板翅式熱交換器に補強フィンを設置

この投稿は、2019年2月22日16時09分に「催化一粟」によって最終的に編集されました。新型熱融着捕集凝縮器の設計、製造、およびその応用について。新型熱融着捕集凝縮器とは、相変化を伴う熱交換装置であり、一般的な熱交換器とは大きく異なる特徴を持っています。本製品は合理的な構造を採用しており、内部には高度にフィン化されたフィンチューブが設置されているため、優れた熱伝達性能と大きな熱交換面積を実現しています。既存技術と比較して、体積が小さく、温度差による応力が生じにくい、繰り返し回数が多い、そして材料が装置の溶接部を重度に腐食させるのを防げるといった利点がある。本製品は、フタル酸アンヒドリドおよび対クロロベンズアニリドの製造における熱融縮凝縮器の多様な機能要求を満たすとともに、フタル酸アンヒドリドの凝華過程における伝熱・伝質のメカニズムや、熱融捕捉凝縮器の構造的特徴および最適化パラメータについても概説している。さらに、熱融捕捉凝縮器の開発成果の応用状況についても示している。 キーワード：シームレス鋼管、溶接点のない巻き取り製品管、凝華特性、フィン高さ30mmによる生産性向上とエネルギー消費削減、高性能熱融着捕集凝縮器。新型熱融着捕集凝縮器とは、凝華方式によって物質を捕捉する装置である。別名：切替コンデンサー；熱溶冷凝箱；部分的な凝縮器；凝縮器。 技術分野 本製品は、特にフタル酸アンヒドリド反応ガスやクロロベンゾニトリル反応ガスの回収を目的とした、高効率な気体物質回収装置に関するものである。 背景技術 多くの種類の化学製造プロセスにおいて、凝縮と加熱の両方が可能な物質回収装置が必要とされる。しかし、凝縮状態と加熱状態では作業時の温度差が非常に大きく、通常350℃以上にも達するため、装置に大きな温度応力が生じる。さらに、凝縮と加熱の状態を繰り返し切り替えて使用するため、装置の稼働回数が多くなる。特に化学製造プロセスにおける腐食が激しい環境下では、昇華ガスを捕捉するための熱交換用の冷却量や、凝華した固体を回収するための熱交換用の熱量が必要となり、回収できなかった物質は排出されたり後処理されたりする。そのため、要件を満たすためには装置自体がより大きな熱交換面積と高い総伝熱係数を持つ必要がある。現在、フタル酸アンヒドリドや対クロロベンズアニリドの製造工程においては、原料を回収するために熱融縮凝縮器が必要であり、その回収効果は製造収率に直接影響を与えます。 既存の技術案では、より大きな熱交換面積を実現するために、通常装置の体積を非常に大きくし、占有面積が広くなり、投資コストも高くなる。また、装置の材質の溶接部には深刻な腐食が生じやすく、材料が漏れ出して生産が停止し、多大な経済的損失を招きます。本品の開発により、上記の問題点がしっかりと解決されました。 一.動作原理： 1.製品と不純物を含む高温の混合ガスが上部から捕集凝縮器に入る。 2. フィンチューブ内の冷却媒体により、フィンチューブ上に捕捉すべき目的物質の固体が凝華し、不要な不純ガスは捕捉凝縮器の下部から排出される。 3. フィン上に固体製品が十分に溜まったら、フィンチューブ内の冷却媒体を熱媒体に交換して加熱し、固体製品を溶融させてキャッチコンデンサーの底部領域に集める。本品のケース底部の下フランジは斜めの出口となっており、排出がよりスムーズに行われ、ケース底部の詰まりを防ぎます。 4. 液体製品を排出した後、フィンコンデンサーの管内にある熱媒体を冷媒に交換し、新たな一連の製品捕集を開始する。 冷媒媒体：循環水、冷油、温水。 熱媒体：温水、熱油、蒸気。 二.用途： 1.有機酸無水物（触媒酸化法による製造） ⑴ ベンゼンアンヒドリド（フタル酸アンヒドリド、フタルアンヒドリド）：C8H4O3；分子量148.12；CAS85-44-9；融点129℃-132℃；沸点284℃；引火点152℃。⑵ シュウアン（マレイン酸アンヒドリド、シュンビュテンジカルボン酸アンヒドリド）：C4H2O3；分子量98.06；CAS108-31-6；密度1.48；融点52℃-55℃；沸点200℃；引火点102℃。2.有機ベンゾニトリル（アンモニア酸化法による製造）⑴ メタクロロベンゾニトリル（3-クロロベンゾニトリル）：C7H4ClN；分子量137.57；CAS766-84-7；密度1.14；融点38℃-42℃；沸点94℃；引火点97℃。3.パラクロロベンザニオン（パラクロロベンゾニトリル、4-クロロベンザニオン）：C7H4CIN；分子量137.57；CAS623-03-0；融点91℃-94.2℃；沸点223℃；引火点108℃。三．設計　新型捕集冷凝器の設計プロトタイプは、イギリスの帝国化学会社（ICI）が大規模な安息香酸アニリド生産ラインで使用していた溶融冷凝器であり、その後著者の会社による研究を経て、有機酸アニリドや有機ベンズアニリドなどの流動層反応器における反応ガス処理工程で広く利用されている。反応によって生成した生成物ガスは捕集冷凝器に入ると冷却されて固体結晶となり、冷却面に析出する。析出サイクルが終了すると操作を切り替え、加熱によって固体製品を液体製品に戻す。 著者が長年にわたり捕集凝縮器の応用設計に従事してきた結果、捕集凝縮器の捕集効率は主に以下の要因に影響されることが明らかになった。1.反応ガスの平均凝華量が捕集凝縮に与える影響。凝縮させるべき製品自体の凝固点が異なり、また凝華によって放出される熱量も異なるため、実験を通じて各種製品の反応ガスの平均凝華量を求めることができる。このパラメータを設計に適用し、流動層連続反応器の単位時間あたりの生産量および設定された切り替え運転時の生産量に基づいて必要な熱量を算出し、凝縮時間と切り替えサイクルを決定する。さらに適切な安全係数も考慮して、最終的に装置の容積および総熱交換面積を算出する。 2. 反応ガスの流速が捕捉凝縮に与える影響
反応ガスが捕捉凝縮器に入ると、すぐに凝縮・凝華の過程が始まる。ガスの流速が速すぎると、ガスが完全に凝縮されずに排気口から排出されてしまう。一方、流速が遅すぎると、凝縮器内に入った反応ガスが急速にエアロゾル状のものを形成し、移動する途中でより冷却された表面に衝突して集合する。ある程度集合するとガス通路が塞がれ、装置内で短絡が発生する。著者の所属企業は研究を重ね、さまざまな材料を用いた実験から最適な流速測定方法を確立しました。近年の実際の運用においても良好な結果が得られています。 3. 温度差△tが捕捉凝縮に与える影響 冷却媒体と製品ガス本体との間の温度差△tは、凝華効果に顕著な影響を与える。その中で、冷却温度、気流速度、製品ガスの3者間には関連性があり、様々な反応ガスに関する実験を通じて明らかになったのは、温度差△tがエアロゾルが形成されるのに必要な最大温度差以下になると、凝華による針状結晶の生成が徐々に消失していくということである。このとき、気体の凝華物の充填密度は徐々に増大する。冷却媒体の温度が反応ガスの温度に近づくと、密な凝華結晶層が形成される。 4. 装置構造が凝縮捕捉に与える影響 気体の流速や設計上の温度差といったパラメータを決定し、総容積や熱交換面積を算出した後、気体の流れる通路や凝縮・凝華する空間を適切に設計する必要がある。フィン付きチューブのパラメータ調整、チューブ間隔の調整、列間隔の調整、チューブ列の数の調整、および並列に配置されるチューブバンドルの設定を通じて、合理的な運用を実現する。 四. 製造：考慮すべき点：1. 最高の製品捕集率、または最低の排気ガス濃度を確保すること。2. 装置の使用寿命を延ばす。3. 設備投資コストと運用費用は低く抑える必要がある。したがって、構造設計においては、最適なフィンチューブのパラメータ、最適な管間隔、列間隔、そして最適な管列数を含む最適な構造パラメータが必要である。 新型捕集冷凝器の設計製造技術方案および工程要件は以下の通りである：1.筐体の外部には半円形の管状ジャケットがあり、このジャケットによって作業時に冷却水が継続的に循環し、筐体の内壁に結晶物質が付着して保護層を形成し、溶接部の腐食を防ぐ。同時に筐体の温度を下げて腐食の進行を遅らせる。 2.ケース内部は複数のチューブアセンブリで構成されており、U字管方式を採用することで、凝縮状態および加熱状態における温度差による応力を回避できる。曲げ加工を用いてU字型熱交換管のUの直径を小さくし、U字管の上部と下部のフィン間の距離を縮めることで、同じ体積でより大きな熱交換面積を得ることができる。各管束はケーシング内に特別に設計されたスライド式支持構造を備えており、頻繁な冷温変化の過程で自由に伸縮できる。また、管束は単独で取り出して点検や交換が可能である。 3. チューブベンド内のチューブは、すべて一本丸ごとのオーダーメイドのシームレス鋼管を曲げて作られており、チューブと巻き付けられたフィンとの間は予圧力をかけて巻き付けられているため、溶接箇所がなく、溶接によって生じる溶接応力が引き起こす応力腐食を防いでいる。当社の確立されたフィン巻き取り技術により、通常のフィンの高さが25mmから30mmに向上し、これによってフィンの面積が最大限に拡大されます。巻き取られた螺旋状のフィン間隔は、熱交換面積や物質の密度に応じて調整可能で、一般的には6mm以上とするべきです。 4. U字管と管板を強度膨張＋シール溶接、または強度溶接によって接合する方法。U字管の間に支持用のプレートを設置し、引き棒と間隔調整用の管を使ってそのプレートや各フィン付きU字管を固定する。こうしてフィン付きU字管、管板、プレート、間隔調整用の管、引き棒からなるチューブバンドができる。各プレートの底面に溝を切り、そこに扁平鋼を挿入してプレートの外側に出すことでスライド用のストリップが形成され、スライド用ストリップを備えたチューブバンドが完成する。 5. 管束管板に基づいて隔壁付きの管箱を設計し、管箱の上部にはシール面があり、ボルトの予圧力のもとでガスケットを用いて管板との間を密閉することができる。フィンチューブの幅に基づいて、ケースの幅を決定します。 6. ボックスの外側に半円形の管クランプジャケットを溶接し、ボックスの強度を高めた。ケースの左右両側にはそれぞれ管束の挿入口が設けられており、ケース内に管束を挿入した後、スライドレールの位置にスライドガイドを設置することで、管束全体がスライドガイド上をスムーズに滑動できるようにしている。 7. 管束挿入口の外部において、管束管板および管箱フランジに基づき対応するフランジを設置し、ケースフランジ、管束管板、管箱フランジの間にガスケットを使用して、フランジボルトの予圧により良好なシールが得られるようにする。 8. ボックスにガス原料の入口および不凝縮ガスの出口、点検口を設置し、フィン付きU字管群をボックス内に挿入して、管箱と管群、そしてボックスをボルトで接続する。新しいタイプの熱融着捕集凝縮器を構成する。チューブボックスをボディに直接溶接することもでき、これにより漏れがないようになります。