物質収支と熱収支の基礎：化学プラント設計を支えるバランス設計の考え方

化学プラントのプロセス設計において、最初に必ず登場するのが「バランス設計」です。中でも物質収支（マテリアルバランス）と熱収支（ヒートバランス）は、装置サイズや設備能力を決める根幹となる考え方です。

機電系エンジニアにとっては「プロセスエンジニアの仕事」「上流で決まって降ってくる条件」と感じやすい分野かもしれません。しかし、マテリアルバランスやヒートバランスの発想を理解しておくことで、設計内容の妥当性を確認したり、運転後の改善に活かしたりすることができます。

この記事では、化学工学の基本である物質収支と熱収支の考え方を、実務でどう使われるのかという視点で整理します。

マテリアルバランス

マテリアルバランスは物質収支と呼ぶこともあるでしょう。ここでは省略してマテバラと呼びます。マテバラは、化学プラントの各ポイントにおける物質のバランスを示したものです。そのポイント内で流入・流出するすべての物質について、質量流量・体積流量・濃度などの各種の組み合わせを一致させないといけません。

例えば、水100kgと油100kgをタンクに入れて、分液する作業を考えましょう。この場合にタンクに視点を当てたマテバラは、例えば以下のような表現をします。

	水	油	水油受入後	分液排水	分液廃油
水	100kg	0kg	100kg	100kg	0kg
油	0kg	100kg	100kg	0kg	100kg

これくらいの表現でも良いですが、工程をちゃんと考えてもう少し細かく書いた方が良いでしょう。

	水	水受入後	油	水油受入後	分液排水	排水分液後	分液廃油	廃油送液後
水	100kg	100kg	0kg	100kg	100kg	0kg	0kg	0kg
油	0kg	0kg	100kg	100kg	0kg	100kg	100kg	0kg

ちょっと分かりにくいですよね。表を少し変えると分かりやすくなります。

	受入		タンク内		払出
水1			0kg
油1			0kg
			↓
水2	100kg	→	100kg
油2	0kg	→	0kg
			↓
水3	0kg	→	100kg
油3	100kg	→	100kg
			↓
水4			0kg	→	100kg
油4			100kg	→	0kg
			↓
水5			0kg	→	0kg
油5			0kg	→	100kg

こんな感じで工程ごとに細かく分けて物の量を整理していきましょう。この例は非常に簡単化していますが、実際には純粋な水でなければ純粋な油でもなく、排出される組成とタンク内の組成は違ったりします。蒸留などが入ってくると複雑さは一気に増すでしょう。

専用の計算ソフトで解析したり、実験データを使ったりして、バランスをまとめていきます。そんなマテバラからエンジニアリングで使う情報を、ザックリ紹介しましょう。

化学プラントのプロジェクトの根幹をなす、主要設備の主要情報を決めるために、マテバラを使います。プロジェクトの初期段階、とくに基本設計としてマテバラはとても重要ですね。

ヒートバランス

ヒートバランス（熱バランス）は熱収支という言い方もするでしょう。物の移動はしないけど熱の移動をする場合に使います。

例えば反応槽で100kWの反応熱が発生する、反応Aを行ったとしましょう。単純に考えれば以下のようになります。

	反応A
反応熱	100kW
冷却水	100kW

これだけではバランスと言えません。工場では別々の反応槽で個別に反応が行われ、それぞれ別の冷却源で除熱するというケースが普通にあります。ちょっと複雑化してみましょう。

	反応A	反応B	反応C	冷凍機	合計
反応熱	100kW	50kW	200kW		350kW
冷却水	100kW	50kW		300kW	450kW
ブライン			200kW		200kW

種類が増えてくると複雑さが一気に増しますね。化学プラントの設計の最大の敵は数ですから。この例では反応Aと反応Bは冷却水で除熱するけど、反応Cはブラインで除熱します。ブラインは冷凍機で冷却水を使って除熱するのでその分も加算します。

反応熱・冷却水・ブラインそれぞれで熱量を合計してみたのが上の表です。このようにしてヒートバランスから得られるエンジニアリングの情報を紹介します。

熱に関する情報は反応時間など工程スケジュールに関わる主要情報です。マテバラだけでなくヒートバランスもとても大事な情報ですね。反応熱そのものは実験値が基準となるので機電系エンジニアが関わる部分は少ないです。

しかし、その反応熱を使ったヒートバランスは機電系エンジニアならチェック可能です。プロセス設計の範囲内ですが、ダブルチェック目的で確認することは大事ですね。

原単位

原単位とは、製品単位重量当たりの原料等の投入量のことです。「その製品を作るために投入する資本」という言い方もできます。

原単位には原料だけでなく副生成物・廃棄物・熱・電気・空気・窒素など生産に投資する資本をすべて集めます。物だけでなく人も含めます。この中でも物に関する情報はマテバラやヒートバランスが基本となります。

マテバラやヒートバランスの設計原単位と、運転値から得られる実績原単位に差があれば問題です。製造部の管理者がこだわらないといけない部分ですね。運転後の合理化案を練る時にも使います。

例えば、油層側が製品で水洗浄をする時に油から水へ抽出される量を少しでも減らしたいと考えましょう。この場合は水や油の温度や、水の回収などを考えます。その費用対効果を調べるためには、マテバラと実績値をデータとして活用します。

こういう解析をすることは製造部管理者の大きな責任です。

参考

化学工学の知識は機電系エンジニアと言えども必要です。基本的な部分から徐々に学習していきましょう。以下のような書籍も役に立ちますよ。

関連記事

詳しく知りたい方は以下の記事をご覧ください。

最後に

化学プラントにおけるバランス設計として、

• 物質収支（マテリアルバランス）
• 熱収支（ヒートバランス）

の基本的な考え方を整理しました。

これらはプロジェクト初期の基本設計で装置サイズや設備能力を決めるだけでなく、運転開始後には原単位の比較や改善検討にも使われます。

機電系エンジニアにとっても、「プロセスの話だから知らない」で済ませてしまうのはもったいない分野です。バランス設計の発想を理解しておくことで、設計の妥当性確認や運転改善に一歩踏み込んだ関わり方ができるようになります。

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