『化学工学プロセス設計』を読んで感じたことその三－分離

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「化学プロセス設計」を読んで感じたことその三――分離技術　リウタイゼ分離は化学プロセスの一部として極めて重要な役割を果たし、反応、製品品質、エネルギー消費、投資額などに大きな影響を与える。特に、製品が飽和状態または過飽和状態にある場合、企業が存続できるかどうかは、大きく生産コストに依存します。生産コストはまた、エネルギー消費量に大きく左右され、分離システムの設計の良し悪しが直接、エネルギー消費量の多寡を決定するのです。プロセスの順序から見ると、分離には一般的に原料の分離精製と反応後の物質の分離が含まれ、どちらも非常に重要な意味を持っています。一般的に、原料の純度が高いほど反応にとって有利となります。原料に含まれる不純物がシステムに与える影響は、主に以下の点に表れます：1、触媒の中毒を引き起こす可能性があります。例えば、ほとんどの水素化反応では、原料となる水素中の硫黄、塩素、ヒ素、リンなどに厳しい要件が課せられます；2、主反応を阻害し、副反応の発生を増加させるため、生成物の分離が困難になる；3、気相での供給の場合は排出ガス量が増加し、液相での供給の場合は排出液量が増加するため、原材料の消費が増え、その結果後処理コストも上昇します。もちろん、システムの安全性を考慮した反応の中には、原料の濃度を薄めて反応の安全かつ確実な進行を図るために、意図的に不活性成分をシステムに加えるものもあります。例えば、メチル亜硝酸を生成する反応などです。投資やプロセスの簡素化を考慮した反応として、原料の濃度を薄める方法が採用されることもある。例えば、硫黄回収プロセスにおける触媒酸化ユニットでは、原料中のH2S濃度が高い場合、断熱床反応器を使用すると反応器が過剰に加熱され、触媒が使用できなくなってしまう。しかし、等温床反応器を使用すると設備投資が高くなり、プロセスも比較的複雑になる。このような場合、原料の濃度を薄める方法を用いつつも断熱床反応器を使い続けることは、実行可能な手段の一つである。こちらも一概には言えず、原料濃度やガス量などに応じて2つの案について経済的な試算を行った上で、どちらの方法を採用するかを決定する必要があります。反応後の物質の分離、すなわち粗製品の分離は、その良し悪しが製品の品質、収率、エネルギー消費量などを直接決定する。特に、粗製品に多くの成分が含まれ、重合しやすい、または酸化しやすい物質が存在し、さらに各成分の沸点が非常に近いか共沸現象が見られ、加えて成分間の相互作用パラメータも欠如している場合、多数の実験測定やデータフィッティングを行う必要があり、分離プロセス全体が極めて複雑になる。合成ガスからエチレングリコールを製造する蒸留が、その中でも最も典型的な例である。分離対象の物質は均一相と非均一相に分けられ、相の分離が比較的容易であるため、プロセスでは通常まず非均一混合物を分離し、その後で均一混合物を分離する。不均一混合物は、異なる相の密度差を利用して分離することができる。均一混合物の分離においては、分離を完了させるために新しい相を加えるか、生成させる必要がある。混合ガスに溶剤を加えると、その溶剤は混合物中の1つまたは複数の成分を溶解し、溶剤はさらに分離された後に再利用される。また、反応の結果として気体混合物が得られた場合、部分的に凝縮させることで新たな相、すなわち液相を生成することができる。凝縮後、気相には揮発しやすい成分が多く含まれ、一方、液相には揮発しにくい成分が多く含まれるため、分離を実現することができる。不均一混合物の分離1、沈降 沈降過程において、粒子は重力の作用によって流体から分離される。ここで言う粒子とは固体粒子または液滴のことで、流体とは液体または気体のことです。気液混合物の分離プロセスに用いられるフラッシュ装置の場合、ガスの蒸発速度は液滴の沈降速度よりも小さい必要がある；液液二相分離に用いられる分相器で、低密度の液滴が容器の底から界面まで上昇し、高密度の液滴が界面まで沈降して互いに合体するためには、流体の水平速度が十分に低くなければならない；気体－固体または液体－固体の分離に用いられる重力沈降槽では、その垂直高さと粒子の沈降速度の比は、空気の滞留時間よりも小さくなければならない。沈降装置は、一般的な化学プラントのほとんどで利用されており、例えばよく使われるガス分離タンク/塔、炭アンモニウム装置や硫黄アンモニウム装置における濃縮器、石炭ガス化装置の水処理ユニットにある沈殿槽などがある。2、浮選とは、粒子の表面特性の違いに基づいて混合物を分離する方法であり、液体中に発生した気泡が粒子の表面や混ざり合わない液滴の表面と作用することで、特定の粒子や液滴を表面まで上昇させ、分離を図るものです。固体－固体や液体－液体の混合物を分離するためによく使用され、特に鉱物処理工程において異なる鉱物を分離するのに用いられます。3、遠心分離 粒子と流体の密度が近い場合、粒子の粒径が小さい場合、または安定したエマルションが形成されている場合、重力分離を用いると分離速度が非常に遅くなることが多い。物体が軸の周りを等間隔で回転すると遠心力が生じ、この遠心力によって粒子に作用する力が増大し、重力沈降では分離できない多くの粒子も遠心力によって分離することができる。サイクロン分離機や遠心分離機などは、すべて遠心分離装置に属します。4、ろ過とは、液体や気体中に懸濁している固体粒子を分離するためのプロセスです。懸濁液が多孔質媒体を通過する際、多孔質媒体は流体のみを通すが固体は通さない。もし固体が媒体の表面に残った場合、それをフィルタケーキと呼ぶ；固体が多孔質媒体の内部に残る場合、それを深層ろ過と呼びます。フィルター媒体は、さまざまな形態でフィルター装置内に設置することができる。均一混合物の分離における蒸留は、重要な分離手法として広範囲に応用されている。大きな流量範囲やさまざまな供給濃度に対応でき、高純度の製品を得ることができる。科学技術の発展に伴い、特に石油化学業界では、多くの塔の直径が10数メートル、あるいはそれ以上にもなっている。しかし、1. 低分子量物質の分離など、蒸留が適用できない場合もある；2、高分子量熱感性物質の分離；3、低濃度成分の分離；4、成分の種類別分離；5、相対揮発度が低い分離；6、非揮発性物質から揮発性物質を分離する。通常、設計の初期段階では分離プロセスおよび装置を選定する必要があるが、分離ユニットの評価にはシステム全体を考慮に入れる必要がある。分離ユニットは一般的に消費エネルギーが高いが、このユニット自体の熱結合や他のユニットとのエネルギー統合により、エネルギーが総合的に活用される。その結果、元々外部から熱や冷気を供給する必要があった場所でも補給が可能となり、外部からの供給は不要になるか、部分的な供給のみで済むようになる。分離システムの設計を行う際には、そのパラメータを事前に選定する必要があり、いくつかの重要なパラメータは次のとおりです。圧力が低下するにつれて、変化は以下の通りです。1、相対揮発度が増加し、分離が容易になり、塔板数および還流比は共に減少します；2、蒸発潜熱が増加し、塔頂凝縮器および再沸器の熱負荷が増加する；3、ガス密度が低下し、塔径が増加する；4、再沸器と凝縮器の温度が下がる。圧力が増加するにつれて、変化の様子は上記とは逆になる。ただし、可能な限り真空操作は避け、凝縮器についても冷凍水冷却は避けるべきである。なぜなら、これらの方法は設備費用や運用コストを**増加させるからである。さらに、プロセスの複雑さも増している。可能であれば、操作圧力を大気圧以上にし、凝縮器は水冷または空冷を採用するべきである。圧力を決定する際には、塔頂生成物の泡点温度が夏季の冷却水温度よりも10℃高くなるよう考慮すべきである。もちろん、分離対象物が高分子量の熱感性物質や重合しやすい物質などの特殊な場合には、必要に応じて真空操作を選択し、物質の沸点を下げて分解や重合を防ぎ、分離効率や製品品質に悪影響を与えないようにする。例えば、エチレングリコールの分離工程では、ほとんどの塔で真空操作が用いられている。同じ分離要件のもとで、リフラックス比が増加するにつれて塔板数は減少し、すなわちエネルギー消費量は増加し、設備費用は減少する。したがって、両者の間で経済的な計算を行い、最適な効用点を見出す必要がある。通常、設計の初期段階ではリターン比を最小リターン比の1.1倍とし、一般的な工学設計では1.1倍以上として、分離効果を確保し、生産の変動や設計・製造上の誤差によって分離要件が満たされないことを防ぎます。単塔の最適化にはあまり意味がなく、設計の後期段階でシステム統合を踏まえてから、効能を最大限に引き出すためにその値を最適化する必要がある。供給条件の設計では、一般的には泡点供給、すなわち飽和液体供給が用いられ、これにより供給点の上下での気相流量を同じにすることができる。過冷却した原料を使用すると、蒸留段の板数は減少し、抽出段の板数は増加し、再沸器の熱負荷は増大し、凝縮器の冷却能力は低下する。プロセス設計が進むにつれて、上記の圧力、リフラックス比、供給条件などのパラメータは頻繁に変化するため、システムのプロセス統合を行う前に最適化を行う必要はない。近沸点物質や共沸混合物系における分離では、分離対象となる物質の軽い成分と重い成分が共沸混合物を形成する場合、単純な蒸留に比べてはるかに複雑になる。まず、共沸混合物の組成が圧力に対してどれだけ敏感かを検討する。圧力の変化によって共沸混合物の組成が5％以上変化する場合は、分離には変圧蒸留を採用することが望ましい。形成される共沸物が最低共沸物か最高共沸物かに応じてプロセスを設定し、循環流量を決定する。共沸物組成の圧力変化が小さいほど、循環流束の流量は大きくなる。同時に熱結合も初期段階で検討し、システム全体の熱量が統合された後に最終的に決定するが、筆者の実務経験から言えば、システム全体の熱量を統合する際にも、各ユニットの独立性を最大限に考慮し、純粋な理論計算による最小消費値をもとにプロセスを設定して実際の生産が行えなくなるような事態を避けるべきである。変圧精留は化学プラントで広く利用されており、メタノールとジメチルカーボネートの分離がその典型的な例です。共沸組成が圧力に敏感でない場合や、分離が困難な系の場合は、重要な成分の相対的な揮発性を変えるために別の物質を加え、分離を実現する必要がある。この方法は通常、共沸蒸留と抽出蒸留に分けられる。共沸蒸留においては、通常共沸剤として揮発性の高い物質が添加され、これが主要成分と共沸物を形成することで、原料の分離が実現される；抽出蒸留においては、通常添加される抽出剤は揮発しにくい成分であり、塔底から回収され、どの成分とも共沸物を形成しないため、より広い選択範囲が得られる。通常、抽出剤は重要な重質成分と構造が類似しており、ほぼ理想的な混合物を形成するが、軽質な重要成分とは非理想的な混合物を形成し、重要成分の相対的な揮発性を高める。抽出剤の流量が大きいほど分離効果は向上するが、エネルギー消費も増え、蒸留温度も高くなる。質量分離剤を加える方法は、変圧精留では解決できない分離問題を解決するが、避けられず新たな物質が混入し、精留分離過程での損失が下流の環境汚染問題を引き起こす。最善の策は発生源での削減だが、分離剤の損失を発生源で完全に防ぐには費用が高額であり、実現も困難である。したがって、一般的な工程ではできるだけ元のシステム内に存在する物質を質量分離剤として使用し、新たな物質を導入する必要はない。吸着と脱着は逆の過程であり、低分子量物質を分離するための一般的な方法です。吸収過程には吸収剤を用いる必要があり、可能な限りシステム内に存在する物質を吸収剤として使用する。気体混合物が液体溶媒を通過すると、溶媒はまず1つまたは数つの成分を吸収する。吸収効果に影響を与えるいくつかの重要な要因は、温度、圧力、液相流量です。吸収塔内では、溶質が気相から液相へ移動する際に熱を放出し、その結果、塔の頂部から底部にかけて温度が上昇する。成分濃度が低い場合、吸収される熱量は少なく、塔の高さに沿った温度上昇も小さいが、そうでない場合は温度上昇が大きくなる。温度を下げると溶質の溶解度は上昇し、温度を上げると逆になるため、できるだけ高温下での操作は避けるべきである。また、温度上昇が吸収に与える悪影響を防ぐため、時として吸収塔の中央部で吸収液を冷却し、通常は冷却水を用い、必要に応じて冷媒も使用される。低温メタノール洗浄プロセスやエチレングリコールを用いたアルコール洗浄塔などにも、この方式が採用されている。吸収媒体を冷却したり、吸収剤を冷却する案もある。吸収剤が揮発性の高い成分である場合、気相によって容易に塔頂から持ち去られ、吸収剤の損失や下流での受け入れが不可能になるため、エチレングリコールを用いるアセテート吸収塔のように、塔頂の気相を冷却または凝縮する必要がある。圧力が下がると溶質の溶解度は低下し、圧力が上がると溶解度は上昇するが、動力エネルギーの消費が増えるため、最適な選択が問題となる。成分が吸収されやすいかどうかは吸収係数によって決まり、吸収係数が大きいほど吸収されやすく、一定の分離要件を満たすのに必要な理論段数も少なくて済む。しかし、吸収係数が大きい場合、液相流量を増加させてもその値への影響は顕著ではない。最適な吸収係数の範囲は1.2～2.0で、一般的には約1.4が用いられる。溶質が液相に溶解した後、分離を実現するためには脱着が必要であり、吸着剤は再利用可能である。脱着効果を高めるためには、脱着係数を十分に大きくする必要がある。脱着塔において、脱着係数の最適範囲は1.2～2.0で、一般的には約1.4が用いられる。吸収とは逆に、脱着過程では塔の頂部から底部にかけて温度が低下する。圧力を下げて温度を上げることは、脱着過程に有利である。蒸発は、生産能力の大きさ、経済性、原料および製品の制約条件などの要因に基づいて、蒸発段数が決定される。必要な生産能力が低い場合は、単効蒸発を使用する。そして、多段蒸発によって、気化した物質の潜熱をさらに回収することができる。多効蒸発には一般的に以下のようなプロセスがある：1、並流給料蒸発プロセス、つまり新鮮な原料と蒸気の流れ方が同じで、どちらも第1効から順番に次の効へと流れていく。溶液の沸点は段階的に低下し、製品の高温分解が起こる系に適している。蒸発室の圧力は段階的に低下し、段間は圧力差によって物質が輸送され、輸送ポンプは不要である；2、逆流加料蒸発プロセス、すなわち原料液は最終段階から投入され、濃縮された製品は最初の段階で取り出される。濃縮液の粘度が高い場合に適している。前段では、温度が高いほど粘度が低下し、熱伝達係数も高くなる。しかし、溶液の流れ方向が圧力降下の方向と反対であるため、段間送液ポンプを追加する必要がある；3、並行流加料蒸発プロセス、すなわち原料液を各段に別々に投入し、濃縮液も各段の底部から別々に取り出す。蒸気の流れは依然として第一段階から最終段階へと向かう。この工程は、原料液が飽和に近く、特に蒸発過程で結晶が析出する溶液に適しています。蒸発段数が増えるにつれて装置費用は上昇するが、エネルギー消費量は減少し、総費用には最小値が存在するため、最適な段数があり、それは全システムの熱統合後に決定される必要がある。エバポレータの許容最高温度は、製品の分解およびスラッジ形成の特性によって制限される。したがって、最高圧力レベルの圧力は、動作温度をこの限界温度以下に保つ必要がある；そして、最低圧力は冷却水または空気による冷却が可能なレベルとする。乾燥とは、湿った材料から水分やその他の湿分を取り除く処理のことです。工業生産においては、通常、蒸留、蒸発、遠心分離、板框圧濾などの他の分離工程で得られた物質からさらに水分を除去するために行われます。固体や液体中の水分は、加熱によって蒸発させて気流中に送り出すことで乾燥が実現されます。よく使われる乾燥装置には、トンネル乾燥機、回転乾燥機、ドラム乾燥機、スプレー乾燥機、流動層乾燥機などがあります。材料が自由に流れない場合は、トンネル乾燥機を使用できます；材料が自由に流動できる場合は回転乾燥機を使用できますが、材料の滞留時間が長くなるため、熱に弱い材料の乾燥には適していません；少量のペースト状混合物や固体スラリーを処理する場合は、回転ドラム乾燥機を選択できる；スプレードライヤーの最大の利点の一つは、液体を低い温度でスプレーして蒸発させることができ、熱風の影響を受けない点です。スプレードライヤーでは、液体またはペースト状の微小な液滴が短時間で熱風を通過し、加圧霧化されて供給される。得られる製品はほとんどが密度の低い多孔質の顆粒であるため、熱に敏感な製品の乾燥に特に適している。脱硫液および硫黄ペーストを用いた硫酸製造技術において、原料の水分含有量が高いため、これをそのまま焼却炉に投入すると、燃料ガスの消費量が増え、装置が大型化し、有効なガスの含有量が低下し、後続の変換反応に悪影響を与え、熱量のバランスが取れず、電気炉を使用する必要が生じて電力消費が増加するといった問題が生じる。このため、一部の工程技術ではスプレードライヤーを用いて原料を乾燥・脱水した後に投入している。工程の全体性という観点から見ると、確かに積極的な役割を果たしている。しかし、欠点は以下の通りです：1、熱風によって材料が運ばれてしまうことによる環境問題；2、下流システムに問題が発生しスプレードライヤーの出口からの物質を受け取れない場合、物質の保管においても固まりが生じないようにしなければならない。乾燥装置の選定は、通常、乾燥対象物の物理的性質や特徴、加熱による分解しやすさ、乾燥効率の要求などに基づいて決定されます。上記の見解や理論はほとんどが原著からのもので、筆者の考えや理解も加えております。皆様の議論や交流のためにご提供します！