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基本設計を開始する際の出発点がプロセス設計です。化学工学についてある程度知っており、プロセス設計を学びたい方を対象としています。「プロセス設計の実務」はプロセス設計への実務編としてもご利用下さい。

プロセスエンジニアリングの計算ルール

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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


熱冷媒 単位 ブライン
母材   ステンレス鋼      
 厚み mm 6 6 6 16 16 16
ライニング   Glass
 厚み mm 0 1 1 0 1 1
総括伝熱係数 kJ/m2hr-K 66.0 65.1 65.1 65.3 64.1 64.9
 ジャケット内境膜伝熱係数 kJ/m2hr-K 67.8
 壁伝熱抵抗係数 kJ/m2hr-K 9,600 2,418 3,018 3,600 1,735 2,591
比較:総括伝熱係数   100% 98.6% 98.6% 100% 98.2% 99.4%

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


熱冷媒 単位 温水
母材   ステンレス鋼      
 厚み mm 6 6 6 16 16 16
ライニング   Glass
 厚み mm 0 1 1 0 1 1
総括伝熱係数 kJ/m2hr-K 1,575 1,099 1,193 1,237 923 1,120
 ジャケット内境膜伝熱係数 kJ/m2hr-K 4,423
 壁伝熱抵抗係数 kJ/m2hr-K 9,600 2,418 3,018 3,600 1,735 2,591
比較:総括伝熱係数   100% 69.8% 75.8% 100% 74.6% 90.6%

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。

スチームによる加熱熱伝達とグラスライニングの影響


熱冷媒 単位 スチーム
母材   ステンレス鋼      
 厚み mm 6 6 6 16 16 16
ライニング   Glass
 厚み mm 0 1 1 0 1 1
総括伝熱係数 kJ/m2hr-K 2,273 1,399 1,554 1,630 1,126 1,433
 ジャケット内境膜伝熱係数 kJ/m2hr-K 32,196
 壁伝熱抵抗係数 kJ/m2hr-K 9,600 2,418 3,018 3,600 1,735 2,591
比較:総括伝熱係数   100% 61.6% 68.4% 100% 69.1% 87.9%

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。

グラスライニング

グラスライニングは平凡社の世界百科大事典では以下のように定義されています。
「ガラス質を用いて金属表面に耐食性を与えること。焼ばめ式とホウロウ(琺瑯)式がある。前者は金属容器内にガラス容器をはめ込み,ガラスの軟化点程度に炉内で加熱して内張りするもので,ガラスと金属壁とが密着しピンホール(小孔)の心配がほとんどない。後者の場合には,釉(うわぐすり)にケイ酸SiO2を60%以上含むものを使用し,普通のホウロウより高い温度で焼き付ける。いずれも耐食性を必要とする化学装置などに利用。」

漢字で書けば「琺瑯」と言い、その歴史は非常に古く紀元前にエジプトで七宝に類似したものが造られたとあります。詳細は日本セラミックス協会の「琺瑯(グラスライニング)」に詳しいので、こちらにアクセスして見ていただきたい。ただし、下図に示すPFDファイルが表示されるので注意してください。