配管ドレンファンネル(drain funnel)の設計について考えます。
化学プラントの配管でも必須の部品ですが、結構簡単に考えられて問題が起きていても放置されてしまいがちです。
そして結構な確率で失敗します。
いざ問題が起きたときには力技で何とか対応しようとして、表面化しにくかったりします。
設計者にフィードバックされず、毎回失敗作ができあがってしまう。
結果的に、ドライフロアーを否定することになります。
スマートに対応するためにも、しっかり考えれるようになっておきたいです。
ドレンファンネル(drain funnel)は漏斗！
まずファンネルの説明からしましょう。
以下のような形状をしています。
漏斗やドレン受けという日本語を使う人もいます。
排水のプロセスなどの系内から分離して、排水溝に導く入口部分を指します。
スチームトラップの排出口などにも使いますね。
某有名ロボットアニメのオールレンジ武器のことではありませんよ。
ドレンファンネル(drain funnel)から飛散する
ファンネルの問題は、ファンネル外部に液が漏洩するというものです。
大気に開放されたプロセス液は、レデューサ形状の漏斗で受けたとしても、外部に漏洩する可能性があります。
例えばスチームドレンや温水などをファンネルで受けたときに、周囲に飛散したら火傷する可能性があります。
ドライフロアーと真逆の発想になって、転倒などのリスクも出てきますね。
ドレンファンネル(drain funnel)の口径設計
ファンネルの口径設計をしましょう。
ファンネルはプロセス配管・レデューサ・ドレン配管からなります。
プロセス配管
プロセス配管の設計は、一般にはプロセス要求に従います。（当たり前）
化学プラントでファンネルを使う場面は、ユーティリティに限定されると言っていいでしょう。
冷却水などの配管設計は、その装置で必要となる伝熱計算によって決まります。
今回は以下の条件で考えます。
- 口径 50A
- 圧力 200kPa
- 材質 SGP
プロセス配管側は流量の計算をしておきます。
プロセス配管がポンプで強制的に流れているとして、50Aで流速2m/sとすると約240L/minです。
レデューサ
レデューサ部は最小条件は決まっていますが、最大条件はあまり決まっていません。
プロセス配管外径より大きな内径を持つレデューサ
最小条件 × ファンネルに接続する配管の本数
ファンネルのレデューサは最低でもプロセス配管より1サイズは上げることになります。
50AのSGPなら外径60.5mmで、65Aの内径が67.9mmなので、最小条件としてはクリアします。
ファンネルはプロセス配管1本だけを繋ぐというケースは少なく、複数の配管を接続するので、最大条件はプロセス配管の本数を掛けましょう。
ドレン配管(連続排出)
ドレン配管はファンネル設計上の超重要要素です。
連続排出する場合を考えます。
つまり、プロセス配管から常時240L/minで流れている時に、適切に排出できるドレン配管径の設計です。
自然流下の計算を使います。
自然流下の流速0.3m/sとして、プロセス配管の流量が240L/minの場合に必要となる配管径は115mm程度です。
配管径として100A程度が必要という単純計算になります。
ドレン配管(バッチ排出)
ドレン配管をバッチ的に排出するシーンは、バッチプロセスでは結構あります。
例えば、200kPaの冷却水をファンネル経由で大気に開放する例を考えましょう。
ベルヌーイの法則そのものを使って、圧力200kPaと同等の流体エネルギーを持つ水の流速は20m/s程度。
バルブを開けて圧力を開放して、圧力が急激に下がるまでの時間を5秒程度としたとき、この間にファンネルに排出される冷却水の体積は200L程度。
自然流下の流速0.3m/sで5秒で到達する距離は、1.5m分の配管長さ。
このドレン配管とレデューサ部の体積が200L未満である場合には、ファンネルから液が溢れてしまいます。
漏れを防ぐ工夫
ファンネルの口径を適切に設計していないと、漏れが起きます。
連続排出でもバッチ排出でも、ファンネルから漏れることは同じで、好ましくありません。
配管が設置されて運転してから問題に気が付くので、その場でできる対策をいくつか紹介しましょう。
- ポンプ流速を下げる
- プロセス配管出口にオリフィスなど付けて圧力を下げる（流速を落とす）
- レデューサ上部に蓋を付けてカバーする
ポンプ流速やオリフィスなどは、運転条件を変えてしまう可能性があるので少し注意しましょう。
現実的にはカバーで何とかしようとするでしょう。
参考
関連記事
ドレンファンネルの設計は、流速の考え方を使います。
さらに知りたい方は、以下の記事をご覧ください。
最後に
配管ドレンファンネルの設計について解説しました。
プロセス液とくにユーティリティ液の排出時に大気開放や混合を防ぐために使う漏斗です。
口径設計を失敗すると液漏れを起こすことになります。
仮に運転時に気が付いたときには、流量や圧力を変えたりカバーを付けることが現実的でしょう。
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