JP5319906B2

JP5319906B2 - 低温液体加熱方法及びその装置

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Publication number: JP5319906B2
Application number: JP2007269896A
Authority: JP
Inventors: 弘一郎国分
Original assignee: IHI Plant Construction Co Ltd
Current assignee: IHI Plant Construction Co Ltd
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2027-10-17
Also published as: JP2009097794A

Description

本発明は、アンモニア液、ＬＰＧなどの低温液体を、スチームなどの加熱源で０℃以上に加熱するための縦型加熱器を用いた低温液体加熱方法及びその装置に関するものである。

アンモニア液（−３３℃）をシェル＆チューブ式熱交換器のチューブに流し、シェル側にスチームを流して、アンモニア液を０℃以上に加熱しようとする場合、温水式加熱器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
スチームを熱源とする場合、一般には循環水にスチームを吹込んで温水として使用する。この場合のシステムの構成機器は、スチーム吹込みによる一定温度の循環水製造装置、温水循環ポンプ、加熱器等と制御計器となる。

一般に加熱器をシェル＆チュ−ブの形式で製作する場合、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％程度と云われているので、２５％〜１００％の広範囲で流量が変化する場合は３基に分割して、流量の変化に応じて使用基数を選択することになる。

このように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る。このために全体のコストも高くなる。

温水だけでは低温流体との接触により伝熱管に氷着し、不具合の発生が予想されるためにエチレングリコール水のような不凍液を使用する。このために設備の腐食による耐久性等が問題になり、設備費或いはメンテナンスのコストも高くなる。
（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なう方式である。即ち、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或るレベル迄溜めて、この液中に加熱する伝熱管を設置してスチームでアンモニアを蒸発させ、上部の気相に設置されたアンモニア液の伝熱管を凝縮加熱する間接加熱方式である。加熱量が大きい場合は蒸発器と加熱器は、別々の熱交換器となる。

この形式の加熱器では広範囲の流量域で精度よ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、伝熱ための温度差が蒸発側と加熱側（凝縮）に二重に存在する。又、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共に数分の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、収納する容器も大型となる。シェルは使用する熱媒体の性状から常温になって高圧になる場合は十分な耐圧設計とする必要がある。このような理由のためにコストが高くなる。

また、中間熱媒体は低温の加熱伝熱管で凍結しない流体を選定して使用する必要がある。

上記の問題を解決するために、本出願人は特許文献１を提案した。この発明は、縦型のシェル＆チューブ熱交換器からなる加熱器を用い、伝熱管にアンモニア液などの低温液体を流し、外胴側にスチームを供給して、外胴内にスチームによる凝縮水相と気相とを形成することで、低温液体を、主に熱伝達率の高いスチームによる気相で加熱し、凝縮水相の液面を制御することで、流量範囲が２５％〜１００％の低温液体を精度よく加熱することができる。

特開２００５−６１４７８号公報

しかしながら、特許文献１では、温度調整できる低温液体の流量の最低量が２５％であり、それ以下の低流量では、制御できない課題を残している。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、さらに低流量の低温液体を精度よく加熱することが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、縦型の外胴内に多数の伝熱管を設け、その伝熱管の上部に入口室と下部に出口室を形成した熱交換器からなる縦型加熱器を用い、入口室から伝熱管にアンモニア液などの低温液体を流し、外胴にスチームを供給して低温液体を出口室で０℃以上に加熱するための低温液体加熱方法において、縦型加熱器の外胴の中央部にスチームを供給して下部に凝縮水ゾーンとその上部にスチームゾーンを形成すると共に、外胴の上部にスチームより軽い不活性ガスを封入してスチームゾーンの上部に不活性ガスゾーンを形成し、低温液体の流量を１０％〜１００％の範囲で上記入口室に流し、その低温液体の流量に応じて低温液体の上記出口室からの出口温度が設定温度範囲となるようにスチーム流量を調節して供給し、かつ凝縮水ゾーンの液面が一定となるように凝縮水ゾーンから抜き取る凝縮水量を調整し、さらに不活性ガスゾーンの圧力を一定に制御すると共に、スチームゾーンの圧力に応じて不活性ガスゾーンの容積を膨張・収縮させてスチームゾーンの伝熱面積を可変させて低温液体の流量に応じた加熱量に調整し、かつ不活性ガスは、膨張・収縮用ガスドラムを介して外胴内に供給され、その膨張・収縮用ガスドラムの圧力は、低温液体の流量が１００％のときで、供給するスチームの最大負荷時に、凝縮水ゾーン上の外胴内の気相部がスチームゾーンとなって不活性ガスが膨張・収縮用ガスドラムに回収され、不活性ガスゾーンの容量がゼロとなるようにされることを特徴とする低温液体加熱方法である。

請求項２の発明は、アンモニア液などの低温液体をスチームにて０℃以上に加熱するための低温液体加熱装置において、縦型の外胴内に多数の伝熱管が設けられ、その伝熱管の上部に入口室と下部に出口室が形成された縦型加熱器と、その加熱器の入口室に低温液体を、１０％〜１００％の範囲で供給する低温液体供給ラインと、出口室に接続された低温液体の出口ラインと、外胴の略中央部にスチームを供給して下部に凝縮水ゾーンと上部にスチームゾーンとを形成するスチーム供給ラインと、外胴の上部にスチームより軽い不活性ガスを封入して不活性ガスゾーンを形成する不活性ガス供給ラインと、上記スチーム供給ラインに接続され、出口ラインでの低温液体の温度が設定範囲となるよう供給スチーム量を調節するスチーム流量調節弁と、外胴下部に接続され凝縮水ゾーンの凝縮水を排出するドレン排出ラインと、ドレン排出ラインに接続され、凝縮水ゾーンの液面が一定となるように凝縮水ゾーンから抜き取る凝縮水量を調整する凝縮水液面調節弁と、不活性ガス供給ラインに接続され、不活性ガスゾーンの圧力を一定に制御すると共に、スチームゾーンの圧力に応じて不活性ガスゾーンの容積を膨張・収縮させ、その圧力は、低温液体の流量が１００％のときで、供給するスチームの最大負荷時に、凝縮水ゾーン上の外胴内の気相部がスチームゾーンとなって不活性ガスが膨張・収縮用ガスドラムに回収され、不活性ガスゾーンの容量がゼロとなるようにされた膨張・収縮用ガスドラムとを備えたことを特徴とする低温液体加熱装置である。

本発明によれば、外胴内に凝縮水ゾーンとスチームゾーンの他にスチームゾーンの容量を可変させる不活性ガスゾーンを形成することで、低温液体の幅広い流量変化に追従して出口温度を精度よく制御できるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１において、１０は縦型加熱器で、縦型のシェル＆チューブの熱交換器からなり、縦型の外胴１１内に上下が管板１２，１３で支持された多数の伝熱管１４が設けられ、その上部に入口室１５が設けられ、下部に出口室１６が設けられて構成される。

入口室１５には、アンモニア液、ＬＰＧなどの低温液体の供給ライン１７が接続され、その供給ライン１７に、流量調節計（ＦＩＣ−１）１８と流量調節弁（ＦＣＶ−１）１９が接続される。流量調節計１８の検出値は、制御装置３０に入力され、その制御装置３０で流量調節弁１９が開度制御される。

出口室１６には、低温液体の出口ライン２０が接続され、その出口ライン２０に出口温度調節計（ＴＩＡ−１）２１が接続される。出口温度調節計２１の検出値は、制御装置３０に入力される。

外胴１１の上部には、スチームより軽い水素やＨｅガスなどの不活性ガス供給ライン２２が接続され、その不活性ガス供給ライン２２に、不活性ガスの膨張・収縮用ガスドラム２３が接続され、その上流側に不活性ガス注入弁（ＰＶＣ−１）２４が接続され、その不活性ガス注入弁２４が、膨張・収縮用ガスドラム２３に設けた不活性ガス圧力調節計（ＰＩＣ−１）２５で制御されるようになっている。

外胴１１の中部には、加熱源としてのスチームライン２８が接続され、そのスチームライン２８にスチーム流量調節計（ＦＩＣ−２）３１とスチーム流量調節弁（ＦＣＶ−２）３２が接続される。スチーム流量調節計３１の検出値は、制御装置３０に入力され、その制御装置３０でスチーム流量調節弁３２が開度制御される。

外胴１１内では、スチームライン２８から供給されるスチームが凝縮することで、下部に凝縮水ゾーン３３、中央部にスチームゾーン３４、上部にＨｅガスなどからなる不活性ガスゾーン２６が形成される。

外胴１１の下部には、凝縮水ゾーン３３からのドレン排出ライン３５が接続され、そのドレン排出ライン３５に、凝縮水液面調節弁（ＬＣＶ−１）３６が接続されると共に凝縮水槽３８が接続される。

外胴１１には、外胴１１の下部に溜まった凝縮水ゾーン３３の液面を検出する凝縮水液面調節計（ＬＩＣ−１）４１が設けられ、その凝縮水液面調節計４１にて凝縮水液面調節弁３６が制御される。

凝縮水槽３８は、凝縮水排出管４２と凝縮水槽３８内のガス分を排気する排気管４３とを有する。

以上において、供給ライン１７からの低温流体の流量は、運転状況により１０％〜１００％の広範囲で調整される。

この低温流体の流量は、入口の流量調節計１８で検出され、制御装置３０を介して流量調節弁（ＦＣＶ−１）１９で、１０％〜１００％の範囲のうちの任意設定の流量となるように調整される。

本発明の縦型加熱器１０は、低温流体の流量が、１０％〜１００％の広範囲で変化しても、出口温度が設定温度範囲内に精度良く加熱できるようにしたものである。

スチーム供給ライン２８からのスチームは、低温流体の出口ライン２０に設置されている出口温度調節計２１で検出される出口温度が設定温度になるように、制御装置３０が、スチーム供給ライン２８に設置されている流量調節計（ＦＩＣ−２）３１の設定値を調整し、スチーム流量調節弁（ＦＣＶ−２）３２を制御するようになっている。

また、外胴１１の上部には不活性ガス供給ライン２２からＨｅ等の不活性ガスが供給される。この際、膨張・収縮用ガスドラム２３内の圧力を検出する圧力調節計２５の検出値が設定値となるように不活性ガス注入弁２４が開閉制御される。

これにより、外胴１１内には、下部に凝縮水ゾーン３３、中央部にスチームゾーン３４、上部に不活性ガスゾーン２６が形成される。

伝熱管１４を流れる低温流体は、スチームゾーン３４にて熱伝達率の高いスチームで凝縮加熱されることにより、伝熱面積を小さくできると共に加熱システムをシンプルにして加熱器１０の全体をコンパクトにする。

スチーム供給量を調整することにより、スチームゾーン３４の圧力が変化し、これにより不活性ガスゾーン２６も収縮・膨張することで、スチームゾーン３４の伝熱面積を縮小・拡大するので、特許文献１のように伝熱管の露出（液面一定）面積でもスチームで直接加熱する場合よりも、幅広い流量域（伝熱量範囲）で温度の制御が可能となる。

不活性ガスはヘリウムガス或は水素ガス等の水蒸気の比重よりも軽いガスを使用する。伝熱管１４が縦型であるために、負荷が大きい時はスチームの圧力が高くなり、軽い不活性ガスは上方に圧縮されて伝熱管１４がスチームと直接接触するスチームゾーン３４の容量が大きくなり、伝熱量が大きくなる。

一方、負荷が小さくなるとスチームの圧力が低くなるために、不活性ガスは下方に膨張して伝熱管１４を覆うので伝熱面積を減少させて伝熱量を減少させる。

すなわち、負荷が大きくなるとスチームが伝熱管１４に沿って上方に流れて不活性ガスに衝突し、スチームの運動エネルギーとバランスして境界面を作る。この境界面は安定しているのでスチームと直接接触する伝熱面積を安定して確保することができる。不活性ガスヘのスチームの拡散速度は遅いのでスチームは冷却されて分圧が低くなる。一方負荷が小さくなると、スチームの圧力が減少して不活性ガスが膨張して界面が下方に下がり、新しいバランス境界面を作る。

不活性ガスゾーン２６は、外胴１１の上方に形成されているので凝縮水との接触が少ないために伝熱が安定している。

ただし、加熱器１０は必ずしも垂直でなくてもよく、傾いていればよい。

低温流体による伝熱管１４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、低温流体を伝熱管１４を通してスチームゾーン３４から凝縮水ゾーン３３を送入するために、低温流体は上方から流下する構造とすることで、加熱を高温のスチームゾーン３４で殆ど行い内部流体を０℃付近迄加熱して、伝熱性の劣る凝縮水ゾーン３３で伝熱管表面に着氷しないようにしたものである。

低温流体をスチームゾーン３４で加熱して凝縮した水は凝縮水ゾーン３３に溜めるようにし、この凝縮水でも低温流体を加熱できるように伝熱管１４を凝縮水中に水没した構造となっている。

凝縮水ゾーン３３の凝縮水の保有熱量は、スチームゾーン３４に比較して非常に大きい。このために低温流体を増量した場合にスチームの供給が遅れてスチームゾーン３４の圧力が低下すると、凝縮水ゾーン３３の表面からフラッシュ蒸気が発生してスチーム圧の低下を緩和する。又、凝縮水ゾーン３３中に入った伝熱管１４中の低温流体は、短時間では温度があまり変わらない（大熱容量の為）、凝縮水からの伝熱によっても補間される。従って、低温流体の流量の変化速度に対応した凝縮水量を決定する必要がある。

このために凝縮水液面調節計４１にて液面を検出し、凝縮水液面調節弁３６を制御してドレン排出ライン３５から抜き取る凝縮水量を調整する。

このように本発明は、不活性ガスゾーン２６の膨張・収縮により、スチームゾーン３４の伝熱面が自動的に縮小・拡大するので、限定されたスチーム温度条件に対して幅広い安定した伝熱量の制御が可能となる。

効果的な拡散境界面の位置は１００％負荷の時に全伝熱管１４面が、スチームゾーン３４に直接接触する位置である。

このために、不活性ガス供給ライン２２には、膨張・収縮用ガスドラム２３が設置され、スチームを最高圧力で使用する場合には、その殆どの不活性ガスをガスドラム２３内に収容するようにする。この結果、熱交換部の伝熱管１４の殆どがスチームと直接接触する。

勿論、許容スチーム圧力に対して初期不活性ガスの充填量を適切にすることが必要である。

低温流体が減量した場合には、スチームの供給が短時間の間過剰になる。この場合、流体の温度が上昇するが、凝縮水ゾーン３３の下層温度が低いために冷却されるので、温度の振れが小さくなる。

伝熱管１４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。

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を持つようにする。

スチームゾーン３４は加熱量の約９０〜９５％の熱伝達を行い、残りの熱量は凝縮水ゾーン３３から熱伝達される。加熱量の殆どを伝熱するスチームゾーン３４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）１９，３２，３６の変動により圧力（凝縮温度）が変動し易いこと、及びスチームゾーン３４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。スチームゾーン３４の温度変化を緩和するために、下部に熱容量の大きい凝縮水を溜める凝縮水ゾーン３３を形成することで、スチームゾーン３４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、低温流体の温度変化を緩和する働きをする。

凝縮水ゾーン３３に溜まった凝縮水は液面制御弁（ＬＣＶ−１）３６により，設定された液面になるように調節されて排出される。

この凝縮水ゾーン３３に溜まる凝縮水の液面は、液面調節計（ＬＩＣ−１）４１の設定値を変えることにより、不活性ガスゾーン２６とスチームゾーン３４からなる気相と、凝縮水ゾーン３３からなる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。

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。

出口温度調節計２１の感知遅れによるスチーム流量調節弁（ＦＣＶ−１）１９の振れ、或は液面調節弁（ＬＣＶ−１）３６の開度の振動等により加熱器１０の出口温度の制御値が、流量１００％に比べて、低流量（２５％以下）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、凝縮水ゾーン３３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１０〜２５％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。

不活性ガス供給ライン２２により気相圧力がプラス圧力になるように不活性ガスを供給し、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幅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）の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。低流量領域の加熱を行うためには、スチームの凝縮温度を下げて伝熱温度差を小さくするか、伝熱面積を狭くして伝熱量を減少させなければならない。

本発明では、不活性ガスの膨張・収縮により低負荷運転では、伝熱面積を縮小すると共に、凝縮温度を低下しても、気相の圧力が負のゲージ圧力にならないようにしたものである。

スチーム量は加熱に必要な量に流量調節弁（ＦＣＶ−２）３２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。このために圧力調節計２５で圧力を検出して不活性ガス注入弁２４を制御して設定の圧力に戻す。但し、この溶解量はヘリウムガスでは非常に小さいのでランニングコストヘの影響は非常に小さい。

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）３６の作動が安定し、スチームの流量調節弁（ＦＣＶ−１）１９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＆チューブ型の加熱器において、不活性ガスとしてヘリウムガスを使用し、加熱媒体としてスチー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、チューブ（伝熱管）内をアンモニア液、シェル（外胴）側をスチームを流す。

１．Ｈｅガスの加熱器内の挙動
（１）垂直伝熱管の上方向に流れるスチ−ムとＨｅガスの境界面の状態
拡散境界モデル；
図１に矢印ｓに示したような蒸気流速に逆らってＨｅガス拡散流ｉが分子拡散する。

しかし、次々と連続して流れて来て凝縮するスチームに押上げられて境界面を構成する。従って、スチームはＨｅガス中の伝熱とはならないので本来の高い伝熱係数を維持することができる。

Ｈｅガスゾーンに拡散したスチームは伝熱管内の低温流体に冷却されて凝縮するために非常に低い分圧として存在する。従って、Ｈｅガスの体積に大きな影響を与えない。

Ｈｅガスゾーン内では拡散して来る少量のスチームの凝縮伝熱であるため、加熱のための伝熱量は非常に少ない。従って、この部分の伝熱管は事実上無いに等しいので、スチーム相にこの部分の体積を余分に追加して設計することが必要である。余分な体積は加熱器本体の一部として確保しても良いし、Ｈｅガスの供給口或は供給管の一部を太くして確保してもよい。或は図１に示したようにＨｅガス収容用ドラムを外部に設置しても良い。

この場合の追加体積の例を示すと次のようになる。

最高負荷点（設計点）
最高スチーム凝縮圧力ＭＰａ０．４０．５０．６
スチーム凝縮温度 ℃ １５１１５８１６４
アンモニア温度入口 ℃ −３３ −３３ −３３
出口 ℃ ０００
伝熱平均温度 ℃ １６７１７４１８０
最低負荷点
スチーム凝縮温度 ℃ １０２１０２１０２
アンモニア温度 ℃ ０００
伝熱平均温度 ℃ １１８１１８１１８
上記の条件での概略のスチーム相に追加する体積
最高スチーム凝縮圧力ＭＰａ０．０１０．０１０．０１
最低負荷％１０１０１０
追加体積％２１１７１５
最低負荷％２５２５２５
追加体積％１８１５１３
（２）Ｈｅガスゾーン内の状態
伝熱管の上部にＨｅガスは溜まり、その下のスチームゾーンでスチームが裸の伝熱管に直接接触して凝縮するので熱伝達率が高い。

（３）Ｈｅガス充填量
Ｈｅ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％以下）でもプラス圧にし、最高流量（１００％）ではＨｅ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くなる圧力でスチーム供給が可能で伝熱できる量とする。

上記のＨｅガス組成をべースにして、垂直と水平の拡散境界面の位置からＮ_２ガスの体積を求め、Ｈｅガスの許容充填範囲量を決める。

２．スチーム凝縮圧力と加熱器
（１）実施例の加熱器システムは、図１に示した通りである。

（２）Ｈｅガスの存在下におけるアンモニア加熱器の実施例仕様
Ｈｅガスの存在下で低温のアンモニア液の流量に対する気相圧力と、スチームの飽和温度及び温度の制御性を示すと次のようになる。

加熱器仕様；
アンモニア負荷率％１００２５
アンモニア液流量ｋｇ／ｈ１２，５００３，１２５
入口温度 ℃ −３３ −３３
出口温度 ℃ １１
スチームの一次供給圧力ＭＰａ０．６０．６
気相圧力の許容最高圧力ＭＰａ０．５０．５
Ｈｅガス分圧（注入圧力）ＭＰａ０．２５０．２５
スチーム圧ＭＰａ０．２０．００７
飽和温度 ℃ １２０３７．１
総伝熱面積ｍ^２４．４４．４
気相部伝熱面積ｍ^２０．９９０．９９
凝縮水部伝熱面積ｍ^２３．４１３．４１
伝熱管寸法内径ｍ０．０２５０．０２５
外径ｍ０．０３２０．０３２
パス数１パス１パス
胴内径ｍ０．７０．７
胴長さｍ３．６３．６
水位７０％ｍ２．１２．１
１００％負荷時Ｈｅガス収縮体積（ｍ^３）
気相運転圧力ＭＰａ０．４５０．２５７
凝縮水相加熱量分担率％１６６．１
アンモニア液の出口温度 ℃ ±０．０７ ±１．９２
（３）実施例のシステムの説明
図１の加熱器システムフローシートに基づいて加熱器の運転と機能について説明する。

１）起動準備
凝縮水槽３８に水（水道水）を所定液面迄溜める。

加熱器１０が所定の液面になるように凝縮水液面調節計（ＬＩＣ−１）４１の設定値（７０％）をセットする。

加熱器に所定液面（約７０％）迄水を溜める。

気相部に、不活性ガス圧力調節計（ＰＩＣ−１）２５と不活性ガス注入弁（ＰＶＣ−１）２４により所定の圧力（０．１ＭＰａＧ）迄Ｈｅガスを入れる。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℃）に出口温度調節計（ＴＩＡ−１）２１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）１８と流量調整弁（ＦＣＶ−１）１９により流量を制御されて、加熱器１０の入口室１５から気相部（Ｈｅゾーン、スチームゾーン）に設置されている伝熱管１４の上部から流入する。

アンモニア液を流量調節計１８と流量調整弁１９により所定流量Ｗａになるまで徐々に流量を増やす。

この時、通常は出口温度調節計（ＴＩＡ−１）２１の温度は外気温度のために、加熱制御温度（１℃）よりも高くなっているのでスチーム流量調整弁（ＦＣＶ−２）３２は閉じている。加熱器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スチーム流量調整弁３２が開き加熱器１０の気相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。

気相部の伝熱管１４に流入したアンモニア液は、スチームで加熱される。気相（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。気相部で加熱されたアンモニア液は、加熱器１０の下部の凝縮水ゾーン３３中に設置されている伝熱管１４に流入し、凝縮水により加熱される。

凝縮水は気相中のスチームゾーン３４のスチームの圧力（分圧）と平衡した温度で凝縮するので水面は高い温度（約３０〜１００℃）状態にある。

一方、気相部からのアンモニア液は０℃以下であり、凝縮水は熱伝達に充分な温度となっている。

凝縮水中の伝熱管は液面から下方に向って配列されているので、伝熱管１４中のアンモニア液は、液面から下方に流れて凝縮水を冷却する。従って、凝縮水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。

起動時は出口温度調節計２１に到達する迄に、アンモニア液は加熱器１０の凝縮水ゾーン３３の凝縮水をクー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。

気相部に流入したスチームはＨｅガスを押上げながら伝熱量に必要な温度（圧力）でバランスする。

このために流量が少ない場合でも１００％の流量に比較して、上記表からも明らかなように流量調整弁（ＦＣＶ−２）３２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。

スチームゾーン３４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。加熱器の気相部（スチームゾーン）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。この気相の温度変化を緩和するために設けられたのが凝縮水ゾーン３３である。凝縮水は量が少なくとも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気相で加熱されたアンモニア液温度の微少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、気相部の伝面と凝縮水中の伝面の比を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。

アンモニア液の出口温度は温度調節計２１で検知し、制御温度から乖離する場合はスチーム量を適正な流量に制御するために、流量調節計３１にフィードバックして流量調整弁３２を制御することにより適性な温度を得る。

凝縮水ゾーン３３の液面は、凝縮水液面調節計４１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３６を制御する。凝縮水液面調節計４１の設定値を可変にすることにより、必要に応じて気相部の伝面と凝縮水中の伝面の比を選定できるようにする。

気相中のＨｅガスは少しずつ凝縮水中に溶解して凝縮水と共に失われて気相圧力が低下するので、圧力調節計２５で気相圧力を検知し、圧力が下限値迄低下（通常約０．１ＭＰａ）した時、ガス注入弁２４で所定の圧力（約０．２ＭＰａ）迄Ｈｅガスを自動或は手動で補給する。

凝縮水は凝縮水槽３８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。

符号の説明

１０縦型加熱器
１１外胴
１４伝熱管
１５入口室
１６出口室
２６不活性ガスゾーン
３３凝縮水ゾーン
３４スチームゾーン

Claims

縦型の外胴内に多数の伝熱管を設け、その伝熱管の上部に入口室と下部に出口室を形成した熱交換器からなる縦型加熱器を用い、入口室から伝熱管にアンモニア液などの低温液体を流し、外胴にスチームを供給して低温液体を出口室で０℃以上に加熱するための低温液体加熱方法において、縦型加熱器の外胴の中央部にスチームを供給して下部に凝縮水ゾーンとその上部にスチームゾーンを形成すると共に、外胴の上部にスチームより軽い不活性ガスを封入してスチームゾーンの上部に不活性ガスゾーンを形成し、低温液体の流量を１０％〜１００％の範囲で上記入口室に流し、その低温液体の流量に応じて低温液体の上記出口室からの出口温度が設定温度範囲となるようにスチーム流量を調節して供給し、かつ凝縮水ゾーンの液面が一定となるように凝縮水ゾーンから抜き取る凝縮水量を調整し、さらに不活性ガスゾーンの圧力を一定に制御すると共に、スチームゾーンの圧力に応じて不活性ガスゾーンの容積を膨張・収縮させてスチームゾーンの伝熱面積を可変させて低温液体の流量に応じた加熱量に調整し、かつ不活性ガスは、膨張・収縮用ガスドラムを介して外胴内に供給され、その膨張・収縮用ガスドラムの圧力は、低温液体の流量が１００％のときで、供給するスチームの最大負荷時に、凝縮水ゾーン上の外胴内の気相部がスチームゾーンとなって不活性ガスが膨張・収縮用ガスドラムに回収され、不活性ガスゾーンの容量がゼロとなるようにされることを特徴とする低温液体加熱方法。
アンモニア液などの低温液体をスチームにて０℃以上に加熱するための低温液体加熱装置において、縦型の外胴内に多数の伝熱管が設けられ、その伝熱管の上部に入口室と下部に出口室が形成された縦型加熱器と、その加熱器の入口室に低温液体を、１０％〜１００％の範囲で供給する低温液体供給ラインと、出口室に接続された低温液体の出口ラインと、外胴の略中央部にスチームを供給して下部に凝縮水ゾーンと上部にスチームゾーンとを形成するスチーム供給ラインと、外胴の上部にスチームより軽い不活性ガスを封入して不活性ガスゾーンを形成する不活性ガス供給ラインと、上記スチーム供給ラインに接続され、出口ラインでの低温液体の温度が設定範囲となるよう供給スチーム量を調節するスチーム流量調節弁と、外胴下部に接続され凝縮水ゾーンの凝縮水を排出するドレン排出ラインと、ドレン排出ラインに接続され、凝縮水ゾーンの液面が一定となるように凝縮水ゾーンから抜き取る凝縮水量を調整する凝縮水液面調節弁と、不活性ガス供給ラインに接続され、不活性ガスゾーンの圧力を一定に制御すると共に、スチームゾーンの圧力に応じて不活性ガスゾーンの容積を膨張・収縮させ、その圧力は、低温液体の流量が１００％のときで、供給するスチームの最大負荷時に、凝縮水ゾーン上の外胴内の気相部がスチームゾーンとなって不活性ガスが膨張・収縮用ガスドラムに回収され、不活性ガスゾーンの容量がゼロとなるようにされた膨張・収縮用ガスドラムとを備えたことを特徴とする低温液体加熱装置。