(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
易重合性物質を含むプロセス流体を伝熱管内に導入して熱交換を行なう竪型多管式熱交換器であって、
上下方向に延びる胴体と、
この胴体の上部及び下部にそれぞれ設けられた板状の上部管板及び下部管板と、
両端部外周がこれらの上部管板及び下部管板に固定された複数本の伝熱管と、を有し、
上記上部管板の上面が、その平らな下面に対して傾斜して形成されると共に、この上部管板の上面の最も低い位置近傍に上記伝熱管の少なくとも１本が配置されていることを特徴とする竪型多管式熱交換器。
【請求項２】
上記上部管板の最も低い位置近傍に配置された上記伝熱管の上端は、上記上部管板の上面から突出しないように構成されている請求項１記載の竪型多管式熱交換器。
【請求項３】
上記下部管板の下面が、その平らな上面に対して傾斜して形成される請求項１または２に記載の竪型多管式熱交換器。
【請求項４】
易重合性物質を含む流体を蒸留する蒸留塔と、蒸留塔の塔頂部に連結されるコンデンサーと、を有する蒸留塔システムであって、上記コンデンサーが請求項１乃至３の何れか１項に記載の竪型多管式熱交換器であることを特徴とする蒸留塔システム。
【請求項５】
易重合性物質を含む流体を蒸留する蒸留塔と、蒸留塔の塔底部に連結されるリボイラーと、を有する蒸留塔システムであって、上記リボイラーが請求項１乃至３の何れか１項に記載の竪型多管式熱交換器であることを特徴とする蒸留塔システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、竪型多管式熱交換器及び蒸留塔システムに係わり、特に、易重合性物質を含むプロセス流体を伝熱管内に導入して熱交換を行なう竪型多管式熱交換器及びこの竪型多管式熱交換器を使用した蒸留塔システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温流体と低温流体の間で熱交換を行わせる多管式熱交換器は、化学工業で広く使用されている化学機器の一つである。多管式熱交換器は、他の種類の熱交換器と比べ、過酷な条件で使用でき、長期の連続運転が可能であるため、信頼性が高いという特徴を有している。以下に、図１０を参照して、かかる多管式熱交換器の一例を説明する。図１０は、竪型多管式熱交換器の断面図である。
【０００３】
図１０に示すように、竪型多管式熱交換器１２０は、上下方向に延びる管状胴体１２２と、この管状胴体１２２の上部１２４及び下部１２６にそれぞれ設けられた平らな上部管板１２８及び下部管板１３０と、両端部外周１３２が上部管板１２８及び下部管板１３０に固定された複数本の伝熱管１３４と、を有しており、伝熱管１３４内には、プロセス流体が導入されるようになっている。伝熱管１３４の周りには、伝熱管１３４内に導入されたプロセス流体と熱交換を行なうための流体が供給されるようになっている。
【０００４】
次に、このように構成された竪型多管式熱交換器１２０の動作の一例として、竪型多管式熱交換器１２０を蒸留塔システム(図示せず)のコンデンサーとして使用する場合について説明する。蒸留すべきプロセス流体を気化させ、それにより得られたプロセスガスを上部管板１２８側から伝熱管１３４に導入すると、プロセスガスは、伝熱管１３４の周りに供給された流体によって冷却されて凝縮する。次いで、プロセス流体は、液体として伝熱管１３４の下部管板１３０側から出てくる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の竪型多管式熱交換器１２０において、上部管板１２８の上面１３６及び伝熱管１３４の内面１３８の上部開口部付近に重合物等の異物が付着して、竪型多管式熱交換器１２０の長期にわたる連続運転が妨げられる場合がある。これを以下に説明する。
【０００６】
プロセス流体が、例えば、メタクロレイン含有液のような場合、即ち、プロセス流体の成分に極めて重合が起こりやすい易重合性物質を含む場合、易重合性物質の重合物が上部管板１２８の上面１３６及び伝熱管１３４の内面１３８の上部開口部付近に付着する傾向がある。更に、上部管板１２８の上面１３６及び伝熱管１３４の内面１３８の上部開口部付近に付着した重合物は、運転時間の経過と共に成長する。ここで「成長」とは、付着した重合物の表面で更に重合が起こることにより、付着している重合物が大きくなることを意味する。かかる重合物の付着及び成長により、竪型多管式熱交換器１２０の伝熱効率が悪化し、その結果、竪型多管式熱交換器１２０の熱交換率及び分離効率が低下する。重合物は、上部管板１２８の上面１３６全体にわたって付着するため、伝熱効率の低下は著しい。
【０００７】
更に運転を続けると、重合物の成長が進行し、伝熱管１３４が重合物によって目詰まりする。それにより、目詰まりした重合物を伝熱管１３４から除去する必要が生じると共に竪型多管式熱交換器１２０の運転が不可能になる。その結果、竪型多管式熱交換器１２０の長期にわたる連続運転が妨げられることになる。その上、かかる竪型多管式熱交換器１２０を含む蒸留塔システム(図示せず)の長期にわたる連続運転も妨げられることになる。
【０００８】
そこで、本発明は、重合物による目詰まりを防止し、長期にわたる連続運転が可能な竪型多管式熱交換器を提供することを第１の目的としている。
【０００９】
また、本発明は、長期にわたる連続運転が可能な蒸留塔システムを提供することを第２の目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本発明による竪型多管式熱交換器は、易重合性物質を含むプロセス流体を伝熱管内に導入して熱交換を行なう竪型多管式熱交換器であって、上下方向に延びる胴体と、この胴体の上部及び下部にそれぞれ設けられた板状の上部管板及び下部管板と、両端部外周がこれらの上部管板及び下部管板に固定された複数本の伝熱管と、を有し、上部管板の上面が、その平らな下面に対して傾斜して形成されると共に、この上部管板の上面の最も低い位置近傍に伝熱管の少なくとも１本が配置されていることを特徴としている。
【００１１】
このように構成された本発明の竪型多管式熱交換器によれば、例えば、高温のプロセス流体を冷却する場合、プロセス流体を上部管板側から伝熱管内に導入すると、プロセス流体は、伝熱管の周りの低温の流体と熱交換を行なった後、伝熱管の下部管板側から出てくる。プロセス流体が易重合性物質を含む場合、上部管板の上面及び伝熱管の上側端部等にプロセス流体が長時間滞留すると、易重合性物質の重合が起こりやすく、重合物が上部管板等に付着しやすい。しかしながら、本発明においては、上部管板の上面が傾斜して形成されているので、従来の竪型多管式熱交換器の平らな上部管板の上面に生じていたプロセス流体の滞留を実質的になくすことができる。更に、上部管板の上面の最も低い位置近傍に少なくとも１本の伝熱管が配置されているので、下方に流れてきたプロセス流体の滞留をより確実に防止することができる。このような滞留防止効果により、易重合性物質の重合が起こりにくくなり、上部管板や伝熱管への重合物の付着が防止される。更に、竪型多管式熱交換器の運転を続けても、上記滞留防止効果により重合物の成長は防止され、伝熱管は目詰まりしない。その結果、従来の竪型多管式熱交換器において頻繁に行なっていた重合物の除去作業が不要になり、竪型多管式熱交換器の長期にわたる連続運転が可能になる。
【００１２】
本発明の竪型多管式熱交換器において、好ましくは、上部管板の上面は、その外側部から中心部に向って低くなるように傾斜して形成されており、更に好ましくは、上部管板の上面は、上部管板の外側部縁を含む平面に対して下方に０．００５〜０．１ラジアン傾斜している。このように構成された竪型多管式熱交換器の上部管板は、製作が容易である。また、上部管板の上面の傾斜角度は、重合物の付着防止の観点からは、大きければ大きい方が望ましいが、加工の容易さ及び加工コストの観点からは、０．１ラジアンよりも小さいことが好ましい。また、傾斜角度が０．００５ラジアン以上であれば、上部管板の上面におけるプロセス流体重合物の付着をよりよく防止できることが、出願人の実験により明らかとなった。
【００１３】
本発明において、好ましくは、上部管板の最も低い位置近傍に配置された伝熱管の上端は、上部管板の上面から突出しないように構成される。このように構成された竪型多管式熱交換器においては、上部管板の上面のプロセス流体は、上部管板の最も低い位置に向って流れ、その多くは、最も低い位置近傍に配置された伝熱管に流入するので、上部管板の全面にわたって重合物の付着を防止することができる。また、本発明において、更に好ましくは、複数の伝熱管すべての上端が上記上部管板の上面から突出しないように構成される。このように構成した本発明の竪型多管式熱交換器によれば、上部管板の上面におけるプロセス流体の滞留防止効果が促進される。
【００１４】
本発明において、複数の伝熱管のうち、上記上部管板の最も低い位置近傍に配置された伝熱管以外の伝熱管の上端が上方に突出するように構成しても良い。このように構成した本発明によれば、上部管板と伝熱管との連結強度を増大させることができる。このため、伝熱管が、常時、プロセス流体及び管外流体の両方の流出入による振動、ポンプ又は圧縮機による振動、及び回転ポンプ機械からの直接の脈動流等を受けていても、伝熱管と上部管板又は下部管板との連結部の密封性が低下するのを防止し、それらの間からプロセス流体が漏れるのを防止することができる。また、伝熱管の管径を細くし且つ数を増やして、プロセス流体と管外流体との間で熱交換させる面を広くすることによって、伝熱効率の向上を図る場合、多数の細い伝熱管と上部管板又は下部管板との間の連結強度を増大させることができる。
【００１５】
本発明において、下部管板の下面が、その平らな上面に対して傾斜して形成されることが好ましい。このように構成された竪型多管式熱交換器においては、下部管板での易重合性物質の滞留も防止することができる。
【００１６】
更に、上記下部管板の下面は、その外側部から中心部に向って上記下部管板の外側部縁を含む平面に対して０．００５〜０．１ラジアン下方に傾斜していることが好ましい。上部管板と同様の理由によるものである。
【００１７】
本発明において、好ましくは、上記易重合性物質は、アクロレイン、メタクロレイン、アクリル酸、メタクリル酸、又はそれらのエステルである。また、プロセス流体は、重合防止剤を含むことが好ましい。
【００１８】
また、上記第２の目的を達成するために、本発明による蒸留塔システムは、易重合性物質を含む流体を蒸留する蒸留塔と、蒸留塔の塔頂部に連結されるコンデンサーと、を有する蒸留塔システムであって、コンデンサーが上述の竪型多管式熱交換器であることを特徴としている。このように構成された蒸留塔システムによれば、コンデンサーに上述の竪型多管式熱交換器を採用しているので、蒸留塔システムの長期にわたる連続運転が可能になる。
【００１９】
また、上記第２の目的を達成するために、本発明による蒸留塔システムは、易重合性物質を含む流体を蒸留する蒸留塔と、蒸留塔の塔底部に連結されるリボイラーと、を有する蒸留塔システムであって、リボイラーが、上述の竪型多管式熱交換器であることを特徴としている。このように構成された蒸留塔システムによれば、リボイラーに上述の竪型多管式熱交換器を採用しているので、蒸留塔システムの長期にわたる連続運転が可能になる。
【００２０】
また、上記第２の目的を達成するために、本発明による蒸留塔システムは、易重合性物質を含む流体を蒸留する蒸留塔と、蒸留塔の塔頂部に連結されるコンデンサーと、蒸留塔の塔底部に連結されるリボイラーと、を有する蒸留塔システムであって、コンデンサー及びリボイラーが上述の竪型多管式熱交換器であることを特徴としている。このように構成された蒸留塔システムによれば、コンデンサー及びリボイラーに上述の竪型多管式熱交換器を採用しているので、蒸留塔システムの長期にわたる連続運転が可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明による竪型多管式熱交換器の実施形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による竪型多管式熱交換器の縦断面図である。
【００２２】
図１に示すように、竪型多管式熱交換器１は、上下方向に延びる管状胴体２を有している。この管状胴体２の断面形状は、円形であるのが好ましいが、その他の形状であっても良い。また、竪型多管式熱交換器１は、この管状胴体２の上部４及び下部６にそれぞれ設けられた上部管板８及び下部管板１０と、上部管板８の上に配置された頂部蓋体１２と、下部管板１０の下に配置された底部蓋体１４と、を有している。頂部蓋体１２は、図１に示すような形状を有していても良いし、図２乃至５に示す変形の竪型多管式熱交換器１ａ乃至１ｄの頂部蓋体１２ａ乃至１２ｄの形状を有していても良い。また、頂部蓋体１２と上部管板８との間の取付けは、図１に示すような蓋板分離形であっても良いし、蓋板一体形、管板一体形等の形態(図示せず)であっても良い。また、底部蓋体１４と下部管板１０との取付けは、図１のような固定管板形であっても良いし、遊動頭グランド形、遊動頭割フランジ形、遊動頭引き抜き形等の形態(図示せず)であっても良い。
【００２３】
かくして、竪型多管式熱交換器１には、頂部蓋体１２と上部管板８とによって、上部空間１６が構成され、管状胴体２、上部管板８及び下部管板１０によって、中間部空間１８が構成され、底部蓋体１４と下部管板１０とによって下部空間２０が構成されている。また、頂部蓋体１２は、上部空間１６と連通する頂ポート２２を有し、底部蓋体１４は、下部空間２０と連通する底ポート２４を有している。
【００２４】
更に、竪型多管式熱交換器１は、両端部外周２６がそれぞれ上部管板８及び下部管板１０に固定されると共に上部空間１６と下部空間２０とを連通する複数本の伝熱管２８を有している。後述するように、伝熱管２８内にはプロセス流体が導入されるようになっているので、伝熱管２８は、易重合性物質と反応せず且つ易重合性物質に変性等を与えない材料で形成されるのが好ましく、更に、伝熱管２８自体の腐食を生ずることがなく且つ溶接のし易い材料で形成されるのが好ましい。このため、伝熱管２８は、例えば、オーステナイト系鋼管、オーステナイト・フェライト系鋼管、フェライト系鋼管で形成されている。
【００２５】
管状胴体２は、中間部空間１８と連通する２つのポート３０、３２を有しており、伝熱管２８内に導入されるプロセス流体と熱交換を行なうための流体が、ポート３０及び３２を通じて中間部空間１８内に溜まり且つその中を流れるようになっている。中間部空間１８は、図１のように１つの室を有する１パス形であっても良いし、中間部空間１８内が複数の室に仕切られた２パス形又は３パス形(図示せず)であってもよい。また、中間部空間１８内に流路を構成するための仕切りを設けても良く、中間部空間１８内の流路を、長手邪魔板２パス形、分流形、二重分流形、分割流形等に構成しても良い。
【００２６】
上部管板８の上面３４は、その外側部３６から中心部３８に向かって低くなるように傾斜している。上面３４の外側部縁４０を含む平面に対する上面３４の傾斜角度θは、好ましくは、０．００５〜０．１ラジアン、より好ましくは０．００６〜０．０４ラジアン、更に好ましくは、０．００７〜０．０２ラジアンである。また、上部管板８の上面３４は、バフ研磨などの機械研磨や電解研磨等の処理が施されているのが好ましいが、そのような処理が施されていなくても良い。また、上部管板８の上面３４の最も低い位置の近傍即ち中心部３８に、最下部伝熱管２８Ｌが配置されている。
【００２７】
また、下部管板１０の下面４２は、その外側部４４から中心部４６に向かって低くなるように傾斜している。下面４２の外側部縁を含む平面に対する下面４２の傾斜角度は、前述の上部管板８の上面３４と同じ角度範囲から選択するのが好ましい。
【００２８】
次に、上部管板８又は下部管板１０と伝熱管２８との連結部分を説明する。上部管板８と伝熱管２８との連結部分及び下部管板１０と伝熱管２８との連結部分は、同様の構造を有しているので、図６を参照して、前者のみについて説明し、後者の説明を省略する。図６は、上部管板８と伝熱管２８との連結部分の拡大断面図である。
【００２９】
図６に示すように、上部管板８は、伝熱管２８と嵌合可能な孔５０を有し、すべての伝熱管２８は、その上端５２が上部管板８の上面３４よりも下に位置決めされている。孔５０には、数条の溝５６が設けられており、孔５０に伝熱管２８を挿入して位置決めした後、伝熱管２８を拡管することによって、伝熱管２８が嵌合固定されるようになっている。また、伝熱管２８の上端５２は、上部管板８と伝熱管２８の上端５２との間に段差が生じないように、上部管板８に全周溶接されている。この伝熱管２８と上部管板８との間の全周溶接は、それらの間の気密性を高める効果も有している。
【００３０】
また、変形例として、図７に示すように、数上の溝５６を有する孔５０に伝熱管２８を挿入し、伝熱管２８を拡管することによって、伝熱管２８を嵌合固定した後、伝熱管２８の上端部を切削もしくは研磨して、伝熱管２８の上端２８と上部管板８の上面３４との間に段差ができないようにしても良い。
【００３１】
次に、上述した竪型多管式熱交換器の動作を説明する。説明を容易にするために、メタクロレインガスを竪型多管式熱交換器内で凝縮させる場合について説明する。
【００３２】
先ず、メタクロレインガスを竪型多管式熱交換器１の頂ポート２２から上部空間１６に導入する。導入されたメタクロレインガスの一部は、上部管板８の上面３４に接触して凝縮し、凝縮して生じたメタクロレイン液が上部管板８の上面３４に乗る。
【００３３】
上部管板８の上面３４は、外側部３６から中心部３８に向って下方に傾斜しており、また、バフ研磨等の平滑処理がなされているので、上部管板８の上面３４に乗っているメタクロレイン液は、上部管板８の上面３４に滞留することなしに、上部管板８の上面３４に沿って下方に即ち中心部３８に向って流れる。下方に向って流れるメタクロレイン液は、中心部に至る途中の伝熱管２８又は中心部の近傍に配置された最下部伝熱管２８Ｌに流れ込む。このように、メタクロレイン液は、上部管板８の上面３４等に滞留しないので、メタクロレイン重合物が上部管板８の上面３４及び伝熱管２８の上端５２近傍に付着するのが防止される。更に、滞留が防止されることにより、重合物は成長しない。その結果、伝熱管２８内を流れるメタクロレインガス及びメタクロレイン液の流路が確保されることにもなる。
【００３４】
また、メタクロレインガスは、伝熱管２８内でも凝縮する。凝縮によって生じたメタクロレイン液は、伝熱管２８の内面５８に沿って流れるが、上述のように、伝熱管２８内を流れるメタクロレインガス及びメタクロレイン液の流路が確保されているので、伝熱管２８内のメタクロレイン液は、下方に流れるメタクロレインガス等によって推進され、伝熱管２８の内面５８に滞留することなしに下方に流れる。
【００３５】
次いで、メタクロレイン液は、伝熱管２８の下部管板１０側から出てくる。伝熱管から出てきたメタクロレイン液の大部分は、重力によって落下するが、一部分のメタクロレイン液は、表面張力によって下部管板１０の下面４２に付着する。しかしながら、下部管板１０の下面４２が傾斜しているので、下部管板１０の下面４２に付着しているメタクロレイン液は、滞留することなしに下方即ち中心部に向って流れ、ついには、落下する。
【００３６】
従来の竪型多管式熱交換器１２０(図１０参照)では、上部管板１２８の上面１３６及び伝熱管１３４の内面１３８の上部開口部付近等において、プロセス流体の長時間にわたる滞留が生じやすかったため、メタクロレインのような易重合性物質が重合を起こしやすかった。しかしながら、上述のように構成されている竪型多管式熱交換器１は、メタクロレイン液が上部管板８の上面３４等に滞留しないように構成されているので、重合が起こりにくく、上部管板８の上面３４及び伝熱管２８の内面５８の上部開口部付近等へのメタクロレイン重合物の付着が防止される。更に、竪型多管式熱交換器１の運転を続けても、重合物が成長することはなく、伝熱管２８が目詰まりしない。その結果、従来の竪型多管式熱交換器において頻繁に行なっていた重合物の除去作業が不要になると共に、竪型多管式熱交換器の長期にわたる連続運転が可能になる。
【００３７】
また、重合物の付着が防止されるため、竪型多管式熱交換器１の伝熱効率の悪化を防止できると共に、竪型多管式熱交換器１の熱交換率及び分離効率の低下を防止することができる。
【００３８】
次に、図８を参照して、本発明の第２の実施形態による竪型多管式熱交換器を説明する。第２の実施形態による竪型多管式熱交換器は、第１の実施形態による竪型多管式熱交換器と類似し、中心部に配置されている伝熱管以外の伝熱管が、上部管板の上面から突出していることを特徴としている。このため、以下、第２の実施形態のうち第１の実施形態と異なる部分のみについて説明し、その他の共通部分の説明を省略する。また、図面において、第１の実施形態と同様の要素には同じ符号を付し、それらの説明を省略する。図８は、第２の実施形態による竪型多管式熱交換器の、上部管板と伝熱管との連結部分の拡大断面図である。
【００３９】
図８に示すように、第２の実施形態の竪型多管式熱交換器において、最下部伝熱管２８Ｌの上端５２Ｌは、第１の実施形態と同様、上部管板８の上面３４から突出していないのに対し、他の伝熱管６０の上端６２は、上部管板８の上面３４から突出している。上部管板８と伝熱管６０とは、上部管板８の上面３４と伝熱管６０の上端６２との間が滑らかに連結されるように全周溶接されている。この伝熱管６０と上部管板８との間の全周溶接は、それらの間の気密性を高める効果も有している。
【００４０】
このように構成された第２の実施形態の竪型多管式熱交換器においては、上部管板８と伝熱管６０との間の連結強度を増大させることができる。このため、竪型多管式熱交換器が、常時、プロセス流体またはプロセス流体と熱交換を行なう流体の流出入による振動、ポンプ又は圧縮機による振動、及び回転ポンプ機械からの直接の脈動流等を受けていても、伝熱管６０と上部管板８との連結部の密封性が低下するのを防止し、それらの間からプロセス流体が漏れるのを防止することができる。更に、最下部伝熱管２８Ｌの周りの伝熱管６０による連結強度の増大に伴い、最下部伝熱管２８Ｌと上部管板８との間の連結部の密封性の低下も防止される。また、熱交換することができる伝熱面の面積を広くすべく伝熱管６０の管径を細くし且つ数を増やすことによって、伝熱効率の向上を図る場合、多数の細い伝熱管６０と上部管板８との間の連結を確実に行なうことができる。
【００４１】
次に、図９を参照して、本発明による竪型多管式熱交換器を利用した蒸留塔システムの実施形態を説明する。以下、竪型多管式熱交換器の構成部分の説明では、上述した竪型多管式熱交換器と同じ符号を付して説明する。図９は、本発明の実施形態による竪型多管式熱交換器を含む蒸留塔システムの概略図である。
【００４２】
図９に示すように、蒸留塔システム７０は、易重合性物質含有物を蒸留できる蒸留塔７２を有し、蒸留塔７２は、その中間部７４に連結された供給管７６と、その塔頂部７８に連結された頂部管８０と、その塔底部８２に連結された底部管８４とを有している。蒸留塔７２の頂部管８０は、本発明の実施形態であり且つコンデンサーとして作用する竪型多管式熱交換器８６の頂部８８に連結されている。このコンデンサー８６の底部９０には、留出管９２が連結され、この留出管９２は、２つに分岐して、一方は、蒸留塔７２の上部９４に連結され、他方は、外部に接続されている。また、蒸留塔７２の底部管８４は、２つに分岐して、一方は、本発明の実施形態であり且つリボイラーとして作用する竪型多管式熱交換器９６の底部９８に連結され、他方は、外部に接続されている。リボイラー９６の頂部１００には、温度調整管１０２が連結され、この温度調整管１０２は、蒸留塔７２の下部１０４に連結されている。蒸留塔７２は、易重合性物質の重合防止及び塔効率の観点から、棚段塔(トレイ塔)であるのが好ましいが、充填塔、濡壁塔、スプレー塔等で構成されていても良い。
【００４３】
次に、蒸留塔システム７０の動作を、メタクロレイン含有液からメタクロレインを蒸留する場合を例示することによって説明する。
【００４４】
最初に、メタクロレイン含有液を準備する。このメタクロレイン含有液は、例えば、イソブチレンを分子状酸素含有ガスで接触気相酸化させて得られたメタクロレイン含有ガスを水と接触させ、メタクロレインをメタクロレイン水溶液として捕集することによって得ることができる。次いで、このメタクロレイン含有液を供給管７６から蒸留塔７２に供給する。
【００４５】
メタクロレイン含有液に、重合を抑制するための重合防止剤を添加するのが好ましい。重合防止剤は、例えば、分子状酸素含有ガス、ヒドロキノン、メトキノン、クレゾール、フェノール、ｔ−ブチルカテコール、ジフェニルアミン、フェノチアジン、メチレンブルーから選ばれる１種以上、ジメチルジチオカルバミン酸銅、ジエチルジチオカルバミン酸銅、ジブチルジチオカルバミン酸銅およびサリチル酸銅などの銅塩化合物、酢酸マンガンなどのマンガン塩化合物から選ばれる１種以上、ｐ−フェニレンジアミンなどのｐ−フェニレンジアミン類、４−ヒドロキシ−２，２，６，６−テトラメチルピペリジノオキシルなどのＮ−オキシル化合物、尿素などの尿素類、チオ尿素などのチオ尿素類などである。これらの重合防止剤を単独で添加しても良いし、あるいは、２種類以上組み合わせて添加しても良い。重合防止剤をメタクロレイン含有液に添加するにあたっては、重合防止剤を蒸留塔７２に直接導入しても良いし、供給液、還流液又は他の溶媒に溶解して送液ライン(図示せず)から導入しても良い。また、重合防止剤が分子状酸素含有ガスである場合には、バブリング等により易重合性物質に直接混入させても良いし、或いは、溶剤に溶解させて間接的に混入させてもよい。バブリングに際しては、分子状酸素含有ガスを蒸留塔７２の塔底部８２及び／又はリボイラー９６から供給するのが好ましい。
【００４６】
次いで、蒸留塔７２内に供給されたメタクロレイン含有液は、気化してメタクロレインガスになり、蒸留塔７２の塔頂部７８から頂部管８０を通してコンデンサー８６の頂ポート２２に送られる。なお、メタクロレインガスは、重合防止剤を含有しているけれども、重合防止剤の一部は、蒸留塔７２内でメタクロレインガスから除去されてしまうので、メタクロレインガスは、メタクロレインの重合を阻止するのに十分な量の重合防止剤を含有していない場合がある。
【００４７】
次いで、コンデンサー８６に送られたメタクロレインガスは、本発明の竪型多管式熱交換器によるコンデンサー８６内で凝縮し、メタクロレイン液になる。上述したように、メタクロレイン液は、コンデンサー８６の上部管板８の上面３４及び伝熱管２８等に滞留しないので、重合物の付着が防止され、コンデンサー８６の長期にわたる連続運転が可能になる。その結果、蒸留塔システム７０全体の長期にわたる連続運転も可能になる。
【００４８】
一方、蒸留塔７２の塔底部８２から取り出されたメタクロレイン含有液は、リボイラー９６の中を下から上に向って流される。メタクロレイン含有液は、リボイラー９６の中を流れる際、加熱により温度調整され、温度調整されたメタクロレインは、温度調整管１０２を通って、蒸留塔７２の下部１０４に戻される。定常運転中、メタクロレイン含有液は、リボイラー９６の中を下から上に向って滞留なく流れており、リボイラー９６の上部管板８の上面３４は、メタクロレイン含有液で充たされていることから、重合物はほとんど付着しない。
【００４９】
蒸留塔システム７０の長期にわたる連続運転中、例えば、定期点検や他の機器のトラブル等で、蒸留塔システム７０の運転を一時的に停止して、蒸留塔７２及びリボイラー９６内に残っているメタクロレイン含有液を、リボイラー９６及び底部管８４を通して回収することがある。回収の際、メタクロレイン含有液が、本発明の竪型多管式熱交換器によるリボイラー９６の中を上から下に向って流れる。このように流れる際、メタクロレイン含有液がリボイラー９６の上部管板８の上面３４や下部管板１０の下面４２等に滞留することがないので、上述したコンデンサー８６の場合と同様、上部管板８の上面３４や下部管板１０の下面４２等への重合物の付着が防止される。それにより、リボイラー９６の再運転後、重合物の成長による伝熱管２８の目詰まりが防止される。その結果、再運転開始時のリボイラー９６内部の点検をすることなしに、その後のリボイラー９６の長期にわたる連続運転が可能になると共に、蒸留塔システム７０全体の長期にわたる連続運転も可能になる。
【００５０】
以上、本発明の竪型多管式熱交換器の実施形態を説明したけれども、以下のような変形を行なっても良い。
【００５１】
上記実施形態では、上部管板８の上面３４は、外側部３６から中心部３８に向って低くなるように傾斜しているけれども、傾斜の仕方はそれに限らず、中心部からそれたところに向って低くなっていても良いし、低くなる箇所が２ヶ所以上あっても良い。
【００５２】
また、第１の実施形態では、すべての伝熱管２８の上端５２が上部管板８の上面３４から突出していない場合を説明し、第２の実施形態では、最下部伝熱管２８Ｌの上端５２Ｌだけが上部管板８の上面３４から突出せず、他の伝熱管６０の上端６２が上部管板８の上面３４から突出している場合を説明したけれども、すべての伝熱管２８の上端５２が上部管板８の上面３４から突出するように構成しても良いし、最下部伝熱管２８Ｌの近傍のいくつかの伝熱管２８の上端５２を上部管板８の上面３４から突出させないで、その他の伝熱管２８の上端を上部管板８の上面３４から突出させるように構成しても良い。上端５２が上部管板８の上面３４から突出していない伝熱管２８が多いほど、重合物の付着防止効果が増大し、上端６２が上部管板８の上面３４から突出する伝熱管６０が多いほど、上部管板８と伝熱管６０との間の連結強度が増大する。
【００５３】
また、上記実施形態では、メタクロレインの蒸留について説明したが、メタクリル酸の蒸留であっても良い。この場合、例えば、メタクロレインを分子状酸素含有ガスにより接触気相酸化して得られるメタクリル酸含有ガスを水と接触させて、メタクリル酸をメタクリル酸水溶液として捕集したもの、このメタクリル酸水溶液から有機溶剤を抽剤としてメタクリル酸を抽出して得られる抽出液、又は、この抽出液を適宜蒸留して得られる流体をメタクリル酸含有液として準備すれば良い。
【００５４】
また、メタクロレイン含有液やメタクリル酸含有液の代わりに、その他の易重合性物質を蒸留しても良い。易重合性物質は、例えば、メタクリル酸のエステル体、アクリル酸、マレイン酸又はこれらのエステル体、スチレン、アクリロニトリルである。これらの易重合性物質は、更に、高沸点物質や溶媒、易重合性物質の生成時の副生物との混合物を含んでいてもよい。例えば、アクリル酸およびアクリル酸エステルの場合には、アクリル酸を接触気相酸化反応で得る際に副生する酢酸、プロピオン酸、アクロレイン、マレイン酸、水、ホルマリン等の混合物を挙げることができる。また、例えば、メタクロレインの場合には、メタクロレインを接触気相酸化反応で得る際に生じる酢酸、水等の混合物を挙げることができる。また、例えば、メタクリル酸およびメタクリル酸エステルの場合には、メタクリル酸を接触気相酸化反応で得る際に生じるアクリル酸、酢酸等の混合物を挙げることができる。
【００５５】
また、上記実施形態では、下部管板１０の下面４２の傾斜方向は、外側部４４から中心部４６に向って下方に傾斜していたけれども、外側部４４から中心部４６に向って上方に傾斜していても良い。
【００５６】
また、本発明の竪型多管式熱交換器を利用する例として、蒸留塔システムの実施形態を説明したけれども、本発明の竪型多管式熱交換器をコンデンサ８６及びリボイラー９６に限らず、その他の凝縮器、冷却器、加熱器、又は蒸発器として利用しても良い。
【００５７】
また、本発明の竪型多管式熱交換器は、一般的な熱交換器が有する邪魔板、長手邪魔板、緩衝板、仕切室胴フランジ、胴蓋側フランジ、胴側ノズル、遊動頭蓋、固定棒およびスペーサー、ガス抜き座、ドレン抜き座、計器座、支持脚、つり金具、液面計座、伸縮継手熱膨張対策等を有していてもよい。
【００５８】
【実施例】
以下、上部管板が傾斜面からなる本発明によるコンデンサー及びリボイラーを用いた実施例１〜４を、上部管板及び下部管板が平らな従来のコンデンサー及びリボイラーを用いた比較例１〜４と対比しながら説明する。実施例１〜４及び比較例１〜４と共に用いた蒸留塔は共通であり、内径０．１５ｍ、段数３０段のステンレス鋼製（ＳＵＳ３０４）のシーブトレーを内装している。実施例１〜４におけるコンデンサー及びリボイラーの上部管板及び下部管板の傾斜面は、それぞれの管板の周縁から中心部に向かって低くなるように設けられ、その傾斜角度はそれぞれの管板の周縁を含む平面に対して０．０１ラジアンとした。
【００５９】
〔実施例１、２及び比較例１、２：メタクロレイン含有液の精製〕
蒸留塔にメタクロレイン含有液を供給した。供給したメタクロレイン含有液の組成は、メタクロレイン９３質量％、酢酸３質量％、水４質量％であり、メタクロレイン含有液の供給量は５０ｋｇ／ｈｒであった。メタクロレイン含有液には重合防止剤としてヒドロキノンを２００ｐｐｍ添加し、分子状酸素含有ガスとしての空気をリボイラー発生蒸気量に対し０．３体積％投入しながら精留を行った。蒸留塔は、塔頂圧力１０１ｋPa、塔頂温度６６℃、塔底圧力１０４ｋPa、塔底温度７６℃、還流比３で運転し、管理した。
【００６０】
実施例１及び比較例１は、すべての伝熱管が上部管板の上面から突出していない竪型多管式熱交換器を使用し、実施例２及び比較例２は、中心部(実施例２においては最下部に相当)の１本の伝熱管だけが上部管板の上面から突出せず、他の伝熱管が上部管板の上面から突出している竪型多管式熱交換器を使用した。なお、下部管板に関しては、実施例１、２及び比較例１、２のいずれにおいても、すべての伝熱管が下部管板の下面から突出した形式のものを使用した。
【００６１】
実施例１及び２においては、２週間連続運転した後、いったん運転を停止し、メタクロレイン含有液を含むプロセス流体を抜き出した。その２日後、運転を再開し、更に６ヶ月間連続運転した。その後、コンデンサー及びリボイラーの上部管板、下部管板及び伝熱管を点検したが、メタクロレイン重合物の付着は認められなかった。
【００６２】
これに対し、実施例１と同様に運転しようとした比較例１においては、運転再開の２ヶ月後、コンデンサーに詰まりが発生し、それ以上の使用が不可能となったため、運転を中止した。コンデンサーにおいて、その上部管板の上面および伝熱管を点検したところ、上部管板の上面は、一面、重合物で覆われ、ほぼすべての伝熱管が重合付着物で閉塞していた。また、リボイラーにおいても、その上部板の上面には、約５ｋｇの重合物が付着しており、その伝熱管の約５割が重合物で閉塞していた。更に、コンデンサー及びリボイラーの下部管板の下面にも若干の重合物の付着が認められた。
【００６３】
また、実施例２と同様に運転しようとした比較例２においても、比較例１と同様の時期にコンデンサーの詰まりが発生し、それ以上の使用が不可能となったため、運転を中止した。コンデンサ及びリボイラーにおける管板への重合物の付着状況及び伝熱管の閉塞状況は、リボイラーの上部板の上面に付着していた重合物が約４ｋｇであったこと以外、比較例１と同様であった。
【００６４】
〔実施例３、４及び比較例３、４：メタクリル酸含有液の精製〕
蒸留塔にメタクリル酸含有液を供給した。供給したメタクリル酸含有液の組成は、メタクリル酸９５質量％、酢酸２質量％、アクリル酸３質量％であり、メタクリル酸含有液の供給量は、８０ｋｇ／ｈｒであった。メタクリル酸含有液には、重合防止剤としてヒドロキノンを２００ｐｐｍ添加し、分子状酸素含有ガスとしての空気をリボイラー発生蒸気量に対し０．３体積％投入しながら精留を行った。蒸留塔は、塔頂圧力８ｋPa、塔頂温度７７℃、塔底圧力１０ｋPa、塔底温度９９℃、還流比２で運転し、管理した。
【００６５】
実施例３及び比較例３は、すべての伝熱管が上部管板の上面から突出していない竪型多管式熱交換器を使用し、実施例４及び比較例４は、中心部(実施例４においては最下部に相当)の１本の伝熱管だけが上部管板の上面から突出せず、他の伝熱管が上部管板の上面から突出している竪型多管式熱交換器を使用した。なお、下部管板に関しては、実施例３、４及び比較例３、４のいずれにおいても、すべての伝熱管が下部管板の下面から突出した形式のものを使用した。
【００６６】
実施例３及び４においては、２週間連続運転した後、いったん運転を停止し、メタクリル酸含有液を含むプロセス流体を抜き出した。その２日後、運転を再開し、更に６ヶ月間連続運転した。その後、コンデンサー及びリボイラーの上部管板、下部管板及び伝熱管を点検したが、メタクリル酸重合物の付着は認められなかった。
【００６７】
これに対し、実施例３と同様に運転しようとした比較例３においては、運転再開の３ヶ月後、コンデンサーに詰まりが発生し、それ以上の使用が不可能となったため、運転を中止した。コンデンサーにおいて、その上部管板の上面および伝熱管を点検したところ、上部管板の上面は、一面、重合物で覆われ、ほぼすべての伝熱管が重合付着物で閉塞していた。又、リボイラーにおいて、その上部板の上面には、約５ｋｇの重合物が付着しており、その伝熱管の約６割が重合物で閉塞していた。更に、コンデンサー及びリボイラーの下部管板の下面にも若干の重合物の付着が認められた。
【００６８】
また、実施例４と同様に運転しようとした比較例４においては、運転再開の４ヶ月後、コンデンサーに詰まりが発生し、それ以上の使用が不可能となったため、運転を中止した。コンデンサーにおいて、その上部管板の上面および伝熱管を点検したところ、上部管板の上面は、一面、重合物で覆われ、ほぼすべての伝熱管が重合付着物で閉塞していた。又、リボイラーにおいて、その上部板の上面には、約６ｋｇの重合物が付着しており、その伝熱管の約７割が重合物で閉塞していた。更に、コンデンサー及びリボイラーの下部管板の下面にも若干の重合物の付着が認められた。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、重合物による目詰まりを防止し、長期にわたる連続運転が可能な竪型多管式熱交換器を提供することができる。また、長期にわたる連続運転が可能な蒸留塔システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による竪型多管式熱交換器の縦断面図である。
【図２】図１の竪型多管式熱交換器の頂部蓋体の変形例を示す図である。
【図３】図１の竪型多管式熱交換器の頂部蓋体の変形例を示す図である。
【図４】図１の竪型多管式熱交換器の頂部蓋体の変形例を示す図である。
【図５】図１の竪型多管式熱交換器の頂部蓋体の変形例を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による竪型多管式熱交換器の部分拡大断面図である。
【図７】図７の変形例を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による竪型多管式熱交換器の部分拡大断面図である。
【図９】本発明による竪型多管式熱交換器を含む蒸留塔システムの概略図である。
【図１０】従来の竪型多管式熱交換器の縦断面図である。
【符号の説明】
１      竪型多管式熱交換器
２      管状胴体
４      上部
６      下部
８      上部管板
１０    下部管板
２８、６０    伝熱管
２８Ｌ  最下部伝熱管
３４    上部管板の上面
３６    外側部
３８    中心部
４０    外側部縁
４２    下部管板の下面
４４    外側部
４６    中心部
５２、６２    伝熱管の上端
５２Ｌ  最下部伝熱管の上端
７０    蒸留塔システム
７２    蒸留塔
８６    コンデンサー
９６    リボイラー
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004540920.tif 000009
【図９】
0004540920.tif 000010
【図１０】
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