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。

6. 熱交換器の設計

6.2 熱交換器と物性
6.2.1 凝縮と物性

熱交換器のプロセスデータは、①取り扱う流体の性状や物性に関わるデータと②機器の形式や材質に関するデータの二つに分けることが出来る。
もし、市販のシミュレータが無いか、あっても扱う流体物性がない場合には、流体の物性データを用意して入力の準備に費やす時間が予想以上かかる。特に熱交換の途中で流体が凝縮する場合には、密度(液体)、分子量(気体)、粘度(mPa-s)、熱伝導度(kJ/kgm-K)および比熱(kJ/kg-K)の他に蒸発潜熱(kJ/kg)と凝縮曲線が必要となる。

良く知られているように、二点の温度における蒸気圧がわかるならば、その間の平均蒸発潜熱は次式で計算できる。

L(蒸発潜熱:J/mol)=8.311*T1T2/(T1-T2)*ln(p1/p2)

ここで、T1とT2は温度(K)で、p1とp2はそれぞれの温度における蒸気圧を示しています。

もう一方の凝縮曲線は下図に示すように交換熱量と凝縮量を温度を変数としてプロットしたもので、流体中に凝縮成分と非凝縮成分が混在している場合に必要となる。計算精度を期すのであれば、この曲線だけではなく各温度における液相と気相の物性(密度または分子量、粘度、熱伝導度そして比熱)を明示しなければならない。しかし、一般には入口温度および出口温度の物性の平均値を使用しているようである。
凝縮曲線 青色→交換熱量、赤色→凝縮量
なぜこのような凝縮曲線が必要かと言えば、熱交換の途中で凝縮により、気相(非凝縮成分と凝縮成分の蒸気部分の合計)と液相(凝縮成分の凝縮液部分)の組成が変化し、そのために伝熱係数も大きく変化するからである。

実は先ほどの図には大きな間違いがあることに気づかれたでしょうか?
つまり、凝縮は100℃近辺で起こり始めていながら、凝縮量の変化がそれより高温の領域で始まっており、これは明らかに凝縮量の変化がおかしい。そこで正しい凝縮曲線を下図に示しました。


次回はこの凝縮曲線の作り方について紹介します。

熱交換器の種類と名称

熱交換器は用途と形式により分類されます。
用途別で分類しますと、

  1. 熱交換器:プロセス流体同士で熱交換させる
  2. 加熱器:ある流体をスチームなど熱媒で加熱することを目的とする。例えば、重油加熱器など
  3. 予熱器:加熱媒体の温度や被加熱粒体の相変化を考慮して、加熱器の上流側に設置する熱交換器
  4. 過熱器:スチーム過熱器など、飽和状態から過熱状態まで加熱する熱交換器
  5. 冷却器:ある流体を冷却水などの冷媒で冷却することを目的とする
  6. 凝縮器:スチームなどの蒸気を凝縮させる熱交換器で、凝縮させる量により全縮器と分縮器に分けることがある
  7. 復水器:スチームタービンからの排気スチームを回収するための凝縮器