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

5.4 安全停止と改質炉設計
5.4.1 運転温度とチューブ(改質管)設計

設計の信頼性をより向上させるためには、適切な運転方法の確立を必要とします。運転方法は千差万別であり、その中から「設計との相性が合う方法・手段を探し出し選択すること」もプロセスエンジニアリングの責務の一つです。その具体的な例としてチューブ(改質管)の設計を取り上げます。

チューブ(改質管)の設計パラメータには、①設計圧力、②設計温度、③チューブ内径、④チューブ材料の破断応力と⑤チューブ材料の破断時間の5つがあります。これらの中で③のチューブ内径と④のチューブ材料の破断応力および⑤チューブ材料の破断時間は運転方法や手段とは無関係に設定されます。
残る①の設計圧力は運転圧力をベースに決定され、運転圧力が設計圧力を超えないように安全弁が設置されているので、運転方法や手段によりチューブ(改質管)の設計圧力が影響されることはありません。ただし、前回の「運転停止と水蒸気改質炉の設計」で説明しましたように、チューブ(改質管)の寿命に対しては影響いたしますが・・・。

最後のパラメーターである設計温度は運転温度にある余裕を加えて決定します。この余裕を決めるに当たっては、運転方法や手順(運転モード)が運転温度に及ぼす影響の度合いを確認する必要があります。具体的には、

  • 温度が何℃上昇するのか
  • その頻度は年に何回あるとするのか
  • それがチューブ(改質管)の寿命をどれだけ消費してしまうのか

などを検討しなければなりません。
そのためには実績をベースにして、種々の運転モードにおける運転温度や運転圧力を設定し、その条件の下で触媒の反応速度や伝熱速度を考慮したチューブ(改質管)のシミレーションを行います。

5.4.2 運転モードと運転温度

運転モードとは通常運転やスタートアップやシャットダウン、あるいは原料変更や製品生産量が増減した場合の運転状態を指して言います。そのために各運転モードにおける温度や圧力などの運転条件は、機器の特性や運転操作の影響を受けて変化します。

スタートアップやシャットダウンの概要については、すでに§2.7.2 ”水蒸気改質炉のスタートアップ”においてスタートにおける運転モードを紹介し、§5.3.1 ”運転停止の種類”および§5.3.2 ”緊急停止における水蒸気改質炉”においてシャットダウンについて説明しましたので、運転状態の変化については後ほど詳しく説明いたします。

原料が変更になったときの運転モードは、物質熱収支の再計算から出発しなければなりませんので、ここでの議論からは除外することに致します。また、製品生産量が増減した場合、例えば増量計画のもとでは原料変更と同様に物質熱収支の再計算から出発しなければなりませんので、これも本議論から外します。逆に生産量が減少した場合には、プラント全体の負荷減少と平行して運転温度も運転圧力も下げて運転することが多いので、この運転モードもチューブ(改質管)設計に大きく影響しないので除外します。

すると残る運転モードは通常運転ですが、この運転条件は設計の元になったものですから、運転変動も少なくチューブ(改質管)設計に大きく影響しないので除外します・・・。

この考え方で良いでしょうか?

実はここに大きな落とし穴があるのです。詳しくは次回に・・・。

チューブ(改質管)の伸び

チューブ(改質管)の運転における伸びを計算してみよう。
チューブ長さは10~15m、チューブの温度は定常時で750℃(チューブ長手方向の平均値)であるから、線膨張率を12×10^-6/℃とすると以下のようになる。ただし、温度による線膨張率の変化は無視している。

伸び(mm) = (10,000~15,000)×(12×10^-6/℃×750℃) = 90~135mm

およそ100mmの伸びを生じるので、運転中はその伸びを逃がす工夫が必要となります。