(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱流体と、該被加熱流体を加熱するスチームとが伝熱壁を介して熱交換を行う熱交換器の運転方法において、
前記被加熱流体の側の伝熱壁面に付着する付着物の量に応じて前記スチームの前記熱交換器内での絶対圧力を上昇させ、前記スチームから前記被加熱流体への伝熱速度を略一定に維持しつつ、
前記付着物が付着する前の前記熱交換器内でのスチーム絶対圧力Ｐ1と、前記付着物が付着した後の前記熱交換器内でのスチーム絶対圧力Ｐnとが、下記式（Ｉ）を満たす際に、前記付着物を除去する工程を行うことを特徴とする熱交換器の運転方法。
１．０１＜Ｐn／Ｐ1＜１．８・・・（Ｉ）
【請求項２】
前記スチーム絶対圧力Ｐ1が、下記式（ＩＩ）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器の運転方法。
１０ｋＰａ＜Ｐ1＜５００ｋＰａ・・・（ＩＩ）
【請求項３】
前記熱交換器はシェルアンドチューブ式熱交換器であって、チューブ側に被加熱流体が流通し、シェル側にスチームが流通することを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器の運転方法。
【請求項４】
前記被加熱流体が、易重合性物質を含む液体であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の熱交換器の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スチームを用いて、各種プロセスにおいて流通する流体（以下、プロセス流体という。）などの被加熱流体を加熱する熱交換器の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸留塔のリボイラーや各種装置の予熱器などには、プロセス流体のような被加熱流体をスチームなどの加熱媒体で加熱する熱交換器が一般に使用されている。このような熱交換器は、通常、被加熱流体と、この被加熱流体を加熱するスチームとが伝熱壁を介して熱交換を行うものであるが、熱交換器の運転を継続していくにともなって被加熱流体の側の伝熱壁面に付着物が付着して、熱交換器の総括伝熱係数が低下し、スチームから被加熱流体への伝熱速度が低下することがある。ここで付着物としては、例えば、被加熱流体に含まれる不純物が析出したものや、不純物が何らかの反応を起こすことにより生成した化合物、さらには、被加熱流体の主成分の一部が何らかの反応を起こすことにより生成した化合物などがある。
【０００３】
このような付着物の増加にともなって伝熱速度が低下すると、被加熱流体を十分に加熱できなくなるという不具合が生じる。そこで、被加熱流体を安定かつ十分に、所定の温度までに加熱するために、付着物の量に応じて熱交換器内でのスチームの絶対圧力を上昇させ、スチームの温度を上げることにより、スチームから被加熱流体への伝熱速度を略一定に維持する方法が行われている。
そして、この熱交換器を例えば工場の定修時などに洗浄して、伝熱壁面上に付着した付着物の除去を行うことが一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば熱交換器がシェルアンドチューブ式熱交換器であってチューブ側に被加熱流体が流れる場合に、上述したように被加熱流体の側の伝熱壁面、すなわち、チューブの側壁面に付着物が過度に付着、蓄積すると、最終的にはチューブが付着物によって閉塞してしまうという問題があった。そして、被加熱流体が易重合性物質を含有する液体である場合にチューブがこのように閉塞してしまうと、易重合性物質が加熱されたチューブ内で滞留することとなり、容易に重合物が生成し、チューブの閉塞状態が一層悪化した。
【０００５】
このようにチューブが閉塞し、重合物が生成してしまうと、適切な洗浄液を使用して洗浄したとしても、これらを十分に除去することは困難であった。そのため、最終的には熱交換器を分解し、高圧水によるジェット洗浄や、場合によってはドリルなどを使用して、チューブ内の重合物を機械的に除去する必要が生じたが、このような作業は長時間を要し、経済的にも不利であった。
また、付着物の過度な付着、蓄積を防ぐためには、チューブ内の洗浄頻度を上げることも考えられる。しかし、洗浄時には熱交換器の通常の運転を停止する必要があるため、洗浄頻度が上がると、この熱交換器を備えたプロセスの生産性が低下するという問題が生じた。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、被加熱流体の側の伝熱壁面に付着物が過度に付着、蓄積する前の適切な時期に伝熱壁面から付着物を除去することにより、付着物を容易かつ経済的に除去可能な、熱交換器の運転方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、熱交換器内におけるスチームの供給圧力の変化に着目し、その圧力から、被加熱流体の側の伝熱壁面から付着物を除去する時期を決定することにより、上記課題を解決可能であることを見出し、本発明に到達した。
本発明の熱交換器の運転方法は、被加熱流体と、該被加熱流体を加熱するスチームとが伝熱壁を介して熱交換を行う熱交換器の運転方法において、前記被加熱流体の側の伝熱壁面に付着する付着物の量に応じて前記スチームの前記熱交換器内での絶対圧力を上昇させ、前記スチームから前記被加熱流体への伝熱速度を略一定に維持しつつ、前記付着物が付着する前の前記熱交換器内でのスチーム絶対圧力Ｐ1と、前記付着物が付着した後の前記熱交換器内でのスチーム絶対圧力Ｐnとが、下記式（Ｉ）を満たす際に、前記付着物を除去する工程を行うことを特徴とする。
１．０１＜Ｐn／Ｐ1＜１．８・・・（Ｉ）
前記運転方法は、前記スチーム絶対圧力Ｐ1が、下記式（ＩＩ）を満たす場合に特に効果的である。
１０ｋＰａ＜Ｐ1＜５００ｋＰａ・・・（ＩＩ）
また前記運転方法は、前記熱交換器がシェルアンドチューブ式熱交換器であって、チューブ側に被加熱流体が流れ、シェル側にスチームが流れる場合や、前記被加熱流体が易重合性物質を含む液体である場合に特に効果的である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明を詳細に説明する。
本発明の熱交換器の運転方法は、加熱媒体としてスチームを使用して、各種プロセス流体などの被加熱流体を加熱する形態の熱交換器の運転に関するものであって、この熱交換器においては、被加熱流体とスチームとは伝熱壁を介して熱交換を行う。以下、このような熱交換器の一例として、図１にシェルアンドチューブ式熱交換器１０を例に挙げて説明する。
【０００９】
図１のシェルアンドチューブ式熱交換器１０は、多管式熱交換器とも呼ばれるものであって、シェル１１の内部に複数本のチューブ１２が配され、チューブ１２内を流通する流体と、シェル１１の内側でありチューブ１２の外側である部分（以下、シェル内という。）を流通する流体とが、チューブ１２の側壁、すなわち伝熱壁を介して熱交換するものである。
このようなシェルアンドチューブ式熱交換器１０においては、チューブ１２内またはシェル１１内のどちらか一方に被加熱流体が流れ、他方にスチームが流れればよいが、図示例のシェルアンドチューブ式熱交換器１０のようにチューブ１２内に被加熱流体が流れ、シェル１１内にスチームが流れる場合、付着物の付着、蓄積に伴うチューブ内の閉塞等の問題が生じやすく、後述するように、被加熱流体側の伝熱壁面の付着物を除去する時期をスチーム絶対圧力から判断することが、非常に容易で効果的となる。図１中、実線はスチームの流れを示し、破線は被加熱流体の流れを示す。
【００１０】
被加熱流体としては特に制限はなく、加熱される必要のある流体であれば制限はないが、特に被加熱流体が易重合性物質を含有する液体である場合には、この易重合性物質の少なくとも一部が重合して、チューブ１２の側壁面に付着することがある。このようにして生成した重合物が過度に付着すると、これを洗浄などで除去することは難しく、最終的にはシェルアンドチューブ式熱交換器１０を分解し、高圧水によるジェット洗浄や、場合によってはドリルなどを使用した機械的な除去が必要となり、時間や労力がかかる。よって、後述するように、被加熱流体側の伝熱壁面の付着物を除去する時期をスチーム絶対圧力から判断することが、非常に有効となる。
【００１１】
このような易重合性物質を含む液体としては、例えば、易重合性物質としてアクリル酸、メタクリル酸などのビニル結合を有する化合物を含む、化学合成プロセス液体原料などが挙げられる。また、付着物としては、被加熱流体に含まれる不純物がそのまま析出したものや、不純物が何らかの反応を起こすことにより生成した化合物、さらには、被加熱流体の主成分が一部何らかの反応を起こすことにより生成した化合物などが挙げられる。例えば、被加熱流体がメタクリル酸である場合、この中に含まれる高沸点不純物であるテレフタル酸や、メタクリル酸の一部が重合することにより生成するポリメタクリル酸などが挙げられる。
【００１２】
図１のシェルアンドチューブ式熱交換器１０の運転を開始する場合には、符号１３のスチーム用調圧弁を調整して、シェルアンドチューブ式熱交換器１０のシエル１１内におけるスチーム絶対圧力がＰ1となるように、シェル１１内にスチームを供給する。Ｐ1はスチームを供給する配管に設けられた圧力計１４により測定できる。供給されたスチームは、伝熱壁で凝縮され、スチームトラップ１５を介してコンデンセートとして回収される。
一方、複数本のチューブ１２の内側には、スチームに加熱される被加熱流体を流通させる。
【００１３】
この時点においては、シェルアンドチューブ式熱交換器１０のチューブ１２の側壁面、すなわち、被加熱流体の側の伝熱壁面には、付着物が実質的に付着していない状態である。ここでの圧力Ｐ1、すなわち付着物が付着する前のシェルアンドチューブ式熱交換器１０内でのスチーム絶対圧力Ｐ1には特に制限はなく、加熱対象である被加熱流体の加熱前の温度、目的とする加熱温度、シェルアンドチューブ式熱交換器１０のサイズなどに応じて適宜設定できるが、下記式（ＩＩ）を満足する範囲内であることが好ましい。
１０ｋＰａ＜Ｐ1＜５００ｋＰａ・・・（ＩＩ）
【００１４】
スチーム絶対圧力Ｐ1がこのような範囲内である場合には、一般的に被加熱流体の側の伝熱壁面の温度は、付着物が付着、蓄積しやすい温度となり、また、この被加熱流体が易重合性物質を含む液体である場合にはこれが重合しやすい温度となる。
すなわち、スチーム絶対圧力Ｐ1がこのような範囲であると、チューブ１２の側壁面に付着物が過度に蓄積してチューブ１２が閉塞し、その結果、被加熱流体が易重合性物質を含有する液体である場合には、この易重合性物質が加熱されたチューブ１２内で滞留して重合物が生成し、チューブ１２の閉塞状態を一層悪化させる傾向がある。したがって、スチーム絶対圧力Ｐ1がこのような範囲内である場合に、後述するようにして伝熱壁面から付着物を除去する時期を判断し、適宜洗浄などを行うことが、より効果的となる。
【００１５】
このようにしてシェルアンドチューブ式熱交換器１０を運転していくと、時間の経過とともに伝熱壁面に付着物が付着、蓄積し、このシェルアンドチューブ式熱交換器１０の総括伝熱係数が低下してスチームから被加熱流体への伝熱速度が小さくなり、その結果、被加熱流体を所望の温度まで加熱できなくなる。そこで、このシェルアンドチューブ式熱交換器１０を運転する場合には、被加熱流体の側の伝熱壁面に付着する付着物の量に応じて、シェルアンドチューブ式熱交換器１０内におけるスチーム絶対圧力をＰ1から上昇させてＰnとし、スチームから被加熱流体への伝熱速度を略一定に維持し、被加熱流体が所定の温度に安定に加熱されるように運転する。具体的には、加熱後の被加熱流体の温度を測定し、この温度が一定に維持されるように、スチーム絶対圧力を上昇させつつ運転する。
【００１６】
そして、スチーム絶対圧力Ｐnが徐々に上昇し、下記式（Ｉ）を満たす範囲まで上昇した際に、シェルアンドチューブ式熱交換器１０へのスチームの供給と、被加熱流体の供給とを一旦停止して、被加熱流体の側の伝熱壁面、すなわちチューブ１２の側壁面から付着物を除去する。
１．０１＜Ｐn／Ｐ1＜１．８・・・（Ｉ）
ここでの付着物の除去方法には特に制限はなく、付着物の種類に応じた洗浄液をチューブ内に流通させることによって、その側壁面に付着した付着物を洗浄する方法などが挙げられる。洗浄液としては、例えば、付着物が酸性物質である場合には、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性洗浄液が好適に使用できる。
【００１７】
Ｐn／Ｐ1が１．０１以下の場合には、付着した付着物の量は少なく、容易に洗浄できるものの、洗浄せずにこのまま運転を継続していても、直ちにチューブ１２の閉塞などの問題を生じない。よって、このような時期での洗浄はプロセスの生産性を低下させてしまうだけであり経済的に好ましくない。Ｐn／Ｐ1が１．８以上となると、付着物の量が過剰となってチューブ１２は閉塞に近い状態となり、被加熱流体に易重合性物質が含まれる場合には、この易重合性物質が重合した重合物も生成し、洗浄を行ってもこれらを十分には除去できなくなる。すなわち、Ｐn／Ｐ1が上記式（Ｉ）の範囲であるとチューブ１２は閉塞しておらず、また、被加熱流体が易重合性物質を含有する液体であっても、この易重合性物質の重合物もほとんど生成していないので、短時間で容易かつ十分に洗浄でき、しかもプロセスの経済性を大きく低下させることもない。
【００１８】
このようにして付着物を除去した後には、シェルアンドチューブ式熱交換器１０内におけるスチーム絶対圧力を通常Ｐ1まで下げて、運転を再開する。
【００１９】
このような熱交換器の運転方法によれば、付着物が付着する前の熱交換器内でのスチーム絶対圧力Ｐ1と、付着物が付着、蓄積した後の熱交換器内でのスチーム絶対圧力Ｐnとの比が特定の範囲となる際に、付着物を除去する工程を行う。したがって、被加熱流体側の流路が閉塞する前に付着物を除去でき、被加熱流体が易重合性物質を含有する液体であっても閉塞にともなう重合物の生成がなく、被加熱流体の側の伝熱壁面に付着、蓄積した付着物を容易かつ十分に、経済的に除去することができる。
なお、以上の説明においては、熱交換器としてシェルアンドチューブ式熱交換器１０を例示し、チューブ１２内に被加熱流体が流れ、シェル１１内にスチームが流れる場合について説明したが、上記運転方法を適用できる熱交換器の種類に制限はなく、また、チューブ１２内、シェル１１内のどちらに被加熱流体が流れてもよく、被加熱流体の側の伝熱壁面に付着物が付着する可能性のある熱交換器の運転に制限なく適用できる。
【００２０】
【実施例】
以下に、本発明を、実施例により説明する。
（実施例１）
外径２５．４ｍｍ、厚さ２．０ｍｍ、長さ４．０ｍのチューブが２１３本設置され、その外側にシェルが配置されたシェルアンドチューブ式熱交換器を蒸留塔のリボイラーとして使用し、メタクリル酸の精製を行った。リボイラーに供給される液の組成は、メタクリル酸が９９ｗｔ％、高沸点不純物１ｗｔ％であり、この不純物中のテレフタル酸が付着物となり、運転の継続とともにチューブの側壁面（伝熱壁面）上に析出・付着していった。
リボイラーに供給されるプロセス液（被加熱流体）の温度は９３℃、この熱交換器のシェル内に供給されるスチームの絶対圧力Ｐ1が９４ｋＰaの状態で運転を開始し、伝熱速度が一定となるようにこの熱交換器に供給されるスチームの絶対圧力を上げながら運転を継続した。
３ヶ月経過後、熱交換器に供給されるスチームの絶対圧力Ｐnが１６０ｋＰａまで上昇し、Ｐn／Ｐ1＝１．７０であったので、その時点で運転を停止し、チューブからプロセス液を抜き出した後にチューブの内部を水酸化ナトリウム水溶液で洗浄した。洗浄後、チューブの内部を目視で点検したところ、十分に洗浄されており、伝熱壁面に付着した付着物は全て取り除かれていた。
【００２１】
（比較例１）
実施例１と同様のシェルアンドチューブ式熱交換器について、実施例１と同じ条件で運転を開始し、スチームの絶対圧力を上げて伝熱速度を一定に保ちながら４ヶ月間運転を継続したところ、この熱交換器に供給されるスチームの絶対圧力Ｐnは１８５ｋＰａまで上昇し、Ｐn／Ｐ1＝１．９７であったので、その時点で運転を停止し、チューブからプロセス液を抜き出した後にチューブの内部を水酸化ナトリウム水溶液で洗浄した。洗浄後、内部を目視で点検したところ、４８本のチューブが閉塞しているのが確認された。そのうち約２／３のチューブに関しては、高圧水によるジェット洗浄で付着物質を除去することが出来たが、残りのチューブは付着物を完全に除去することが出来ず、ドリルを使用して機械的に除去しなければならなかった。
【００２２】
（実施例２）
外径２５．４ｍｍ、厚さ２．０ｍｍ、長さ５．０ｍのチューブが３６５本設置され、その外側にシェルが配置されたシェルアンドチューブ式熱交換器を蒸留塔のリボイラーとして使用し、メタクリル酸の精製を行った。リボイラーに供給される液の組成は、メタクリル酸が８０ｗｔ％、メタクリル酸メチルが５ｗｔ％、酢酸が４ｗｔ％、アクリル酸が３wt％、その他の不純物が８ｗｔ％であり、この不純物中のテレフタル酸が付着物となり、運転の継続とともにチューブの側壁面（伝熱壁面）上に析出・付着していった。
リボイラーに供給されるプロセス液（被加熱流体）の温度が９５℃、この熱交換器のシェル内に供給されるスチームの絶対圧力Ｐ1が１０１ｋＰaの状態で運転を開始し、伝熱速度が一定となるように熱交換器に供給されるスチームの絶対圧力を上げながら運転を継続した。
３ヶ月経過後、熱交換器に供給されるスチームの絶対圧力Ｐnが１５８ｋＰａまで上昇し、Ｐn／Ｐ1＝１．５６であったので、その時点で運転を停止し、チューブからプロセス液を抜き出した後に、チューブの内部を水酸化ナトリウム水溶液で洗浄した。洗浄後、チューブの内部を目視で点検したところ、十分に洗浄されており、伝熱壁面に付着した付着物は全て取り除かれていた。
【００２３】
（比較例２）
実施例２と同様のシェルアンドチューブ式熱交換器について、実施例１と同じ条件で運転を開始し、スチームの絶対圧力を上げて伝熱速度を一定に保ちながら４ヶ月間運転を継続したところ、この熱交換器に供給されるスチームの絶対圧力Ｐnは１８７ｋＰａまで上昇し、Ｐn／Ｐ1＝１．８５であった。
その時点で運転を停止し、チューブからプロセス液を抜き出した後にチューブの内部を水酸化ナトリウム水溶液で洗浄した。洗浄後、内部を目視で点検したところ、３２本のチューブが閉塞しているのが確認され、高圧水によるジェット洗浄で付着物を除去する必要があった。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の熱交換器の運転方法によれば、付着物が付着する前の熱交換器内でのスチーム絶対圧力Ｐ1と、付着物が付着した後の熱交換器内でのスチーム圧力Ｐnとの比が特定の範囲となる際に、付着物を除去する工程を行うので、被加熱流体側の流路が閉塞する前に付着物を除去でき、被加熱流体が易重合性物質を含有する液体であってもこのような閉塞にともなう重合物の生成がほとんどなく、被加熱流体の側の伝熱壁面に付着、蓄積した付着物を容易かつ十分に、短時間で経済的に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明で使用される熱交換器の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０  シェルアンドチューブ式熱交換器
１１  シェル
１２  チューブ
【図１】
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