JP5654393B2 - プレート式熱交換器のメンテナンス方法 - Google Patents

Description

本発明は、粘性物質、腐食性物質を含むとともに溶存酸素を含まない、或いは溶存酸素濃度が極めて低い流体、即ち還元性流体の系統において適用する熱交換システム、およびプレート式熱交換器のメンテナンス方法に関する。

以下に、背景技術について説明する。

プレート熱交換器として、例えば下記特許文献１に記載されるような構成が知られているが、一般的なプレート式熱交換器は、添付図５に示すような内部構造を有している。
図５に示すようなプレート式熱交換器１００は、他形式（多管式熱交換器、スパイラル式熱交換器）の熱交換器と比較して、優れた伝熱性能を有する熱交換器であるが、プロセス流体１０１及び冷媒流体１０２が通過する伝熱プレート流路１０３の間隔が狭く表面形状も複雑なため、粘性物質を含むプロセス流体１０１（例えば、製鐵所のアンモニア水（以下、安水とする）やタールスラッジ等）への適用は、粘性物質の付着や、それに起因した部分閉塞による圧力損失増大、伝熱性能低下の危険性などがあるため困難であった。

また、プレート式熱交換器１００の伝熱プレート材質としては、腐食抑制のために表面に酸化被膜が形成されたステンレス、又はチタン材質が一般的に最も広く使用されているが、粘性物質を含むプロセス流体１０１中に、塩化物等の腐食性物質が含まれている場合、粘性物質中に取り込まれた腐食性物質が、伝熱プレート流路１０３の表面に付着して濃縮される。その結果、伝熱プレート流路１０３の表面に形成されていた酸化被膜が局所的に欠損し、孔食や応力腐食割れ発生の可能性が増大する。
なお、プレート式熱交換器１００のプレートはステンレス、又はチタンの薄板をプレス加工にて成型するため加工時の残留応力が残存し、これらを熱処理等で除去することは困難であり費用もかかる。そのため、前述のような酸化被膜の欠損により、応力腐食割れが発生し易くなっている。

しかも、プロセス流体１０１が溶存酸素を含まない、或いは溶存酸素濃度が極めて低い還元性流体（無酸素反応系統の溶液、例えば製鐵所の安水など）である場合には、プロセス流体１０１が伝熱プレート流路１０３を流通しても、プロセス流体１０１から酸化被膜の欠損部分に酸素が供給されない、または殆ど供給されないため、酸化被膜を修復することができず、孔食や応力腐食割れ発生を抑制することは難しい。
以上のような問題があり、現状では粘性物質、腐食性流体を含む還元性流体環境下でのプレート式熱交換器の適用実績は見られない。

特開平９−２６４６９８号公報

以上に述べたように、プレート式熱交換器は、粘性物質、腐食性物質を含む還元性流体への適用実績はなく、そのような環境下では、多管式熱交換器やスパイラル式熱交換器が適用されている。
しかしながら、多管式熱交換器は、伝熱性能がプレート式と比較して１／３〜１／４程度（総括伝熱係数比較）であるため、設置面積が３〜５倍程度必要となる。
また、スパイラル式熱交換器は、汚れや閉塞に最も強い構造であるが、伝熱性能がプレート式と比較して１／２程度（総括伝熱係数比較）であり、製作難易度が高く、装置コストが増大する。

本発明は、粘性物質および腐食性物質を含む還元性流体系統に対し、装置コストの削減および設置面積の縮小の実現のために、安定して運用することができる熱交換システム、およびプレート式熱交換器のメンテナンス方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、前記目的を達成するために、粘性物質および腐食性物質を含む還元性流体系統に対し、安定して運用することができる熱交換システム、およびプレート式熱交換器のメンテナンス方法を提供するものであり、その要旨とするところは、以下の通りである。

（１）本発明の参考例に係る熱交換システムは、表面に酸化被膜が形成された伝熱プレートを互いに間隔をあけて積層することで、粘性物質および腐食性物質を含む還元性流体が流通する第１流路、並びに熱媒体が流通する第２流路が形成されてなるプレート式熱交換器を備え、前記第１流路に接続された第１入口配管には、前記第１流路への還元性流体の供給およびその停止を切替える第１切替え弁が設けられ、前記第２流路に接続された第２入口配管には、前記第２流路への熱媒体の供給およびその停止を切替える第２切替え弁が設けられた熱交換システムであって、前記第１流路に洗浄液を流通させ、前記粘性物質中に取り込まれて前記第１流路の内面に付着した前記腐食性物質を押し流す洗浄液流通手段と、前記第２流路に前記洗浄液よりも高温な蒸気を流通させる蒸気流通手段と、を備えていることを特徴とする。

この発明では、伝熱プレートの表面により構成された第１流路の内面に、粘性物質中に取り込まれた腐食性物質が付着した場合、まず、第１切替え弁により、第１流路への還元性流体の供給を停止させた後、洗浄液流通手段により、第１流路に洗浄液を流通させる。これにより、前記腐食性物質を押し流して除去することができる。
またこのとき、第２切替え弁により、第２流路への熱媒体の供給を停止させた後、蒸気流通手段により、第２流路に蒸気を流通させ、第１流路に洗浄液を流通させながら、第２流路に蒸気を流通させる。このように、第２流路に蒸気を流通させることで、伝熱プレートを第２流路側から加熱することが可能になり、第１流路の内面に付着した腐食性物質の粘度を低下させ付着力を弱めることができる。したがって、第１流路を流通する洗浄液により前記腐食性物質を効果的に押し流して確実に除去することができる。

（２）また、前記第１流路に酸素含有ガスを流通させる酸素含有ガス流通手段を備えていることを特徴とする。

この発明では、前述のように第１流路に洗浄液を流通させ、第１流路の内面に付着した腐食性物質を除去した後、酸素含有ガス流通手段により、第１流路に酸素含有ガスを流通させることで、第１流路の内面を構成する酸化被膜に欠損が生じていたとしても、その欠損を修復することができる。

（３）また、本発明に係るプレート式熱交換器のメンテナンス方法は、表面に酸化被膜が形成された伝熱プレートを互いに間隔をあけて積層することで、粘性物質および腐食性物質を含む還元性流体が流通する第１流路、並びに熱媒体が流通する第２流路が形成されてなるプレート式熱交換器のメンテナンス方法であって、前記第１流路への還元性流体の供給を停止する第１停止工程と、前記第２流路への熱媒体の供給を停止して前記第２流路から前記熱媒体を抜き出す第２停止工程と、前記第１停止工程の後、前記第１流路に洗浄液を流通させ、前記粘性物質中に取り込まれて前記第１流路の内面に付着した前記腐食性物質を押し流す洗浄液流通工程と、前記第２停止工程の後、前記第２流路に前記洗浄液よりも高温な蒸気を流通させる蒸気流通工程と、前記洗浄液流通工程の後、前記第１流路から前記洗浄液を抜き出し、その後、前記第１流路に酸素含有ガスを流通させ、前記第１流路の内面を構成する酸化被膜に生じた欠損を修復する酸素含有ガス流通工程と、を有し、前記洗浄液流通工程と前記蒸気流通工程とを並行して行うことを特徴とする。

この発明によれば、洗浄液流通工程の際、第１流路に洗浄液を流通させることで、粘性物質中に取り込まれ、第１流路の内面に付着した腐食性物質を押し流して除去することができる。
また、洗浄液流通工程と蒸気流通工程とを並行して行い、第１流路に洗浄液を流通させながら、第２流路に蒸気を流通させる。このように、第２流路に蒸気を流通させることで、伝熱プレートを第２流路側から加熱することが可能になり、第１流路の内面に付着した腐食性物質の粘度を低下させ付着力を弱めることができる。したがって、第１流路を流通する洗浄液により前記腐食性物質を効果的に押し流して確実に除去することができる。

この発明では、洗浄液流通工程の後、前記酸素含有ガス流通工程を行い、第１流路に酸素含有ガスを流通させることで、第１流路の内面を構成する酸化被膜に欠損が生じていたとしても、その欠損を修復することができる。

本願の参考例に係る熱交換システムによれば、第１流路の内面に付着した腐食性物質を確実に除去することができるので、腐食性物質による伝熱プレートへの影響を弱めることが可能になり、孔食や応力腐食割れなどの発生を抑え、プレート式熱交換器を安定して運用することができる。
また、第１流路内の腐食性物質を除去する際に、加熱に好適な気体状態の蒸気を第２流路に流通させて伝熱プレートを加熱しながら、洗浄に好適な液体状態の洗浄液を第１流路に流通させて腐食性物質を押し流しているので、腐食性物質の除去を効果的に行うことができる。
以上より、粘性物質および腐食性物質を含む還元性流体系統に対し、プレート式熱交換器を適用することができるので、装置コストの削減および設置面積の縮小を図ることができる。
また、流路内面の表面付着物は熱交換器の圧力損失増大や伝熱性能低下の原因でもあるため、熱交換器のパフォーマンスが低下するのを防止する効果も同時に有する。

本願の参考例に係る熱交換システムによれば、第１流路の内面を構成する酸化被膜に欠損が生じていたとしても、その欠損を修復することができるので、プレート式熱交換器の運用をより安定させるとともに、長寿命化を助長する効果を有する。

本願の請求項１に係るプレート式熱交換器のメンテナンス方法によれば、第１流路の内面に付着した腐食性物質を確実に除去することができるので、腐食性物質による伝熱プレートへの影響を弱めることが可能になり、孔食や応力腐食割れなどの発生を抑え、プレート式熱交換器を安定して運用することができる。
また、第１流路内の腐食性物質を除去する際に、加熱に好適な気体状態の蒸気を第２流路に流通させて伝熱プレートを加熱しながら、洗浄に好適な液体状態の洗浄液を第１流路に流通させて腐食性物質を押し流しているので、腐食性物質の除去を効果的に行うことができる。
以上より、粘性物質および腐食性物質を含む還元性流体系統に対し、プレート式熱交換器を適用することができるので、装置コストの削減および設置面積の縮小を図ることもできる。
また、流路内面の表面付着物は熱交換器の圧力損失増大や伝熱性能低下の原因でもあるため、熱交換器のパフォーマンスが低下するのを防止する効果も同時に有する。

本願の請求項１に係るプレート式熱交換器のメンテナンス方法によれば、第１流路の内面を構成する酸化被膜に欠損が生じていたとしても、その欠損を修復することができるので、プレート式熱交換器の運用をより安定させるとともに、長寿命化を助長する効果を有する。

本発明の一実施形態に係る熱交換システムの概略フロー図である。 本発明の一実施形態に係るプレート式熱交換器のメンテナンス方法を説明する一工程図である。 本発明の一実施形態に係るプレート式熱交換器のメンテナンス方法を説明する一工程図である。 本発明の一実施形態に係るプレート式熱交換器のメンテナンス方法を説明する一工程図である。 一般的なプレート式熱交換器の内部構造図である。

以下に、添付図面の図１から図４を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１および図２に示すように、熱交換システム１は、粘性物質および腐食性物質９を含む還元性流体３と、冷媒（熱媒体）２と、を熱交換させるプレート式熱交換器１０を備えている。このプレート式熱交換器１０は、表面に酸化被膜５が形成された伝熱プレート４を互いに間隔をあけて積層することで、還元性流体３が流通する第１流路６、並びに冷媒２が流通する第２流路７が形成されてなる。また図１に示すように、プレート式熱交換器１０の第１流路６に接続された第１入口配管１２および第１出口配管１３、並びに第２流路７に接続された第２入口配管１４および第２出口配管１５には、遠隔操作弁１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａが各別に設けられている。

また本実施形態では、熱交換システム１には、第１流路６に熱水（洗浄液）３５ａを流通させる熱水流通手段（洗浄液流通手段）３５と、第１流路６に空気（酸素含有ガス）３６ａを流通させる空気流通手段（酸素含有ガス流通手段）３６と、第２流路７に熱水３５ａよりも高温な蒸気３７ａを流通させる蒸気流通手段３７と、蒸気流通手段３７により第２流路７に流通させられる蒸気３７ａの流量を、第１流路６を流通した熱水３５ａの温度に基づいて調整する流量調整部３８と、が備えられている。

熱水流通手段３５は、第１流路６の第１出口配管１３に接続されるとともに遠隔操作弁１６ａが設けられた熱水入口配管１６と、第１流路６の第１入口配管１２に接続されるとともに遠隔操作弁１７ａが設けられた熱水出口配管１７と、熱水入口配管１６に熱水３５ａを送出する図示しない熱水ポンプと、を備えている。

空気流通手段３６は、第１流路６の第１出口配管１３に接続されるとともに遠隔操作弁１８ａが設けられた空気入口配管１８と、第１流路６の第１入口配管１２に接続されるとともに遠隔操作弁１９ａが設けられた空気出口配管１９と、空気入口配管１８に空気３６ａを送出する図示しない空気ポンプと、を備えている。

蒸気流通手段３７は、第２流路７の第２出口配管１５に接続されるとともに遠隔操作弁２０ａが設けられた蒸気入口配管２０と、第２流路７の第２入口配管１４に接続されるとともに遠隔操作弁２１ａが設けられた蒸気出口配管２１と、蒸気入口配管２０に蒸気３７ａを送出する図示しない蒸気ポンプと、を備えている。

流量調整部３８には、第１流路６の第１入口配管１２に設けられ第１入口配管１２を流通する熱水３５ａの温度を測定する温度計３９による測定結果が送出される。そして流量調整部３８は、この測定結果と、予め設定された熱水３５ａの温度設定値と、の差分に基づいて蒸気流通手段３７の前記遠隔操作弁２０ａを操作し、第２流路７に流通させる蒸気３７ａの流量を調整することで、温度計３９により測定される熱水３５ａの温度を、前記温度設定値を目標に制御する。

次に、この熱交換システム１の運転方法について説明する。
設備の通常運転中は、熱水流通手段３５、空気流通手段３６および蒸気流通手段３７における各遠隔操作弁１６ａ〜２１ａを”閉”とするとともに、第１流路６および第２流路７の入口配管１２、１４、出口配管１３、１５の各遠隔操作弁１２ａ〜１５ａを”開”とする。

熱交換器１０内部が正常な状態では、伝熱プレート４の表面には酸化被膜５が形成されており、耐食性が具備されている。しかしながら、図２に示すように、長期使用する中で、第１流路６を通過する還元性流体３に含まれる粘性物質中に濃縮された腐食性物質９等により、局所的に酸化被膜５が剥離した箇所（欠損部分）８が発生する。
ここで、第１流路６内は還元性流体３が流通しているため、酸素が伝熱プレート４の表面に殆ど供給されず、還元性流体３中に含まれる塩化物等の腐食性物質９により、酸化被膜５が剥離した箇所８で選択的に腐食が進行するおそれがある。

このような場合、下記に示すプレート式熱交換器１０のメンテナンスを実施する。
はじめに、第１流路６の洗浄を行う。洗浄に際し、まず、第１流路６への還元性流体３の供給を停止する第１停止工程を行う。この工程では、図１に示されている第１流路６の第１入口配管１２側の遠隔操作弁（第１切替え弁）１２ａ、および第１出口配管１３側の遠隔操作弁１３ａをこの順に”閉”にし、第１流路６内から還元性流体３を抜き出す。
また、第２流路７への冷媒２の供給を停止する第２停止工程を行う。この工程では、第２流路７の第２入口配管１４側の遠隔操作弁（第２切替え弁）１４ａ、および第２出口配管１５側の遠隔操作弁１５ａをこの順に”閉”にし、第２流路７内から冷媒２を抜き出す。

そして、これらの第１停止工程および第２停止工程が終了した後、第１流路６に熱水３５ａを流通させる熱水流通工程を行う。この工程では、熱水流通手段３５の熱水出口配管１７側の遠隔操作弁１７ａ、および熱水入口配管１６側の遠隔操作弁１６ａをこの順に”開”にする。すると、前記熱水ポンプにより送出された熱水３５ａが、熱水入口配管１６から第１出口配管１３、第１流路６、第１入口配管１２および熱水出口配管１７を、この順に流通する。これにより、前記腐食性物質９を押し流して除去することができる。

また、第２流路７に蒸気３７ａを流通させる蒸気流通工程を行う。この工程では、蒸気流通手段３７の蒸気出口配管２１側の遠隔操作弁２１ａ、および蒸気入口配管２０側の遠隔操作弁２０ａをこの順に”開”にする。すると、前記蒸気ポンプにより送出された蒸気３７ａが、蒸気入口配管２０から第２出口配管１５、第２流路７、第２入口配管１４および蒸気出口配管２１を、この順に流通する。

そして本実施形態では、図３に示すように、これらの熱水流通工程と蒸気流通工程とを並行して行う。
このように、第２流路７に蒸気３７ａを流通させることで、伝熱プレート４を第２流路７側から加熱することが可能になり、第１流路６の内面に付着した腐食性物質９の粘度を低下させ付着力を弱めることができる。したがって、第１流路６を流通する熱水３５ａにより前記腐食性物質９を効果的に押し流して確実に除去することができる。これにより、伝熱プレート４の表面（第１流路６の内面）を清浄な状態に保持することが可能となる。

なおこのとき、本実施形態では、図１に示されている前記流量調整部３８により前記遠隔操作弁２０ａを操作することで、前記温度計３９により測定される熱水３５ａの温度を、前記温度設定値の一例である約８５℃〜９５℃を目標に制御する。
またこのとき、図３に示すように、伝熱プレート４を介して互いに隣り合う第１流路６および第２流路７に、熱水３５ａおよび蒸気３７ａを互いに逆方向に向けて流通させても良く、同一方向に向けて流通させても良い。また、第１流路６に熱水３５ａを、還元性流体３の流通方向と逆方向に向けて流通させても良く、同一方向に向けて流通させても良い。

以上のようにして洗浄が終了した後、図１に示されている熱水流通手段３５の熱水入口配管１６側の遠隔操作弁１６ａ、および熱水出口配管１７側の遠隔操作弁１７ａをこの順に”閉”にして、第１流路６への熱水３５ａの供給を停止し、第１流路６内から熱水３５ａを抜き出す。
また、蒸気流通手段３７の蒸気入口配管２０側の遠隔操作弁２０ａ、および蒸気出口配管２１側の遠隔操作弁２１ａをこの順に”閉”にして、第２流路７への蒸気３７ａの供給を停止する。

その後、第１流路６に空気３６ａを流通させる空気流通工程（酸素含有ガス流通工程）を行う。この工程では、空気流通手段３６の空気出口配管１９側の遠隔操作弁１９ａ、および空気入口配管１８側の遠隔操作弁１８ａをこの順に”開”にする。すると、前記空気ポンプにより送出された空気３６ａが、空気入口配管１８から第１出口配管１３、第１流路６、第１入口配管１２および空気出口配管１９を、この順に流通する。これにより、図４に示すように、局所的に発生した酸化被膜５が剥離した箇所８に、空気３６ａから酸素が供給されて酸化被膜５が修復される。
なおこのとき、前記蒸気流通手段３７による蒸気３７ａの供給を停止せずに、第１流路６に空気３６ａを流通させながら、第２流路７に蒸気３７ａを流通させても良い。

ここで、前記遠隔操作弁１２ａ〜２１ａの開閉操作については、一定周期にて自動システム化を行い、設備の運転操作に組み込むことが可能である。そして、適用する還元性流体３の性状に応じて、適正な洗浄周期及び空気供給周期を把握することで、適正サイクルでの自動化も可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係る熱交換システム１、およびプレート式熱交換器のメンテナンス方法によれば、第１流路６の内面に付着した腐食性物質９を確実に除去することができるので、腐食性物質９による伝熱プレート４への影響を弱めることが可能になり、孔食や応力腐食割れなどの発生を抑え、プレート式熱交換器１０を安定して運用することができる。
また、第１流路６内の腐食性物質９を除去する際に、加熱に好適な気体状態の蒸気３７ａを第２流路７に流通させて伝熱プレート４を加熱しながら、洗浄に好適な液体状態の熱水３５ａを第１流路６に流通させて腐食性物質９を押し流しているので、腐食性物質９の除去を効果的に行うことができる。
以上より、粘性物質および腐食性物質９を含む還元性流体３系統に対し、プレート式熱交換器１０を適用することができるので、装置コストの削減および設置面積の縮小を図ることもできる。
また、流路内面の表面付着物は熱交換器１０の圧力損失増大や伝熱性能低下の原因でもあるため、熱交換器１０のパフォーマンスが低下するのを防止する効果も同時に有する。

また、第１流路６の内面を構成する酸化被膜５に欠損が生じていたとしても、その欠損を修復することができるので、プレート式熱交換器１０の運用をより安定させるとともに、長寿命化を助長する効果を有する。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態では、洗浄液として熱水３５ａを用いたがこれに限られず、液体であればこれに限られず、例えば熱安水などを用いても良い。
さらに前記実施形態では、酸素含有ガスとして空気３６ａを用いたがこれに限られず、酸素を含有するものであれば良い。

また、前記実施形態における熱水供給工程の際に、第１流路６に熱水３５ａを流通させながら、第１流路６に酸素含有ガスとしての空気３６ａを流通させても良い。この場合、空気３６ａが熱水３５ａ内で気泡状となるように、第１流路６に熱水３５ａおよび空気３６ａを供給しても良い。

その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１ 熱交換システム
２ 冷媒（熱媒体）
３ 還元性流体
４ 伝熱プレート
５ 酸化被膜
６ 第１流路
７ 第２流路
８ 箇所（欠損部分）
９ 腐食性物質
１０ プレート式熱交換器
１２ 第１入口配管
１２ａ 遠隔操作弁（第１切替え弁）
１３ 第１出口配管
１３ａ 遠隔操作弁
１４ 第２入口配管
１４ａ 遠隔操作弁（第２切替え弁）
１５ 第２出口配管
１５ａ 遠隔操作弁
１６ 熱水入口配管
１６ａ 遠隔操作弁
１７ 熱水出口配管
１７ａ 遠隔操作弁
１８ 空気入口配管
１８ａ 遠隔操作弁
１９ 空気出口配管
１９ａ 遠隔操作弁
２０ 蒸気入口配管
２０ａ 遠隔操作弁
２１ 蒸気出口配管
２１ａ 遠隔操作弁
３５ 熱水流通手段
３５ａ 熱水（洗浄液）
３６ 空気流通手段
３６ａ 空気
３７ 蒸気流通手段
３７ａ 蒸気
３８ 流量調整部
３９ 温度計
１００ プレート式熱交換器
１０１ プロセス流体
１０２ 冷媒流体
１０３ 伝熱プレート流路

Claims (1)

1. 表面に酸化被膜が形成された伝熱プレートを互いに間隔をあけて積層することで、粘性物質および腐食性物質を含む還元性流体が流通する第１流路、並びに熱媒体が流通する第２流路が形成されてなるプレート式熱交換器のメンテナンス方法であって、
   前記第１流路への還元性流体の供給を停止する第１停止工程と、
   前記第２流路への熱媒体の供給を停止して前記第２流路から前記熱媒体を抜き出す第２停止工程と、
   前記第１停止工程の後、前記第１流路に洗浄液を流通させ、前記粘性物質中に取り込まれて前記第１流路の内面に付着した前記腐食性物質を押し流す洗浄液流通工程と、
   前記第２停止工程の後、前記第２流路に前記洗浄液よりも高温な蒸気を流通させる蒸気流通工程と、
   前記洗浄液流通工程の後、前記第１流路から前記洗浄液を抜き出し、その後、前記第１流路に酸素含有ガスを流通させ、前記第１流路の内面を構成する酸化被膜に生じた欠損を修復する酸素含有ガス流通工程と、を有し、
   前記洗浄液流通工程と前記蒸気流通工程とを並行して行うことを特徴とするプレート式熱交換器のメンテナンス方法。

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