熱交換器、凝縮、凝縮曲線、蒸発潜熱、蒸気圧、凝縮熱伝達、有機溶剤、熱伝導度

6.2 熱交換器と物性
6.2.5 凝縮熱伝達と有機溶剤

コンデンサー（凝縮器）やリボイラー（再沸器）は凝縮熱伝達を利用した熱交換器で、形式としては多管式熱交換器（Shell & tube）が多く採用されています。また、横型だけでなく縦型も採用されており、熱伝達係数が良好なのが特徴です。

石油精製プラントや石油化学プラントでは、これらの熱交換器は蒸留塔のコンデンサーやリボイラーとして多くの実績があり、その熱伝達の現象面については十分に研究がなされているように思われますが、実はそうではなく、まだまだ改善の余地が残されている分野です。

その理由の一つとして凝縮熱伝達の現象の違いがあります。すでに知られていることですが、凝縮には膜状凝縮と滴状凝縮の二つがあります。水の場合で膜状凝縮における熱伝達係数は4,000～6,000kcal/m2hr-K（4,600～7,000W/m2-K）ですが、滴状凝縮では30,000～40,000kcal/m2hr-Kと言われています。
実際の装置における凝縮はおそらく膜状凝縮と滴状凝縮の中間ではないかと考えられているのですが、実際の設計では安全を見て膜状凝縮における熱伝達係数を採用しています。

膜状凝縮における境膜係数の推算式

Nu数で有名なNusseltは膜状凝縮における熱伝達が膜の厚さのみに支配されるとして、液膜内の流れが層流として次式を理論的に導き出しました。

使用されている各変数の内容を以下に示します。

膜状凝縮には垂直面での凝縮と水平面での凝縮があり、先ほどの推算式の係数が違っています。垂直壁や垂直管で係数Cは 0.943 として与えられており、水平管では L を管の外径に置き換えて、係数Cは 0.725 と与えられています。

水と有機溶剤

膜状凝縮における境膜伝達係数を水と他の有機溶剤について計算してみましょう。いずれも圧力を大気圧付近にしており、係数Cは0.943、温度差を10℃、長さを1mとしており、その結果を下表に示します。

物性	単位	飽和水	アンモニア	エタノール	メタノール	アセトン	トルエン	ヘキサン
圧力	MPa	0.101	0.104	0.104	0.112	0.101	0.100	0.102
温度	deg.C	100	-33	79	67	56	110	69
熱伝導度	W/m-K	0.674	0.612	0.154	0.188	0.152	0.113	0.105
密度	kg/m3	959	681	734	747	748	780	614
粘度	mPa-s	0.279	0.259	0.444	0.332	0.238	0.261	0.203
潜熱	kJ/kg	2257	1336	855	1091	513	365	338
境膜伝熱係数	W/m-K	6481	4539	1309	1753	1345	986	867

このように水と比べ有機溶剤の伝熱係数が13～27％に低下していることがわかるでしょう。この理由は有機溶剤の熱伝導度が水に比べ低いことが上げられます。ただし、ここで扱った物質では粘度がそれほど大きくないので伝熱係数が良好ですが、粘度が大きい場合にはさらに伝熱係数が低下しますので注意を払う必要があります。