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。

5. 水蒸気改質炉設計

5.1 改質管の設計

5.1.1 改質管とは

リフォーマーチューブ(Reformer Tube)、すなわち(水蒸気)改質管は、水素やアンモニアあるいはメタノールなどの原料となる水素ガスを製造する水蒸気改質炉(Reformer Furnace)で使用される反応器である。この改質管の内径は100mm前後、長さは約10m以上の遠心鋳造管で、その材料は高Cr-Ni系の耐熱合金である。

改質管内部にはNi系の水蒸気改質触媒が充填されており、その中をスチームと天然ガスやメタンなどの炭化水素系の気体もしくはナフサなどの液体(ガス化後の)が改質管上部から下部へと流れ、その間に改質管外側から熱せされながら反応が進行する。

5.1.2 改質管の材料

改質管外表面はバーナーの火炎や高温燃焼ガスにさらされるために耐熱合金(Heat Resistant Alloy)が採用される。
1960年代には最初の耐熱遠心鋳造管HK40(25Cr-20Ni)が製造された。その後、1970年代にはIN519(25Cr-24Ni+1Nb)やHP Modify(25Cr-35Ni+1Nb)が出現し、1980年代に入って現在も主流であるHP Micro-alloy(25Cr-35Ni+1Nb+Ti,Zr,W,Cs)が製造された。このHP Micro-alloyと最初のHK40を強度で比べると2.2倍の開きがある。

5.1.3 Larson-Miller Parameter(LMP)

Larson-Miller Parameterは改質管などの高温サービスで使用される材料の肉厚計算などの機械設計に使用されるパラメータである。

日本材料学会の高温強度部門委員会の定義によれば、

  • 「異なる温度におけるクリープ破断データ(負荷と破断時間の関係)を統一的に整理するためのパラメータとして、ラーソンミラーパラメータP[=T(C+logtr)]を使用することが多い。」
  • 「ここで、Tは絶対温度(K)、trは破断時間(h)、Cは材料定数であり多くの耐熱鋼では20前後の値となる。」
  • 「このパラメータと負荷応力の関係が試験温度によらず、一つの関係式で表されることを利用し、高温短時間のクリープ破断データから、より低温長時間のクリープ破断寿命を予測することができる。」

改質管のメーカーあるいはAPI STD 530に、各耐熱材料に関するLarson-Miller Parameter(LMP)、もしくはAlloy Data Sheetが公表されている。その中から、Kubota KHR35CT に関するLMPと破断応力(Ruputure Stress)をExcelで計算し、その結果を表と図に示した。ただし、破断時間を100,000時間(およそ12.5年間)とし、破断応力の単位はMPaである。
なお、Larson-Miller Parameterの理論的なバックグラウンドについてはWikipedia(英語版)に掲載されていたので紹介する。ただし、内容については詳細にはチェックしていないので取扱に注意して下さい。

温度℃ 815.6 871.1 926.7 982.2 1037.8 1093.3
LMP*10^-3 27.22 28.61 30.00 31.38 32.77 31.16
Average MPa 55.02 40.68 27.65 16.75 9.58 5.31
Minimum MPa 48.19 35.65 24.20 14.62 8.41 4.62

耐熱合金(Heat resistant alloy)

耐熱合金に関する主なネット情報をご紹介します。なお、直接リンクさせてはおりませんので、ご面倒でもウェブアドレスをコピーするか手入力して下さい。

株式会社クボタ:MATERIAL TECHNOLOGY(材料技術)、耐熱鋼、http://caststeel.kubota.co.jp/
j/jmb/jmb-b.html

太平金属工業株式会社:製品案内、遠心鋳造品、http://www.taiheikinzoku.co.jp/
products/enshin.html

大同スペシャルメタル株式会社:製品案内、耐熱合金、http://www.dsml.co.jp/
pages/products_heat.htm