135- 石油化学業界における各種動力学的分離器の選定について、シェル石油のDEPを参考にした検討

石油精製、石油・ガスの採掘、天然ガスの浄化および輸送、ガス化、大量化学品生産、製薬、環境保護などの業界における分離技術装置の設計や選定にあたり、多くのエンジニアリング会社、設計院、発注者の関係者が、シェル石油会社のDEP規格で推奨されている分離技術装置を参考にして技術的な選定設計を行うことがある。しかし、シェルDEP規格で推奨されている分離技術装置を参考にして選定・設計を行う者は、その装置の使用にあたっての前提条件や適用場面を十分かつ深く把握し理解するとともに、動力学的な分離技術の本質についても深く理解していなければならない；さもなければ、DEPの推薦表に惑わされて、一つだけでなく複数の種類の装置を選んでしまい、実際の性能に大きな差が生じる可能性があります。実際の運用においても、何度も技術的なアップグレードや改造を行わなければならず、結局うまくいかない。

この投稿は最後にluoli519によって2019年7月20日12時52分に編集されました。一、分離技術装置の運用柔軟性について：DEP規格および分離器の実際の利用において、分離技術装置の運用柔軟性に関わる用語は少なくとも2つ存在します。一つ目は、分離技術装置の上限処理能力値であり、二つ目は分離技術装置の最大処理量と最小処理量の比率で、英語ではターンダウン比と呼ばれます。 動力学的分離技術装置においては、装置が特定の高効率分離技術の要件を満たす状態で動作した場合にのみ、「実質的な有効な上限処理能力値」が現れる。そして、分離装置の「実際の有効な上限処理能力値」は、装置において非常に重要であり、オーナーから特に注目される。装置の動作が特定の高効率分離器技術の要件を満たさない状態になると、最終的には純粋な重力沈降分離状態に戻り、その結果分離効率も純粋な重力沈降による低い効率となる。 シェルのDEP分離装置推奨リストにおいて、分離技術装置の上限処理能力値という観点から、レインボーセパレーターを最も推奨する位置に置いている点は疑問が残る。傘型セパレータ、または「スピナルプレート」セパレータは、国内外の実用において予備セパレータとして使用されており、その分離効率や精度には高い要求はなされない。例えば、SDプロセスパッケージにおいて、レインボーセパレータの分離効率と精度に求められる要件は99.9％×70＋マイクロメートルです。専門的な動力学的分離応用の観点から見ると、同等の高い分離効率と精度という前提を満たした上で、より大きな上限処理能力を持つ分離装置を比較・選択することにのみ意味がある。分離器の分離効率と進行度が低い場合、その上限処理能力値が大きくても、実際にはそれ以上の応用価値はない。傘型セパレーター（旋回流板セパレーター）は旋流セパレーターの一種であり、火力発電所の排ガス脱硫や石油化学プラントの排ガス脱硫において既に運用されているが、その実際の分離性能は発注者の要求を満たすことが難しい。

この投稿は最後にluoli519によって2019-8-14 10:42に編集されました。もう一度見てみると、分離技術装置の最大処理量と最小処理量の比率を英語では「turn-down ratio」と呼びます。分母としての最小処理量は、特定の高効率分離装置における実際の最小処理量を必ず選ばなければならず、流体の流量や流速が非常に小さく、ほぼ純粋な重力沈降の状態に近い値を最小値と見なしてはならない；そうでなければ、分母が非常に小さくなり、分子としての最大処理量自体は目立たないものの、数学的計算によって得られる最大・最小処理量の比率は非常に大きくなり、専門ではない動力学分離技術の研究者の多くにとって、明らかに誤解を招くことになる。例えば、業界の中にはメッシュ型消泡器の最小処理量を非常に小さいものと見なすところがありますが、実際の使用状況でよく知られているように、メッシュ型分離要素では流れる流体の実際の流速を0.1m/sとし、上限は110％に制限されており、これは動力学的分離要素の中では低速分離タイプに属します。メッシュに到達した時の気流の流速は非常に小さく、ほぼゼロに近い。そのため気流はメッシュを通過しにくく、流体自体の運動エネルギーや運動量も極めて低く、本質的には純粋な重力沈降の領域にある。この状態では、分離装置としての実際の最小処理量とは見なせない。このような誤りは、専門でない動力学的分離技術の研究者の多くが犯しやすいだけでなく、DEPの推奨事項においても同様の誤りが見られる。実際の応用においてメッシュ式分離装置で許容される流体の最大流速は110％であると明確に示しているにもかかわらず、純粋な重力沈降方式の分離装置の処理能力を実際の最小処理能力と誤って扱い、その結果、推奨される「メッシュ式脱泡装置の最大・最小比率」がベーン式やサイクロン式よりも高くなってしまっており、これは明らかな誤導である。ご一緒の方は、そのミスにご注意ください。 例を挙げれば非常に明確になります。スクリーン型消泡器の場合、業界の慣習に従えば最大運転上限値は110％です。これを最小運転下限値として10％と見なすと、算出される数学的な最大／最小処理能力の比率は110/10＝11となります。ヴェーン型セパレータの技術的アップグレード製品であるフェザーヴェーン型セパレータにおいて、控えめに公表されている最大運転許容範囲の上限値は130％で、同様に控えめに公表されている最小運転許容範囲の下限値は15％です。したがって、実際の最大／最小処理能力の比率は130／15＝8.7となります。工業的な実用において、分離器が設計処理能力の50％未満という最小限値まで低下することは、所有者にとって設計処理能力を上回ることよりもはるかに重要ではない。セパレータが設計能力の50％未満で運転される機会はほとんどなく、ほとんどが起動・停止時の短い時間帯に限られます。一方で、セパレーターが設計能力を超える範囲で稼働する機会は多く、特に最大の生産効率を向上させ、引き出そうとする際には、オーナーにとって最も望ましい状況となります。これにより、フェザーベーン式羽根板分離器の最大処理量と最小処理量の比率であるターンダウン比率の実際値はわずか8.7に過ぎないものの、シェルDEPが推奨するメッシュ式消泡器の同比率の計算値である11よりも重要で実用的な意味を持ち、オーナーが選択する上で大きな影響を与えていることがわかる。

この投稿は最後にluoli519によって2019-7-17 17:40に編集されました。二、「液泛」「液涌」について：分離装置で「液泛」「液涌」といった現象が発生するのは、必ず気流の状態が分離装置の許容される運転上限処理能力値を超えてしまったためです。このとき、気流に含まれる液相が分離内部部品内に蓄積し、液相が主体となった気液二相流体状態が形成される。これにより分離内部部品はその分離能力の一部または全部を失うだけでなく、液相が主体の気液二相流体状態が内部部品上で「湧き上がり」、分離内部部品やさらにはセパレーターのケーシングに損傷を与える。例えば、よく見られるスクリーン型脱泡インライン部品やパッキングインライン部品が、運転負荷が設計値の110％を超えた際に発生する「液面上昇」「液の噴出」による破損です。 シェル石油のDEP分離装置推奨表において、「液面飛躍」「液面急上昇」「スロッシング」が発生する可能性のある分離装置の種類は以下の通りです：1. スクリーン型消泡部品を備えた分離装置； 2、フィルター要素を備えた分離装置； 3、反射流旋流内部部品を備えた分離装置； 4、オリジナルのシェブロン型折り返し光板内装を備えた分離装置。 なお、「3、反射流旋流内部品を備えた分離装置」；4、「オリジナルのシェブロン型折り返し光板内蔵の分離装置」は、前置きの予備分離器によって「液面の上昇」「液の噴出」といった問題を解決することができる。そして「1、スクリーン式消泡部品を備えた分離装置」；2、「フィルター要素を備えた分離装置」では、たとえ前置きの予備分離器を設置しても、「液面の上昇」「液の噴出」といった問題を解決することは難しい。

三、分離効率と分離精度について：シェル社のDEP規格で推奨されている分離装置において、分離効率と分離精度の優先順位は、精密フィルターエレメントを備えたスーパーフィルトレーションセパレーター、および軸流式サイクロン分離ユニットを備えたセパレーターが最上位に位置づけられている；メッシュ内部品を備えたセパレーターは第2シーケンスに配置される；ベーン構造の内部部品を備えたセパレーターは第3シーケンスに配置される；反射流式旋流分離インナー部品を備えたセパレーターは第4シーケンスに配置される；入口分離アセンブリのみを備えたセパレーターは、第5シーケンスに配置される。 前述の内容からわかるように、DEPが推奨する分離効率と精度が高い分離技術装置は、しばしば処理能力が低く、「液の噴出」や「液の溢れ」が起きやすいタイプである。実際の運転条件に大きな変動が生じ、その設計上の上限処理能力を超えてしまうと、「液泛」や「液涌」が発生し、分離能力が部分的または完全に失われる。このような状況下で推奨される分離効率や分離精度を持つ装置は、理論上の価値はあっても実用上の意味はない。 したがって、実際の使用においては、複数の分離技術の部品を組み合わせて使用することが多い。

四、抗閉塞性能について：シェルDEPが推奨する分離タイプの抗閉塞性能の順位は、入口分離アセンブリのみを備えたセパレーター、傘型セパレーター（旋回板セパレーター、反射流旋回セパレーター、軸流式旋回セパレーター、ベーン構造の内部部品を備えたセパレーター、メッシュ内部部品を備えたセパレーター、精密フィルターエレメントを備えたスーパーフィルトレーションセパレーター）となっている。 ご覧の通り、繊維同士が架橋して物理的な多孔構造を形成し、遮断型の分離を行う装置は、目詰まりに対する耐性が最も低いです。同時に、抗閉塞性能は大まかに「液泛」「液涌」と分離精度、分離深度の順序とは逆の関係にある。実際の適用においては、分離精度、分離深さ、液面上昇や液の逆流に対する耐性、閉塞に対する耐性などが、分離器にとって最も重要な技術的性能要件となることが多く、その結果、反射流型旋回分離器、軸流式旋回分離器、ベーン構造を備えた内部部品を持つ分離器が最も注目され、好まれる傾向にある。

この投稿は最終的にluoli519によって2019年7月18日16時41分に編集されました。五、実際の運転時の圧力損失について：シェルDEPが推奨する運転時の圧力損失の順位は、密閉型フィルターを備えたセパレーター、反射流式サイクロンセパレーター、軸流式サイクロンセパレーター、メッシュ式セパレーター、ベーンセパレーター、そして入口側にのみセパレーションアセンブリが設置されているセパレーターの順です。 実際、セパレーターの運転時の圧損は分離メカニズムと密接に関連しており、繊維同士が架橋して物理的な孔格を形成し、遮断型の分離を行う装置では、その運転時の圧損が高くなる。流体の高速回転によって装置と摩擦損失を生じさせる装置は、運転時の圧損が大きい。おそらくシェルDEPがスクリーンを好んでいるため、その推奨評価に誤りや偏りが生じており、選定する際にはご注意いただきたい。長年にわたり動力学的分離技術の研究開発と普及に従事してきた専門家として、特に何度も技術改良が加えられて誕生したフェザーベーン型の分離器には、従来のメッシュタイプよりも高い注目を払うことを推奨します。閉塞に対する耐性が低く、「液面の上昇」や「液体の噴出」が起きやすい点も、実際の運用において圧力損失が急激に上昇する主な原因です。一般的に、フェザーベーン式分離器の効率的な分離動作範囲は15％～130％であり、それに対応する最大/最小処理能力比は実際にはほぼ9に近く、確かに重点的に注目すべき対象と言える。

前述のまとめや分析を経て、皆さんが要点を把握した上で、実際の使用効果も考慮に入れることで、分離技術装置をより正確に選定できるものと信じています。ここで注意すべき点は、気液分離、気固分離、気液固分離、気液液固分離など、圧縮可能な気流を主な対象とする分離処理においては、それらはすべて動力学的分離技術に属し、正確な動力学的分離技術に基づく計算や設計プラットフォームを用いて正確な技術案や装置を導き出すことでのみ、装置が満足のいく形で稼働するようになるということです。 以下、実際の運用事例を交えて分析することで、皆さんがより深く理解し習得するのに役立ちます

この投稿は、2019年7月19日11時09分にluoli519によって最終的に編集されました。
事例1：石油・ガス田における天然ガスの脱水・脱炭化水素用セパレーターの解析
石油・ガス田で天然ガスの脱水・脱炭化水素処理に使用されるセパレーターについて実際に使用してみると、シェル社が開発したSMシリーズや3Sシリーズといったセパレーターが、国内外の石油・ガス田の井戸での処理やプラントでの処理に広く利用されていることがわかります。 まずはSMシリーズの天然ガス脱水脱炭化水素分離器を例にして議論しましょう。下図はSMシリーズセパレータの発展図です：

この投稿は、2019年7月18日10時17分にluoli519によって最終的に編集されました。図からわかるように、第1世代のSMセパレーターとは、入口側のセパレーションアセンブリであるSchopentoeter（英語名の最初の文字を取った略称がS）と、メッシュ型スカム除去装置であるMistmat（英語名の最初の文字を取った略称がM）を組み合わせたセパレーター、つまりSMセパレーターのことです。 SMセパレータは天然ガスの気液分離・浄化に使用されるもので、明らかに精密動力学セパレータの範疇に属する。したがって、その内部構造およびコンフィギュレーション設計は、精密動力学に基づく分離計算とコンフィギュレーションシステムプラットフォームを通じて行われるべきである。問題は、シェルもエンジニアリング設計・建設・運営事業を手がけており、モジュール化を事業の進捗効率とスピードをアピールする看板としている点で、SMセパレーターもモジュール化しているのだ。一方、動力学的分離技術の装置は分離および構成の精度を重視するが、モジュール式では、元々求められていた精密な分離構成に代わり、モジュールを積み重ねて形成される大まかな構造が用いられる。例えば、特定の運転条件である温度、圧力、気相の組成、気相の流量、液相の組成、液相の密度、液相の粘度、液相の表面張力といったパラメータに対応するために必要な精密な構造を持つメッシュ式内部部品は、単にメッシュモジュールをセパレーターの断面全体に積み重ねるだけでは決して十分ではない。図aに示すシェルが発表したSMセパレーターでは、そのMセパレーション要素とは、メッシュモジュールをセパレーター全体の断面に単純に積み重ねたものである。その結果、分離効率は高くない。シェルは再びSMセパレーターの改良版であるSMS（つまりSchopentoeter+Mistmat+Swirl）を発表しました。

学んで理解しました、投稿者様の共有に感謝します

この投稿は、2019年7月18日10時21分にluoli519によって最終的に編集されました。SMSセパレーターの実際の使用において、運転条件が変動すると、処理後の天然ガスに含まれる液体量や露点が、所定の基準を満たさないことがあることがわかりました。そこで、シェルはさらにアップグレードを行った。1、元々のMistmatをメッシュ式からベーン式に交換した；2、Swirlの元のサイズを最適化する。 まず、シェルは分離効率と精度を向上させるため、既存のMistmatをメッシュ式からベーン式に技術的にアップグレードしました。これは、前述の内容で私たちが強調したように、ベーンおよびその技術改良版であるフェザーベーン型分離器の性能上の優位性に注目すべきだという点を裏付けるものであり、また、DEPがメッシュ式を推奨したことが皆様を誤導した証拠でもあります。改めて、今後はFeather Vaneの羽葉分離内部部品群の優れた性能にもっと注目していただきたいとお願いします。 また、Swirl自体は旋流分離技術に属します。旋回流分離要素の動作余裕は、その直径寸法（流体回転直径）と負の相関関係にある。例えば、直径2インチのサイクロン分離要素においては、その最大・最小処理能力比は理論値の5.623であるのに対し、直径600mmのサイクロン分離要素では同じく最大・最小処理能力比が理論値の2.928となる。SMSセパレータのS\M\Sは直列に配置されてコア制御ステップを構成し、そのSwirlと呼ばれる最大最小操作弾力性比は10に近く、理論値をはるかに上回っている。皆さんにお伝えしたいのは、シェルDEPの推奨を盲目的に真似してはいけないということです。正誤をしっかり見極める必要があります。さもなければ逆効果になってしまいます！

シェルはSMS（Schoepentoeter+Vane Demister+Swirlの3段式）セパレーターを導入した後も、実際の運用において天然ガスの水分含有量が基準を超えるケースが時折見られたため、さらに進化させてSMSM（Schoepentoeter+Vane Demister+Swirl+Mistmatの4段式）セパレーターを開発しました。 動力学的分離技術の観点から分析すると、SMSM分離器において、Schoepentoeter型の一次入口分離アセンブリ、Vane Demister型の二次凝集分離要素、Swirl型の三次軸流式旋回流分離要素、そしてMistmat型の四次メッシュ除泡器は順次接続されており、その動作の柔軟性は最も小さい弾性値を持つSwirl要素という制御要素に依存している。精密動力学に基づく分離計算およびコンフィギュレーション設計プラットフォームから得られたSwirl要素の最大/最小処理能力比は、シェルDEPが示した10には到底達していない。したがって、シェルがSM二段式セパレータからSMS三段式セパレータへ、さらにSMSM四段式セパレータへとどのようにアップグレードしようとも、その運用の柔軟性はSwirl要素によって制御されることになる。ターンダウン比が6を超え、ましてや10になると、SMシリーズのセパレーター（SMSM型4段セパレーターを含む）の天然ガスの湿分含有量が基準を超過することになる。これこそが問題の核心なのだ！

サイクロン分離技術の最大処理能力と最小処理能力の比率が、動力学的な分離メカニズムによって決定され、かつその値がサイクロンの直径が大きくなるにつれて急速に小さくなるというこの動力学的特性のため、国際的には次のような方法が採用された。すなわち、設計・製造時にサイクロン分離器内のサイクロナーを一定数増やし、出荷時にはその追加されたサイクロナーを塞ぎ金で塞いで非作動状態にしておくのである。旋回分離器をガス田の井戸口や処理施設で使用する際、実際の運用状況がプロジェクト設計時に示された天然ガスの基本パラメータから大きく外れていない場合は、出荷時にキャップが付いている旋回分離器をそのまま使用します。実際の運転条件が、プロジェクト設計時に示された天然ガスの基本パラメータから逸脱した場合、特に運転圧力が低く、運転温度が高く、また運転時の天然ガスの流量が大幅に増加する場合です。このとき、出荷時に塞がれていたスイープコアの塞ぎを取り除き、作動状態にして、実際の運用条件下でのより大きな流量の天然ガスに対応できるだけ多くのスイープコアを使用する必要がある。この方式は、実際に使用されるサイクロンの数を増減させることで、装置の最大・最小処理量の比率を向上させるもので、西洋の天然ガス田の井戸口やプラントでの分離処理においてよく見られます。

この投稿は、2019年12月5日20時46分にluoli519によって最終的に編集されました。皆さん、国内の西北部にあるあるガス田で、天然ガスの水分や炭化水素を除去するためにSMSセパレーターが使用され、さらにスクリューのカバーを取り外して設備を改良したことを覚えていますか？このガス田プロジェクトで当初導入された海外製のSMSセパレータは、一部のサイクロンに栓が付いていました。実際の運用において、天然ガスの処理量が設計値に達しないことが判明したため、工場では停止して元のSMSセパレーター内の塞ぎ物を取り除き、実際の処理量を向上させました。 下の図は、このプロジェクトで使用されたSMSセパレーターの写真です：

この投稿は、2019年7月19日12時24分にluoli519によって最終的に編集されました。SMSセパレーターは、典型的な精密動力学的セパレーターであり、その分離特性としては、最大処理量、最大/最小処理量比、分離効率と精度、目詰まり防止性能、運転時の圧力降下などがあります。これらはすべて、セパレーターの核心となる制御要素の構造やサイズによって決定されます。動力学的分離計算およびコンフィギュレーションプラットフォームに基づいて既に完成したSMS分離器では、その分離特性パラメータは大きく変化することはない。 精密動力学分離技術の専門的観点から、上図に示されている中国西北部のあるガス田プロジェクトにおけるSMS分離器の技術改良の様子を分析すると、以下の点に注意が必要です。1、SMS分離器はSchoepentoeter、Mistmat、Swirlという3つの核心的な分離要素で構成されており、この分離器の性能はすでにほぼ確立されています。 2、改造前、Mistmatはシェルの第2世代ベーン型内部部品を使用していた；改良後のMistmatは、シェル初代のmistpadスクリーン型消泡器を採用しており、高圧天然ガスの分離において、この改良は本質的には技術的な後退であり、技術的なアップグレードではないのである！Mistmat素子の構成設計においては、正確な動力学に基づく分離計算と構成設計プラットフォームの完全なソリューションに従って行う必要があり、セパレーターの断面全体を所謂「モジュール化」手法で粗雑に積み重ねることは推奨されない。さもなければ、精密動力学分離の原理に反する。 3、スワール旋流要素内の塞ぎ部品は、実際の運転状況に応じて、一部を取り外すか全て取り外すかを決定できる。しかし、Swirl要素およびその降液システムは、動力学的な分離計算とシステムの精密な設計に基づいているため、単純にSwirl要素や降液システムの位置、ならびにそれらと分離器ケーシングとの接続方法を変更するべきではない。 4、SMSセパレータを使用する天然ガスの運用条件は、ほとんどが高圧・超高圧のものであり、セパレータの改造は専門的かつ精密な動力学的分離技術の指導のもとで行わなければならない。動力学的分離技術について深く徹底的な理解を持たない者がSMS分離器をいわゆる改良しようとすると、それは「盲人が象を触る」ようなもので逆効果となり、甚だしい安全上のリスクを招く可能性さえある！ 特別なお知らせです。

この投稿は、2019年7月19日11時08分にluoli519によって最終的に編集されました。下の図は、高圧・超高圧の天然ガス浄化プロセスにおけるSMシリーズのセパレーターの外観です。そのオリジナルの部品に対するいかなる調整も、分離して動作させた場合に逆効果となり安全上のリスクを招かないよう、厳格な専門技術の指導のもとで慎重に行う必要があります。

この投稿は最後にluoli519によって2019-7-19 11:06に編集されました。前述の説明から、高圧の気液混合物がSMシリーズのセパレーターに入った際に最初に遭遇する分離要素がSchoepentoeterであることがわかります。その主な機能は以下の通りです。1、混合流に含まれるセグメントフロー、ブロック状フロー、および大きなサイズの液滴を気流から事前に分離・除去し、処理後の気流が次の分離要素に入る前に、その分離要素が効率的かつ安定して動作するために必要とされる、液相残留量の上限条件を満たすようにすることです。2、セパレーターに入る流体を整流し、処理後の気流が次の段階の分離要素に入る前に、その分離要素が効率的かつ安定して動作するために必要な流体の流動状態や流動パターンの条件を満たすようにする。 シェルの第1世代Schoepentoeter要素の、入口の気液混合流からの液体分離および整流性能は、中程度からやや低い水準にある。その後、各専門の動力学分離技術企業は、存在する欠点を改善し、アップグレードを行った。下図は、Novel社がSchoepentoeter技術をアップグレードしたことにより誕生した、RASTA型の放射線耐性を持つ羽根式入口分離アセンブリの画像です