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
6.2.8 熱伝達と材料の影響(No.37)(2009.10.12)

グラスライニング

グラスライニングは炭素鋼などの金属表面にガラスをコーティングしたもので、酸やアルカリなど腐食性の強い流体を扱う場合に使用される材料です。ガラスには一般用から耐熱性にすぐれたもの、あるいは耐摩耗性にすぐれたもの、そして静電気対策用など色々な種類がありますので、用途により選定していきます。

例えば石油化学分野などで多用される有機溶剤(ヘキサンやトルエンなど)を扱う場合には、溶剤とガスあるいは溶剤と容器間で静電気を生じる可能性があります。そのために蒸発した一部の溶剤が発火して火事になる可能性や、グラスライニング表面に出来たピンホールから母材金属が溶解し、製品中の金属イオンが増大するなどのトラブルを招く恐れがあります。
このような場合には静電気対策用のグラスライニングを採用することをお奨めします。

グラスライニングのもう一つの特徴は熱伝導度が金属に比べ非常に小さいことです。例えば、炭素鋼の熱伝導度は約50W/m-Kですが、ガラスの熱伝導度は約1W/m-Kに過ぎませんので、熱伝達を伴う機器にグラスライニングを使用する場合には伝熱設計に注意を払う必要があります。

グラスライニングの熱伝達

前回の”熱伝達と粘度の影響”で例題に使用した撹拌槽伝熱を取り上げて、グラスライニングの熱伝達に及ぼす影響を調べてみましょう。伝熱形態は撹拌槽内溶液を外部から加熱冷却するジャケット伝熱です。計算の前提は、

  1. 槽内溶液:メタノールとトルエンの混合液
  2. 加熱媒体:温水(90℃)あるいはスチーム(143℃)
  3. 冷却媒体:ブライン(エチレングリコール50%、-15℃)
  4. 伝熱方式:外部ジャケット
  5. ジャケット:内径612mm、外径700mm、高さ700mm

まず、ブラインによる冷却時の伝熱性能を見てみましょう。
ここでは、母材をステンレス鋼と炭素鋼を対象にしており、それぞれの熱伝導度は16W/m-Kと51W/m-Kを使用しています。また、厚みによる影響を見るために母材の厚さを6mmと16mmの二つにしています。一方、グラスライニングの厚みは1mmにして、その熱伝導度は0.93W/m-Kに固定しました。
この結果、グラスライニングを使用しない無垢母材における総括伝熱係数Uを100とした時の各ケースでの比率を見てみますと、

  1. グラスライニングの有無および厚みならびに母材材料がU値に及ぼしている影響は小さく、各ケースでのU値は98%以上を示しています。
  2. この理由はジャケット側境膜係数が67.8kJ/m2hr-Kと小さいために、各パラメータの影響が出にくいためと思われます。
ブラインによる冷却熱伝達とグラスライニングの影響

次に、温水による加熱時の伝熱性能を見てみましょう。
ここでもブライン冷却と同じく、母材による影響、厚みによる影響、そしてグラスライニングの有無の影響を見てみました。
この結果、グラスライニングを使用しない無垢母材における総括伝熱係数Uを100とした時の各ケースでの比率を見てみますと、

  1. グラスライニングの有無によるU値の低下は、母材にステンレス鋼を使用し厚みが6mmと薄い場合に顕著で、70%以下になっています。
  2. 逆に、母材に炭素鋼を使用し、厚みが16mmと厚い場合には、グラスライニングが及ぼす影響は小さく、90%強におさまっています。
  3. この理由はジャケット側境膜係数が4423kJ/m2hr-Kと大きく、母材の熱伝導度などのパラメータの影響が出やすいためと思われます。
温水による加熱熱伝達とグラスライニングの影響

最後に、スチームによる加熱時の伝熱性能を見てみましょう。
ここでも今までの例にならって、母材による影響、厚みによる影響、そしてグラスライニングの有無の影響を見てみました。
この結果、グラスライニングを使用しない無垢母材における総括伝熱係数Uを100とした時の各ケースでの比率を見てみますと、

  1. グラスライニングの有無によるU値の低下は、温水加熱と同じく母材にステンレス鋼を使用し厚みが6mmと薄い場合に顕著で、62%弱になっています。
  2. 逆に、母材に炭素鋼を使用し、厚みが16mmと厚い場合には、グラスライニングの影響は小さく、88%弱におさまっています。
  3. この理由はジャケット側境膜係数が32196kJ/m2hr-Kと大きく、母材の熱伝導度などのパラメータの影響が出やすいためと思われます。
温水による加熱熱伝達とグラスライニングの影響

以上の結果から、グラスライニングによる総括伝熱係数への影響は一律ではなく、母材の種類や厚み、そして加熱側あるいは冷却側の境膜係数に大きく左右されることがお分かりになるでしょう。

膜状凝縮と滴状凝縮

「化学工学概論」(八田四郎次、前田四郎共著:共立出版発行)によれば、膜状凝縮とは

凝縮した液が膜状に壁面に付着しながら重力で流下する状態。

鉛直方向に設置されている冷却面を考えると、上部では液膜厚みが薄く重力の影響が大きいので層流を形成しているが、下に行くに従い液膜の厚みが増し、乱流を形成する。
これに対して滴状凝縮とは、

凝縮液が滴状となって滑り落ち、壁面の大部分が絶えず裸で直接蒸気に触れている状態。

この滴状凝縮に関する現象については良くわかっていないので、凝縮器などの設計においては膜状凝縮を前提においた性能計算を行うことになっている。