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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

6.2.5 凝縮熱伝達と有機溶剤

コンデンサー(凝縮器)やリボイラー(再沸器)は凝縮熱伝達を利用した熱交換器で、形式としては多管式熱交換器(Shell & tube)が多く採用されています。また、横型だけでなく縦型も採用されており、熱伝達係数が良好なのが特徴です。

石油精製プラントや石油化学プラントでは、これらの熱交換器は蒸留塔のコンデンサーやリボイラーとして多くの実績があり、その熱伝達の現象面については十分に研究がなされているように思われますが、実はそうではなく、まだまだ改善の余地が残されている分野です。

その理由の一つとして凝縮熱伝達の現象の違いがあります。すでに知られていることですが、凝縮には膜状凝縮と滴状凝縮の二つがあります。水の場合で膜状凝縮における熱伝達係数は4,000~6,000kcal/m2hr-K(4,600~7,000W/m2-K)ですが、滴状凝縮では30,000~40,000kcal/m2hr-Kと言われています。
実際の装置における凝縮はおそらく膜状凝縮と滴状凝縮の中間ではないかと考えられているのですが、実際の設計では安全を見て膜状凝縮における熱伝達係数を採用しています。

膜状凝縮における境膜係数の推算式

Nu数で有名なNusseltは膜状凝縮における熱伝達が膜の厚さのみに支配されるとして、液膜内の流れが層流として次式を理論的に導き出しました。

使用されている各変数の内容を以下に示します。

膜状凝縮には垂直面での凝縮と水平面での凝縮があり、先ほどの推算式の係数が違っています。垂直壁や垂直管で係数Cは 0.943 として与えられており、水平管では L を管の外径に置き換えて、係数Cは 0.725 と与えられています。

水と有機溶剤

膜状凝縮における境膜伝達係数を水と他の有機溶剤について計算してみましょう。いずれも圧力を大気圧付近にしており、係数Cは0.943、温度差を10℃、長さを1mとしており、その結果を下表に示します。

物性 単位 飽和水
NH3 CH3OH アセトン トルエン ヘキサン
P MPa 0.101 0.104 0.112 0.101 0.100 0.102
T deg.C  100  -33 67 56 110 69
k W/m-K 0.674 0.612  0.188 0.152 0.113 0.105
ρ kg/m3 959 681 747 748 780 614
μ mPa-s 0.279 0.259 0.332 0.238 0.261 0.203
r kJ/kg 2257 1336 1091 513 365 338
h W/m2-K 6481 4539 1753 1345 986 867


このように水と比べ有機溶剤の伝熱係数が13~27%に低下していることがわかるでしょう。この理由は有機溶剤の熱伝導度が水に比べ低いことが上げられます。ただし、ここで扱った物質では粘度がそれほど大きくないので伝熱係数が良好ですが、粘度が大きい場合にはさらに伝熱係数が低下しますので注意を払う必要があります。

膜状凝縮と滴状凝縮

「化学工学概論」(八田四郎次、前田四郎共著:共立出版発行)によれば、膜状凝縮とは

凝縮した液が膜状に壁面に付着しながら重力で流下する状態。

鉛直方向に設置されている冷却面を考えると、上部では液膜厚みが薄く重力の影響が大きいので層流を形成しているが、下に行くに従い液膜の厚みが増し、乱流を形成する。これに対して滴状凝縮とは、

凝縮液が滴状となって滑り落ち、壁面の大部分が絶えず裸で直接蒸気に触れている状態。

この滴状凝縮での伝熱性能は3*10^5W/(m2-K)で膜状凝縮における伝熱係数3*10^4W/(m2-K)に比べ大きいが、現象については良くわかっていないので、凝縮器などの設計においては膜状凝縮を前提においた性能計算を行うことになっている。