを強力溶接により上部管板および下部管板に接合した。
【００４７】
また、蒸留塔の塔底に接続されるリボイラーとしては、図１に示す構成の多管式熱交換器を用いた。多管式熱交換器における伝熱管としては、ステンレス鋼製（ＳＵＳ３０４）、内径１５．８ｍｍ、外径１９．０ｍｍ、長さ７０ｃｍのものを２３本用い、これらをシール溶接および拡管により上部管板および下部管板に接合した。
ここで、コンデンサーおよびリボイラーの上部管板の中心部に位置する１本の伝熱管のみ、上端が上部管板から突出しないように接合し、他の伝熱管はその上端が上部管板から４．０ｍｍ突出するようにして接合した。
【００４８】
メタクロレイン含有液（供給液）の組成は、メタクロレイン２０質量％、酢酸３質量％、水７７質量％であった。供給量は３０ｋｇ／ｈｒとした。また、供給液には重合防止剤ヒドロキノンを２００ｐｐｍ添加した。さらに、分子状酸素含有ガスとして空気をリボイラー発生蒸気量に対し０．３ｖｏｌ％投入しながら精留を行った。運転は、塔頂圧力１０１ｋＰａ、塔頂温度６６℃、塔底圧力１０４ｋＰａ、塔底温度１０１℃、還流比３で管理した。
２週間の連続運転の後、一旦運転を停止し、蒸留装置からプロセス流体（メタクロレイン含有液）を抜き出した。その２日後、再び運転を開始し、さらに６カ月間連続運転した。その後、コンデンサーおよびリボイラーにおいて、上部管板の表面および伝熱管の点検を実施したところ、重合物の付着は認められなかった。さらに、コンデンサーおよびリボイラーにおいて、上部管板の表面を点検したところ、上部管板と伝熱管との接合部の割れ等は全く存在しなかった。
【００４９】
（実施例２）
図１０に示される構成の蒸留装置を用い、メタクリル酸含有液の精製を行った。
蒸留塔としては、内径０．１９ｍ、段数３０段のステンレス鋼製（ＳＵＳ３０４）のシーブトレーが内装されたものを用いた。
蒸留塔に接続されるコンデンサーおよびリボイラーとしては、実施例１と同じものを用いた。
【００５０】
メタクリル酸含有液としては、以下の製法によって得られたものを用いた。
まず、イソブチレンを分子状酸素含有ガスにより接触気相酸化してメタクロレインを得た。このメタクロレインを分子状酸素含有ガスによりさらに接触気相酸化してメタクリル酸含有ガスを得た。このメタクリル酸含有ガスを水と接触させて、メタクリル酸をメタクリル酸水溶液として捕集した。このメタクリル酸水溶液から、有機溶剤を抽剤としてメタクリル酸を抽出して得られる抽出液を適宜蒸留して、メタクリル酸含有液を得た。このメタクリル酸含有液は、メタクリル酸や酢酸の他に、タール状になった不明高沸物も含んでいた。
【００５１】
メタクリル酸含有液の組成は、メタクリル酸２０質量％、酢酸５０質量％、不明高沸物３０質量％であった。供給量は１５ｋｇ／ｈｒとした。また、供給液には重合防止剤ヒドロキノンを２００ｐｐｍ添加した。さらに、分子状酸素含有ガスとして空気をリボイラー発生蒸気量に対し０．３ｖｏｌ％投入しながら精留を行った。運転は、塔頂圧力４ｋＰａ、塔頂温度４０℃、塔底圧力６ｋＰａ、塔底温度１１０℃、還流比３で管理した。
２週間の連続運転の後、一旦運転を停止し、蒸留装置からプロセス流体（メタクリル酸含有液）を抜き出した。その２日後、再び運転を開始し、さらに６カ月間連続運転した。その後、コンデンサーおよびリボイラーにおいて、上部管板の表面および伝熱管の点検を実施したところ、重合物の付着は認められなかった。さらに、コンデンサーおよびリボイラーにおいて、上部管板の表面を点検したところ、上部管板と伝熱管との接合部の割れ等は全く存在しなかった。
【００５２】
（実施例３）
コンデンサーおよびリボイラーにおいて、上端が上部管板から突出していない伝熱管の本数を、全伝熱管の約３割（７本）とし、かつこれらを上部管板の中心部に集中させて設けた以外は、実施例１と同一条件で運転した。
２週間の連続運転の後、一旦運転を停止し、蒸留装置からプロセス流体（メタクロレイン含有液）を抜き出した。その２日後、再び運転を開始し、さらに６カ月間連続運転した。その後、コンデンサーおよびリボイラーにおいて、上部管板の表面および伝熱管の点検を実施したところ、重合物の付着は認められなかった。さらに、コンデンサーおよびリボイラーにおいて、上部管板の表面を点検したところ、上部管板と伝熱管との接合部の割れ等は全く存在しなかった。
【００５３】
（実施例４）
コンデンサーおよびリボイラーにおいて、上端が上部管板から突出していない伝熱管の本数を、全伝熱管の約３割（７本）とし、かつこれらを上部管板の中心部に集中させて設けた以外は、実施例２と同一条件で運転した。
２週間の連続運転の後、一旦運転を停止し、蒸留装置からプロセス流体（メタクリル酸含有液）を抜き出した。その２日後、再び運転を開始し、さらに６カ月間連続運転した。その後、コンデンサーおよびリボイラーにおいて、上部管板の表面および伝熱管の点検を実施したところ、重合物の付着は認められなかった。さらに、コンデンサーおよびリボイラーにおいて、上部管板の表面を点検したところ、上部管板と伝熱管との接合部の割れ等は全く存在しなかった。
【００５４】
（比較例１）
コンデンサーおよびリボイラーにおいて、全ての伝熱管を、その上端が上部管板から突出していない伝熱管とした以外は、実施例１と同一条件で運転した。
２週間の連続運転の後、一旦運転を停止し、蒸留装置からプロセス流体（メタクロレイン含有液）を抜き出した。その２日後、再び運転を開始した。運転再開後、４カ月でリボイラー加熱流体（管外流体）中へのプロセス流体の漏れが確認されたため、運転を中止した。リボイラーにおいて、上部管板の表面を点検したところ、シール溶接した伝熱管と上部管板との接合部の１箇所が大きく割れていた。さらに、コンデンサーにおいて、上部管板の表面を点検したところ、強力溶接した伝熱管と上部管板との接合部の２箇所に小さな亀裂が確認された。伝熱管と上部管板との溶接不良部分が、装置の振動により破断されたものと考えられる。
【００５５】
（比較例２）
コンデンサーおよびリボイラーにおいて、全ての伝熱管を、その上端が上部管板から突出していない伝熱管とした以外は、実施例２と同一条件で運転した。
２週間の連続運転の後、一旦運転を停止し、蒸留装置からプロセス流体（メタクリル酸含有液）を抜き出した。その２日後、再び運転を開始した。運転再開後、更に４カ月間連続運転した。その後、コンデンサーおよびリボイラーにおいて、上部管板の表面および伝熱管の点検を実施したところ、重合物の付着は認められなかった。しかし、リボイラーにおいて、上部管板の表面を点検したところ、シール溶接した伝熱管と上部管板との接合部の１箇所に小さな亀裂が確認された。さらに、コンデンサーにおいて、上部管板の表面を点検したところ、強力溶接した伝熱管と上部管板との接合部の１箇所に小さな亀裂が確認された。伝熱管と上部管板との溶接不良部分が、装置の振動により破断されたものと考えられる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の多管式熱交換器は、管外流体の入口および出口が設けられた筒状の胴体と、胴体内に配置された複数の伝熱管と、胴体の上端付近に設けられ、伝熱管の上端付近を支持する上部管板とを具備し、前記複数の伝熱管のうち、一部の伝熱管はその上端が上部管板から突出していない伝熱管であり、他の伝熱管はその上端が上部管板から突出した伝熱管であるので、伝熱管と上部管板との接合部の強度を十分に確保した上で、上部管板の表面および伝熱管内での重合物の生成を抑制することができる。これにより熱交換器の破損もなく、長期間効果的に易重合性物質の重合を抑制することができる。また、これにより、従来から熱交換器の破損や重合の発生により難しかった、易重合性物質を用いた多管式熱交換器の長期連続運転が可能となる。
【００５７】
また、上端が上部管板から突出していない伝熱管が、上部管板の中心またはその近傍に設けられていれば、上部管板の表面のプロセス流体の流量が少なくても、プロセス流体が確実に伝熱管内に流れて行くだけでなく、プロセス流体の上部管板の表面での滞在時間も短く抑えることが可能となる。
また、上端が上部管板から突出していない伝熱管の本数が、全伝熱管の本数の３割以下であれば、接合不良が発生する確率が低下し、運転時の振動によって、接合部に割れ等が生じにくくなる。
また、上端が上部管板から突出していない伝熱管の本数が、１本であれば、接合不良が発生する確率がさらに低下し、運転時の振動によって、接合部に割れ等がさらに生じにくくなる。
【００５８】
また、伝熱管と上部管板とが、強力溶接、またはシール溶接および拡管によって接合されていれば、伝熱管と上部管板との間からのプロセス流体および管外流体の漏れを確実に防ぐことができる
また、易重合性物質が、（メタ）アクロレイン、（メタ）アクリル酸、および（メタ）アクリル酸エステルからなる群から選ばれる１種であっても、上部管板の表面および伝熱管内でのこれらの易重合性物質の重合を抑制することができる。
また、本発明の熱交換方法は、本発明の多管式熱交換器を用いて、易重合性物質を含むプロセス流体と管外流体との間で熱交換を行う方法であるので、熱交換器の破損や易重合性物質の重合が抑えられ、長期間安定して熱交換を行うことができる。
【００５９】
また、本発明の蒸留装置は、本発明の多管式熱交換器が、蒸留塔塔頂部にコンデンサーとして接続されているものであるので、熱交換器の破損や易重合性物質の重合が抑えられ、長期間安定して連続運転を行うことができる。
また、本発明の蒸留装置は、本発明の多管式熱交換器が、蒸留塔塔底部にリボイラーとして接続されているものであるので、熱交換器の破損や易重合性物質の重合が抑えられ、長期間安定して連続運転を行うことができる。
また、本発明の熱交換方法は、本発明の蒸留装置のコンデンサーまたはリボイラーにおいて、易重合性物質を含むプロセス流体と管外流体との間で熱交換を行う方法であるので、熱交換器の破損や易重合性物質の重合が抑えられ、長期間安定して熱交換を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多管式熱交換器の一例を示す断面図である。
【図２】図１の多管式熱交換器における上部管板と伝熱管との接合部を示す拡大断面図である。
【図３】本発明の多管式熱交換器における上部管板と伝熱管との接合形態の一例を示す拡大断面図である。
【図４】本発明の多管式熱交換器における上部管板と伝熱管との接合形態の他の例を示す拡大断面図である。
【図５】本発明の多管式熱交換器における上部管板の表面でのプロセス流体の流れを示す拡大断面図である。
【図６】本発明の多管式熱交換器の他の例を示す断面図である。
【図７】本発明の多管式熱交換器の他の例を示す断面図である。
【図８】本発明の多管式熱交換器の他の例を示す断面図である。
【図９】本発明の多管式熱交換器の他の例を示す断面図である。
【図１０】本発明の蒸留装置の一例を示す概略構成図である。
【図１１】従来の多管式熱交換器の一例を示す断面図である。
【図１２】図１１の多管式熱交換器における上部管板と伝熱管との接合部を示す拡大断面図である。
【図１３】従来の多管式熱交換器の他の例を示す断面図である。
【図１４】図１３の多管式熱交換器における上部管板と伝熱管との接合部を示す拡大断面図である。
【図１５】図１１の多管式熱交換器における上部管板と伝熱管との接合形態を示す拡大断面図である。
【図１６】図１３の多管式熱交換器における上部管板と伝熱管との接合形態を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１１管外流体の出入口
１２管外流体の出入口
１３胴体
１４伝熱管
１４ａ上端が上部管板から突出していない伝熱管
１４ｂ上端が上部管板から突出した伝熱管
１５上部管板
３０多管式熱交換器
３１強力溶接
３２拡管
３３シール溶接
３５プロセス流体
５０蒸留装置
５１蒸留塔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vertical multi-tubular heat exchanger that handles a process fluid containing an easily polymerizable substance as an in-pipe fluid, a distillation apparatus using the same, and a heat exchange method. The present invention relates to a multi-tubular heat exchanger that suppresses polymerization of a substance, a distillation apparatus using the same, and a heat exchange method.
[0002]
[Prior art]
Heat exchangers that transfer heat between two fluids, high and low, are widely used in the chemical industry. Among these, multi-tube heat exchangers are reliable even under harsh usage conditions. High, suitable for long-term continuous operation, and most frequently used. FIG. 11 is a view showing an example of a saddle-type multi-tube heat exchanger. This multi-tube heat exchanger 10 includes a cylindrical body 13 provided with inlets and outlets 11 and 12 for extra-fluids, A plurality of heat transfer tubes 14 disposed in the body 13, upper and lower tube plates 15 and 16 that are provided at both ends of the body 13 and support the vicinity of both ends of the heat transfer tube 14, and the body 13 Covers 19 and 20 provided at both ends and provided with inlets and outlets 17 and 18 for the process fluid, which is an in-pipe fluid, are schematically configured.
[0003]
In such a conventional multi-tube heat exchanger 10, for example, the process fluid supplied from the inlet / outlet port 17 of the lid 19 is introduced into the heat transfer tube 14 from the upper tube plate 15 side, and the outside of the heat transfer tube 14. After exchanging heat with the extra-tube fluid, the heat transfer tube 14 is discharged from the end of the heat transfer tube 14 to the outside of the multi-tube heat exchanger 10 through the inlet / outlet 18 of the lid 20.
Here, the heat transfer tube 14 and the upper tube plate 15 ensure the strong joint at the joint portion, and in order to easily attach a large number of heat transfer tubes 14 to the upper tube plate 15, as shown in FIG. The upper end 21 of the heat transfer tube 14 protrudes from the surface of the plate 15 and is joined. Further, the heat transfer tube 14 and the lower tube plate 16 are joined by protruding the lower end of the heat transfer tube 14 from the surface of the lower tube plate 16 for the same reason.
[0004]
That is, the multi-tube heat exchanger 10 vibrates because both in-pipe fluid (process fluid) and out-pipe fluid are constantly flowing in and out, and further, vibration from a pump / compressor and rotating machinery The heat transfer tube 14 is subjected to vibrations from the direct pulsating flow. Therefore, in order to prevent the fluid from leaking and leaking at the joint between the heat transfer tube 14 and the upper tube plate 15 and the lower tube plate 16 due to these vibrations, the upper tube plate 15 and the lower tube plate 16 Both ends of the heat transfer tube 14 protrude from the surface to ensure the strength of the joint.
Moreover, in order to improve heat transfer efficiency, it is necessary to take a wide contact surface between the heat transfer tube 14 and the fluid outside the tube. Therefore, the tube diameter of the heat transfer tube 14 is made as thin as possible and the number is increased. In order to join the numerous thin heat transfer tubes 14 to the upper tube plate 15 and the lower tube plate 16 stably and simply, the heat transfer tubes 14 are projected from the surfaces of the upper tube plate 15 and the lower tube plate 16. It is better to keep it.
[0005]
On the other hand, the heat transfer surfaces inside and outside the heat transfer tubes that come into contact with the fluid in the multi-tube heat exchanger are contaminated with foreign substances as the usage time passes, and the heat transfer efficiency deteriorates. And this heat | fever reduces a heat exchange rate, repair of the heat exchanger by a dirt is needed, and long-term operation | movement of a heat exchanger becomes difficult.
This contamination occurs when solids and semisolids are contained in the fluid inside and outside the tube. Even if the fluid itself does not contain solids or the like, if the fluid component of the process fluid is an easily polymerizable substance or the like, polymerization occurs during heat exchange, and contamination is caused by this polymer. appear.
[0006]
For example, a multi-tubular heat exchanger (condenser) is connected to the top of the distillation column for cooling and condensing steam rich in low boiling components rising to the top of the distillation column in a heat transfer tube. Here, when the object to be distilled is an easily polymerizable compound such as methacrolein or methacrylic acid, polymerization in the condenser tends to occur.
That is, methacrolein is produced by catalytic gas phase oxidation of isobutylene with a molecular oxygen-containing gas and distilling the obtained methacrolein-containing liquid in a distillation column. The production of methacrylic acid is carried out by catalytic gas phase oxidation of methacrolein with a molecular oxygen-containing gas and distilling the resulting methacrylic acid-containing liquid in a distillation column. When such a methacrolein or methacrylic acid-containing liquid is distilled, the polymerization of methacrolein and methacrylic acid is extremely likely to occur.
For this reason, various polymerization inhibitors such as hydroquinone and phenothiazine are added to the process fluid to suppress the polymerization of methacrolein, methacrylic acid and the like, but it is not sufficient to completely suppress the polymerization.
[0007]
Therefore, in a vertical multitubular heat exchanger used as a condenser, a process fluid tends to stay mainly on the surface of the upper tube sheet, and a polymer is often attached. Because, when the upper end of the heat transfer tube is protruded from the upper tube plate and joined, the position of the heat transfer tube inlet becomes higher than the surface of the upper tube plate, and the process fluid stays on the surface of the upper tube plate. Because it ends up.
If polymerized material adheres to the surface of the upper tube sheet, the separation efficiency decreases, and the polymer on the surface of the upper tube sheet causes clogging in the heat transfer tube, causing long-term continuous operation of the process. It also becomes a factor to prevent.
[0008]
On the other hand, when a vertical multi-tubular heat exchanger is used as a reboiler, the process fluid enters the heat transfer tube from the lower tube plate side and is heated and heated, but most of the process fluid remains liquid during the process. Returned. Therefore, during steady operation, the inside of the reboiler and the vicinity of the upper tube sheet are almost filled with process fluid and are flowing. Therefore, compared with the case where a vertical multitubular heat exchanger is used as a condenser, the upper tube sheet The rate at which the process fluid remains on the surface is small. However, when the operation is stopped and the process fluid inside the reboiler is taken out of the system, the process fluid stays on the surface of the upper tube sheet for a reason described above, and a part thereof is polymerized. In the next operation, this polymer becomes a nucleus for further polymerization of the process fluid, and this hinders long-term operation of the process.
[0009]
As a vertical multi-tubular heat exchanger that solves this problem, as shown in FIG. 13 and FIG. 14, the upper tube plate 15 that contacts the process fluid and the protruding portion of the heat transfer tube 14 from the surface of the lower tube plate 16 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-254484 discloses a multi-tube heat exchanger 22 that eliminates all of them and further smoothes the surfaces of the upper tube plate 15 and the lower tube plate 16 to reduce the residence of the process fluid on each tube plate surface. Proposed.
However, compared with the case where the upper end 21 of the heat transfer tube 14 is protruded and joined from the surface of the upper tube sheet 15, the operation of joining the heat transfer tube 14 to the upper tube sheet 15 without the protrusion is complicated. Such a multi-tubular heat exchanger 22 is inevitably expensive and difficult to employ industrially.
[0010]
In the case of the multi-tube heat exchanger 22, as shown in FIGS. 15 and 16, the throat thickness h when welding without protruding the upper end 21 of the heat transfer tube 14 from the surface of the upper tube plate 15 is the upper tube. Since the upper end 21 of the heat transfer tube 14 protrudes from the surface of the plate 15 and becomes smaller than the throat thickness H when welding (H> h), the heat transfer tube 14 and the upper tube plate 15 (or the lower tube plate 16) The weld strength at the joint is inevitably lowered.
[0011]
Furthermore, in the case of the multi-tube heat exchanger 22, since a large number of heat transfer tubes 14 are joined to the upper tube sheet 15 by welding, some of the heat transfer tubes 14 often become poorly welded. Therefore, in addition to the low weld strength of the joint, the weld strength of the joint where the welding failure has occurred is significantly lower than when the heat transfer tube is protruded and fixed. Therefore, when long-term continuous operation is performed using the multi-tube heat exchanger 22, the above-described insufficient strength against vibration causes the heat transfer tubes 14 and the upper tube plate 15 (or the lower tube plate 16). The joint can crack and cause process fluid leakage.
Thus, in the conventional multi-tube heat exchanger, it is possible to achieve both suppression of stagnation and strength of the joint between the heat transfer tube and the tube sheet for the process fluid containing a large amount of easily polymerizable substances. It was difficult.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the object of the present invention is to sufficiently secure the strength of the joint portion between the heat transfer tube and the upper tube sheet, and to suppress the formation of a polymer on the surface of the upper tube sheet and the heat transfer tube. It is an object of the present invention to provide a multitubular heat exchanger capable of long-term continuous operation without any damage, a distillation apparatus equipped with the same, and a heat exchange method using these.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors sufficiently ensure the strength of the joint between the heat transfer tube and the upper tube sheet by allowing the heat transfer tube without protrusion to exist only in a part of the upper tube sheet of the vertical multi-tube heat exchanger. As a result, it is possible to reduce the residence of process fluid on the surface of the upper tube sheet, and as a result, it is possible to effectively prevent polymerization on the surface of the upper tube sheet and blockage in the heat transfer tube without damaging the apparatus. It has been found that it can be suppressed, and the present invention has been completed.
[0014]
That is, the multitubular heat exchanger of the present invention is a vertical multitubular heat exchanger that handles a process fluid containing an easily polymerizable substance as an in-pipe fluid, and has a cylindrical shape provided with an inlet and an outlet for an extra-fluid. Placed in the torso and torso Heat exchange between the inner process fluid and the outer extra-fluid Provided near the upper end of the fuselage and the fuselage, To prevent leakage of process fluid and extra-fluid from between heat transfer tube and upper tube sheet An upper tube plate supporting the vicinity of the upper end of the heat transfer tube, and among the plurality of heat transfer tubes, some of the heat transfer tubes are heat transfer tubes whose upper ends do not protrude from the upper tube plate, and the other heat transfer tubes are The upper end is a heat transfer tube protruding from the upper tube sheet.
[0015]
Moreover, it is desirable that the heat transfer tube whose upper end does not protrude from the upper tube sheet is provided at the center of the upper tube sheet or in the vicinity thereof.
The number of heat transfer tubes whose upper ends do not protrude from the upper tube sheet is preferably 30% or less of the total number of heat transfer tubes, and more preferably one.
In addition, it is desirable that the heat transfer tube and the upper tube sheet are joined by strong welding or seal welding and pipe expansion.
Moreover, it is desirable that the easily polymerizable substance is one selected from the group consisting of (meth) acrolein, (meth) acrylic acid, and (meth) acrylic acid ester. Here, (meth) acrolein represents acrolein or methacrolein, and (meth) acrylic acid represents acrylic acid or methacrylic acid.
[0016]
Moreover, the heat exchange method of the present invention is characterized in that heat exchange is performed between a process fluid containing an easily polymerizable substance and an extra-tube fluid using the multitubular heat exchanger of the present invention.
The distillation apparatus of the present invention is characterized in that the multitubular heat exchanger of the present invention is connected as a condenser to the top of the distillation column.
The distillation apparatus of the present invention is characterized in that the multitubular heat exchanger of the present invention is connected to the bottom of the distillation tower as a reboiler.
The heat exchange method of the present invention is characterized in that heat exchange is performed between a process fluid containing an easily polymerizable substance and an extra-fluid in the condenser or reboiler of the distillation apparatus of the present invention.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described in detail below.
The present invention relates to a tubular body provided with an inlet and an outlet for an extra-fluid fluid, a plurality of heat transfer tubes arranged in the body in the vertical direction, and provided near the upper end of the body, near the upper end of the heat transfer tube. A vertical multi-tube heat exchanger having at least a horizontal upper tube plate that supports The target is a vertical multi-tube heat exchanger having an upper tube sheet. When a process fluid is allowed to flow in the heat transfer tube of this heat exchanger, the process fluid may stay on the surface of the upper tube sheet. This is because it is an object of the present invention to effectively prevent this.
[0018]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the multi-tube heat exchanger of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the upper tube sheet.
The multitubular heat exchanger 30 is a vertical multitubular heat exchanger that handles a process fluid containing an easily polymerizable substance as an in-pipe fluid, and has a cylindrical body provided with inlets and outlets 11 and 12 for extra-fluids. 13, a plurality of vertically extending heat transfer tubes 14 arranged in parallel in the body 13, a horizontal upper tube plate 15 provided at the upper end of the body 13 and supporting the vicinity of the upper end of the heat transfer tube 14, and the body 13 And a lid 19 having a horizontal lower tube plate 16 that supports the vicinity of the lower end of the heat transfer tube 14 and a process fluid inlet / outlet 17 that is a fluid in the tube, and a flange portion joined to the upper tube plate 15. And a lid 20 having a process fluid inlet / outlet 18 and a flange portion joined to the lower tube plate 16.
[0019]
Of the plurality of heat transfer tubes 14, the heat transfer tube 14 located at the center of the upper tube plate 15 is a heat transfer tube 14a whose upper end 21 does not protrude from the upper tube plate 15, and the other heat transfer tubes 14 are: The upper end 21 is a heat transfer tube 14 b protruding from the upper tube sheet 15.
All the heat transfer tubes 14 are joined to the lower tube plate 16 with their lower ends protruding from the lower tube plate 16.
[0020]
As the heat transfer tube 14, a steel tube is usually used. The steel pipe is not particularly limited, but an austenitic steel pipe, an austenitic / ferritic steel pipe, and a ferritic steel pipe are preferably used because of the ease of producing a welded steel pipe. Moreover, these steel pipes do not react with the easily polymerized substance, do not modify the easily polymerizable substance, and do not cause corrosion of the heat transfer tube itself.
The outer diameter, length, and the like of the heat transfer tube 14 are appropriately selected depending on the size and shape of the multi-tube heat exchanger 30, the purpose of use, and the like.
[0021]
The number of the heat transfer tubes 14a whose upper end 21 does not protrude from the upper tube plate 15 may be any number that can prevent the process fluid from staying on the surface of the upper tube plate 15, and is preferably 3 of the number of all the heat transfer tubes 14. 20% or less, more preferably 20% or less, still more preferably 10% or less, and most preferably 1. If the number of the heat transfer tubes 14a exceeds 30%, the joint strength between the heat transfer tubes 14a and the upper tube sheet 15 with relatively low joint strength (welding strength) increases, so that there is a probability that a joint failure (welding failure) will occur. There is a risk that cracks and the like are likely to occur in the joint due to vibration during operation.
[0022]
The heat transfer tube 14 and the upper tube plate 15 and the lower tube plate 16 are joined together in such a manner that the heat transfer tube 14 can be firmly fixed to the upper tube plate 15 and the lower tube plate 16, and the heat transfer tube 14, the upper tube plate 15 and the lower tube plate 16 can be firmly fixed. Any joining form may be used as long as it can prevent leakage of process fluid and extra-fluid fluid from between the plates 16.
As an example of the joining form, for example, as shown in FIG. 3, the upper end surface of the heat transfer tube 14 a whose upper end 21 does not protrude from the upper tube sheet 15 and the upper tube sheet 15 are welded by the strong welding 31, and the upper end 21 is The form which welded the outer peripheral wall near the upper end of the heat exchanger tube 14b protruded from the upper tube sheet 15 and the upper tube sheet 15 with the strong welding 31 is mentioned. Here, the strong welding is a method of fixing the heat transfer tube to the tube plate only by welding without performing the pipe expansion described later.
[0023]
Moreover, as another joining form, as shown in FIG. 4, the heat exchanger tube 14 is fixed to the upper tube sheet 15 by the expanded tube 32 formed in the heat exchanger tube 14, and also the upper end surface of the heat exchanger tube 14a and the upper tube sheet 15 are fixed. Are welded by seal welding 33, and the outer peripheral wall near the upper end of the heat transfer tube 14b and the upper tube sheet 15 are welded by seal welding 33. Here, the term “expanding” refers to a method in which several small diameter rollers are rotated while pressing against the inner surface of the heat transfer tube with a mandrel, and the tube is strongly expanded to fix the heat transfer tube to the tube plate. Further, the seal welding is a leakage welding for the purpose of preventing fluid leakage from the expanded portion.
[0024]
As the trunk | drum 13, the upper tube sheet 15, the lower tube sheet 16, the cover body 19, and the cover body 20, the thing similar to the conventional multi-tube heat exchanger can be used. Moreover, these outer diameters, lengths, thicknesses, and the like are appropriately selected depending on the size and shape of the multitubular heat exchanger 30, the purpose of use, and the like.
[0025]
Next, a heat exchange method using the multi-tube heat exchanger 30 will be described below.
In this multi-tube heat exchanger 30, for example, the process fluid supplied from the inlet / outlet port 17 of the lid 19 is introduced into the heat transfer tube 14 from the upper tube plate 15 side, and the outside fluid outside the heat transfer tube 14. After the heat exchange is performed, the heat transfer tube 14 is discharged from the end of the heat transfer tube 14 to the outside of the multi-tube heat exchanger 30 through the inlet / outlet 18 of the lid 20. Here, as shown in FIG. 5, the process fluid 35 that tends to stay on the surface of the upper tube sheet 15 is heated from the upper end 21 of the heat transfer tube 14 a that has the same height as the surface of the upper tube sheet 15 and the inlet. It flows out to 14a.
[0026]
The process fluid handled by such a heat exchange method contains an easily polymerizable substance. The process fluid may be a gas or a liquid as long as it contains an easily polymerizable substance.
The easily polymerizable substance handled in the multitubular heat exchanger 30 may be, for example, acrolein, methacrolein, acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, or an ester thereof, styrene, acrylonitrile, regardless of whether it is gas or liquid. Etc. can be illustrated. Among them, one type selected from the group consisting of (meth) acrolein, (meth) acrylic acid, and (meth) acrylic acid ester is preferably handled in the multi-tube heat exchanger 30.
[0027]
These easily polymerizable substances may further contain a high-boiling substance, a solvent, a by-product during the production of the easily polymerizable substance, and the like. For example, in the case of acrylic acid and acrylic acid ester, acetic acid, propionic acid, acrolein, maleic acid, water, formalin and the like which are by-produced when acrylic acid is obtained by catalytic gas phase oxidation reaction can be mentioned. Further, for example, in the case of methacrolein, acetic acid, water, etc. generated when methacrolein is obtained by a catalytic gas phase oxidation reaction can be exemplified. Further, for example, in the case of methacrylic acid and methacrylic acid ester, acrylic acid, acetic acid and the like generated when methacrylic acid is obtained by a catalytic gas phase oxidation reaction can be exemplified.
[0028]
Further, in the heat exchange method using the multi-tube heat exchanger 30, it is preferable to add a polymerization inhibitor to the process fluid when handling the easily polymerizable substance. This is because the polymerization of the easily polymerizable substance in the multitubular heat exchanger 30 can be further suppressed.
The polymerization inhibitor includes at least one selected from molecular oxygen-containing gas, hydroquinone, methoquinone, cresol, phenol, t-butylcatechol, diphenylamine, phenothiazine, and methylene blue; copper dimethyldithiocarbamate, copper diethyldithiocarbamate, dibutyldithiocarbamic acid 1 or more types chosen from copper salt compounds, such as copper and copper salicylate, manganese salt compounds, such as manganese acetate; p-phenylenediamines, such as p-phenylenediamine; 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl N-oxyl compounds such as piperidinooxyl; ureas such as urea; thioureas such as thiourea can be preferably used. The above compounds can be used alone or in combination of two or more.
[0029]
There is no particular limitation on the method for adding the polymerization inhibitor to the process fluid, and it may be introduced directly into a distillation column, which will be described later, or dissolved in a supply liquid, a reflux liquid, or other solvent, and the supply line, reflux described below. You may introduce from a line etc.
The method for supplying the molecular oxygen-containing gas is not particularly limited, and may be mixed directly into the easily polymerizable substance by bubbling or the like, or may be dissolved in a solvent and mixed indirectly. In addition, if a molecular oxygen-containing gas is supplied in a gaseous form from the bottom of a distillation column described below and / or a reboiler, it can be easily bubbled.
[0030]
In the multi-tube heat exchanger 30 as described above, the heat transfer tube 14 located at the center of the upper tube plate 15 among the plurality of heat transfer tubes 14 has an upper end 21 protruding from the upper tube plate 15. Therefore, the surface of the upper tube plate 15 and the inlet of the heat transfer tube 14a have the same height, and the process fluid 35 on the upper tube plate 15 flows out from the inlet of the heat transfer tube 14a as shown in FIG. Thus, the retention of the process fluid 35 on the surface of the upper tube sheet 15 can be suppressed.
[0031]
Further, in the multi-tube heat exchanger 30, among the plurality of heat transfer tubes 14, some of the heat transfer tubes 14 are heat transfer tubes 14 a whose upper ends 21 do not protrude from the upper tube plate 15, and other heat transfer tubes 14. Since the heat tube 14 is the heat transfer tube 14b whose upper end 21 protrudes from the upper tube plate 15, compared to the conventional multi-tube heat exchanger in which all the heat transfer tubes are heat transfer tubes whose upper ends do not protrude from the upper tube plate. The number of the heat transfer tubes 14a whose upper end 21 does not protrude from the upper tube plate 15 is reduced. Therefore, when joining the heat transfer tube 14 to the upper tube sheet 15, since the joint strength (welding strength) is weak, the connection between the heat transfer tube 14 a and the upper tube sheet 15 that requires strict management of the state of welding (welding, etc.) is required. The number of joints is reduced, and the occurrence of joint failure (welding failure) at this joint is reduced.
Such a multi-tube heat exchanger 30 can be used as any of a cooler, a condenser, a heater, and an evaporator.
[0032]
The multi-tube heat exchanger according to the present invention is not limited to the multi-tube heat exchanger 30 in the illustrated example. Among the above-described configurations, at least the tube provided with the inlets 11 and 12 for the extra-fluid fluid is provided. And a horizontal upper tube plate 15 provided at the upper end of the body 13 and supporting the vicinity of the upper end of the heat transfer tube 14. Any form can be used as long as it does.
[0033]
Further, in the multitubular heat exchanger of the present invention, the position where the heat transfer tube whose upper end does not protrude from the upper tube sheet is also limited as long as it can prevent the process fluid from staying on the surface of the upper tube sheet. Although not performed, it is preferable to set the center of the upper tube sheet 15 or the vicinity thereof as in the illustrated example. In this way, even if the flow rate of the process fluid on the surface of the upper tube sheet is small, not only the process fluid will surely flow into the heat transfer tube but also the residence time of the process fluid on the surface of the upper tube sheet. It becomes possible to keep it short.
Further, in the lower tube sheet, the process fluid is likely to naturally fall due to its own weight, so it is not necessary to provide a heat transfer tube whose lower end does not protrude from the lower tube sheet.
[0034]
The multi-tube heat exchanger of the present invention includes a baffle plate, a longitudinal baffle plate, a buffer plate, a partition chamber flange, a trunk-side flange, a trunk-side nozzle, a floating skull, and a fixed rod that a general heat exchanger has. And spacers, gas vent seats, drain seats, instrument seats, support legs, suspension fittings, liquid level gauges, expansion joint thermal expansion countermeasures, and the like.
Moreover, in the multi-tube heat exchanger of the present invention, the shape of the body is not particularly limited as long as the supplied process fluid is introduced into the heat transfer tube joined to the tube plate. The storage format of the process fluid (fluid in the pipe) is not limited to the one-pass type as shown in FIG. 1, and may be a two-pass type or a three-pass type. Further, any of a longitudinal baffle 2-pass type, a diverted type, a double diverted type, a divided flow type, etc. can be adopted as a body partition or the like.
[0035]
Further, in the multi-tube heat exchanger of the present invention, the shape of the lid is not limited to that illustrated in FIG. 1, and is convenient for connecting to a purification distillation column of an easily polymerized substance. Can be adopted. Specifically, as an example of a multi-tubular heat exchanger that employs a lid for connecting to the top and bottom of a distillation column for distilling easily polymerizable substances, a bellows-shaped lid as shown in FIG. Examples include those having a body 41, those having a lid 42 with an expanded process fluid inlet / outlet as shown in FIG. 7, and those having a lid 43 provided with a process fluid inlet / outlet on the side as shown in FIG. It is done. In addition, as shown in FIG. 9, a lid may not be provided, and instead, a connection pipe 44 for connecting a pipe (not shown) may be provided.
[0036]
Next, a distillation apparatus using the multitubular heat exchanger of the present invention will be described.
FIG. 10 is a schematic view showing an example of the distillation apparatus of the present invention. The distillation apparatus 50 includes a distillation column 51, a multi-tube heat exchanger 30 connected as a condenser to the top of the distillation column 51, and a multi-tube heat exchanger connected as a reboiler to the bottom of the distillation column 51. 30 and is roughly configured.
[0037]
The distillation column 51 is not particularly limited as long as it can distill a process fluid containing an easily polymerizable substance, and examples thereof include a packed column, a plate column (tray column), a wet wall column, and a spray column. Among these, a tray column (tray column) is preferable from the viewpoint of polymerization prevention and column efficiency.
[0038]
Next, a process fluid refining and heat exchange method using this distillation apparatus will be described using a case where a methacrolein-containing liquid or a methacrylic acid-containing liquid is used as a process fluid.
The methacrolein-containing liquid or methacrylic acid-containing liquid (hereinafter referred to as supply liquid) is supplied to the distillation column 51 through the supply line 52. The feed liquid is rectified in the distillation column 51, and the distillate is converted to gas and supplied to the multi-tube heat exchanger 30 (condenser) from the top of the distillation column 51 through the distillate transfer line 53. .
[0039]
In this multitubular heat exchanger 30, the distillate supplied from the inlet / outlet 17 of the lid 19 is introduced into the heat transfer tube 14 from the upper tube plate 15 side, and the distillate with the outside fluid outside the heat transfer tube 14. The liquid is cooled and condensed by heat exchange between the two, and becomes liquid, and is discharged from the end of the heat transfer tube 14 to the outside of the multi-tube heat exchanger 30 through the inlet / outlet 18 of the lid 20.
The condensed distillate is taken out of the system via the distillate discharge line 54.
[0040]
On the other hand, the bottoms in the distillation column 51 become liquid and are taken out of the system via the bottoms discharge line 56, but a part thereof is supplied to the multitubular heat exchanger 30 (reboiler).
In this multi-tube heat exchanger 30, the bottoms supplied from the inlet / outlet 18 of the lid 20 are introduced into the heat transfer tube 14 from the lower tube plate 16 side, and are exchanged with the outside fluid outside the heat transfer tube 14. Part of the heat transfer tube 14 is heated to gas by heat exchange between the heat transfer tubes 14 and discharged from the multi-tube heat exchanger 30 through the inlet / outlet port 17 of the lid 19. The discharged gaseous product is returned to the distillation column 51 again through the refeed line 57.
[0041]
When adding a polymerization inhibitor to a methacrolein or methacrylic acid-containing liquid, the polymerization inhibitor is a compound generally known as a polymerization inhibitor for a readily polymerizable substance such as methacrolein or methacrylic acid as described above. Any of them can be used. Moreover, there is no restriction | limiting in particular also about the addition method, and if it is a method as mentioned above, there will be no problem at all.
[0042]
An example of a methacrolein-containing liquid is one obtained by contacting a methacrolein-containing gas obtained by contact gas phase oxidation of isobutylene with a molecular oxygen-containing gas with water and collecting methacrolein as an aqueous solution of methacrolein. . In addition, as the methacrylic acid-containing liquid, methacrolein is collected by contacting a methacrylic acid-containing gas obtained by contact gas phase oxidation with molecular oxygen-containing gas with water to collect methacrylic acid as an aqueous methacrylic acid solution, and Examples thereof include an extract obtained by extracting methacrylic acid from the aqueous methacrylic acid solution using an organic solvent as an extractant, and a fluid obtained by appropriately distilling the extract.
[0043]
In the distillation apparatus 50 as described above, since the multi-tube heat exchanger 30 is used as a condenser, even if condensation of the process fluid as a gas occurs on the upper tube plate 15 side, The liquid process fluid on the tube plate 15 flows out from the inlet of the heat transfer tube 14a, and the retention of the process fluid on the upper tube plate 15 surface can be suppressed. In the distillation apparatus 50, the multi-tube heat exchanger 30 is used as a reboiler. Therefore, when the operation is stopped and the process fluid inside the distillation apparatus 50 is taken out of the system, the upper part of the reboiler is also used. The retention of the process fluid on the surface of the tube plate 15 can be suppressed.
[0044]
In the distillation apparatus of the present invention, the shape of the head cover of the multi-tube heat exchanger may be any of a lid plate separation type, a lid plate integrated type, a tube plate integrated type, etc., and further shown in FIG. 7 having such a bellows-like lid 41, having a lid 42 having an expanded process fluid inlet / outlet as shown in FIG. 7, and a lid 43 having a process fluid inlet / outlet as shown in FIG. It may have. In addition, as shown in FIG. 9, a lid may not be provided, and instead, a connection pipe 44 for connecting a pipe (not shown) may be provided. Further, the shape of the lower lid of the multi-tube heat exchanger may be any of a fixed tube plate shape, a floating head ground shape, a floating head split flange shape, a floating head pull-out shape, and the like. Further, the size of the trunk can be appropriately selected according to the purpose of use.
[0045]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be further described with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
[0046]
Example 1
The methacrolein-containing liquid was purified using the distillation apparatus having the configuration shown in FIG.
As the distillation column, one having a stainless steel (SUS304) sieve tray with an inner diameter of 0.06 m and a number of stages of 30 was used.
As the condenser connected to the top of the distillation column, a multitubular heat exchanger having the configuration shown in FIG. 1 was used. As the heat transfer tubes in the multi-tube heat exchanger, 23 tubes made of stainless steel (SUS304), an inner diameter of 15.8 mm, an outer diameter of 19.0 mm, and a length of 70 cm were used. Bonded to tube sheet.
[0047]
As the reboiler connected to the bottom of the distillation column, a multi-tube heat exchanger having the configuration shown in FIG. 1 was used. As the heat transfer tubes in the multi-tube heat exchanger, 23 tubes made of stainless steel (SUS304) with an inner diameter of 15.8 mm, an outer diameter of 19.0 mm, and a length of 70 cm were used. And joined to the lower tube sheet.
Here, only one heat transfer tube located at the center of the upper tube plate of the condenser and reboiler is joined so that the upper end does not protrude from the upper tube plate, and the other heat transfer tube has an upper end of 4. It joined so that it might protrude 0 mm.
[0048]
The composition of the methacrolein-containing liquid (feed liquid) was 20% by mass of methacrolein, 3% by mass of acetic acid, and 77% by mass of water. The supply amount was 30 kg / hr. Further, 200 ppm of the polymerization inhibitor hydroquinone was added to the feed solution. Further, rectification was performed while introducing 0.3 vol% of air as a molecular oxygen-containing gas with respect to the amount of reboiler-generated steam. The operation was controlled at a column top pressure of 101 kPa, a column top temperature of 66 ° C., a column bottom pressure of 104 kPa, a column bottom temperature of 101 ° C., and a reflux ratio of 3.
After continuous operation for 2 weeks, the operation was once stopped, and the process fluid (methacrolein-containing liquid) was extracted from the distillation apparatus. Two days later, the operation started again and continued for another 6 months. Thereafter, in the condenser and reboiler, when the surface of the upper tube sheet and the heat transfer tube were inspected, no adhesion of polymer was observed. Furthermore, in the condenser and reboiler, when the surface of the upper tube sheet was inspected, there were no cracks at the joint between the upper tube sheet and the heat transfer tube.
[0049]
(Example 2)
The methacrylic acid-containing liquid was purified using the distillation apparatus having the configuration shown in FIG.
As the distillation column, one having an inner diameter of 0.19 m and a stainless steel (SUS304) sheave tray having 30 stages was used.
The same condenser and reboiler as those used in Example 1 were used.
[0050]
As the methacrylic acid-containing liquid, one obtained by the following production method was used.
First, isobutylene was subjected to catalytic gas phase oxidation with a molecular oxygen-containing gas to obtain methacrolein. The methacrolein was further subjected to catalytic gas phase oxidation with a molecular oxygen-containing gas to obtain a methacrylic acid-containing gas. This methacrylic acid-containing gas was brought into contact with water to collect methacrylic acid as a methacrylic acid aqueous solution. From this methacrylic acid aqueous solution, an extract obtained by extracting methacrylic acid with an organic solvent as an extractant was appropriately distilled to obtain a methacrylic acid-containing liquid. In addition to methacrylic acid and acetic acid, this methacrylic acid-containing liquid contained an unknown high-boiling substance in a tar form.
[0051]
The composition of the methacrylic acid-containing liquid was 20% by mass of methacrylic acid, 50% by mass of acetic acid, and 30% by mass of unknown high-boiling substances. The supply amount was 15 kg / hr. Further, 200 ppm of the polymerization inhibitor hydroquinone was added to the feed solution. Further, rectification was performed while introducing 0.3 vol% of air as a molecular oxygen-containing gas with respect to the amount of reboiler-generated steam. The operation was controlled at a tower top pressure of 4 kPa, a tower top temperature of 40 ° C., a tower bottom pressure of 6 kPa, a tower bottom temperature of 110 ° C., and a reflux ratio of 3.
After continuous operation for 2 weeks, the operation was once stopped, and the process fluid (methacrylic acid-containing liquid) was extracted from the distillation apparatus. Two days later, the operation started again and continued for another 6 months. Thereafter, in the condenser and reboiler, when the surface of the upper tube sheet and the heat transfer tube were inspected, no adhesion of polymer was observed. Furthermore, in the condenser and reboiler, when the surface of the upper tube sheet was inspected, there were no cracks at the joint between the upper tube sheet and the heat transfer tube.
[0052]
(Example 3)
In the condenser and reboiler, the number of the heat transfer tubes whose upper ends do not protrude from the upper tube plate is about 30% (seven) of all the heat transfer tubes, and these are concentrated in the center of the upper tube plate. The operation was performed under the same conditions as in Example 1.
After continuous operation for 2 weeks, the operation was once stopped, and the process fluid (methacrolein-containing liquid) was extracted from the distillation apparatus. Two days later, the operation started again and continued for another 6 months. Thereafter, in the condenser and reboiler, when the surface of the upper tube sheet and the heat transfer tube were inspected, no adhesion of polymer was observed. Furthermore, in the condenser and reboiler, when the surface of the upper tube sheet was inspected, there were no cracks at the joint between the upper tube sheet and the heat transfer tube.
[0053]
Example 4
In the condenser and reboiler, the number of the heat transfer tubes whose upper ends do not protrude from the upper tube plate is about 30% (seven) of all the heat transfer tubes, and these are concentrated in the center of the upper tube plate. The operation was performed under the same conditions as in Example 2.
After continuous operation for 2 weeks, the operation was once stopped, and the process fluid (methacrylic acid-containing liquid) was extracted from the distillation apparatus. Two days later, the operation started again and continued for another 6 months. Thereafter, in the condenser and reboiler, when the surface of the upper tube sheet and the heat transfer tube were inspected, no adhesion of polymer was observed. Furthermore, in the condenser and reboiler, when the surface of the upper tube sheet was inspected, there were no cracks at the joint between the upper tube sheet and the heat transfer tube.
[0054]
(Comparative Example 1)
In the condenser and reboiler, all the heat transfer tubes were operated under the same conditions as in Example 1 except that the heat transfer tubes were made of heat transfer tubes whose upper ends did not protrude from the upper tube plate.
After continuous operation for 2 weeks, the operation was once stopped, and the process fluid (methacrolein-containing liquid) was extracted from the distillation apparatus. Two days later, operation started again. Four months after the operation resumed, the process was stopped because leakage of the process fluid into the reboiler heating fluid (external fluid) was confirmed. In the reboiler, when the surface of the upper tube sheet was inspected, one portion of the joint portion between the heat-transfer tube and the upper tube sheet welded with seal was greatly cracked. Further, when the surface of the upper tube sheet was inspected in the condenser, small cracks were confirmed at two locations of the joint portion between the heat-welded tube and the upper tube sheet that were strongly welded. It is considered that the poorly welded portion between the heat transfer tube and the upper tube sheet was broken by the vibration of the apparatus.
[0055]
(Comparative Example 2)
In the condenser and the reboiler, all the heat transfer tubes were operated under the same conditions as in Example 2 except that the heat transfer tubes had their upper ends not protruding from the upper tube plate.
After continuous operation for 2 weeks, the operation was once stopped, and the process fluid (methacrylic acid-containing liquid) was extracted from the distillation apparatus. Two days later, operation started again. After resuming operation, it continued for another 4 months. Thereafter, in the condenser and reboiler, when the surface of the upper tube sheet and the heat transfer tube were inspected, no adhesion of polymer was observed. However, in the reboiler, when the surface of the upper tube sheet was inspected, a small crack was found at one place in the joint portion between the heat transfer tube and the upper tube sheet that had been seal welded. Further, when the surface of the upper tube sheet was inspected in the capacitor, a small crack was confirmed at one place of the joint portion between the heat-transfer tube and the upper tube sheet that were strongly welded. It is considered that the poorly welded portion between the heat transfer tube and the upper tube sheet was broken by the vibration of the apparatus.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, the multi-tubular heat exchanger of the present invention includes a cylindrical body provided with an inlet and an outlet for an extra-fluid fluid, a plurality of heat transfer tubes disposed in the body, and the vicinity of the upper end of the body. An upper tube plate supporting the vicinity of the upper end of the heat transfer tube, and among the plurality of heat transfer tubes, some of the heat transfer tubes are heat transfer tubes whose upper ends do not protrude from the upper tube plate; Since the heat transfer tube is a heat transfer tube whose upper end protrudes from the upper tube plate, the strength of the joint between the heat transfer tube and the upper tube plate is sufficiently secured, and the surface of the upper tube plate and the heat transfer tube Formation of a polymer can be suppressed. As a result, the polymerization of the easily polymerizable substance can be effectively suppressed for a long time without damaging the heat exchanger. This also enables long-term continuous operation of a multitubular heat exchanger using an easily polymerizable substance, which has been difficult due to breakage of the heat exchanger and occurrence of polymerization.
[0057]
In addition, if the heat transfer tube whose upper end does not protrude from the upper tube sheet is provided at or near the center of the upper tube sheet, the process fluid can be reliably supplied even if the flow rate of the process fluid on the surface of the upper tube sheet is small. In addition to flowing into the heat transfer tube, the residence time of the process fluid on the surface of the upper tube sheet can be reduced.
In addition, if the number of heat transfer tubes whose upper ends do not protrude from the upper tube sheet is 30% or less of the total number of heat transfer tubes, the probability of occurrence of poor bonding is reduced, and the joint is cracked by vibration during operation. Etc. are less likely to occur.
Moreover, if the number of heat transfer tubes whose upper ends do not protrude from the upper tube sheet is one, the probability of occurrence of poor bonding is further reduced, and cracks and the like are less likely to occur at the joint due to vibration during operation. .
[0058]
In addition, if the heat transfer tube and the upper tube sheet are joined by strong welding or seal welding and expansion, it is possible to reliably prevent leakage of process fluid and extra-tube fluid from between the heat transfer tube and the upper tube sheet. Can
Moreover, even if the easily polymerizable substance is one selected from the group consisting of (meth) acrolein, (meth) acrylic acid, and (meth) acrylic acid ester, the surface of the upper tube sheet and the heat transfer tube Polymerization of these easily polymerizable substances can be suppressed.
Further, the heat exchange method of the present invention is a method of performing heat exchange between a process fluid containing an easily polymerizable substance and an extra-tube fluid using the multitubular heat exchanger of the present invention. Damage to the vessel and polymerization of easily polymerizable substances are suppressed, and heat exchange can be performed stably for a long period of time.
[0059]
In the distillation apparatus of the present invention, the multitubular heat exchanger of the present invention is connected to the top of the distillation tower as a condenser, so that damage to the heat exchanger and polymerization of easily polymerizable substances are suppressed. Therefore, continuous operation can be performed stably for a long time.
In the distillation apparatus of the present invention, the multitubular heat exchanger of the present invention is connected to the bottom of the distillation tower as a reboiler, so that damage to the heat exchanger and polymerization of easily polymerizable substances are suppressed. Therefore, continuous operation can be performed stably for a long time.
Further, the heat exchange method of the present invention is a method of performing heat exchange between a process fluid containing an easily polymerizable substance and an extra-fluid fluid in the condenser or reboiler of the distillation apparatus of the present invention. Damage and polymerization of easily polymerizable substances are suppressed, and heat exchange can be performed stably for a long period of time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a multi-tube heat exchanger according to the present invention.
2 is an enlarged cross-sectional view showing a joint portion between an upper tube plate and a heat transfer tube in the multi-tube heat exchanger of FIG. 1;
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing an example of a joining form of an upper tube plate and a heat transfer tube in the multi-tube heat exchanger of the present invention.
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing another example of the joining form of the upper tube plate and the heat transfer tube in the multi-tube heat exchanger of the present invention.
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing the flow of process fluid on the surface of the upper tube sheet in the multi-tube heat exchanger of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing another example of the multi-tube heat exchanger of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing another example of the multi-tube heat exchanger of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing another example of the multi-tube heat exchanger of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing another example of the multi-tube heat exchanger of the present invention.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing an example of a distillation apparatus of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of a conventional multi-tube heat exchanger.
12 is an enlarged cross-sectional view showing a joint portion between an upper tube sheet and a heat transfer tube in the multi-tube heat exchanger of FIG.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing another example of a conventional multi-tube heat exchanger.
14 is an enlarged cross-sectional view showing a joint portion between an upper tube plate and a heat transfer tube in the multi-tube heat exchanger of FIG.
15 is an enlarged cross-sectional view showing a joining form of an upper tube plate and a heat transfer tube in the multi-tube heat exchanger of FIG.
16 is an enlarged cross-sectional view showing a joining form of an upper tube plate and a heat transfer tube in the multi-tube heat exchanger of FIG.
[Explanation of symbols]
11 Entrance / exit of extra-fluid
12 Entrance / exit of extra-fluid
13 torso
14 Heat transfer tubes
14a Heat transfer tube whose upper end does not protrude from the upper tube sheet
14b Heat transfer tube whose upper end protrudes from the upper tube sheet
15 Upper tube sheet
30 Multi-tube heat exchanger
31 Powerful welding
32 tube expansion
33 Seal welding
35 Process fluid
50 Distillation equipment
51 Distillation tower

Claims

It is a vertical multi-tube heat exchanger that handles process fluids containing easily polymerizable substances as in-pipe fluids,
A cylindrical body provided with an inlet and an outlet for an extra-fluid fluid, a plurality of heat transfer tubes arranged in the fuselage and exchanging heat between the inner process fluid and the outer extra-fluid, and the upper end of the fuselage An upper tube plate provided in the vicinity and supporting the vicinity of the upper end of the heat transfer tube so as to prevent leakage of process fluid and extra-fluid fluid from between the heat transfer tube and the upper tube plate ;
Among the plurality of heat transfer tubes, some of the heat transfer tubes are heat transfer tubes whose upper ends do not protrude from the upper tube plate, and other heat transfer tubes are heat transfer tubes whose upper ends protrude from the upper tube plate. Multi-tube heat exchanger.

The multi-tube heat exchanger according to claim 1, wherein the heat transfer tube whose upper end does not protrude from the upper tube sheet is provided at or near the center of the upper tube sheet.

The multi-tube heat exchanger according to claim 1 or 2, wherein the number of heat transfer tubes whose upper ends do not protrude from the upper tube sheet is 30% or less of the total number of heat transfer tubes.

The multi-tube heat exchanger according to claim 1 or 2, wherein the number of heat transfer tubes whose upper ends do not protrude from the upper tube sheet is one.

The multi-tube heat exchanger according to any one of claims 1 to 4, wherein the heat transfer tube and the upper tube sheet are joined by strong welding.

The multi-tube heat exchanger according to any one of claims 1 to 4, wherein the heat transfer tube and the upper tube sheet are joined by seal welding and expansion.

The easily polymerizable substance is one selected from the group consisting of (meth) acrolein, (meth) acrylic acid, and (meth) acrylic acid ester. 7. Multi-tube heat exchanger.

A heat exchange method comprising performing heat exchange between a process fluid containing an easily polymerizable substance and an extra-tube fluid using the multitubular heat exchanger according to any one of claims 1 to 7. .

A distillation apparatus, wherein the multitubular heat exchanger according to any one of claims 1 to 7 is connected as a condenser to a top of a distillation column.

A distillation apparatus, wherein the multitubular heat exchanger according to any one of claims 1 to 7 is connected as a reboiler to a bottom of a distillation column.

The condenser of the distillation apparatus according to claim 9, wherein heat exchange is performed between a process fluid containing an easily polymerizable substance and an extra-fluid fluid.

The reboiler of the distillation apparatus according to claim 10, wherein heat exchange is performed between a process fluid containing an easily polymerizable substance and an extra-fluid fluid.