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
6.2.7 熱伝達と粘度の影響(No.36)(2009.10.05)

プラントル数と粘度

プラントル数Prは流れによる流体粒子の拡散に対する温度の拡散の比で、この値が小さいほど流体の動きに対して熱の伝わり方が大きいことを示しています。水のPr数はおよそ2程度で、それに対して空気のPr数は0.7程度ですから、空気中での温度の拡散は水に比べて3倍程度早いと言うことがお分かりになるでしょう。

このプラントル数Prは「凝縮曲線と熱交換器設計」に示したように、比熱と粘度そして熱伝導度の関数で、粘度が大きいほどPr数は大きくなります。例えば粘度が大きい代表的な物質として良く知られているのが硫酸で、常温で20mPa-sec(cP)以上になります。また、トルエンなどの溶剤の粘度は1mPa-sec前後と小さく、高分子物質や細かな粒子を含むスラリーでなければ粘度はそれほど大きくはありません。

ところが、冷凍冷却装置などに使用するブラインは低温下で示す粘度が大きく、伝熱設計上大きな問題となります。一般に使用されるブラインは、50%(重量)前後のエチレングリコール溶液で、温度と共に飛躍的に粘度が大きくなります。その温度と粘度の関係の一例を下図に示します。

この図を見るとわかるように、エチレングリコール溶液の粘度は同温度における水の粘度の3倍から6倍で、低温度では10~40mPa-secと大きな数値を示しています。この粘度の大きなエチレングリコール溶液が伝熱設計に及ぼす影響を、具体例を上げて説明しましょう。

撹拌槽伝熱

ここで例に取るのは撹拌槽伝熱で、槽内溶液を外部から加熱冷却するジャケット伝熱です。計算の前提として、

  1. 槽内溶液:代表的溶剤として使用されるメタノールとトルエンの混合液
  2. 加熱媒体:温水(90℃)
  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、温水とブラインのPr数を計算してみますと、ブラインのPr数は温水の約100倍を示しています。

------項目------- ----単位---- ----温水---- --ブライン--
温度 95 -15
比熱 kJ/kg-K 4.21 3.02
熱伝導度 kJ/mh-K 2.44 1.47
粘度 mPa-sec 0.297 23.8
Pr - 1.85 175.8

次に温水ならびにブラインによる加熱冷却時の総括伝熱係数を求めてみます。ただし、槽内の境膜係数や汚れ係数および槽壁の熱抵抗を同じとして計算してみました。
その結果、ブラインを使用した場合の伝熱(冷却)能力は温水における伝熱能力に比べ、わずか1.6%にしかならないことがわかりました。
このように撹拌槽における伝熱を検討する際には、ブラインを使用して冷却する場合、あるいは加熱冷却の二通りの運転があり、その際にブラインを使用する際には冷却能力が不足しないかどうかを念入りにチェックする必要があります。

---------項目---------- ----単位---- ----温水---- --ブライン--
槽内境膜係数 kJ/m2h-K 5395 5395
ジャケット内境膜係数 kJ/m2h-K 4423 68
槽壁伝熱抵抗 kJ/m2h-K 9600 9600
槽内汚れ係数 kJ/m2h-K 20930 20930
ジャケット内汚れ係数 kJ/m2h-K 13954 13954
総括伝熱係数 kJ/m2h-K 1575 66
熱流束 kJ/m2h 62929 983

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。