(57)【要約】【課題】比較的高い粘度を持つ被熱交換処理液体を熱交換処理する場合にも、伝熱効率を向上できて良好な熱交換効率と良好なメンテナンス性を有し、その結果として熱交換器の熱交換効率、操業効率を大幅に向上することができる熱交換器と熱交換方法を提供すること。【解決手段】高粘性流体から揮発性成分を蒸発させるための多管式熱交換器であって、該熱交換器のチューブ断面が、楕円もしくは扁平形状であることを特徴とする熱交換器であり、該熱交換器を用いて熱交換を行うことを特徴とする高粘性流体の熱交換方法。【選択図】図１
2005221123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高粘性流体から揮発性成分を蒸発させるための多管式熱交換器であって、該熱交換器のチューブ断面が、楕円もしくは扁平形状であることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
高粘性流体である被加熱流体が、粘度１〜３００，０００ポイズの高粘性流体であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
高粘性流体が、ポリスチレン樹脂あるいは光学樹脂等であることを特徴とする請求項１または２記載の熱交換器。
【請求項４】
該熱交換器のチューブ断面が、長径短径比が１．３：１〜１０：１の楕円もしくは扁平形状であり、かつチューブの断面積が０．０８〜１２ｃｍ2 ／本であることを特徴とする請求項１、２または３記載の熱交換器。
【請求項５】
熱交換器のチューブ断面積の合計と、熱媒体の流路面積との比が１：２〜１：１５の比率であることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の熱交換器。
【請求項６】
熱交換器のチューブ配列が、千鳥状、整列状、十字状のいずれかの配列であることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の熱交換器。
【請求項７】
請求項１、２、３、４、５または６記載の熱交換器を用いて熱交換を行うことを特徴とする高粘性流体の熱交換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多管式の熱交換器と熱交換方法に関する。
【０００２】
更に詳しくは、特に、高粘度の液体を被熱交換処理流体として熱交換をする際に高い熱交換効率で操業可能な熱交換装置と熱交換方法に関するものであり、例えば、具体的には、高粘度液体中などの溶剤分を蒸発させる脱気装置内の熱交換器等として用いることができる熱交換器と熱交換方法に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来、流通する熱媒が通過できるシェル内に被加熱流体を通過させる管（被加熱流体通過チューブ。以下、単に「チューブ」ということがある）を多数設けた構造の熱交換器において、該シェル内に多数設けられる該チューブは、その外形横断面形状とチューブ内の被加熱流体通路の横断面形状は、いずれも円形であるものが一般的であった。これはチューブ自体の製作・工作のしやすさ、熱交換器としての組立て、製作のしやすさ、耐圧性などがその一因である。
【０００４】
しかし、そのような断面形状が円形のチューブを用いる場合には、熱媒と被加熱流体とが接触する面積を必ずしも大きくできず、熱交換効率的には必ずしも最良と言えるものではなかった。
【０００５】
従って、一方で、熱交換に使用する熱媒量をできるだけ削減する目的などで、断面形状を楕円形もしくは扁平に構成した通過チューブを用いた熱交換器なども提案されている。
【０００６】
すなわち、たとえば、シェル内において、該チューブの長さ方向（シェル中心軸方向）と直交する方向で、かつ楕円形もしくは扁平の断面形状の長径軸方向にも直交する方向下に被加熱流体を通過させ、チューブ内には熱媒を通過させる冷凍空調用の熱交換器であって、そのような構成とすることにより、シェル内を通過していく被加熱（被冷却）流体がより多くチューブと衝突して空気流の乱れを促進させつつ接触するようにされている熱交換器、もしくは断面形状を楕円形もしくは扁平に構成した通過チューブを傾斜させて空気流の乱れを生じさせた状態で処理をする熱交換器が提案されている（特許文献１）。
【０００７】
しかし、この熱交換器は、チューブの周囲に多数のフィンが設置されているため製作が一般に困難であり、また、フィンの設置によりチューブを密接に配置することができないため、装置が大型化してしまうという不都合があった。
【０００８】
かかる提案の熱交換器は、被熱交換処理されるものが空気などの気体であって、上記したシェル内に設けられた多数のチューブは、伝熱チューブとして用いられているものであり、被熱交換処理物が高粘性流体の場合には有効に使用できないのである。
【０００９】
また、この特許文献１のものが上述のように、楕円形もしくは扁平の断面形状の長径軸方向にも直交する方向下に被加熱流体を通過させるようにしている態様であるのに対して、楕円形もしくは扁平の断面形状の短径軸方向に直交する方向下に被加熱流体（被蒸発液体）を通過させるようにし、他は同様の構成にしている態様の蒸発器が提案されている（特許文献２）。
【００１０】
しかし、この蒸発器も基本的には、伝熱チューブの側面方向下において被蒸発液体が導入排出されていくものであり、伝熱面積を考慮し伝熱効率を高めようとした態様であるものの、本発明の所期の目的である高粘性流体をより高い効率で処理するという点では不十分なものであった。
【００１１】
また、流入側の流体室と流出側の流体室とが多数の平行な楕円断面の伝熱チューブによって接続され、高粘度流体が伝熱チューブ群を貫流する形式の熱交換器であって、各伝熱チューブの中へ、伝熱チューブ短径に等しい外径で円形断面のらせんチューブを挿入している構造の高粘度流体用熱交換器が提案されている（特許文献３）。
【００１２】
しかし、該提案のものはチューブ内にらせんチューブを挿入してあるため、例えば、被加熱流体が溶剤に溶けた樹脂ポリマーの場合、らせんチューブとチューブ内壁の隙間部分により高粘度化したポリマーが詰まりチューブを閉塞してしまう可能性があるものであり、また、そのような問題を防止するためにチューブの洗浄が頻繁に必要であるなどのメンテナンス性が悪いという問題があった。
【００１３】
結局、例えば粘度１〜３００，０００ポイズなどの比較的高い粘度を持つ被熱交換処理液体を熱交換処理する場合では、シェル内での被処理液体や熱媒の流れ、被処理液体の流路などにも考慮をしなければ、良好な伝熱効率、熱交換効率を持ち、メンテナンス性等も良好である熱交換器を実現することは難しいものである。
【特許文献１】特開平１１−１５９９８４号公報
【特許文献２】特開昭５７−１２４６６５号公報
【特許文献３】特開昭５０−１５００５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、上述したような点に鑑み、比較的高い粘度を持つ被熱交換処理液体を熱交換処理する場合にも、伝熱効率を向上できて良好な熱交換効率と良好なメンテナンス性を有し、その結果として熱交換器の熱交換効率と操業効率（運転効率）を大幅に向上することができる熱交換器と熱交換方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した目的を達成する本発明の熱交換器は、以下の（１）の構成からなる。
（１）高粘性流体から揮発性成分を蒸発させるための多管式熱交換器であって、該熱交換器のチューブ断面が、楕円もしくは扁平形状であることを特徴とする熱交換器。
【００１６】
かかる（１）記載の本発明の熱交換器は、具体的態様として以下の（２）〜（６）の構成を有するものである。
（２）高粘性流体である被加熱流体が、粘度１〜３００，０００ポイズの高粘性流体であることを特徴とする上記（１）記載の熱交換器。
（３）高粘性流体が、ポリスチレン樹脂あるいは光学樹脂等であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の熱交換器。
（４）該熱交換器のチューブ断面が、長径短径比が１．３：１〜１０：１の楕円もしくは扁平形状であり、かつチューブの断面積が０．０８〜１２ｃｍ2 ／本であることを特徴とする上記（１）、（２）または（３）記載の熱交換器。
（５）熱交換器のチューブ断面積の合計と、熱媒体の流路面積との比が１：２〜１：１５の比率であることを特徴とする上記（１）、（２）、（３）または（４）記載の熱交換器。
（６）熱交換器のチューブ配列が、千鳥状、整列状、十字状のいずれかの配列であることを特徴とする上記（１）、（２）、（３）、（４）または（５）記載の熱交換器。
【００１７】
また、上述した目的を達成する本発明の熱交換方法は、以下の（７）の構成からなる。
（７）上記（１）、（２）、（３）、（４）、（５）または（６）記載の熱交換器を用いて熱交換を行うことを特徴とする高粘性流体の熱交換方法。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１にかかる本発明によれば、例えば、粘度１〜３００，０００ポイズなどの比較的高い粘度を持つ被熱交換処理流体を熱交換処理する場合にも、伝熱効率を向上できて良好な熱交換効率と良好なメンテナンス性を有し、その結果として、高い熱交換効率のもとで操業することが可能な熱交換器を提供することができる。
【００１９】
請求項２にかかる本発明の熱交換器によれば、粘度が１〜３００，０００ポイズの比較的高い粘度を持つ被熱交換処理流体を熱交換処理する場合にも、より熱交換効率が高くかつ処理速度・処理量にも優れた熱交換器を提供することができる。
【００２０】
請求項３にかかる本発明の熱交換器によれば、例えば粘度が１〜３００，０００ポイズなとの比較的高い粘度を持つポリスチレン樹脂あるいは光学樹脂等の被熱交換処理流体を熱交換処理する場合にも、より熱交換効率が高くかつ処理速度・処理量にも優れた熱交換器を提供することができる。
【００２１】
請求項４にかかる本発明の熱交換器によれば、上記した請求項１にかかる本発明の熱交換器の効果をそのまま有するとともに、特に、例えば、粘度１〜３００，０００ポイズなどの比較的高い粘性を有する被加熱流体を加熱するに際しても、被加熱流体に温度ムラのない均一加熱を行い得ることにより一層高い熱交換効率のもとで操業することが可能な熱交換器を提供することができる。
【００２２】
請求項５にかかる本発明の熱交換器によれば、上記した請求項１にかかる本発明の熱交換器の効果をそのまま有するとともに、被加熱流体の処理量と熱媒体量とのバランスが良好であり、被加熱流体の処理量を一定水準以上に保ち得るとともに、高い熱交換効率と低コストで操業することが可能な熱交換器を提供することができる。
【００２３】
請求項６にかかる本発明の熱交換器によれば、上記した請求項１にかかる本発明の熱交換器の効果をそのまま有するとともに、特に、高粘性流体の通過チューブを、熱処理効率を上げる上で最適な配置にすることで、本発明の効果をより高く発揮し得る熱交換器を提供することができる。
【００２４】
請求項７にかかる本発明の熱交換方法によれば、例えば、粘度１〜３００，０００ポイズなどの比較的高い粘度を持つ被熱交換処理流体を熱交換処理する場合にも、伝熱効率を向上できて良好な熱交換効率と良好なメンテナンス性を有し、その結果として、高い熱交換効率のもとで熱交換器の操業効率を大幅に向上することができる高粘性流体の熱交換法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面等に基づいて本発明の熱交換器と熱交換方法について説明する。
【００２６】
本発明の熱交換器は、流通する熱媒がシェル中心軸方向に通過できるシェル内に、該シェルの中心軸方向に配置しかつ被加熱流体を通過させる被加熱流体通過チューブが多数設けられていて、かつ被加熱流体たる高粘性流体から揮発成分を蒸発させるための多チューブ式の熱交換器であって、該被加熱流体通過チューブの断面が楕円もしくは扁平形状であることを特徴とするものである。
【００２７】
本発明において、高粘性流体とは、例えば粘度１〜３００，０００ポイズなどの高い粘度を有する流体をいう。本発明において最も効果的に本発明の所期の効果を得るための該高粘性流体としては、粘度２０〜１５０，０００ポイズの範囲のものである場合が更に良いものである。
【００２８】
図１は、本発明の熱交換器の１実施態様の構造例をモデル的に説明する縦断面概略図であり、本発明にかかる熱交換器１は、シェル２と被加熱流体通過チューブ３を有し、熱交換器１の上方に被加熱流体入口４、下方に被加熱流体出口５を有している。
【００２９】
シェル側壁面の下方には、熱媒入口６を有し、シェル側壁面の上方には熱媒出口７を有している。被加熱流体Ａは、図示していないポンプなどを介して被加熱流体入口４からシェル内に導入され、被加熱流体通過チューブ３と被加熱流体出口５を通って熱交換器を出ていく。この熱交換器内の通過チューブを通過するときに、シェル内に導入されてくる熱媒Ｂの流れと対向することとなって、被加熱などの熱交換処理がされるのである。
【００３０】
熱交換処理がされた被加熱流体Ａは、被加熱流体出口５を通って熱交換器を出た後、下流に設けられている図示していない被加熱流体中の揮発性物質の除去装置内に導入されて該揮発性物質の除去がなされる。
【００３１】
なお、図１に示した態様のものは、被加熱流体Ａと熱媒Ｂとが、いわゆる向流する態様のものであるが、本発明はこの態様に限定されるものではなく、例えば、両者の流れ方向が並行するいわゆる並流する態様などであってもよい。
【００３２】
図２は、本発明の熱交換器で採用をする被加熱流体通過チューブ３の外形横断形状を説明する概略横断面図であり、該被加熱流体通過チューブ３の外形横断形状は、実質的に、長径Ｌａ：短径Ｌｂ＝１．３〜１０：１の楕円もしくは扁平形状を呈するものである。このような楕円もしくは扁平形状を呈することにより、被加熱流体と熱媒との接触する面積が増加し、熱交換効率が向上するものである。
【００３３】
従って被加熱流体が、例えば粘度１〜３００，０００ポイズなどの高粘性の場合でも、熱媒との接触が効果的にできて熱交換効率が向上するものである。好ましい該チューブの外形横断形状の長径と短径の比率は、本発明者らの知見によれば、被加熱流体の粘度にもよるが、一般的には、長径：短径＝２〜５：１の範囲内である。最も好ましくは、熱交換効率、配置のしやすさ、製作のしやすさなどを勘案して、長径：短径＝２〜３．５：１の範囲内である。
【００３４】
また、高粘性の流体を通過させ得ること、かつ熱交換効率をできるだけ高くするという観点から、該被加熱流体通過チューブ３のチューブ内通路の横断面積が０．０８〜１２ｃｍ2 ／本であることも重要である。該面積よりも小さい場合には、被加熱流体の流れがスムーズに行かない場合が生じ、熱交換処理効率が低下し、またメンテナンス性においても問題が生じてくるので好ましくない。また、１２ｃｍ2 ／本よりも大きい場合には、被加熱流体が流れやすくはなるが、被処理流体の種類によっては、熱交換効率が低下する方向であり好ましくない。
【００３５】
より好ましい被加熱流体通過チューブ３のチューブ内通路の横断面積は、０．４〜１．２ｃｍ2 ／本である。
【００３６】
シェル内に設ける被加熱理流体通過チューブの本数については、シェル内に、シェル内の熱媒通路横断面積:全チューブ内通路の合計横断面積値＝２〜１５：１の比率の範囲内になるように多数の該チューブを設けることが好ましい。さらに、より好ましくはシェル内の熱媒通路横断面積:全チューブ内通路の合計横断面積値＝３．８〜６．５：１である。
【００３７】
本発明者らの知見によれば、かかる比率を満足する範囲内で被加熱流体の通過チューブを設けない場合、熱交換処理効率が低下することとなり好ましくない。すなわち、熱交換効率、単位時間当たりの処理量などのバランスのとれた処理ができなくなるので、好ましくない。
【００３８】
本発明において、被加熱流体として処理される流体は、上述したような高粘性と言われる粘度範囲を満足するものであればよく、特に限定されるものではないが、代表的には、例えばエチルベンゼンにポリスチレンが添加されているもの、あるいは光学樹脂などがある。該被処理液は、特に、残溶剤濃度の制御が品質上必要であり、通常は溶剤脱揮が必要となることから、本発明に係る熱交換器を用いることで溶剤を効果的にとばすことができ、該被処理液の品質維持・向上に有効となる。
【００３９】
また、熱媒は、所望の被処理後の被加熱流体温度等により適宜に用いられればよいが、代表的には、スチーム、熱媒油、溶融塩などを用いるのが好適である。
【００４０】
本発明者らの知見によれば、例えば、熱媒温度（シェル内への導入時）１５０〜４５０℃の熱媒体を本発明の熱交換器内に導入して、被加熱処理流体としては７０〜１２０℃程度のポリマー溶液などを導入して熱交換処理をすることにより、約１３０〜４４０℃に昇温された被加熱処理流体を得ることができる。
【００４１】
被加熱理流体通過チューブの長さは、通常の場合、１００〜３０００ミリメートルとするのがよい。これよりも長いと、装置が大型化して好ましくなく、また、これよりも短い場合には、熱交換処理を効率的に行うことがむずかしくなる。
【００４２】
本発明の熱交換器１のシェル２内で、複数の被処理流体通過チューブ３がどのように配置されるかは、シェル内の熱媒通路横断面積:全チューブ内通路の合計横断面積値の比率、また前述の長径短径比とも合わせて、重要なものである。
【００４３】
図３は、本発明にかかる熱交換器１のシェル２内における被処理流体通過チューブ３の配置状態を例示したシェル横断面概略図である。図３に示したように、上述した好ましい範囲などの適宜本数の被加熱流体通過チューブが設けられるものである。
【００４４】
図４は、更にその好ましい配置例について一部拡大概略モデル図で示したものである。
【００４５】
すなわち、同図（ａ）に示したような千鳥状の配置、同図（ｂ）に示したよう碁盤の目の如き整列状の配置、同図（ｃ）に示したような織り目のような十字状の配置等が好ましいものであり、本発明者らの知見によれば、中でも千鳥状の配置が効果の点、製作のしやすさなどの点から最も好ましいものである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、本発明の熱交換器の１実施態様の構造例をモデル的に説明する縦断面概略図である。
【図２】図２は、本発明の熱交換器で特に採用をする被加熱流体通過チューブ３の外形横断形状を説明する概略横断面図である。
【図３】図３は、本発明にかかる熱交換器のシェル内における被処理流体通過チューブの配置状態を例示したシェル横断面概略図である。
【図４】図４は、被処理流体通過チューブの好ましい配置例について示した一部拡大概略モデル図である。
【符号の説明】
【００４７】
１：熱交換器
２：シェル
３：被加熱流体通過チューブ
４：被加熱流体入口
５：被加熱流体出口
６：熱媒入口
７：熱媒出口
Ａ：被加熱流体
Ｂ：熱媒
Ｌａ：被加熱流体通過チューブの外形横断形状の長径
Ｌｂ：被加熱流体通過チューブの外形横断形状の短径
【図１】
2005221123.tif 000003
【図２】
2005221123.tif 000004
【図３】
2005221123.tif 000005
【図４】
2005221123.tif 000006