熱交換器とは、異なる温度の流体を流し、熱交換させる装置です。
化学プラントでは、工程や装置ごとに異なる温度で運転されるため、加熱や冷却を行う装置が不可欠となります。
今回は、熱交換器の種類やその目的について詳しく説明します。
熱交換器の概要
化学プラントにおいて、熱交換器は非常に重要な役割を担っています。
プロセスごとに適した温度に加熱・冷却するための装置で、さまざまな種類や大きさのものが設計・選定されます。
熱交換器の設計に関しては、どこまでを設計し、どこからを外部に委託するかは、会社によって異なります。
例えば、物性や伝熱計算まで社内で行い、その後の機械的な構造設計はベンダーに依頼することがあります。
熱交換器の分類
熱交換器はさまざまな分類方法がありますが、ここでは使用目的と構造による分類について詳しく説明します。
使用目的による分類
同じ構造の熱交換器であっても、使用目的によって名称が異なります。
代表的なものを以下に紹介します。
- Heater（加熱器）: 流体を加熱するための装置です。
反応器や蒸留塔の前段に設置されることが多く、予熱器とも呼ばれます。 - Evaporator（蒸発器）: 流体を蒸発させるために使用され、Vaporizerとも呼ばれます。
加熱により蒸発を行う装置です。 - Reboiler（再沸器）: 蒸留塔の塔底に設置され、液体を再沸騰させてガスとして戻す装置です。
- Cooler（冷却器）: 流体を冷却する装置で、最もイメージしやすいタイプです。
- Condenser（凝縮器）: 流体を冷却して凝縮させる装置で、蒸留塔の塔頂から流出するガスの凝縮に使用されます。
構造による分類
実務上、構造による分類は非常に重要です。
構造が異なると、伝熱計算式や使用条件も異なります。代表的な熱交換器の構造を以下に示します。
- 多管式熱交換器（Shell & Tube）: 化学プラントで最も使用されている形式です。
多数の伝熱管を円筒状のシェル内に配置し、流体同士が混ざらないように分離して熱交換を行います。 - 二重管式熱交換器: 内筒と外筒にそれぞれ異なる流体を流し、熱交換を行います。
クリーニングが容易なため、汚れやすい流体に適しています。 - 渦巻板式熱交換器（スパイラル式）: 2枚の平行板を渦巻状に巻いて構成される熱交換器です。
汚れにくく、装置がコンパクトである点が特徴です。 - 平板式熱交換器（プレート式）: 多数の溝が彫られた平板を重ねて固定し、各平板間で熱交換を行います。
メンテナンスが容易で、流体の流量変化にも柔軟に対応できます。
まとめ
熱交換器は、化学プラントやさまざまな産業において欠かせない装置です。
目的や構造に応じて最適なものを選定することが求められます。
設計手法や種類の理解が、効果的な熱管理を実現する鍵となるでしょう。
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