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化学工学はプロセス設計の基本となる工学で、原料から製品を作るためのものの流れ(狭義のプロセス)を具象化するために考えられた工学です。

化学工学を確立することで、以下の作業が可能となりました。

  1. 原料から製品を作るための手順(工程)を策定する。
  2. 工程に必要な機能を明らかにする。
  3. 機能を有する装置や機器を開発あるいは選択する。

工業的に生産されている化学物質は約10万種類あり、それぞれの生産プロセスに必要な装置や機器を1から設計することは限られた時間と経済的な面からあり得ないことです。

そこで化学プラントに共通する機能を抽出し、機能に係わる基礎理論と対応する装置の設計手法を決めました。それが化学工学の基本科目と応用科目です。

基本科目では化学や物理化学などの基本理論や現象を学習し、応用科目では化学機械の設計方法やプラント建設に係わる経済性評価を学習します。

化学工学の基礎と応用化学工学の基礎と応用
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1.2 物質収支
1.2.1 物質収支(液体)続き

前回、下図(図1-1)にあるようなシステムにおいて、「或る限られた時間内で流入する質量と流出する質量を同じにするにはどうしたらよいのでしょうか?」という問いかけをいたしました。
図1-1
その答えを出すためにもう一度、図1-1の物質収支を考えてみましょう。ここでは瞬間的な流量ではなく、ある限られた時間内での量をベースにして考えてみます。つまり、流入するFaを或る時間で積分した流入量Qaと、流出するFbの同じ時間内での積分値Qcとの関係です。ドラム内量の変化ΔQdを考慮すると、このシステムの物質収支を表す次式が成立します。

Qa = ΔQd + Qc
Qa - Qc = ΔQd

ここでΔQdはQa>Qcであれば正、Qa<Qcであれば負の値となります。つまり、Qa = QcにするためにはΔQdが”0”にしなければなりません。それはドラム内液面を一定の高さにすることに他なりません。
そこで、、「或る限られた時間内で流入する質量と流出する質量を同じにするにはどうしたらよいのでしょうか?」に対しては、

  1. ドラムに液面制御機器を設置する。
  2. 常にドラム内液面が一定になるようにFaもしくはFb(=Fc)の流量を制御する。
  3. 流量を制御するためにFaもしくはFb配管に制御弁を設置する。

この新しいシステムを図1-2に示します。
制御弁をFaあるいはFbにするかは、Faの供給元で流量変化を許容するかどうか、そしてFbの供給先での流量変化を許容するかどうかにより変わってきます。
図1-2

液体密度の温度変化

液体の密度の温度変化は気体に比べ非常に小さい。例えば、水の密度の温度変化はおよそ0.3%~0.4%/10℃です。
もし、当初、密閉された容器(大気圧)に30℃の水が満液で保管されており、外部から加熱されて温度が10℃上昇して40℃になったとします。すると、容器内圧力は何気圧まで上昇するでしょうか?
この問題を解くには温度と圧力が変化した場合の水の密度変化が必要です。つまり、

大気圧下で、995.7kg/m3 @ 30℃ & 992.3kg/m3 @ 40℃

容器の大きさは変わりませんから、温度40℃に変化しても密度は30℃の995.7kg/m3にならなければなりません。そこで、温度40℃で密度が995.7kg/m3になる圧力を求めてみます。
下図に水密度の圧力変化を示しました。この図で当初の密度995.7kg/m3になる圧力を求めますと、何と8MPa(約80気圧)になることがわかります。つまり、温度が10℃上昇しただけで圧力が80倍に上昇するのです。これでは容器から水が漏れたり容器そのものが破裂するリスクがあります。
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そのために、密閉で外部より加熱される可能性がある場合には安全弁を設置しなければなりません。その吹出し流量は容器容量と圧力増加率(温度上昇速度に依存)から求めることが出来ます。また安全弁のサイズは吹出し流量と安全弁の設定圧力やその他の条件(例えば背圧など)が決まれば、例えばAPI RP520 式3.12から計算します。