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基本設計を開始する際の出発点がプロセス設計です。化学工学についてある程度知っており、プロセス設計を学びたい方を対象としています。「プロセス設計の実務」はプロセス設計への実務編としてもご利用下さい。

プロセスエンジニアリングの計算ルール

ガスの圧力損失計算液体の圧力損失計算水スチームのフラッシュ計算縦型円筒容器の容量計算 前のページへ
ガス放出の必要時間液体ドレンの必要時間圧縮機の軸馬力計算ポンプの軸馬力計算 次のページへ

第7章 計装制御

7.2 圧力制御

圧力制御は特定のポイントを対象に、その前後に繋がっている空間全体の圧力を制御します。その圧力を制御することで生じる結果は単に圧力を一定に保つことだけではなく、プロセスの性能や他の運転条件をも制御することになります。

例えば、水蒸気改質による水素製造設備のガス化工程の圧力制御は、水蒸気改質炉出口のガス圧力を制御することで水蒸気改質の反応圧力を規定します。そのために、下記に示すように圧力を上げれば水蒸気改質反応は右から左に行こうとして、結果的に改質ガス中の水素濃度は減少します。逆に圧力を下げれば反応は右に行こうとして水素ガス濃度が増加します。つまり、このケースでの圧力制御は水素量を支配することになります。

CH4+H2O ⇄ CO+3H2


一方、火力発電所の蒸気ボイラや化学プラントなどに設置される廃熱ボイラで行われるスチーム圧力の制御は、その圧力における飽和温度を設定することになりますので、ボイラで発生するスチーム温度を制御することと同じ意味になります。これと類似の事例は化学プラントで多く見られ、石油精製や石油化学プラントの蒸留塔の圧力制御はこの一例です。

上記の改質ガスやスチームのような圧縮性流体では容易に圧力を制御することが出来ますが、液体のように非圧縮性と考えられる流体では圧力を制御することは非常に困難です。そこで、このようなケースでは液と直接的あるいは間接的に接触している気体の圧力を制御する方法が取られます。(ポンプの吸込圧力制御)

液の圧力制御が困難な例として、閉じ込められた配管内での液を加熱すると液が膨張して異常昇圧が見られます。

7.2.1 化学プラントにおける圧力制御

化学プラントは複数の工程から構成されており、それぞれの工程では適切な圧力が存在します。ここでは、天然ガスを原料とするメタノールプロセスを例に、圧力制御の方法や注意すべき事柄を説明します。

メタノールプロセスを工程の順番に沿って、その圧力レベルをもとに以下の三つに分けることが出来ます。

  1. 水蒸気改質工程(脱硫工程含む)
  2. メタノール合成工程
  3. メタノール蒸留工程


ガス化工程の圧力は2~3MPaG、合成工程の圧力は6~10MPaG、そして蒸留工程の圧力は大気圧~0.1MPaG以下となっています。ガス化工程と合成工程の間には圧力の違いを補完するため機器、すなわち合成ガス圧縮機が設けられ、合成工程と蒸留工程の間には常圧の粗メタノールタンクが設置されています。

大型プラントの場合には遠心圧縮機が採用されますので、水蒸気改質工程から遅延なく一定の量の合成ガスを合成工程に送出するためには、圧縮機の性能曲線から分かるように圧縮機の回転数と抵抗曲線を制御する必要があります。具体的には吸込側圧力を圧縮機の回転数で制御し、これとは別に吐出側弁開度を調整して抵抗を制御します。
この吸込側圧力はガス化工程の圧力に等しいので、圧縮機の回転数がガス化圧力を制御していることになります。

そうだとすれば、ガス化工程独自の圧力制御は必要ないのでしょうか?
次回は水蒸気改質工程の圧力制御と圧縮機の回転数制御について詳しくお話しします。

圧力制御

圧力制御は最も重要な運転制御です。定常運転ではプラントの安定を保つために、工程や装置・機器の圧力を一定に制御します。ただし、低負荷運転やスタートおよびシャットダウンでは、工程などの圧力は定常時に比べ下げて制御します。この理由は、

  1. 低圧力で運転することにより圧縮機やポンプの負荷が下がり、電力消費量を節約できる。
  2. 反応系で圧力を下げると反応収率が低下し、不要な反応を避けることが出来るので、原料の消費量を節約でき、反応に伴う副産物生成を抑制できる。
  3. 低負荷なので配管や装置内を流れるガスの実流量が増加し、流体の整流分散に良い影響を与えることが出来る。それにより局所的なオーバーヒートを避けることが出来る。