この”プロセス設計の実務”では、プラントエンジニアリングの基幹となるプロセス設計の”イロハ”について説明しており、プラントエンジニアリングやプロセスエンジニアリングに興味がある社会人や学生を対象にしています。

この”プロセス設計の実務”では、基本に帰って「プロセス設計とは?」をもう少し掘り下げていきたいと考えています。その進め方については以下のように考えています。

  1. 「天然ガスを原料とする水素製造プラントのプロセス設計」を例題として設定いたします。
  2. プロセス設計というよりは基本設計+詳細設計の一部を含めた範囲としますので、機器設計や配管設計などに言及することが多くなります。
  3. 実際の設計に使用するエンジニアリング・ツールなどを使用しながら説明いたします。
  4. 更新のインターバルは原則として週1回(月曜日)と考えていますが、他のテーマを優先することもあります。

3. プロセス設計と機器設計(容器の設計)

3.1 容器の種類

化学プラントには多くの容器(Vessel)が使用されています。この容器にはタンク、分離器、フィルタ、ドライヤ、ストレーナおよび粉砕器などが含まれており、特に重要なのはタンク(貯蔵タンク)と分離器(プロセスドラム)です。次節からは容器のサイジングとして、貯蔵タンクと分離器を取り上げます。

3.2 貯蔵タンク

3.2.1 貯蔵タンクの分類

貯蔵タンクは貯蔵される流体性状や貯蔵圧力、そして構造や使い方などから細かく分類されます。例えば、貯蔵される流体の常温における蒸気圧が大気圧に比べ低いかあるいは高いかでその構造が大きく変わってきます。例えば、

  1. 常温でも貯蔵が可能な水やメタノールなどは、コーンルーフタンクなどの固定屋根式タンクやフローティングルーフタンク(浮屋根式)が使用されます。
  2. 常温(10~30℃)での蒸気圧が大気圧より高い場合には液体を冷却液化して貯蔵する。例えばアンモニアやLNGなどは極低温タンクや低温タンクなどを使用する。多くは二重殻を装備しそこを真空に保つための真空装置や冷凍機を装備している。
  3. 都市ガスなどは高圧にして貯蔵する。そのために球形タンクが採用される。

詳細はメーカーのホームページを参照下さい。例えば、株式会社石井鐵工所やトーヨーカネツ株式会社など。

3.2.2 貯蔵タンクの使用目的とサイジング

貯蔵タンクの使用目的としては、

  1. 備蓄や輸送などを目的にした長期貯蔵
  2. 工程間の運転調整を目的とした短期貯蔵
  3. 製品払出などにおける品質テストのための短期貯蔵

などがあります。一般に備蓄や輸送などを目的にした長期貯蔵では、海上輸送(タンカー)の往復日数を考慮してタンクのサイジングを行います。また、工程間の運転調整を目的とした短期貯蔵では、運転停止時における一時貯蔵や品質低下(オフスペック)時の再処理をベースに関係する設備容量や機器容量を考慮してサイジングを行います。製品払出などにおける品質テストのための短期貯蔵におけるサイジングは、品質テストに要する時間をベースに決定されます。

例えば、基本設計演習「エタノール合成設備」におけるエタノール貯蔵設備のサイジングを以下の手順で行ってみます。ただし、エタノールの生産量を1日1,000トンとします。

  1. 粗エタノールタンク:エタノール合成設備とエタノール蒸留設備間に貯蔵タンクを設け、運転のフレキシビリティを保つことにします。貯蔵タンクの容量をエタノール生産量1日分とし、エタノール合成設備出口の粗エタノール中のエタノール濃度を46wt%、密度を.890kg/m3しますと、タンク容量は1,000,000kg/(46wt%×890kg/m3) = 2,450m3となります。
  2. エタノールテストタンク:製品として払い出すエタノールの品質テスト用タンクの大きさを分析などに要する時間を12時間として計算します。ただし、テスト中のエタノール受入のためにタンクを二基設置することにします。エタノールの密度を790kg/3タンクの大きさは、1,000,000/(2×790kg/m3) = 633m3となります。
  3. エタノール製品タンク:生産したエタノールを中国の上海に輸出するとします。上海までの海上航路日数を往復で2日とし、荷揚げに1日、余裕として1日、合計4日要するとします。また、タンカーは一隻とするとタンクの大きさは、1,000,000kg×4日/(790kg/m3) = 5,064m3となります。

以上の結果を表にまとめますと下表のようになります。

粗エタノールタンク 粗エタノール 1日 1基 2,450m3
エタノールテストタンク エタノール 半日 2基 633m3
エタノール製品タンク エタノール 4日 1基 5,064m3

コールルーフタンクの安全対策

可燃性物質を貯蔵するタンクには色々な安全対策が施されています。その具体例を説明します。

大陽輻射熱とタンク内雰囲気

例えば、コーンルーフタンクは太陽からの輻射熱に直接さらされますので、タンク内の液体温度が上昇することで液体の表面から蒸発が始まり、屋根に設置されているブリーザーバルブから大気中に放散されます。また、温度が下降した場合には逆に大気中の空気(酸素)がタンク内の取り込まれる可能性があります。そこで、安全対策としては、

1.N2によるブランケットシステム

N2によりタンク内部をシールする。その際、タンクを破壊しないように微小な制御が可能な圧力調整機構を採用する。これを”N2によるブランケットシステム”という。(燃焼防御)

2.フレームアレスタの設置

万一タンクの周囲で火災が発生した場合、通気装置に進入した火炎をタンク内容物に引火させないようにするため、にフレームアレスタの設置する。(火炎防止)

3.屋根の吹き飛び

可燃性雰囲気となり万が一爆発した場合に、周辺への液体飛散を最小限にするためにタンク屋根と本体との接続を弱めて、屋根が吹き飛ぶようにする。

4.ダイク(防液堤)

万が一液体が周辺に漏れても広がらないようにするために、タンク周囲のダイク(防液堤)を設ける。このダイクの高さは、ダイクに囲まれた体積がタンク容積以上になるように決められる。