JP5815324B2 - 温度制御システム - Google Patents
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Description
また、特許文献2に記載されたものでは、気液分離装置に変えてドラム内に給水内管を設け、その上半部に小孔を下半部にこれより口径の大きい透孔を形成して蒸気と給水を流出するようにしている。
このようなFT合成反応において、反応器は、水素ガスおよび一酸化炭素ガスリッチの合成ガスを、触媒を用いて炭化水素に変換する。FT合成反応は発熱反応であり、かつ適正に反応する温度域が非常に狭いため、発生する反応熱を回収しながら反応器内の反応温度を緻密に制御する必要がある。
一方、系外に供給された蒸気に見合った量の補給水が、補給配管106を通してスチームドラム101に補給される。補給水の補給量は、スチームドラム101内の水面レベルを測定するレベル測定部108の測定結果に基づいて液面が一定になるように調節される。
WL3=Q/{Cp×(t1−t3)+r}
但し、WL3:補給水量
Q:前記反応器内での反応熱量
Cp:液体冷媒の比熱
t1:前記冷媒ドラムおよび反応器の除熱部内の温度
t3:補給水の温度
r:液体冷媒の蒸発潜熱。
また、補給配管には、蒸気の逆流を防ぐシール部が設けられていてもよい。
或いは、戻り配管と補給配管との合流部において、補給配管に補給水を戻り配管内に噴霧するスプレーノズルが設けられていてもよい。
しかも、補給水を直接冷媒ドラムへ供給する従来の温度制御システムと比較して、構造の複雑化や設備の大型化を避けて冷媒ドラム内の温度を均一にできる。
以上より、効率よく冷媒ドラム内の温度が均一にできることから、高精度かつ緻密な反応器の温度制御が可能となる。
WL3=Q/{Cp×(t1−t3)+r}
但し、WL3:補給水量
Q:反応器内での反応熱量
Cp:液体冷媒の比熱
t1:冷媒ドラムおよび反応器の除熱部内の温度
t3:補給水の温度
r:液体冷媒の蒸発潜熱。
補給配管10の補給水は、戻り配管8で飽和温度となってスチームドラム2内へ供給される。
また、発熱反応を行なう反応器5内の温度を測定する反応熱温度測定部14の測定結果に基づいて、スチームドラム2内の圧力を制御する圧力制御部18が、蒸気出口配管9から系外に排出する蒸気量をカスケード制御にて調節することで、発熱反応を行なう反応器5の温度を制御している。なお反応熱温度測定部14は、例えば反応器5において上下方向に互いに離間して配置された図示しない複数の温度センサを備えていてもよく、これらの温度センサにより測定された各温度の平均値を、反応器5内の温度として測定することができる。
なお本実施形態では、スチームドラム2内の水相の温度は、スチームドラム2の底部に設けられた水相温度測定部23により測定可能となっている。本実施形態では、スチームドラム2、供給配管3、除熱管7および戻り配管8により、液体冷媒としての水が循環する系が構成されている。また、補給水を戻り配管8に供給しているため、スチームドラム2内の温度は、いずれの圧力においても常に飽和温度になることから、反応器温度を緻密かつ高精度で制御できる。
これらによって補給水量が蒸気流量を超えないように制御される。
図2に示すように、蒸気出口配管9で排出される蒸気量をWV1,温度をt1,供給配管3で反応器5に供給される水の流量をWL4、温度t1、反応器5から戻り管8へ吐出される蒸気量をWV2、水の流量をWL2、各温度t1、補給配管10から戻り配管8へ供給される水の流量をWL3、温度t3、合流後の戻り管8からスチームドラム2へ戻される蒸気量をWV1、水の流量をWL4、各温度t1とする。なお、水の流量は単位kg/h,蒸気の流量は単位kg/hとし、温度は℃とする。
また、反応器5での反応熱量をQ(kcal/h)、水の蒸発潜熱をr(kcal/kg)、水の比熱をCp(kcal/kg/℃)とする。
WV1=WL3 …(1)
上記(1)式を導き出す手順について以下に説明する。
図2において、まずスチームドラム2から供給される温度t1の水の流量WL4は反応器5で反応熱を回収することで、温度t1の蒸気流量WV2+水流量WL2となるから、反応器5で相変化する入出の物質収支を示すと下記(2)式になる。
WL4=WV2+WL2 …(2)
更に、補給配管10から補給水量WL3が供給されることで、戻り配管8と補給配管10の合流部6での物質収支(給水+相変化)は次の式(3)になる。
WV2+WL2+WL3=WV1+WL4 …(3)
(2)式を(3)式に代入して整理すると次式になる。
WV1=WL3 …(1)
(WV2−WV1)×r=WL3×Cp×(t1−t3) …(4)
となる。
反応熱量Qと反応器5での蒸気発生量WV2との関係は以下の通りである。
WV2=Q/r …(5)
そして、式(1)と(5)を(4)式に代入して整理する。
WL3=Q/{Cp×(t1−t3)+r} …(6)
このようにして、反応熱量Qと給水温度t1,t3との関係から補給水量WL3を求めることができる。
なお、反応熱量Qは、別途測定・計算される反応器5での反応量またはスチームドラム2と反応器5の温度差と除熱管の伝熱面積と総括伝熱係数の積から求めることができる。
例えば、給水用のポンプ4を駆動することで、スチームドラム2から温度t1の水の流量WL4が反応器5へ供給される。反応器5で発生する発熱反応に伴う反応熱により除熱管7内で水流量WL4は一部が蒸発されて温度t1の蒸気流量WV2と水の流量WL2の二相となり、この二相流体(混相流体)は戻り配管8によって給送される。
一方、補給配管10では、制御手段25で決定された比較的低温t3の補給水量WL3が補給されて、戻り配管8との合流部6で戻り配管8内の二相流体(WV2+WL2)と合流する。すると、合流部6では、温度t3の補給水量WL3が戻り配管8内で高温t1の蒸気WV2と直接混合して加熱され、飽和温度t1まで加熱される。また、合流部6では一部の蒸気が凝縮することで戻り配管8内の水の流量は、スチームドラム2から供給配管3に供給される水流量WL4と同じになる。
そして、合流部6以降の戻り配管8では、温度t1の蒸気流量WV1と水の流量WL4となってスチームドラム2内の水面の上方に吐出される。
スチームドラム2内の水相温度を測定する水相温度測定部23で測定した温度t1と、反応熱量計算部15で計算した反応熱量Qと、補給配管10の補給温度測定部16で測定した補給水の温度t3とが制御手段25に入力される。そして、制御手段25では上記(6)式により補給水量WL3を演算する。
この補給水量WL3の演算値を流量調整手段26に出力して流量調節弁13を作動させて補給水流量WL3を補給配管10に供給し、合流部6で戻り配管8に合流させてスチームドラム2へ吐出させることになる。
また、蒸気出口配管9によってスチームドラム2内から蒸気流量WV1が系外に供給されると共に、補給水量WL3が戻り配管8との合流部6で蒸気と水との二相流体と合流してスチームドラム2内に供給される。しかも、制御手段25によって、補給水量WL3は蒸気流量WV1と等しく制御されるため、スチームドラム2内の水面は一定となる。
更に、制御手段25によって、補給水量WL3が系外に供給する蒸気流量WV1と同等となるように演算でき、補給水量WL3が蒸気流量WV1を超えないように補給水量を正確に制限することができて、合流部6での全凝縮によるハンマリングを防止することができる。
次に、補給配管10が合流部6で戻り配管8に合流する際のハンマリングを防止するための構成について図3乃至図5により変形例として説明する。
図3は第一変形例による合流部6の構成を示すものである。図3において、補給配管10は戻り配管8の二相流体の流れ方向に対して鋭角αをなすように連結して合流する。これにより戻り配管8を流れる蒸気と水の二相流体に対して補給水がスムーズに合流するため、合流時に補給水が混相流体に衝突した衝撃や混相流体の急激な凝縮によるハンマリングを生じない。
この構成によれば、補給水量WL3が少ない場合、戻り配管8内の蒸気が補給配管10内に逆流しようとしても水シール部27で停止させられる。そのため、戻り配管8内の蒸気が補給配管10内に逆流して凝縮によるハンマリングが発生することを防止できる。
なお、蒸気の逆流を防ぐシール部として、水シール部27に代えて逆止弁を設けてもよい。
なお、実施形態による温度制御システム1においては、上述した第一乃至第三変形例の構成のいずれか二つまたは三つを組み合わせて構成してもよい。
まず、図2において、スチームドラム2内の温度や供給配管3を通して供給する水量WL4や水量WL2の各水温t1、そして蒸気流量WV1、WV2の温度t1をいずれも195℃の飽和温度とする。そして、補給水量WL3の水温t3を110℃とする。
さらに、反応熱量Q=8000000kcal/h
水の蒸発潜熱r=470kcal/kg(物性値(定数))
水の比熱Cp=1kcal/kg/℃(物性値(定数))
スチームドラム圧力=1.3MPaG
給水ポンプ4の循環量WL4=68000kg/h
とする。
WL3=Q/{Cp×(t1−t3)+r}
=8000000/{1×(195−110)+470}
=14400kg/h
となる。
WV1=WL3=14400kg/h
となる。また、(5)式により反応器5内での蒸気発生量WV2を求めると、
WV2=Q/r
=8000000/470
=17000kg/h
となる。また、反応器5の出口における水の流量WL2を(2)式から求めると
WL2=WL4−WV2
=68000−17000
=51000kg/h
となる。
図6において、スチームドラム2から反応器5へ供給される水の循環量WL4に対する反応器5内で生成される蒸気WV2の割合(WV2/WL4)を横軸にとり、合流部6の前後における戻り配管8内の二相流体中の蒸気量の割合を気相部の割合として縦軸にとった。
そして、水の循環量WL4に対する反応器5内で生成される蒸気WV2の割合(WV2/WL4)を変化させた場合における、戻り配管8中の合流部6の前後における二相液体中の蒸気量(気相部)の割合を計算した。
図6に示すグラフにおいて、スタート時点では反応器5での蒸発割合は0であるが(WV2/WL4=0)、反応器5の温度上昇に伴い蒸気WV2の発生量は増加する。反応器5での循環流量WL4に対する蒸発量WV2の割合(WV2/WL4)は通常30%で運転される。これを通常運転ポイントとする。この状態で、蒸気流量WV1と補給水量WL3のバランスがとれていれば、反応器5の出口で生成された蒸気量WV2の割合(WV2/WL4)から補給水WL3合流後の戻り配管8での蒸気量WV1の割合(WV1/(WV1+WL4))への変化は約1%程度の低下にすぎない。
ここで、戻り配管8の補給配管10との合流部6において、戻り配管8内の蒸気WV2の全凝縮が起こればハンマリングが生じる可能性があるが、本発明の実施例では、蒸気流量WV1と補給水量WL3のバランスがとれていれば、上記のように補給水量WL3の合流後の戻り配管8内での蒸気WV1の割合の変化は約1%〜3%の範囲であり、ハンマリングは生じない。
また上述の実施形態や各変形例や実施例等では、液体冷媒として水を採用したが、水でなくてもよい。
2 スチームドラム
3 供給配管
4 ポンプ
5 反応器
6 合流部
7 除熱管
8 戻り配管
9 蒸気出口配管
10 補給配管
11 蒸気排出量測定手段
12 レベル制御部
13 流量調節弁
14 反応熱温度測定部
15 反応熱量計算部
16 補給温度測定部
23 水相温度測定部
25 制御手段
26 流量調整手段
Claims (6)
- 内部で発熱反応が生じる反応器内の反応熱を回収して該反応器内の温度を制御する温度制御システムであって、
蒸気及び液体冷媒が気液平衡状態で収容された冷媒ドラムと、
前記反応器に配設されていて前記冷媒ドラムから供給された前記液体冷媒の一部を前記反応熱で蒸発させる除熱部と、
前記除熱部で生じた蒸気と液体冷媒との混相流体を前記冷媒ドラムに戻す戻り配管と、
前記冷媒ドラム内の蒸気を系外へ供給する蒸気出口配管と、
前記戻り配管の途中に接続されていて前記系外に排出される蒸気の量に見合った補給水量の液体冷媒を前記戻り配管に供給して該戻り配管内の蒸気と直接混合させて加熱して飽和温度にする補給配管と
を備えていることを特徴とする温度制御システム。 - 内部で発熱反応が生じる反応器内の反応熱を回収して該反応器内の温度を制御する温度制御システムであって、
蒸気及び液体冷媒が気液平衡状態で収容された冷媒ドラムと、
前記反応器に配設されていて前記冷媒ドラムから供給された前記液体冷媒の一部を前記反応熱で蒸発させる除熱部と、
前記除熱部で生じた蒸気と液体冷媒との混相流体を前記冷媒ドラムに戻す戻り配管と、
前記冷媒ドラム内の蒸気を系外へ供給する蒸気出口配管と、
前記系外に排出される蒸気の量に見合った補給水量を前記戻り配管に供給する補給配管とを備え、
前記戻り配管と補給配管との合流部において、前記補給配管は前記戻り配管内の混相流体の進行方向に沿って前記戻り配管と鋭角の角度で接続されていることを特徴とする温度制御システム。 - 内部で発熱反応が生じる反応器内の反応熱を回収して該反応器内の温度を制御する温度制御システムであって、
蒸気及び液体冷媒が気液平衡状態で収容された冷媒ドラムと、
前記反応器に配設されていて前記冷媒ドラムから供給された前記液体冷媒の一部を前記反応熱で蒸発させる除熱部と、
前記除熱部で生じた蒸気と液体冷媒との混相流体を前記冷媒ドラムに戻す戻り配管と、
前記冷媒ドラム内の蒸気を系外へ供給する蒸気出口配管と、
前記系外に排出される蒸気の量に見合った補給水量を前記戻り配管に供給する補給配管とを備え、
前記戻り配管と補給配管との合流部において、前記補給配管に補給水を前記戻り配管内に噴霧するスプレーノズルが設けられていることを特徴とする温度制御システム。 - 前記反応器内の反応熱量を前記冷媒ドラムおよび反応器の除熱部内の温度と補給水の温度および冷媒の物性値(比熱、蒸発潜熱)から決定される単位冷媒熱量で除して前記補給水量を決定する制御手段と、
前記制御手段で決定された前記補給水量に応じて前記補給配管から戻り配管に供給する補給水量を設定する補給水調整手段と、
を更に備えている請求項1から3のいずれか1項に記載された温度制御システム。 - 前記制御手段で決定する補給水量は次式によって演算されるようにした請求項4に記載された温度制御システム。
WL3=Q/{Cp×(t1−t3)+r}
但し、WL3:補給水量
Q:前記反応器内での反応熱量
Cp:液体冷媒の比熱
t1:前記冷媒ドラムおよび反応器の除熱部内の温度
t3:補給水の温度
r:液体冷媒の蒸発潜熱。 - 前記補給配管には、蒸気の逆流を防ぐシール部が設けられている請求項1乃至5のいずれか1項に記載された温度制御システム。
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