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。

2. 熱収支の計算(続き)

2.2 熱収支計算表の作成

熱収支計算表を、前回の「熱収支計算の基礎」で説明した計算手順をもとに作成します。
計算表への追加や変更については後述しますExcelファイルのシート”GasBal&0.6”のA列目に注釈として説明文を挿入しました。以下にその内容を転記します。

  1. 69行目にApproach temperature ℃(平衡温度からのズレ)を指定できるようにしました。Excelファイルには代表的なアプローチ温度を記入しています。(最終的には触媒メーカとの協議で決める)
  2. 77行目には200行目に計算している合計熱量を表示。
  3. 79行目にCO shift反応器を断熱とした場合の出口温度の繰り返し計算を追加。ここではCO shift反応器の入口出口の熱量の比が1になうように出口温度を変更しています。ただし、そのたびにCO shift自身(18行目)の繰り返し計算を行う必要があります。
  4. 83行目にstream中のH2Oの露点を追加。この温度は次の繰り返し計算の初期値(計算値)に使用されています。
  5. 84行目にはstream中のH2O分率から計算した分圧と蒸気圧に関する繰り返し計算を追加しました。
  6. 108~130行にはGasのエンタルピー(顕熱分)の計算を追加。
  7. 131~151行にはLiquidのエンタルピー(顕熱分)の計算を追加。
  8. 152~173行には熱量(顕熱分)の計算を追加。
  9. 179~199行には生成熱の計算を追加。
  10. 200行目には熱量合計を追加。

これらの追加や変更それ自身は簡単で問題ないのですが、各streamで繰り返し計算が追加となり、そのたびにExcelツールの”ソルバー”や”ゴールシーク”を使うと手間ばかりかかります。そこで、この熱収支計算表での繰り返し計算用にマクロを使用することをお奨めします。その一例を下記に紹介します。ただし、ウィルス対策のためにExcelファイルにはこのマクロを挿入しておりませんので、ご自身でマクロを作って下さい。

「繰り返し計算のためのマクロを作る」

  1. ゴールシークを使用して繰り返し計算を実行します。
  2. マクロの対象となるセルは上下二セルで、下段セルには比較対象となる二変数の割り算計算式を置く。
  3. 上段セルには割り算計算式で使用されている目的となる変数(例えば温度)を置く。
  4. 先ほどの二変数の割り算結果が1.00000(小数点以下の桁数は計算精度に依存する)になるように、上段セルを変えていく。
  5. マクロに挿入する計算式は、ActiveCell.GoalSeek Goal:=1, ChangingCell:=ActiveCell.Offset(-1, 0).Range("A1")

今回のExcelファイルには、今回の熱収支計算を追加したシート「GasBal&0.6」と物性を示した「HeatCapacity」を追加しました。

ダウンロードする LinkIcon

警告:本Excelファイルで使っている物性は理想状態を前提としているので、実ガスなど理想状態から外れる環境では精度が低く、その計算結果を保証するものではありません。
よって本Excelファイルを使用して計算した結果を使用する場合には、十分に注意を払う必要があります。

4.2 ポンプの設計
4.2.3 遠心ポンプ効率の推定

遠心ポンプの効率を推定するために色々な近似式が公開されています。ここではCheresource.com の" Experienced-Based Rules of Chemical Engineering"に記載されている近似式とその結果について紹介します。この効率の近似式を以下に示します。ここで、Hは揚程(m)、Qは流量(m3/hr)です。

Efficiency(%) = 80-9.367E-01*H+5.460E-03*H*Q-1.418E-05*H*Q^2+5.802E-03*H^2-3.028E-05*H^2*Q+8.347E-8*H^2*Q^2

ただし、この近似式には適用できる範囲がありますので注意して下さい。

  1. 揚程範囲:15~91m(50~300ft)
  2. 流量範囲:23~227m3/hr (100~1000GPM)

GPMは gallons per minute の略で、米国ガロン(1GPM)は0.2271m3/hrに相当します。

先ほどの適用範囲を考慮して計算した結果の一例を下表に示します。

流量 揚程 15m 揚程 20m 揚程 30m 揚程 40m 揚程 50m 揚程 60m 揚程 70m 揚程 80m
23m3/hr 68.7% 65.7% 60.0% 55.4% 51.9% 49.3% 47.8% 47.4%
30m3/hr 69.2% 66.3% 60.9% 56.5% 53.1% 50.7% 49.4% 48.9%
40m3/hr 69.8% 67.1% 62.0% 57.9% 54.8% 52.5% 51.3% 51.0%
50m3/hr 70.4% 67.8% 63.1% 59.2% 56.3% 54.2% 53.1% 52.8%
60m3/hr 70.9% 68.5% 64.1% 60.5% 57.7% 55.8% 54.8% 54.6%