(57)【要約】      （修正有）【課題】電気ヒーターを用いた流体加熱装置で流体を加熱する際に、流体の密度差による浮力を抑制して、局所的な流体の滞留を防止し、高温領域の生成による電気ヒーター焼損を回避する。【解決手段】流体入口と流体出口とを設けた筒状ケーシング内に、該ケーシングの流体を加熱する電気ヒーターを、前記ケーシングの長さ方向に沿って内装すると共に、これら電気ヒーターを複数の下向き開口のバッフル板と上向き開口のバッフル板とにより支持し、流体入口から前記ケーシング内に流入する流体を流体出口に向かって蛇行状に流通させるようにした流体加熱装置を用いて流体を加熱する際に、流体の熱膨張率［ｋｇ／ｍ３・℃］が２以下であり、バッフル板間に平行に流れる流体の流速ｕ［ｃｍ／ｓ］とバッフル板間の熱量Ｑ［ｋＷ］の比率ｕ／Ｑ［ｃｍ／ｓ・ｋＷ］を１以上とすることを特徴とする流体の加熱方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体入口と流体出口とを設けた筒状ケーシング内に、該ケーシングの流体を加熱する電気ヒーターを、前記ケーシングの長さ方向に沿って内装すると共に、これら電気ヒーターを複数の下向き開口のバッフル板と上向き開口のバッフル板とにより支持し、流体入口から前記ケーシング内に流入する流体を流体出口に向かって蛇行状に流通させるようにした流体加熱装置を用いて流体を加熱する際に、流体の熱膨張率［ｋｇ／ｍ３・℃］が２以下であり、バッフル板間に平行に流れる流体の流速ｕ［ｃｍ／ｓ］とバッフル板間の熱量Ｑ［ｋＷ］の比率ｕ／Ｑ［ｃｍ／ｓ・ｋＷ］を１以上とすることを特徴とする流体の加熱方法。
【請求項２】
流体が液体であることを特徴とする請求項１記載の流体の加熱方法。
【請求項３】
流体が塩素化芳香族炭化水素化合物であることを特徴とする請求項１または２記載の流体の加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気ヒーターを用いた流体加熱装置で流体を加熱する方法に関するものである。さらに詳しくは、流体入口と流体出口とを設けた筒状ケーシング内に、該ケーシングの流体を加熱する電気ヒーターを前記ケーシングの長さ方向に沿って内装すると共に、これら電気ヒーターを複数の下向き開口のバッフル板と上向き開口のバッフル板とにより支持し、流体入口から前記ケーシング内に流入する流体を流体出口に向かって蛇行状に流通させるようにした流体加熱装置を用いて流体を加熱するに際し、流体の密度差による浮力を抑制して、局所的な流体の滞留を防止し、高温領域の生成による電気ヒーター焼損を回避する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化学工業においては、流体を反応あるいは分離・精製等に供するために加熱する場合に、図１に示したような流体加熱装置がしばしば用いられている。このような流体加熱装置によれば、蒸気加熱では到達困難な高温（例えば３００℃以上）まで流体を加熱することが可能であり、また熱媒を用いる場合のような加熱炉が不要で設備費が安価という特徴がある。
【０００３】
図１に示した流体加熱装置の一例において、符号１はケーシング（シェル）、２はこのケーシング１内に複数設けた電気ヒーター、３は前記ケーシング１内を流れる液体や気体等の流体、４は下向き開口のバッフル板、５は上向き開口のバッフル板、６は流体入口、７は流体出口である。
【０００４】
このような従来の流体加熱装置においては、流体３は流体入口６から流体出口７に向かって電気ヒーター２によって加熱されながら、バッフル板４、５の作用で流体管１内を上下のバッフル板４、５の間および切り欠き部を蛇行状に流れるため、  電気ヒーター２によって効果的に加熱される。
【０００５】
しかるに、このよう流体加熱装置における加熱量は、一般に以下の数式１で示されることが知られている。
（数式１）  
Ｑ＝ｈ・Ａ・（Ｔ１−Ｔ２）
Ｑ：加熱量
ｈ：境膜伝熱係数
Ａ：伝熱面積
Ｔ１：電気ヒーター表面温度
Ｔ２：流体温度
【０００６】
つまり、上記のバッフル板４、５により、流体管１内を流れる流体３の流速（線速度）が大きくなり、電気ヒーター２表面近傍の境膜伝熱係数ｈが向上するため、加熱の効率がアップするのである。
【０００７】
しかしながら、このような従来の流体加熱装置において、加熱量Ｑが非常に大きい場合、および／または流体の流速が非常に遅い場合には、電気ヒーター２の表面温度Ｔ１と流体温度Ｔ２の差が非常に大きくなる場合があり、電気ヒーター２の表面近傍の流体とバルクの流体との密度差により、上向きの浮力９が発生するため、バッフル板間の下向きの均一な流れ８が阻害されることになる。その結果、高温流体が上部に滞留し、電気ヒーター２でさらに加熱されて局所的に高温領域が生じ、特に流体が有機化合物の場合は、熱分解を引き起こして電気ヒーター表面に炭化物が蓄積し、境膜伝熱係数が低下して電気ヒーターの表面温度がますます上昇するばかりか、炭化物の生成を促進する悪循環を引き起こし、電気ヒーターを焼損するという不具合があった。
【０００８】
上記のような滞留部分をなくすための流体加熱装置としては、螺旋形の連続したバッフル板を用いたもの（例えば、特許文献１参照）が提案されているが、この場合でもなお浮力を抑制するには不十分であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−１９６４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述した従来技術における問題点の解決を課題として検討した結果達成されたものである。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、電気ヒーターを用いた流体加熱装置で流体を加熱する方法において、流体の密度差による浮力を抑制して、局所的な流体の滞留を防止し、高温領域の生成による電気ヒーター焼損を回避する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明によれば、流体入口と流体出口とを設けた筒状ケーシング内に、該ケーシングの流体を加熱する電気ヒーターを、前記ケーシングの長さ方向に沿って内装すると共に、これら電気ヒーターを複数の下向き開口のバッフル板と上向き開口のバッフル板とにより支持し、流体入口から前記ケーシング内に流入する流体を流体出口に向かって蛇行状に流通させるようにした流体加熱装置を用いて流体を加熱する際に、流体の熱膨張率［ｋｇ／ｍ３・℃］が２以下であり、バッフル板間に平行に流れる流体の流速ｕ［ｃｍ／ｓ］とバッフル板間の熱量Ｑ［ｋＷ］の比率ｕ／Ｑ［ｃｍ／ｓ・ｋＷ］を１以上とすることを特徴とする流体の加熱方法が提供される。
【００１３】
また、本発明の流体の加熱方法においては、流体が液体であること、特に塩素化芳香族炭化水素化合物であることが、好ましい態様として挙げられる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、流体の熱膨張率が２［ｋｇ／ｍ３・℃］以下であり、バッフル板間に平行に流れる流体の流速とバッフル板間の熱量の比率を１［ｃｍ／ｓ・ｋＷ］以上とすることにより、流体をバッフル板に沿って均一に流し、局所的な滞留による高温領域の生成による電気ヒーターの焼損を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明で使用する流体加熱装置の一例を示す模式断面図。
【図２】比較例１の結果（流体加熱装置の流体出口近傍における温度分布）を示す説明図。
【図３】比較例１の結果（流体加熱装置の流体出口近傍における流体速度ベクトル）を示す説明図。
【図４】実施例１の結果（流体加熱装置の流体出口近傍における温度分布）を示す説明図。
【図５】実施例１の結果（流体加熱装置の流体出口近傍における流体速度ベクトル）を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に本発明の典型的な実施形態について記載するが、本記載に限定されるものではない。
【００１７】
本発明における流体加熱装置は、液体または気体を加熱する場合に好適に使用される。棒状の電気ヒーター２としては、Ｕ字形に曲げたシーズヒーターが好適に使用される。シーズヒーターは金属管の内部にニクロム線などの電熱線を有し、その周囲に酸化マグネシウムなどの絶縁粉末が充填され、圧縮成形されたものが好適に使用され、流体加熱装置のケーシング１内に１本または複数本設置されている。流体加熱装置の胴管体内部には、１枚または複数枚のバッフル板４，５が設置されている。バッフル板４，５は電気ヒーター２が貫通する孔および、その一部に半円状の切り欠き部を有し、上下交互に設置されている。ケーシング１の断面に対するバッフル板４，５の切り欠き部の面積は、一般に２０％〜５０％である。また、バッフル板４，５に設けられた電気ヒーター２の貫通孔の隙間、およびバッフル板４，５とケーシング１との隙間は、流体３のショートパスを防止するため、極力小さくすることが望ましい。またバッフル板４，５の間隔は、流体３の線流速を大きくするために出来るだけ小さくとることが望ましい。
【００１８】
本発明は流体加熱装置のケーシング１が地表面に対して水平、もしくは勾配をつけて設置されている場合に適用される。ケーシング１が地表面に対して垂直に設置され、流体３が上方に向かって流れる場合は、流体３の流れと浮力が同一方向になるので本発明の対象外である。
【００１９】
本発明で取り扱う流体としては液体、気体を問わないが、好ましくは液体であり、さらに好ましくは炭化水素化合物であり、さらに好ましくは塩素化芳香族炭化水素化合物であり、例えばクロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、テトラクロロベンゼン、ペンタクロロベンゼン、ヘキサクロロベンゼン、クロロトルエン、ジクロロトルエン、ジクロロキシレン、クロロフェノールなど、塩素を置換基とする芳香族化合物である。
【００２０】
本発明における流体の熱膨張率とは、バッフル板間における密度差を意味し、数式２により算出する。熱膨張率が小さい流体ほど密度差による浮力が小さくなるため本発明の効果が得られ、熱膨張率は２［ｋｇ／ｍ３・℃］以下が好ましい。
（数式２）
ΔρＴ＝（ρＴ２  −ρＴ１）／ΔＴ
Δρ：バッフル板間の密度差［ｋｇ／ｍ３・℃］
ρＴ２：流体が下向きに流れるバッフル板間の上部（流入側）の流体密度［ｋｇ／ｍ３］
ρＴ１：流体が下向きに流れるバッフル板間の下部（流出側）の流体密度［ｋｇ／ｍ３］
ΔＴ：バッフル板間の流体温度差［℃］
【００２１】
本発明におけるバッフル板間に平行に流れる流体の流速は数式３により、バッフル板間の熱量は数式４より算出する。バッフル板間に平行に流れる流体の流速とバッフル板間の熱量は比率が大きい程本発明の効果が得られ、１以上が好ましい。
（数式３）
ｕ＝Ｆ／ρａｖｅ／Ａ・１００／３６００
ｕ：流速［ｃｍ／ｓ］
Ｆ：流体流量［ｋｇ／ｈ］
ρａｖｅ：電気ヒーター流入時と流出時の流体密度の平均値［ｋｇ／ｍ３］
Ａ：バッフル板間を垂直に流れる流体の流路面積［ｍ２］
（数式４）
Ｑ＝Ｑｌ×Ｂｐ
Ｑ：バッフル板間の熱量［ｋＷ］
Ｑｌ：電気ヒーターの単位長さ当たりの熱量［ｋＷ／ｍｍ］
Ｂｐ：バッフル板間の距離［ｍｍ］
【００２２】
本発明によれば、流体の熱膨張率流体の流速ｕ［ｃｍ／ｓ］と、バッフル板間の熱量Ｑ［ｋＷ］の比率ｕ／Ｑを上記のように制御することにより、流体をバッフル板に沿って均一に流し、局所的な滞留による高温領域の生成による電気ヒーターの焼損を防止することが可能となる。
【００２３】
この効果については、このときの邪魔板間を流れる流体の圧力損失ΔＰと邪魔板間を流れる流体の密度差Δρを以下の通り算出することにより確認することができる。
【００２４】
圧力損失ΔＰは熱交換器設計ハンドブック（工学図書株式会社版  尾花英朗著）第２版、４４６頁の式１１．３４により算出する。
浮力Δρは、流体が下向きに流れるバッフル板間の上部および下部の流体の密度差を数式５、６により算出する。
（数式５）
Δρ＝ρＴ２−ρＴ１ 
Δρ：バッフル板間の浮力［ｋｇ／ｍ３］
ρＴ２：流体が下向きに流れるバッフル板間の上部（流入側）の流体密度［ｋｇ／ｍ３］
ρＴ１：流体が下向きに流れるバッフル板間の下部（流出側）の流体密度［ｋｇ／ｍ３］
（数式６）
ΔＴ＝Ｑ／（Ｆ・Ｃｐａｖｅ）／８６０  
ΔＴ：バッフル板間の流体温度差［℃］
Ｑ：バッフル板間の熱量［ｋＷ］
Ｆ：流体流量［ｋｇ／ｈ］
Ｃｐａｖｅ：流体の平均比熱［ｋｃａｌ／ｋｇ・℃］
Ｔ１：流体が下向きに流れるバッフル板間の下部（流出側）のバッフル板入温度［℃］
Ｔ２：流体が下向きに流れるバッフル板間の上部（流入側）のバッフル板出温度［℃］
Ｔ１＝Ｔ２＋ΔＴ
【００２５】
この圧力損失ΔＰと邪魔板間を流れる流体の密度差Δρとの比率ΔＰ／Δρが大きいほど、目的とする効果が望ましく発揮されるのである。
【実施例】
【００２６】
以下に、本発明の比較例・実施例を具体的に説明する。
【００２７】
［比較例１］
加熱ヒーター（ケーシング内径４５０ｍｍ、バッフル板径４４４ｍｍ、バッフル板の切り欠き高さ１５ｍｍ、バッフル板管孔径１４．３ｍｍ、バッフルピッチ１００ｍｍ、電気ヒーター外径１２．３ｍｍ、バッフル板の枚数１７枚、発熱長さ１７００ｍｍ）のケーシング内側に、ジクロロベンゼン２６８４ｋｇ／ｈを９ＭＰａの加圧下、２８０℃で液体として供給し、３５１℃まで加熱した場合の出口近傍の流体の温度分布を、ＣＡＥ解析（株式会社シー・ディー・アダプコ、ＳＴＡＲ−ＣＣＭ＋ｖｅｒ５．０４）により計算した結果を図２に示す。また、流体の速度ベクトルを図３に示すが、下向き流れが浮力により阻害されて不均一な流れを生じていることが分かる。このときのジクロロベンゼンの熱膨張率は２であり、ｕ／Ｑは０．６であった。また、邪魔板間を流れる流体の圧力損失ΔＰと邪魔板間を流れる流体の密度差Δρと算出したところ、比率ΔＰ／Δρ＝０．０１［−］であった。
【００２８】
［実施例１］
加熱ヒーター（ケーシング内径１３６．６ｍｍバッフル板径１３５ｍｍ、バッフル板の切り欠き高さ４５．５ｍｍ、バッフル板管孔径１４．３ｍｍ、バッフルピッチ５３ｍｍ、電気ヒーター外径１２．３ｍｍ、バッフル板の枚数２３枚、発熱長さ１１００ｍｍ）を使用し、ケーシング内側に、ジクロロベンゼン２６８４ｋｇ／ｈを９ＭＰａの加圧下、３２０℃で液体として供給し、３５１℃まで加熱した場合の温度分布を比較例１と同様に計算した結果を図４に示す。温度分布にムラがなく、また、図５に示す速度ベクトルのとおり、下向きの均一な流れになっていることが分かる。このときのジクロロベンゼンの熱膨張率は２であり、ｕ／Ｑは１．２であった。比較例１と同様に邪魔板間を流れる流体の圧力損失ΔＰと邪魔板間を流れる流体の密度差Δρと算出し、比率はΔＰ／Δρ＝２．２２［−］であった。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上説明したとおり、本発明によれば、流体の熱膨張率が２［ｋｇ／ｍ３・℃］以下であり、バッフル板間に平行に流れる流体の流速とバッフル板間の熱量の比率を１［ｃｍ／ｓ・ｋＷ］以上とすることにより、流体をバッフル板に沿って均一に流し、局所的な滞留による高温領域の生成による電気ヒーターの焼損を防止することが可能となるため、化学工業において流体を反応あるいは分離・精製等の処理へ供する分野に対し貢献するところが大きい。
【符号の説明】
【００３０】
１  ケーシング
２  電気ヒーター
３  流体
４  下向き開口のバッフル板
５  上向き開口のバッフル板
６  流体入口
７  流体出口
８  流体の流れ
９  上向き浮力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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