【ガラス電極】pH計の原理とプロセス中の使用場所

制御計装設計

NEONEEETです。

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としています。

この記事を読むと、プロセスpH計について知ることができます。

結論

pHは反応条件を管理するために必要な指標。

pH計はガラス電極を使うことが多い。

タンク外に設置する方が総合的に有利。

はじめに

流量計・温度計・圧力計・液面計のプロセス4大計器以外にも

色々な計器を使います。

そのほとんどは分析計という位置づけです。

今回はpH計について紹介します。

pH

pHを知っていますか?

機械屋では高校化学で学んでいるはずですが、興味がなくて知らない

という残念な人がかなり多いです。

それでもpHが低ければ酸、高ければアルカリということは知っています。

弱酸性・弱アルカリ性の洗剤などが話題になってきた、この20年くらいで徐々に浸透しています。

良い傾向。

ところが、学問的な知識として知っている人が非常に少ない。

pHという表記が一般的なのに、PhとかPHとか書いて疑問に思わない人間が多いこと!

残念です。

pHはH+イオン濃度として捉えるのが一般的です。

この値の大小で、溶液内の反応進行を間接的に評価できるので、化学工場でも非常に重宝します。

プロセス中でも反応容器につけて、反応の終点確認や条件出しに使います。

ガラス電極式

2種類の異なったpHの液をガラス薄膜の両側に置くと、

pH差による電位差がガラス薄膜に発生します。

これを検知するのがpH計の仕組み。

理屈は非常に簡単。

装置はやや複雑。

下のような装置構成になります。

pHは直接測定できるわけではなく、間接測定です。

比較電極と測定電極の2つを使います。

電極にはあらかじめpHが分かっている液を入れています。

片方はKCl(塩化カルシウム)が一般的です。

もう片方は内部液として通常はpH7の液体が入っています。

この辺は、機械屋はあまり知らなくても、いいことでしょう。

機械屋にとって重要なことは

液を測定する部分にガラスを使っていること

この1点です。

設置場所

pH計の設置場所として、バッチ系化学工場では2種類あります。

タンク内とタンク外です。

タンク内

タンク内にpH計を付けるときの問題として、タンク液面が一定でないということがあります。

pH計は大きな保護管を付けて、タンクの下面まで浸さないといけません。

これと同じ発想が温度計ですね。

ステンレスの容器なら温度計タンク側面に設置できますが、ガラスライニング容器なら温度計はタンク天板から長いパイプを使って設置します。

これと同じことがpH計にも起こります。

温度計と違う点として、ステンレスでもタンク天板から取らないといけないということがあります。

温度計は隔壁としての保護管を付けることが可能ですが、pH計は液を直接測定する以上は保護管は不可能。

タンク側面にpH計を付けると、運転時のpH計の取り外しが非常に危険な作業になり、普通はしません。

タンクの液がちゃんと撹拌されている条件が必要であり、制約条件となりえます。

タンク外

タンク外に設置する場合、タンク周りの循環配管につけます。

総合的にタンク外に設置する方が有利です。

配管内の液量はタンク内に比べて少ないので、測定面では非常に有利

循環はポンプで掛けるため、ポンプの圧力が高かったり変動が大きいと、ガラスが割れるという意味で不利

pH計の保護管の長さや取り外しの作業性を考えると、タンク外の方が遥かに有利

余計な配管スペースを必要とするので、作業空間的には不利

おわりに

pH計という原理を知ることも大事ですが、ガラスを使うという点に着目することで、

機械屋として取り組むべきことに目が行きやすくなります。

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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