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。

1. 物質収支の計算 (続き)

1.3 原子バランスの組み込み

物質収支計算表に原子バランスと相変化の情報を組み込みます。
原子バランスの組み込みは、次回に説明する水蒸気改質反応を考慮した物質収支計算に必要となります。また、原子バランスをチェックすることで物質収支計算全体のチェックにも繋がります。

原子バランスを計算するために各組成における原子の数を入力します。ここで考慮すべき原子として、C(炭素)、H(水素)、O(酸素)、N(窒素)が最低限必要で、それ以外にS(イオウ)やCl(塩素)などを必要に応じて加えます。この組成ごとの原子数は物質収支で必ず使用しますので、別のExceファイルに登録しておき、必要に応じてリンクさせると便利です。

ただし、原子バランスを計算する場合、以下の内容を取り決めておきます。

  1. 原子バランスは各組成の分子量欄の右側に挿入します。
  2. 便宜上、H(水素)は2Hを単位とします。
  3. 各ストリームについての計算結果を表中の50行目~55行目に挿入します。

その計算結果の一部を下表に示しました。例えば、ストリーム"0100"の天然ガス(NG feed)とストリーム"0400"のスチーム(Reforming Steam)の原子バランスは以下のようになっており、流量として"kmol/h"とそれに分子量を乗じた"kg/h"を表示しています。

原子 分子量 NG feed Steam
kmol/h kg/h kmol/h kg/h
C 12.011 1000.0 12011 0.0 0
2H 2.016 2000.0 4032 3000.0 6048
O 16.000 0.0 0 3000.0 47999

1.4 気液分離

物質収支計算では気液混相のストリームから液体を分離する操作が必要となります。そこで気液(Vapor & Liquid)両方の流量を表示する欄を準備します。

Excel版のシート"GasBal&0.2"の27行目~44行目が相当します。

天然ガス(NG feed)もスチーム(Reforming Steam)も気相なので、液相部分の流量は全て"0"を入力しています。

1.5 ストリームの合流(Addstream)

天然ガス(NG feed)とスチーム(Reforming Steam)は合流して水蒸気改質炉に流入しますので、物質収支表の最右側に合流(Addstream)の列を追加しました。ここではそれぞれの組成の加算結果を示しています。

Excel版のシート"GasBal&0.2"の14列目と15列目が相当します。

これらの取り決めをもとに物質収支表を追加変更しました。そのExcel版をダウンロードできるようにしましたので、興味ある人はクリックしてみて下さい。

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