{0}硬水や特定の鉱物スラリーの加熱など、スケールの発生が避けられないプロセスでは、従来の熱交換器は岩石の層ですぐに断熱されます。流動床熱交換器は、転がる小さな粒子の群れで反撃し、スケールが形成されるのと同じ速さでスケールを削り落とし、PTFE チューブを清潔に保ち、熱の流れを保ちます。 PTFE の耐食性と流動粒子床の機械的自浄作用を組み合わせることで、新しいクラスの熱交換器は、最も困難なスケール サービスにおいて一定の高効率パフォーマンスを実現します。
従来の熱交換器におけるスケールの問題
スケーリング (ファウリングとも呼ばれます) は、溶解した塩、鉱物、または浮遊固体が伝熱面に沈殿するときに発生します。硬水は炭酸カルシウムを沈着させます。鉱物スラリーはケイ酸塩または硫酸塩のスケールを残します。生物学的成長でも膜を形成する可能性があります。従来のシェルアンドチューブまたはプレート交換器では、時間の経過とともにスケールが蓄積します。 1 mm の炭酸カルシウム層の熱抵抗は、数十 mm の鋼鉄を追加したのと同等です。熱伝達係数が劇的に低下するため、より高い流体温度、より長い滞留時間、または洗浄のための定期的な停止が必要になります。
化学洗浄（酸循環）は腐食性があり、有害な廃棄物を生成します。機械的洗浄 (ロッド、ブラシ、または高圧水) では、熱交換器をオフラインにする必要があり、場合によっては数日かかります。サービスの拡張が厳しい場合、洗浄による生産損失が 1 年以内に交換器の資本コストを超える可能性があります。
流動床熱交換器の仕組み
流動床熱交換器は、小さい固体粒子-通常はアルミナ、ガラスビーズ、ステンレス鋼のショット、またはセラミック球-を流体の流れに組み込みます。これらの粒子はプロセス液体とともにチューブ内 (またはシェル側、ただしチューブ側流動床の方が一般的) に運ばれます。流体が垂直に配向されたチューブを通って上向きに流れると、粒子が取り込まれます。それらは転がり、衝突し、チューブの内壁を優しくこすります。核生成を開始したスケールは、移動する粒子の絶え間ない機械的作用により直ちに摩耗して除去されます。
粒子はチューブの素材を損傷するほど研磨性がありません。金属よりも柔らかいPTFEチューブの場合、粒径、密度、濃度が慎重に管理されます。一般的な粒子直径は 1 ～ 5 mm の範囲で、濃度は 5 体積％未満に保たれます。粒子は、交換器の出口にある大きな沈降容器またはサイクロン内でプロセス流体から分離されます。そこから入口に再循環され、閉ループが形成されます。システムは継続的に動作するため、清掃のためにオペレーターが介入する必要はありません。
すべてのチューブ内で穏やかだが容赦のないウォーター ジェットが発生します。-「ジェット」以外は、実際には低速で移動する数千の固体粒子であり、スケールが絶縁層に成長する前に形成の初期段階で除去されます。
流動層技術と PTFE チューブの組み合わせ
PTFE (ポリテトラフルオロエチレン) チューブは優れた耐薬品性を備えています。強酸、アルカリ、有機溶剤に対して不活性です。ただし、PTFE は金属 (15 ～ 400 W/m・K) に比べて熱伝導率が低くなります (約 0.25 W/m・K)。したがって、さらなる防汚性は特に有害です。 PTFE チューブ自体がすでにかなりの熱障壁になっているため、PTFE チューブ上の薄いスケール層により熱伝達が 50% 以上削減される可能性があります。
したがって、流動床の自浄作用は、金属チューブよりも PTFE チューブにとってさらに価値があります。スケールを継続的に除去することにより、ベッドは唯一の熱抵抗が PTFE 壁自体と流体境界層を加えたものであることを保証します。全体的な熱伝達係数は、数か月または数年の動作にわたって安定しており、予測可能です。
ターゲットのキーワード流動床熱交換器 PTFE チューブ自浄式-この相乗効果をカプセル化します。PTFE は攻撃的なスケール流体に対して腐食保護を提供し、流動化粒子は化学的または熱的手段ではシャットダウンせずには達成できない機械的洗浄を提供します。
厳しいスケーリング サービスの利点
重大なスケーリング サービスには次のものが含まれます。
硬水を加熱する冷却塔、ボイラー、地域暖房システムなど。炭酸カルシウムは 60 度を超えると急速に沈殿します。流動床 PTFE 交換器は、酸洗浄なしで無期限に動作できます。
濃縮鉱物スラリー鉱業または肥料生産。石膏、硫酸カルシウム、リン酸塩スケールは非常に粘り強いものです。流動床はチューブの壁を清潔に保ち、生産率を維持します。
塩水の蒸発または脱塩の予熱そうしないと塩の結晶化が金属チューブを詰まらせる可能性があります。 PTFE の非粘着性表面と粒子研磨の組み合わせにより、粘着性が実質的に排除されます。
スケーリングプロセスストリームからの廃熱回収それは従来の交換器を汚すことになります。流動床により、これまで不可能だった場所で熱を回収できるようになります。
運用上の主な利点は次のとおりです。
一定の熱伝達率– 時間が経っても劣化しません。交換器は、起動からシャットダウンまで設計上の能力で動作します。
化学洗浄なし– 有害廃棄物、洗浄剤の保管、中和の手順を排除します。
ダウンタイムの削減– スケール除去のために交換器をオフラインにする必要はありません。運転停止は、まれな機械検査 (2 ～ 5 年ごと) に限定されます。
エネルギーの節約– 熱伝達率が低下しないため、汚れを補うために必要な流体の温度や流量を増やす必要がありません。粒子のポンピングパワーは通常、伝達される熱の 5 ～ 15% ですが、メリットに比べればデメリットは控えめです。
より長いチューブ寿命– PTFE チューブは、粒子がチューブの材質よりも柔らかいように選択されているか、低速で操作されるため、大幅に摩耗しません。実際、流動床サービスではチューブの寿命は 5 ～ 10 年であると報告されています。
技術的な設計上の考慮事項
粒子の選択
パーティクルは次のとおりである必要があります。
流体の流れによって上方に運ばれるのに十分な密度ですが、低速で沈降するほど密度は高くありません。
スケールを摩耗させるには十分な硬さですが、PTFE を侵食するほどではありません。アルミナ (酸化アルミニウム) のモース硬度は 9 で、時間の経過とともに PTFE が摩耗する可能性があります。ガラスビーズ（硬度 5 ～ 6）、またはシリカまたはジルコニアをベースとしたセラミックビーズが推奨されます。非常に柔らかいスケーリング層の場合は、カット PTFE またはポリマー ビーズを使用できます。
プロセス流体に対して化学的に不活性です。ガラスは多くの酸性または中性の流れに適しており、セラミックまたは金属粒子はアルカリ性または高温の用途に使用されます。
パッキングやチャネリングを避けるためにサイズを均一にします。粒子は通常、予測可能な流動化のために球形またはほぼ球形です。
チューブの形状と方向
流動床技術は、まっすぐな垂直方向のチューブで最も効果的に機能します。粒子は重力と上向きの流体抵抗に依存して再循環します。水平チューブや U ベンドは粒子の沈降や詰まりの原因となります。したがって、流動層 PTFE 熱交換器は、ほとんどの場合、チューブ側 (粒子を運ぶ) にプロセス流体、シェル側に加熱媒体または冷却媒体を備えた垂直シェルアンドチューブ設計です。
チューブの直径は、粒子が架橋せずに通過できるのに十分な大きさでなければなりません。チューブの最小内径は通常 15 ～ 25 mm です。 PTFE チューブは、流動流の圧力による崩壊を防ぐために、外側の金属の穴あきスリーブでサポートされることがよくあります。
速度と圧力損失
流体速度は「最小流動化速度」(粒子床が膨張して粒子が浮遊する速度) を超える必要がありますが、「同伴速度」(粒子がチューブからあまりにも早く運び出される速度) 未満に抑える必要があります。水中の 2 mm ガラスビーズの場合、範囲は約 0.5 ～ 2 m/s です。チューブ束全体の圧力降下は、粒子の追加抗力により、従来の熱交換器よりも高くなります-通常 50～100 kPa-）。クリーニングのダウンタイムがなくなることを考えると、このペナルティは許容範囲です。
分離と再循環
チューブ束の上部で、流体と粒子の混合物が大径の分離容器に入ります。流速が低下し、粒子が重力によって沈降します。浄化された流体はプロセスに進みます。沈降した粒子はホッパーに収集され、多くの場合スクリューコンベアや流動脚を使用して、再循環パイプを介して入口に戻されます。粒子の循環速度は、所望の濃度 (通常、チューブ内で 2 ～ 5 体積%) を維持するように調整されます。
アプリケーションと産業上の採用
金属管を備えた流動床熱交換器は、1970 年代から製糖 (サトウキビ絞り汁の加熱)、地熱エネルギー (スケール塩水の処理)、廃水処理などの産業で使用されてきました。ただし、多くのスケール液も腐食性を持っています。ステンレス鋼またはチタンのチューブは耐腐食性がありますが、高価であり、依然として定期的な洗浄が必要です。 PTFE チューブは耐食性と非粘着性を備えているため、自然なアップグレードになります。
最近のインスタレーションは次の場所に掲載されています。
肥料プラント– 石膏を含むリン酸スラリーを加熱します。 PTFE チューブは酸の攻撃に耐え、流動床は石膏の堆積を防ぎます。
脱塩予熱器– スケール防止化学物質による海水の処理を削減または廃止できるため、運用コストが削減されます。
鉱山埋め戻しスラリーの加熱– 金属表面を急速にスケールアップする尾鉱とセメントの混合物。流動床 PTFE 熱交換器は数か月間熱伝達を維持します。
限界と今後の方向性
流動層 PTFE 熱交換器は万能なソリューションではありません。より高い垂直構成が必要となるため、既存のプラントのレイアウトに適合しない可能性があります。粒子により複雑さが増し、初期コストがかかります。非常に高粘度の液体の場合、流動性が低下する可能性があります。 PTFE の低い熱伝導率は依然としてベースライン抵抗を課すため、この技術は、金属交換器の方が効率的であるクリーンな流体用途ではなく、汚れによって金属交換器が使用できなくなるような用途に最適です。
水平または傾斜したチューブで使用できる、より小さくて軽い粒子の研究が進行中です。別の開発は、外部磁石によって保持される磁性粒子の使用であり、分離容器の必要性を排除します。それにもかかわらず、PTFE チューブと自浄式流動床の組み合わせは、最も困難な工業用加熱問題のいくつかに対する解決策であることがすでに証明されています。
概要: スケーリングと腐食に対するほぼ完璧なソリューション
流動床技術を PTFE チューブと組み合わせると、腐食性のスケーリング流を効率的に流し続けるためのほぼ完璧なソリューションが提供され、大きな問題点が解消されます。循環粒子の自浄作用によりスケールの蓄積が防止され、化学的または機械的洗浄のために停止することなく一定の熱伝達係数が維持されます。 PTFE は金属チューブにはない耐薬品性を提供しますが、流動床は追加の汚れ層が蓄積しないようにすることで PTFE の低い熱伝導率を克服します。イノベーションとは、多くの場合、2 つの成熟したテクノロジーを新しい方法で組み合わせることを意味します。-流動床熱交換器 PTFE チューブ自浄式-コンセプトは教科書の例です。腐食とスケーリングという二重の課題に直面しているプロセス エンジニアにとって、このテクノロジーは、かつてはメンテナンスの悪夢であった作業を、設定して忘れる作業に変えています。
