KR20240028354A - 증기에 의한 전열 효율 개선 방법 - Google Patents

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Abstract

pH 7 미만의 저 pH 의 증기계 내에 있어서, 증기에 의한 전열 효율을 효과적으로 개선할 수 있는 전열 효율 개선 방법을 제공한다. 증기를 열교환기에 도입하여, 피가열물을 가열하는 공정 또는 냉각체에 접촉시킴으로써 그 증기를 액화 응축하는 공정에 있어서, pH 7 미만의 그 증기계 내에 사르코신 화합물을 존재시키는 것을 특징으로 하는 증기에 의한 전열 효율 개선 방법. 사르코신 화합물로서는, 하기 식 (I) 로 나타내는 장사슬 사르코신 화합물이 바람직하다.
Figure pct00006

식 (1) 중, R1 은 탄소수 7 ∼ 24 의 불포화 또는 포화의 직사슬 또는 분기의 탄화수소기, n 은 0 ∼ 2 의 정수, R2 는 수소 원자 또는 염 형성기이다.

Description

증기에 의한 전열 효율 개선 방법
본 발명은, 증기를 열교환기에 도입하여, 피가열물을 가열하는 공정 또는 냉각체에 접촉시킴으로써 그 증기를 액화 응축하는 공정에 있어서, 증기에 의한 전열 (傳熱) 효율을 개선하는 방법에 관한 것이다.
증기를 열교환기에 도입하여 피가열물을 가열하는 공정으로서, 예를 들어, 식품이나 음료의 제조 공장, 초지 공장 등에 있어서, 증기를 열교환기에 도입하여, 그 증기에 의해 제조물을 가열함으로써, 그 제조물을 건조, 농축, 또는 살균하는 처리가 실시되고 있다.
또한, 증기를 냉각체에 접촉시킴으로써 그 증기를 액화 응축하는 공정으로서, 예를 들어, 석유 화학 공장이나 열전 플랜트 등에 있어서, 증기를 터빈의 동력원으로 한 후, 복수기에서 액화 응축시켜 회수하는 것이 행해지고 있다.
이와 같은 증기에 의한 가열 공정 또는 증기의 액화 응축 공정 중 어느 공정에 있어서도, 증기가 포화 상태보다 낮은 온도의 고체벽에 접촉되어, 액화 응축이 일어나고 있다. 이 액화 응축의 과정에서, 응축액이 벽면 위에 연속적으로 액막을 형성하는 막상 (膜狀) 응축과, 응축액이 벽면 위를 적시지 않고 다수의 액적이 되는 물방울상 응축이 있는데, 막상 응축에 비해서 물방울상 응축은 그 열 전열율이 수 배에서 수십 배 높으므로, 종래부터 증기의 물방울상 응축화법에 대해서, 다양한 검토가 이루어지고 있다 (예를 들어, 비특허문헌 1).
즉, 물방울상 응축을 실현하는 것에 따른 응축 효율의 향상으로, 프로세스 효율의 개선, 열교환기의 열교환 전열 면적의 저감을 도모할 수 있으며, 설비의 소형화로 인한 이니셜 코스트의 삭감이나 기존 설비의 효율 개선에 따른 증기량의 삭감, 생산성의 향상이 기대된다.
특허문헌 1 에는 증기에 의한 전열 효율 개선 방법이, 특허문헌 2 에는 증기의 응축 방법이 제안되어 있고, 이들 방법에서는 피막성 아민이 사용되고 있다. 피막성 아민은, 증기계 내의 금속면에 흡착되고, 서로 이온 결합되어, 소수 결합에 의해 금속면에 강고하게 밀착됨으로써, 보호 피막층 (방식 피막) 을 형성하여 금속과 물의 접촉을 방지하기 위해, 물방울상 응축을 실현할 수 있을 것으로 생각된다.
일본 특허공보 제5332971호 일본 특허공보 제6506865호
타나자와 이치로 저 「물방울상 응축·실용화를 향한 길」생산 연구 30 (6), 도쿄 대학 생산 기술 연구소, 1978년 6월, p 209―220
그러나, 종래의 피막성 아민에서는, pH 7 미만의 저 pH 의 증기계 내에 있어서는, 피막성 아민이 열교환기의 스테인리스강 등의 전열 표면에 흡착되지 않기 때문에, 전열 효율이 개선되지 않는다와 같은 과제가 있었다.
본 발명은, pH 7 미만의 저 pH 의 증기계 내에 있어서도, 증기에 의한 전열 효율을 효과적으로 개선할 수 있는 전열 효율 개선 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자는, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, pH 7 미만의 증기계 내이더라도, 사르코신 화합물이면 금속 표면에 안정적으로 흡착되고, 증기의 물방울상 응축 촉진 효과를 충분히 발휘시켜, 전열 효율을 높일 수 있음을 알아내었다.
즉, 본 발명은 이하를 요지로 한다.
[1] 증기를 열교환기에 도입하여, 피가열물을 가열하는 공정 또는 냉각체에 접촉시킴으로써 그 증기를 액화 응축하는 공정에 있어서, pH 7 미만의 그 증기계 내에 사르코신 화합물을 존재시키는 것을 특징으로 하는 증기에 의한 전열 효율 개선 방법.
[2] [1] 에 있어서, 상기 사르코신 화합물이, 하기 식 (I) 로 나타내는 장사슬 사르코신 화합물인 것을 특징으로 하는 증기에 의한 전열 효율 개선 방법.
Figure pct00001
식 (1) 중, R1 은 탄소수 7 ∼ 24 의 불포화 또는 포화의 직사슬 또는 분기의 탄화수소기, n 은 0 ∼ 2 의 정수, R2 는 수소 원자 또는 염 형성기이다.
[3] [1] 또는 [2] 에 있어서, 상기 증기에 추가로 유화제 및/또는 중화성 아민을 존재시키는 것을 특징으로 하는 증기에 의한 전열 효율 개선 방법.
[4] [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 있어서, 상기 열교환기가, 복수기, 증류탑의 재비등기, 공랭식 복수기, 건조 장치, 농축 장치, 또는 승온 장치인 것을 특징으로 하는 증기에 의한 전열 효율 개선 방법.
[5] [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 있어서, 상기 열교환기에 있어서의 상기 증기의 접촉면이 스테인리스강제인 것을 특징으로 하는 증기에 의한 전열 효율 개선 방법.
본 발명에 따르면, 증기에 의한 전열 효율의 개선으로, 증기를 열교환기에 도입하여, 피가열물을 가열하는 방법에 있어서, 효율적으로 비가열물을 가열할 수 있다. 또한, 그 열교환기 내의 냉각체에 접촉시킴으로써 증기를 액화 응축하는 방법에 있어서, 물방울상 응축을 실현하여 효율적으로 증기를 응축시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 스테인리스강 등의 금속 재료제 전열면을 통해서 증기에 의해 피가열물을 가열하는 가열 공정, 바람직하게는 가열 건조 공정에 있어서, 생산 효율의 저감이나 대규모의 설비 갱신을 수반하지 않고, 응축수막의 형성을 억제하여, 그 증기에 의한 가열 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 물방울상 응축을 실현하는 것에 따른 응축 효율의 향상으로, 증기의 사용량의 삭감, 프로세스 효율의 개선, 열교환기의 전열 표면적의 저감을 도모할 수 있으며, 설비의 소형화에 따른 이니셜 코스트의 삭감이나 기존 설비의 효율 개선에 따른 증기량의 삭감, 생산성의 향상을 도모할 수 있다. 특히, 복수기의 전열 효율의 향상으로, 진공도의 개선을 도모함으로써, 에너지 절약화가 가능해진다.
도 1 은, 실시예 및 비교예에서 사용한 시험 장치를 나타내는 계통도이다.
이하에 본 발명의 실시 형태를 상세하게 설명한다.
본 발명의 증기에 의한 전열 효율 개선 방법은, 증기를 열교환기에 도입하여, 피가열물을 가열하는 공정 또는 냉각체에 접촉시킴으로써 그 증기를 액화 응축하는 공정에 있어서, pH 7 미만의 그 증기계 내에 사르코신 화합물을 존재시키는 것을 특징으로 한다.
먼저, 본 발명에서 사용하는 사르코신 화합물에 대해서 설명한다.
본 발명에서 사용하는 사르코신 화합물로는, 금속제 전열 표면에 대한 흡착성이 우수하고, 우수한 전열 효율의 개선 효과를 얻을 수 있어, 하기 식 (I) 로 나타내는 장사슬 사르코신 화합물이 바람직하다.
Figure pct00002
식 (1) 중, R1 은 탄소수 7 ∼ 24 의 불포화 또는 포화의 직사슬 또는 분기의 탄화수소기, n 은 0 ∼ 2 의 정수, R2 는 수소 원자 또는 염 형성기이다.
R1 의 탄소수 7 ∼ 24 의 포화 또는 불포화 탄화수소기로서는, 직사슬형이어도 되고, 분기를 가져도 되고, 알킬기, 알케닐기, 알카디에닐기, 알키닐기 등을 들 수 있지만, 바람직하게는 직사슬 알킬기, 직사슬 알케닐기이다. 또한, R1 의 탄소수는 바람직하게는 15 ∼ 22 이다.
n 은 0 ∼ 2 의 정수이며, 부식 억제의 관점에서 바람직하게는 1 또는 2 이다.
R2 는 수소 원자 또는 염 형성기이며, R2 가 염 형성기인 경우의 염으로는, 아민염, 암모늄염, 알칼리 금속염이 바람직한 것으로서 예시된다.
이와 같은 장사슬 사르코신 화합물의 구체예 중 특히 바람직한 것으로는, N-올레일사르코신, N-라우로일사르코신, N-스테아로일사르코신, N-코코일사르코신 등을 들 수 있다.
이들 사르코신 화합물은 각각 단독으로 사용할 수 있는 것 외에, 필요에 따라 2 종 이상을 병용할 수 있다.
사르코신 화합물을 증기계 내에 존재시키기 위해서는, 열교환기에 송급되는 증기 또는 그 증기 발생용의 급수에 사르코신 화합물을 첨가하면 된다.
사르코신 화합물은, 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 등의 용매에 0.001 ∼ 10 중량％ 정도의 농도로 용해시켜 증기 또는 급수에 첨가해도 되지만, 유화제를 사용하여 수성 에멀션으로 하고, 이것을 증기 또는 급수에 첨가하는 것도 바람직하다.
이 경우에 사용하는 유화제로서는, HLB (친수성 친유성 밸런스) 값이 높은 것이 에멀션의 안정성의 관점에서 바람직하고, 사용하는 유화제의 HLB 값은 12 ∼ 16 이 바람직하고, 13 ∼ 15 가 보다 바람직하다.
이와 같은 유화제로서는, 예를 들어, 폴리옥시에틸렌알킬아민 등을 들 수 있고, 바람직하게는 알킬기의 탄소수가 10 ∼ 18 인 폴리옥시에틸렌알킬아민이다.
이것 이외의 유화제로서는, 지방산 알칼리 금속염, 특히 탄소수 8 ∼ 24, 특히 탄소수 10 ∼ 22 의 포화 또는 불포화의 지방산 알칼리 금속염을 바람직하게 사용할 수 있고, 구체적으로는 카프르산, 라우르산, 미리스트산, 팔미트산, 스테아르산, 아라크산, 베헨산, 올레산, 에루스산, 리놀레산, 리놀렌산 등의 포화 또는 불포화의 지방산 나트륨염이나 칼륨염을 들 수 있다. 또한, 이 지방산 알칼리 금속염으로는, 식용 유지로부터 제조되는 지방산의 나트륨염이나 칼륨염도 바람직하게 사용할 수 있다. 지방산 알칼리 금속염으로는, 특히 탄소수 14 ∼ 22 의 불포화 지방산, 예를 들어, 올레산, 에루스산, 리놀레산, 리놀렌산에서 선택되는 적어도 1 종을 25 중량％ 이상 함유하는 지방산의 알칼리 금속염이 바람직하다.
유화제로서는, 그 밖에 글리세린과 전술한 지방산의 에스테르도 바람직하게 사용할 수 있고, 특히 스테아르산과의 에스테르를 바람직하게 사용할 수 있다.
이들 유화제는, 1 종만을 사용해도 되고, 2 종 이상을 병용해도 된다.
이들 지방산 알칼리 금속염 등의 유화제를 사용하여 수성 에멀션으로 하는 경우, 사르코신 화합물과 유화제의 배합 비율은 중량비 (사르코신 화합물/유화제) 로 40/1 ∼ 1/1 특히 20/1 ∼ 2/1 정도가 바람직하다.
상기 사르코신 화합물은, 증기량에 대하여 0.01 ∼ 10 ppm, 특히 0.1 ∼ 1 ppm 의 비율로 존재시키는 것이 바람직하다. 이 범위보다 사르코신 화합물량이 지나치게 적으면 사르코신 화합물에 의한 응축수막 형성 억제 효과, 물방울상 응축 촉진 효과, 전열 효율 향상 효과를 충분히 얻을 수 없고, 지나치게 많으면 계 내에 점착성의 부착물이 발생할 우려가 있다.
또, 여기서 「ppm」이란, 증기량에 대응하는 물에 대한 사르코신 화합물의 중량 비율이고, 「mg/L-수」에 해당한다.
본 발명에 있어서는, 상기 사르코신 화합물과 함께, 다른 약제를 병용해도 된다.
예를 들어, 옥타데실아민, 올레일아민, 올레일프로필렌디아민 등의 장사슬 지방족 아민의 1 종 또는 2 종 이상을 사르코신 화합물과 병용하여 첨가해도 되고, 장사슬 지방족 아민의 병용으로, pH 가 7 이상인 증기계 내에 있어서도 응축수막 형성 억제, 물방울상 응축 촉진, 전열 효율 향상이라는 효과를 얻을 수 있다.
이 경우, 장사슬 지방족 아민의 첨가량은, 사르코신 화합물의 사용량, 피가열물의 종류나 설비의 형식 등에 따라서도 상이하지만, 증기량에 대하여 0.001 ∼ 10 ppm, 특히 0.01 ∼ 2.0 ppm 으로 하는 것이 바람직하다.
또한, pH 조정 기능을 갖는 중화성 아민을 병용해도 되고, 중화성 아민의 병용으로 열교환기나 열교환기 전후의 증기·응축수 배관의 부식 속도를 저감시킨다는 효과를 얻을 수 있다. 중화성 아민으로는, 암모니아, 모노에탄올아민 (MEA), 시클로헥실아민 (CHA), 모르폴린 (MOR), 디에틸에탄올아민 (DEEA), 모노이소프로판올아민 (MIPA), 3-메톡시프로필아민 (MOPA), 2-아미노-2-메틸-1-프로판올 (AMP), 디글리콜아민 (DGA) 등의 휘발성 아민 등을 사용할 수 있다. 이것들은 1 종만을 사용해도 되고, 2 종 이상을 병용해도 된다. 또한, 중화성 아민 대신에 이하의 탈산소제의 열 분해에서 유래하는 암모니아로 pH 조정해도 된다.
중화성 아민을 병용하는 경우, 중화성 아민의 첨가량은, 사르코신 화합물의 사용량, 피가열물의 종류나 설비의 형식 등에 따라서도 상이하지만, 증기량에 대하여 0.1 ∼ 50 ppm, 특히 5 ∼ 15 ppm 으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 사르코신 화합물과 함께 탈산소제를 병용해도 되고, 탈산소제의 병용으로 중화성 아민과 동일하게 열교환기 등의 부식 저감이라는 효과를 얻을 수 있다. 탈산소제로서는, 하이드라진이나 카르보하이드라지드 등의 하이드라진 유도체를 사용할 수 있다. 또한, 비하이드라진계 탈산소제로서, 카르보하이드라지드, 하이드로퀴논, 1-아미노피롤리딘, 1-아미노-4-메틸피페라진, N,N-디에틸하이드록실아민, 이소프로필하이드록실아민, 에리소르브산 또는 그 염, 아스코르브산 또는 그 염, 탄닌산 또는 그 염, 당류, 아황산나트륨 등을 사용할 수도 있다. 이것들은 1 종만을 사용해도 되고, 2 종 이상을 병용해도 된다.
탈산소제를 병용하는 경우, 탈산소제의 첨가량은, 사르코신 화합물의 사용량, 피가열물의 종류나 설비의 형식 등에 따라서도 상이하지만, 증기량에 대하여 0.01 ∼ 3 ppm, 특히 0.05 ∼ 1 ppm 으로 하는 것이 바람직하다.
상기 병용 약제는, 사르코신 화합물과 동일 지점에 첨가해도 되고, 상이한 지점에 첨가해도 된다. 2 종 이상의 약제를 동일 지점에 첨가하는 경우, 첨가하는 약제를 미리 혼합하여 첨가해도 되고, 각각 따로 따로 첨가해도 된다.
본 발명에 관련된 열교환기의 형식이나 종류에는 특별히 제한은 없지만, 본 발명이 적용되는 열교환기로서는, 예를 들어, 복수기, 공랭식 복수기, 증류탑의 재비등기, 건조 장치, 농축 장치, 승온 장치 등을 들 수 있다.
이들 열교환기는 통상적으로 스테인리스강 등의 금속제 전열면 (증기 접촉면) 을 갖는다.
본 발명에 있어서, 사르코신 화합물은, pH 7 미만, 예를 들어 pH 5 ∼ 7 정도의 증기계 내에 있어서, 종래의 피막성 아민에서는 곤란했던 전열 효율의 향상 효과를 유효하게 얻을 수 있는 것이다.
여기서, 증기계의 pH 란, 당해 증기를 응축하여 얻어지는 응축수가 20 ℃ 일 때의 pH 값을 말한다.
또, pH 7 미만의 증기계가 형성되는 열교환기로서는, 연수를 급수로 하고 있기 때문에 증기의 pH 가 7 미만으로 되어 있는 열교환기를 일례로서 들 수 있지만, 이것에 한정되지 않는다.
실시예
이하에 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
[시험 장치]
이하의 실시예 및 비교예에서는, 도 1 에 나타내는 시험 장치를 사용하여, 증기에 의한 전열 효율의 개선 효과를 조사하는 시험을 실시하였다.
이 시험 장치는, 보일러 (1) 에서 발생시킨 증기를 증기 배관 (11) 을 거쳐, 열교환기 (2) 에 보내고, 열교환기 (2) 내의 SUS (304) 제의 냉각수 튜브 (3) 의 표면에서 응축시키고, 응축수를 응축수 배관 (12) 에서 취출하는 것이다.
열교환기 (2) 는, SUS (304) 제의 냉각수 튜브 (3) 내에 냉각수를 유통시키고, 튜브 (3) 외표면에서 증기를 냉각시켜 응축시키는 것이다. 증기를 열교환기 (2) 에 송급하는 증기 배관 (11) 에는, 약 주입점 (11A) 이 형성되어 있으며, 약 주입배관 (13) 으로부터 약제가 주입되도록 구성되어 있다.
4 는 감압 밸브이다.
P1 ∼ P3 은 각각 배관 (11), 열교환기 (2) 내의 압력을 측정하는 압력계이고, T1 은 냉각수 튜브 (3) 의 냉각수 입구 온도계, T2 는 냉각수 출구 온도계, F는 냉각수의 유량계이다. T3 은 열교환기 (2) 의 입구 (증기) 온도계, T4 는 출구 (응축수) 온도계, T5 는 열교환기 (2) 내의 온도를 측정하는 온도계이다.
[실시예 1]
＜시험 조건＞
시험 장치의 보일러 (1) 에 연수를 급수하고, 표 1 에 나타낸 조건으로 운전하여 증기를 발생시키고, 사르코신 화합물로서 N-올레일사르코신을 사용하며, 약 주입점 (11A) 에 약 주입배관 (13) 에서 급수에 대하여 1 mg/L-수가 되도록 연속적으로 첨가하였다. 또, N-올레일사르코신은 0.04 중량％ 농도의 수용액으로서 분리가 일어나지 않도록 항상 스터러로 교반하면서 첨가하였다. 응축수 배관 (12) 으로부터 배출되는 응축수 (드레인수) 의 20 ℃ 환산의 pH 는 5 였다.
Figure pct00003
이와 같은 증기의 응축 시험에 있어서, 시험 개시 20 시간 후에, 냉각수의 열교환기 입구 온도 (온도계 T1) 와 냉각수의 열교환기 출구 온도 (온도계 T2) 를 측정하고, 이 입구 온도와 출구 온도의 온도차를 산출하여 전열 효율을 조사하고, 그 결과를 표 2 에 나타냈다.
이 온도차가 클수록 전열 효율이 우수하고, 증기가 효율적으로 냉각되어 있다.
[비교예 1]
N-올레일사르코신 대신에 올레일프로필렌디아민을 사용한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 시험을 실시하여, 결과를 표 2 에 나타냈다.
[실시예 2]
N-올레일사르코신 대신에 N-코코일사르코신을 사용한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 시험을 실시하여, 결과를 표 2 에 나타냈다.
Figure pct00004
[결과·고찰]
표 2 로부터 본 발명에 따르면, 사르코신 화합물을 사용함으로써, 종래 기술인 피막성 아민보다 증기에 의한 전열 효율을 효과적으로 개선할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명을 특정한 양태를 사용하여 상세하게 설명했지만, 본 발명의 의도와 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 가능한 것은 당업자에게 분명하다.
본 출원은, 2021년 7월 2일자로 출원된 일본 특허출원 2021-110895에 의거하고 있으며, 그 전체가 인용에 의해 원용된다.
1 : 보일러
2 : 열교환기
3 : 냉각수 튜브
4 : 감압 밸브
P1 : 압력계 1
P2 : 압력계 2
P3 : 압력계 3
T1 : 냉각수 입구 온도계
T2 : 냉각수 출구 온도계
T3 : 열교환기 입구 온도계
T4 : 열교환기 출구 온도계
T5 : 열교환기 내 온도계
F : 냉각수 유량계

Claims (5)

  1. 증기를 열교환기에 도입하여, 피가열물을 가열하는 공정 또는 냉각체에 접촉시킴으로써 그 증기를 액화 응축하는 공정에 있어서, pH 7 미만의 그 증기계 내에 사르코신 화합물을 존재시키는 것을 특징으로 하는 증기에 의한 전열 효율 개선 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 사르코신 화합물이, 하기 식 (I) 로 나타내는 장사슬 사르코신 화합물인 것을 특징으로 하는 증기에 의한 전열 효율 개선 방법.
    Figure pct00005

    식 (1) 중, R1 은 탄소수 7 ∼ 24 의 불포화 또는 포화의 직사슬 또는 분기의 탄화수소기, n 은 0 ∼ 2 의 정수, R2 는 수소 원자 또는 염 형성기이다.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 증기에 추가로 유화제 및/또는 중화성 아민을 존재시키는 것을 특징으로 하는 증기에 의한 전열 효율 개선 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기가, 복수기, 공랭식 복수기, 증류탑의 재비등기, 건조 장치, 농축 장치, 또는 승온 장치인 것을 특징으로 하는 증기에 의한 전열 효율 개선 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기에 있어서의 상기 증기의 접촉면이 스테인리스강제인 것을 특징으로 하는 증기에 의한 전열 효율 개선 방법.
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