TW202315976A - 利用蒸汽的傳熱效率改善方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種在小於pH7的低pH的蒸汽系統內，可有效果地改善利用蒸汽的傳熱效率的傳熱效率改善方法。一種利用蒸汽的傳熱效率改善方法，其特徵在於，於將蒸汽導入至熱交換器來加熱被加熱物的步驟或藉由與冷卻體接觸而使該蒸汽液化冷凝的步驟中，使肌胺酸化合物存在於小於pH7的該蒸汽系統內。作為肌胺酸化合物，較佳為下述式（I）所示的長鏈肌胺酸化合物。 R 1C(=O)-N(CH 3)-(CH 2) n-COOR 2···（I） 式（1）中，R 1為碳數7～24的不飽和或飽和的直鏈或支鏈的烴基，n為0～2的整數，R 2為氫原子或成鹽基。

Description

利用蒸汽的傳熱效率改善方法
本發明是有關於一種於將蒸汽導入至熱交換器來加熱被加熱物的步驟或藉由與冷卻體接觸而將該蒸汽液化冷凝的步驟中，改善利用蒸汽的傳熱效率的方法。
作為將蒸汽導入至熱交換器來加熱被加熱物的步驟，例如於食品或飲料的製造工廠、抄紙工廠等中，將蒸汽導入至熱交換器，並利用該蒸汽加熱製造物，藉此進行將該製造物乾燥、濃縮或殺菌的處理。
另外，作為藉由使蒸汽與冷卻體接觸而將該蒸汽液化冷凝的步驟，例如於石油化學工廠或熱電廠等中，將蒸汽作為渦輪機的動力源後，利用冷凝器進行液化冷凝而回收。
於此種利用蒸汽的加熱步驟或蒸汽的液化冷凝步驟中的任一步驟中，蒸汽均與溫度低於飽和狀態的固體壁接觸，發生液化冷凝。於該液化冷凝的過程中，存在冷凝液於壁面上連續而形成液膜的膜狀冷凝與冷凝液於壁面上不潤濕而成為多個液滴的滴狀冷凝，但與膜狀冷凝相比，滴狀冷凝的熱傳熱率高數倍至數十倍，因此，先前以來，對蒸汽的滴狀冷凝化法進行了各種研究（例如，非專利文獻1）。
即，藉由由實現滴狀冷凝帶來的冷凝效率的提高，可實現製程效率的改善、熱交換器的熱交換傳熱面積的減少，預料到藉由設備的小型化來削減初期成本或藉由現有設備的效率改善來削減蒸汽量、提高生產率。
於專利文獻1中提出了一種利用蒸汽的傳熱效率改善方法，於專利文獻2中提出了一種蒸汽的冷凝方法，於該些方法中，使用了皮膜性胺。皮膜性胺吸附於蒸汽系統內的金屬面，相互離子鍵結，藉由疏水鍵結而牢固地密接於金屬面，藉此形成保護皮膜層（防腐皮膜）來防止金屬與水的接觸，因此認為可實現滴狀冷凝。 [現有技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利第5332971號公報 專利文獻2：日本專利第6506865號公報 [非專利文獻]
非專利文獻1：棚澤一郎著「滴狀冷凝與實用化之路」生產研究30（6），東京大學生產技術研究所，1978年6月，p209-220
[發明所欲解決之課題]
然而，於先前的皮膜性胺中，在小於pH7的低pH的蒸汽系統內，皮膜性胺不吸附於熱交換器的不鏽鋼等的傳熱表面，因此存在傳熱效率無法改善的課題。
本發明的課題在於提供一種即使在小於pH7的低pH的蒸汽系統內，亦可有效果地改善利用蒸汽的傳熱效率的傳熱效率改善方法。 [解決課題之手段]
本發明者為了解決所述課題反覆進行了努力研究，結果發現，即使在小於pH7的蒸汽系統內，只要為肌胺酸化合物，則可穩定地吸附於金屬表面，充分地發揮蒸汽的滴狀冷凝促進效果，而提高傳熱效率。
即，本發明將以下作為主旨。
[1] 一種利用蒸汽的傳熱效率改善方法，其特徵在於，於將蒸汽導入至熱交換器來加熱被加熱物的步驟或藉由與冷卻體接觸而將該蒸汽液化冷凝的步驟中，使肌胺酸化合物存在於小於pH7的所述蒸汽系統內。
[2] 如[1]所述的利用蒸汽的傳熱效率改善方法，其特徵在於，所述肌胺酸化合物是下述式（I）所示的長鏈肌胺酸化合物。
R 1C(=O)-N(CH 3)-(CH 2) n-COOR 2···（I） 式（1）中，R 1為碳數7～24的不飽和或飽和的直鏈或分支的烴基，n為0～2的整數，R 2為氫原子或成鹽基。
[3] 如[1]或[2]所述的利用蒸汽的傳熱效率改善方法，其特徵在於，使乳化劑及/或中和性胺進一步存在於所述蒸汽中。
[4] 如[1]至[3]中任一項所述的利用蒸汽的傳熱效率改善方法，其特徵在於，所述熱交換器為冷凝器、蒸餾塔的再沸器、空冷式冷凝器、乾燥裝置、濃縮裝置、或升溫裝置。
[5] 如[1]至[4]中任一項所述的利用蒸汽的傳熱效率改善方法，其特徵在於，所述熱交換器中的所述蒸汽的接觸面為不鏽鋼製。 [發明的效果]
根據本發明，於藉由利用蒸汽的傳熱效率的改善將蒸汽導入至熱交換器來加熱被加熱物的方法中，可有效率地加熱非加熱物。另外，於藉由與該熱交換器內的冷卻體接觸而將蒸汽液化冷凝的方法中，可實現滴狀冷凝而有效率地使蒸汽冷凝。
根據本發明，於經由不鏽鋼等金屬材料製的傳熱面利用蒸汽來加熱被加熱物的加熱步驟、較佳為加熱乾燥步驟中，可不伴隨生產效率的減少或大規模的設備更新地抑制冷凝水膜的形成，而有效果地提高利用該蒸汽的加熱效率。
另外，根據本發明，藉由由實現滴狀冷凝帶來的冷凝效率的提高，可實現蒸汽的使用量的削減、製程效率的改善、熱交換器的傳熱表面積的減少，可實現藉由設備的小型化來削減初期成本或藉由現有設備的效率改善來削減蒸汽量、提高生產性。特別是藉由提高冷凝器的傳熱效率，實現真空度的改善，藉此能夠實現節能化。
以下，對本發明的實施方式進行詳細說明。
本發明的利用蒸汽的傳熱效率改善方法的特徵在於，於將蒸汽導入至熱交換器來加熱被加熱物的步驟或藉由與冷卻體接觸而將該蒸汽液化冷凝的步驟中，使肌胺酸化合物存在於小於pH7的該蒸汽系統內。
首先，對本發明中使用的肌胺酸化合物進行說明。
作為本發明中使用的肌胺酸化合物，就向金屬製的傳熱表面的吸附性優異、可獲得優異的傳熱效率的改善效果而言，較佳為下述式（I）所示的長鏈肌胺酸化合物。
R 1C(=O)-N(CH 3)-(CH 2) n-COOR 2···（I） 式（1）中，R 1為碳數7～24的不飽和或飽和的直鏈或分支的烴基，n為0～2的整數，R 2為氫原子或成鹽基。
作為R 1的碳數7～24的飽和或不飽和烴基，可為直鏈狀，亦可具有分支，可列舉：烷基、烯基、鏈二烯基（alkadienyl group）、炔基等，較佳為直鏈烷基、直鏈烯基。另外，R 1的碳數較佳為15～22。
n為0～2的整數，就抑制腐蝕的觀點而言，較佳為1或2。
R 2為氫原子或成鹽基，作為R 2為成鹽基時的鹽，例示胺鹽、銨鹽、鹼金屬鹽作為較佳的鹽。
作為此種長鏈肌胺酸化合物的具體例中的特佳者，可列舉：N-油醯基肌胺酸、N-月桂醯基肌胺酸、N-硬脂醯基肌胺酸、N-椰油醯基肌胺酸（cocoyl sarcosine）等。
該些肌胺酸化合物除了可分別單獨使用以外，亦可根據需要併用兩種以上。
為了使肌胺酸化合物存在於蒸汽系統內，只要向供給至熱交換器的蒸汽或該蒸汽發生用的供水中添加肌胺酸化合物即可。
肌胺酸化合物亦可以0.001重量%～10重量%左右的濃度溶解於水、甲醇、乙醇、異丙醇等的溶媒中並添加至蒸汽或供水中，但亦較佳為使用乳化劑製成水性乳液，將其添加至蒸汽或供水中。
作為此情況下使用的乳化劑，就乳液的穩定性的觀點而言，較佳為HLB（Hydrophile Lipophilic Balance，親水性親油性平衡）值高者，所使用的乳化劑的HLB值較佳為12～16，更佳為13～15。
作為此種乳化劑，例如可列舉聚氧乙烯烷基胺等，較佳為烷基的碳數為10～18的聚氧乙烯烷基胺。
作為除此以外的乳化劑，可較佳地使用脂肪酸鹼金屬鹽、特別是碳數8～24、尤其是碳數10～22的飽和或不飽和的脂肪酸鹼金屬鹽，具體而言，可列舉：癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、硬脂酸、花生酸、二十二酸、油酸、芥子酸、亞麻油酸、次亞麻油酸等飽和或不飽和的脂肪酸的鈉鹽或鉀鹽。另外，作為該脂肪酸鹼金屬鹽，亦可較佳地使用由食用油脂製造的脂肪酸的鈉鹽或鉀鹽。作為脂肪酸鹼金屬鹽，特別較佳為碳數14～22的不飽和脂肪酸、例如含有25重量%以上的選自油酸、芥子酸、亞麻油酸、次亞麻油酸中的至少一種的脂肪酸的鹼金屬鹽。
作為乳化劑，除此之外，亦可較佳地使用甘油與上述脂肪酸的酯，特別較佳地使用與硬脂酸的酯。
該些乳化劑可僅使用一種，亦可併用兩種以上。
於使用該些脂肪酸鹼金屬鹽等的乳化劑製成水性乳液的情況下，肌胺酸化合物與乳化劑的調配比例較佳為以重量比（肌胺酸化合物/乳化劑）計為40/1～1/1、特別是20/1～2/1左右。
所述肌胺酸化合物較佳為相對於蒸汽量以0.01 ppm～10 ppm、特別是0.1 ppm～1 ppm的比例存在。若肌胺酸化合物量相較於該範圍過少，則無法充分獲得由肌胺酸化合物帶來的冷凝水膜形成抑制效果、滴狀冷凝促進效果、傳熱效率提高效果，若過多，則有於系統內產生黏著性的附著物之虞。
再者，此處，所謂「ppm」，是肌胺酸化合物的重量相對於與蒸汽量對應的水的比例，且相當於「mg/L-水」。
於本發明中，亦可與上述肌胺酸化合物一起併用其他藥劑。
例如，亦可將十八烷基胺、油胺、油丙烯二胺等長鏈脂肪族胺中的一種或兩種以上與肌胺酸化合物併用來添加，藉由併用長鏈脂肪族胺，即使於pH為7以上的蒸汽系統內，亦可獲得抑制冷凝水膜形成、促進滴狀冷凝、提高傳熱效率的效果。
於此情況下，長鏈脂肪族胺的添加量亦根據肌胺酸化合物的使用量、被加熱物的種類或設備的形式等而不同，但較佳為相對於蒸汽量設為0.001 ppm～10 ppm、特別是0.01 ppm～2.0 ppm。
另外，亦可併用具有pH調整功能的中和性胺，藉由併用中和性胺，可獲得減少熱交換器或熱交換器前後的蒸汽、冷凝水配管的腐蝕速度的效果。作為中和性胺，可使用：氨、單乙醇胺（monoethanolamine，MEA）、環己胺（cyclohexylamine，CHA）、嗎啉（morpholine，MOR）、二乙基乙醇胺（diethylethanolamine，DEEA）、單異丙醇胺（monoisopropanolamine，MIPA）、3-甲氧基丙胺（3-methoxypropylamine，MOPA）、2-胺基-2-甲基-1-丙醇（2-amino-2-methyl-1-propanol，AMP）、二甘醇胺（diglycolamine，DGA）等揮發性胺等。該些可僅使用一種，亦可併用兩種以上。另外，亦可代替中和性胺，而藉由源自以下脫氧劑的熱分解的氨來調整pH。
於併用中和性胺的情況下，中和性胺的添加量亦根據肌胺酸化合物的使用量、被加熱物的種類或設備的形式等而不同，但較佳為相對於蒸汽量設為0.1 ppm～50 ppm、特別是5 ppm～15 ppm。
另外，亦可與肌胺酸化合物一起併用脫氧劑，藉由併用脫氧劑，與中和性胺同樣地，可獲得減少熱交換器等的腐蝕的效果。作為脫氧劑，可使用肼或碳醯肼等肼衍生物。另外，作為非肼系脫氧劑，亦可使用：碳醯肼、對苯二酚、1-胺基吡咯啶、1-胺基-4-甲基哌嗪、N,N-二乙基羥胺、異丙基羥胺、異抗壞血酸或其鹽、抗壞血酸或其鹽、單寧酸或其鹽、糖類、亞硫酸鈉等。該些可僅使用一種，亦可併用兩種以上。
於併用脫氧劑的情況下，脫氧劑的添加量亦根據肌胺酸化合物的使用量、被加熱物的種類或設備的形式等而不同，但較佳為相對於蒸汽量設為0.01 ppm～3 ppm、特別是0.05 ppm～1 ppm。
上述併用藥劑可添加至與肌胺酸化合物相同的部位，亦可添加至不同的部位。於將兩種以上的藥劑添加至相同部位的情況下，可將要添加的藥劑預先混合來添加，亦可分別各別地添加。
本發明的熱交換器的型號或種類並無特別限制，作為應用本發明的熱交換器，例如可列舉：冷凝器、空冷式冷凝器、蒸餾塔的再沸器、乾燥裝置、濃縮裝置、升溫裝置等。
該些熱交換器通常具有不鏽鋼等金屬製的傳熱面（蒸汽接觸面）。
於本發明中，肌胺酸化合物在小於pH7、例如pH5～pH7左右的蒸汽系統內，可有效地獲得於先前的皮膜性胺中困難的傳熱效率的提高效果。
此處，所謂蒸汽系統的pH，是指將該蒸汽冷凝而得的冷凝水的20℃時的pH值。
再者，作為形成小於pH7的蒸汽系統的熱交換器，作為一例，可列舉由於以軟水為供水而蒸汽的pH小於7的熱交換器，但並不限定於此。 [實施例]
以下，列舉實施例對本發明進行更具體說明。
[試驗裝置] 於以下的實施例及比較例中，使用圖1所示的試驗裝置，進行對利用蒸汽的傳熱效率的改善效果進行調查的試驗。
該試驗裝置將鍋爐1中產生的蒸汽經由蒸汽配管11送至熱交換器2，使其於熱交換器2內的不鏽鋼（steel use stainless，SUS）（304）製的冷卻水管3的表面冷凝，並藉由冷凝水配管12取出冷凝水。
熱交換器2使冷卻水於SUS（304）製的冷卻水管3內流通，於管3外表面使蒸汽冷卻而冷凝。於將蒸汽供給至熱交換器2的蒸汽配管11設置有藥液注入點11A，且構成為自藥液注入配管13注入藥劑。
4為減壓閥。
P1～P3分別為對配管11、熱交換器2內的壓力進行測定的壓力計，T1為冷卻水管3的冷卻水入口溫度計，T2為冷卻水出口溫度計，F為冷卻水的流量計。T3為熱交換器2的入口（蒸汽）溫度計，T4為出口（冷凝水）溫度計，T5為對熱交換器2內的溫度進行測定的溫度計。
[實施例1] ＜試驗條件＞ 向試驗裝置的鍋爐1供給軟水，於表1所示的條件下運轉而產生蒸汽，使用N-油醯基肌胺酸作為肌胺酸化合物，向藥液注入點11A自藥液注入配管13以相對於供水成為1 mg/L-水的方式連續添加。再者，N-油醯基肌胺酸製成0.04重量%濃度的水溶液，為了不發生分離，時常一邊藉由攪拌器攪拌一邊添加。自冷凝水配管12排出的冷凝水（排放水）的20℃換算的pH為5。
[表1] 表1：試驗條件
壓力（MPa） 0.5
蒸汽量（L/h） 662
吹出量（L/h） 59
吹出率（%） 9
於此種蒸汽的冷凝試驗中，於試驗開始20小時後，對冷卻水的熱交換器入口溫度（溫度計T1）與冷卻水的熱交換器出口溫度（溫度計T2）進行測定，算出該入口溫度與出口溫度的溫度差，調查傳熱效率，將其結果示於表2。
該溫差越大，傳熱效率越優異，蒸汽越被有效率地冷卻。
[比較例1] 除了使用油丙烯二胺來代替N-油醯基肌胺酸以外，與實施例1同樣地進行試驗，將結果示於表2。
[實施例2] 除了使用N-椰油醯基肌胺酸來代替N-油醯基肌胺酸以外，與實施例1同樣地進行試驗，將結果示於表2。
[表2] 表2：試驗結果
   實施例1 比較例1 實施例2
添加藥劑 N-油醯基肌胺酸 油丙烯二胺 N-椰油醯基肌胺酸
冷卻水入口溫度（℃） 21.7 21.1 21.3
冷卻水出口溫度（℃） 41.7 38.7 39.7
冷卻水的入口出口溫度差（℃） 20.0 17.6 18.4
[結果與考察] 由表2可知，根據本發明，藉由使用肌胺酸化合物，與現有技術的皮膜性胺相比，可有效果地改善利用蒸汽的傳熱效率。
使用特定的態樣對本發明進行了詳細說明，但對於本領域技術人員顯而易見的是，能夠於不脫離本發明的意圖與範圍的情況下進行各種變更。
本申請案基於2021年7月2日提出申請的日本專利申請案2021-110895，藉由引用而援用其全部內容。
1:鍋爐 2:熱交換器 3:冷卻水管（管） 4:減壓閥 11:蒸汽配管（配管） 11A:藥液注入點 12:冷凝水配管 13:藥液注入配管 P1:壓力計1 P2:壓力計2 P3:壓力計3 T1:冷卻水入口溫度計（溫度計） T2:冷卻水出口溫度計（溫度計） T3:熱交換器入口溫度計 T4:熱交換器出口溫度計 T5:熱交換器內溫度計 F:冷卻水流量計
圖1是表示實施例及比較例中使用的試驗裝置的系統圖。
1:鍋爐
2:熱交換器
3:冷卻水管(管)
4:減壓閥
11:蒸汽配管(配管)
11A:藥液注入點
12:冷凝水配管
13:藥液注入配管
P1:壓力計1
P2:壓力計2
P3:壓力計3
T1:冷卻水入口溫度計(溫度計)
T2:冷卻水出口溫度計(溫度計)
T3:熱交換器入口溫度計
T4:熱交換器出口溫度計
T5:熱交換器內溫度計
F:冷卻水流量計

Claims (5)

  1. 一種利用蒸汽的傳熱效率改善方法，其特徵在於， 於將蒸汽導入至熱交換器來加熱被加熱物的步驟或藉由與冷卻體接觸而將該蒸汽液化冷凝的步驟中，使肌胺酸化合物存在於小於pH7的所述蒸汽系統內。
  2. 如請求項1所述的利用蒸汽的傳熱效率改善方法，其中，所述肌胺酸化合物是下述式（I）所示的長鏈肌胺酸化合物， R 1C(=O)-N(CH 3)-(CH 2) n-COOR 2···（I） 式（1）中，R 1為碳數7～24的不飽和或飽和的直鏈或分支的烴基，n為0～2的整數，R 2為氫原子或成鹽基。
  3. 如請求項1或請求項2所述的利用蒸汽的傳熱效率改善方法，其中，使乳化劑及/或中和性胺進一步存在於所述蒸汽中。
  4. 如請求項1至請求項3中任一項所述的利用蒸汽的傳熱效率改善方法，其中，所述熱交換器為冷凝器、空冷式冷凝器、蒸餾塔的再沸器、乾燥裝置、濃縮裝置、或升溫裝置。
  5. 如請求項1至請求項4中任一項所述的利用蒸汽的傳熱效率改善方法，其中，所述熱交換器中的所述蒸汽的接觸面為不鏽鋼製。
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