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 プロセス設計の実務

プロセス設計の基本的な業務を、エタノール合成設備のプロセス設計を題材に説明しています。
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エタノール合成設備

プロセス設計に関する説明をより分かり易くするために、仮想的なプラントを設定しました。ここでは代替燃料として注目を浴びているエタノール合成設備のプロセス設計を通じて、プロセス設計の基本を学んでいきます。

原料を二酸化炭素(炭酸ガス)と水とします。ただし、誤解が無いように言っておきますが、二酸化炭素(炭酸ガス)と水から直接エタノールを作るプロセストは実用化されていません。あくまでも仮想プラントとしてご理解下さい。

10. スチームの有効利用

10.1 スチームの利用方法

第8章で明らかにしたように、供給条件を1.2MPa & 100℃、スチーム条件を185℃飽和スチーム(飽和圧力1.123MPa)とした場合の発生スチーム量を75,499kg/hと設定しました。
次に、このスチームを有効利用することで、エタノールのエネルギー原単位の改善を図ることにします。

スチームの有効利用として考えられる手段は、

  1. 熱源として利用
    1. 加熱器用熱源として利用する。例えば、プロセス熱交換器や蒸留塔リボイラーの熱源。
    2. 温水用熱源として利用する。
    3. 吸収式冷凍機用熱源として利用する。
    4. 乾燥用としてして利用する。例えば、バイオマスの乾燥など。
  2. 動力源として利用
    1. スチームタービンの駆動用として利用する。
    2. スチームエジェクターの作動用スチームとして利用する。


エタノール合成設備内で必要とするエネルギーは合成ガス循環機動力のみで、そのエネルギー量は528kWとスチーム発生熱量(49,504kW)のわずか1%強にしかなりません。そこで、スチームのユーザーを合成設備外にも捜す必要があります。
そこで、スチームの利用方法として以下のように設定します。

  1. 合成ガス循環機の駆動機としてスチームタービンを採用し、その駆動用に発生スチームの一部を利用します。
  2. 粗エタノールから水を分離するためにエタノール蒸留塔を追加し、発生したスチームを蒸留塔のリボイラー熱源として利用します。


つまり、これ以降、エタノール合成設備にエタノール蒸留設備を追加し、合わせてエタノール製造設備とします。

10.2 合成ガス循環機動力の再計算

ここでは"Dresser-Rand"にアクセスして、合成ガス循環機動力の再計算を行います。

Deresser-RandのTurbo Productの左欄に"DATUM Estimation Tool"がありますので、そこをクリックすると中央に、

Begin Selection Process - Step 1 - Gas Mixture Entry>>

がありますので、そこをクリックしますと分子量を入力するか、比重(空気を1とする)か、またはガス組成を入力するかを聞いてきますので、まず分子量に適当な数値を入れてContinueを押しますと、Step 2に移行してガス組成の入力欄が出てきますので入力します。入力が終わりましたら、次のStep 3に移動し、吸込条件や吐出条件を入力して計算を行います。

ただし、使用するインターネットプラウザがFirefoxでは操作できないことがありますので、その場合にはInternet Explorerに切り替えて操作してみて下さい。

合成ガス循環機のガス組成

Component mol%  
H2 72.30   
CO 1.43   
CO2 23.14   
N2 2.86   
C2 as C2H5OH 0.12   
H2O 0.15   
Total 100.00   

その結果を下図に示しました。この結果によれば、BHP(軸馬力)は492kWと当初想定した数値より少なくなっています。この主な原因は効率の違いで、今後はこの492kwを使用することにします。

合成ガス循環機の軸馬力計算結果の比較

項目 計算 DATUM 
吸込圧力 Bara 28  28 
吸込温度 deg.C 35  35 
吸込流量 kg/hr 72,599  72,441 
吐出圧力 Bara 31  31 
吐出温度 deg.C 45  45 
揚程 m 2,094  2,096 
効率 % 80  84 
軸馬力 kW 528  492 

DATUMの計算リスト (クリックすると拡大表示されます)

「エタノール合成設備」(連載終了)
第1章 設計基本(Design Basis)
1.1 エタノールの仕様
1.2 水の仕様
1.3 二酸化炭素の仕様
第2章 プロセスの構築と設定
2.1 プロセス名称の決定
2.2 合成反応とプロセスの設定
第3章 合成反応条件の設定準備
3.1 反応条件設定項目
3.2 反応温度の設定
3.3 反応圧力の設定
3.4 原料の流量・組成の設定
3.5 平衡反応率の計算
第4章 合成条件のケーススタディ
4.1 ケーススタディの手順
4.2 圧力と温度のケーススタディ
4.3 ケーススタディ結果の考察
第5章 プロセスの改良
5.1 循環比とエタノール生産量
5.2 循環システムの構成
第6章 物質収支計算
6.1 物質収支計算ソフトの作成
6.2 物質収支計算結果
第7章 熱収支計算
7.1 運転条件の設定
7.2 熱収支計算結果
7.3 熱回収システム
7.4 全体物質熱収支
第8章 冷却負荷とスチーム発生
8.1 冷却負荷
8.2 発生スチームと合成管熱回収
8.3 スチームの利用形態
8.4 スチーム条件の設定
8.5 発生スチーム量の計算
第9章 エネルギー収支
9.1 エネルギー収支表の作成
9.2 合成ガス循環機の軸馬力計算
第10章 スチームの有効利用
10.1 スチームの利用方法
10.2 合成ガス循環機動力の再計算
第11章 スチームシステムの構築
11.1 スチームシステム
11.2 スチームタービン
11.3 スチームタービン形式の選択
第12章 スチームタービンの熱収支
12.1 スチームタービン可能動力
12.2 抽気復水タービン