【設備洗浄】バッチ系化学工場のガスライン口径設計の注意点【スタートアップ・スローダウン】

工場配管

NEONEEETです。 

炊き上げ量と炊き上げ時間が○○だから、ガスラインは○○A・・・。

運転条件だけを見ていると痛い目に会いますよ。

この記事は、化学工場の機電系設計者・プラントエンジニアを対象にしています。

この記事を読むと、バッチ系化学工場のガスライン口径設計の注意点を知ることができます。

バッチ系化学工場のガスライン口径設計の注意点

バッチ系化学工場のガスライン口径設計の注意点について解説します。

ガスラインの口径設計は真面目に考えると、かなり複雑な計算を行います。

真面目に計算してしまうと意外な見落としをしてしまいます。

結構はまりやすい落とし穴。

既設の類似設備と同じ口径で設計すれば意外と解決することがありますが、過剰になりすぎる場合もあって注意が必要です。

そんなガスライン口径の設計の注意点をまとめました、

伝熱キャパシティの整理

ガスライン口径を設計するためには、まずは伝熱キャパシティの整理をしないといけません。

下記のフローをもとに解説します。

伝熱キャパシティと呼んでいるのは、熱が関係する各部分での伝熱の基礎的な能力のことを指します。

ポテンシャルという言い方も可能。

ここで考えるプロセスは以下のとおりです。

  • 反応器に溶媒を貯留している
  • 蒸気を反応器のジャケットに流入する
  • 溶媒が蒸発してガスラインを通り抜ける

このプロセスで考えないといけない伝熱キャパシティとして、以下の要素があります。

  • スチーム供給能力(蒸発潜熱・蒸気流量)
  • 反応器のジャケットの伝熱能力(総括伝熱係数・伝熱面積・温度差)
  • ガスライン配管口径(ガス炊き上げ量・配管口径・圧力損失)

スチーム供給能力(蒸発潜熱・蒸気流量)

スチーム供給能力は蒸発潜熱と蒸気流量の掛け算で決まります。

計算式は単純。

蒸発潜熱はスチームの圧力を決めればOK

スチームが飽和水蒸気であり、蒸発潜熱は飽和水蒸気圧で決まからですね。

スチームは工場内で複数の系統を持っていることが普通です。

これはプロセスの安全性・設備の安全性・作業の安全性などを考慮してのこと。

蒸気流量は配管口径と圧力損失の関係から決まります。

これらから、そのプロセスで供給可能なスチーム流量が決まります。

これをQ0としておきましょう。

反応器のジャケットの伝熱能力(総括伝熱係数・伝熱面積・温度差)

反応器のジャケットの伝熱能力は、総括伝熱係数Uと伝熱面積と温度差で決まります。

これも単純な掛け算。

ただし、総括伝熱係数Uがやや難しい。

熱交換器ハンドブックなどを使って、真面目に計算するのが機電系エンジニア。

しかし、ほとんど意味がありません。

機電系エンジニアが陥る典型的な問題です。

総括伝熱係数Uは過去のデータや実験値を使えば良いだけです。計算不要。

伝熱面積と温度差は運転条件から簡単な計算で導出できますね。

これで、スチームからプロセス液に伝えることができる最大熱量を求めることができます。

  • 総括伝熱係数Uが小さい(撹拌速度が遅い)と熱は伝わらない
  • 伝熱面積が小さい(液面が低い)と熱は伝わらない
  • 温度差が小さい(スチームの温度が低い)と熱は伝わらない

これをQ1としておきましょう。

スチーム供給可能量Q0と伝熱可能量Q1の小さい方の熱量でしか、プロセス液には伝わりません。

この熱量がQiです。

Qi=min(Q0,Q1)

ガスライン配管口径(ガス炊き上げ量・配管口径・圧力損失)

ガスライン拝見光景は炊き上げ量と圧力損失から決まります。

炊き上げ量Viは簡単。

上で求めた伝熱量Qiとプロセス液の蒸発潜熱Hiで割るだけ。

Vi=Qi/Hi

ガスライン配管口径Diは炊き上げ量Viと圧力損失計算をすることで決めれます。

バッチ系化学工場では大気圧以下での運転が基本です。

  • 大気圧下 圧力損失を数kPa以下に設計
  • 減圧下  真空ポンプの能力が過剰にならないように設計

真面目に計算したら、ガスライン口径が決まって設計完了です。

ここで満足するエンジニアが普通。

スタートアップ・スローダウン

バッチ系化学工場ではスタートアップ・スローダウンの問題を疎かにしがちです。

スタートアップ・スローダウンって何?っていうくらい、機電系エンジニアはあまり考えていません。

洗浄をどうやって行うかについての発想は以下の記事を確認してください。

ここで大事なことは、「プロセス溶媒以外の液で洗浄することがある」という点。

プロセス溶媒は有機溶媒で、洗浄液は水であることが多いので、

蒸発潜熱を考えると洗浄時の炊き上げ量Viは相当低いです。約1/5。

有機溶媒ベースでガスライン口径を設計していたら問題ありませんが、

プロセス液が水系などの蒸発潜熱が高いのに、洗浄液ではメタノールなどの蒸発潜熱が低い液を使うと非常に問題です。

もしくは、

水で洗浄するときはスチーム流量を最大まで上げて炊き上げて、運転時よりも炊き上げ量が上がってしまった、という場合も問題です。

このケースは、「運転時のスチーム流量が非常に小さい場合」で「スチーム配管や流量計に余裕がありすぎる場合」に限定されますが、ケースとしてはありえます。

システム全体を見わたす

スタートアップ・スローダウンの問題は、実は昔に問題になった話です。

2021年の現在では問題にならないだろう。

こんな風に思っていると、危険。

まだまだ落とし穴として残っています。

これを防ぐにはプロセス全体を俯瞰して見れる力が大事。

プロジェクトでは各エンジニアがP&IDを眺めて、能力設計を行うだけの時間がありますが、既設を使う場合は見落としがちです。

特に機電系エンジニアは既設はタッチしない傾向が強いですからね。

もっと怖いのは、生産段階で運転変更をするとき。

厳密に言えば4M変更ですが、現場レベルで変更できる要因です。

これが現場レベルでは気が付かない、許容レベルを越えた変更になる可能性があって、ヒヤリレベルの問題が再発しています。

最後に

バッチ系化学工場のガスライン口径設計の注意点について紹介しました。

伝熱キャパシティの整理・スタートアップ・スローダウン・システム全体を見わたす

運転方法を現場で決める場合に見落としがちです。

その結果、運転条件を制限せざるを得ないというケースはままあります。

この記事が皆さんのお役に立てれば嬉しいです。

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