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「化学プロセス設計」を読んで感じたことその四――熱交換ネットワーク liutaize 化学プロセス設計において、反応・分離・循環システムが決定されると、系の物質収支およびエネルギーバランスもそれに伴って決まる。しかし、外層の熱交換ネットワークや公共工程をどのように設定すれば経済的効果を最大限に引き出せるかは、大いに検討が必要である。同時に、外層の熱交換ネットワークや公共設備の設計も孤立したシステムではなく、これによってプロセス設計を外側から内側へと改善していくことができ、段階的に内層の設計を最適化し、設計者が内層の反応器、分離器、循環システムの設計を改良することで、外側の2層におけるエネルギーや投資コストの目標を向上させることができる。エネルギーの最適な利用は、工業装置における重要な課題です。統計によると、ほとんどの企業が実際の必要量を50％以上上回るエネルギーを使用している。省エネルギーとコスト削減は、企業の存続と発展において常に直面する課題であり、反応・分離・再循環システムが同等の水準にある場合、熱交換ネットワークの設計の良し悪しが、その企業の競争力や存続可能性を直接決定することになる。それがもたらす効果は非常に驚異的で、筆者が調べたところ、効果の高い企業の年間利益の大部分は、設備の省エネ・省コスト化のための技術改革によってもたらされているそうです。特に優れた企業の中には、工場全体のエネルギー最適化を体系的に行うために専門のチームを設置するところもあり、これによって革命的な改善がもたらされる。一、エネルギー目標1、組み合わせ曲線による熱交換ネットワークの解析では、まず物質およびエネルギーバランスに基づいて熱源（熱流束と呼ぶ）と熱吸収部（冷流束と呼ぶ）を決定する。熱流側は循環水やその他の冷却媒体を用いて冷却し、冷流側は蒸気やその他の加熱媒体を用いて加熱することができる。経済的効果の最大化と持続可能な産業発展を実現するために、できるだけ多くの熱回収を行い、エネルギー消費を削減すべきである。熱回収量は、流量を温度・エンタルピー図上にプロットすることで求めることができる。熱流側の温度が、すべての点で対応する冷流側の温度よりも高い場合にのみ、2つの流れの間での熱交換が可能となる。流動相の温度およびエンタルピー変化は変えることができないため、温度－エンタルピー図上の傾きも変わらない。しかし、2つの流れの参照エンタルピーが異なるため、それらは図上で水平方向に移動し、相対的な位置が変わることがある。つまり、2つの流れる流体間の温度差を調整することができ、その温度差が小さくなるほど回収される熱量は多くなり、冷暖房設備の消費量は少なくなる。複数の熱流束と複数の冷流束が存在する場合、温度・エンタルピー図上にすべての熱流束をプロットし、同じ温度範囲内でそれらをまとめる。温度範囲の分割は、エンタルピー変化の総流量が温度に伴って変化する位置に基づいて決定される。各温度帯において、すべての熱流束を1つの合成熱流束にまとめる。任意の温度領域内における組み合わせ熱流束のCPは、その領域内のすべての熱流束のCPの和であり、そのエンタルピー変化も各流束のエンタルピー変化の和となる。この組み合わせた熱流束は、熱流束の組み合わせ曲線である。同様に、この方法を用いて冷却流束の組み合わせ曲線も構築できる。熱組み合わせ曲線と冷組み合わせ曲線を同一の温度・エンタルピー図上にプロットし、熱/冷組み合わせ曲線間の最小伝熱温度差ΔTminを具体的な値として設定すると、2つの曲線の相対的な位置が決まり、2つの曲線が重なる部分が最大の熱回収量となる。重なり部分を超えた分が冷暖房用の公共エネルギー量であり、この部分のエネルギーは回収できない。熱用役量、冷用役量、またはΔTminが一度指定されると、2つの曲線の相対的な位置は決定される。2つの曲線がちょうど接するとき、プロセスのある点で熱伝達の駆動力は存在しなくなり、これには無限大の熱伝達面積が必要となり、その場合の設備投資費用も無限大となる。エネルギー目標が高くなるにつれて（2つの曲線間のΔTminが増加）、投資コストは低下し、エネルギーコストはそれに伴って増加する。したがって、設備投資費用とエネルギー費用の間にはトレードオフの問題があり、つまりエネルギー回収の経済性が存在するのである。同時に、ΔTminを設定する際には、その実現における制約条件に注意する必要がある。管殻式熱交換器では、ケーシング側の流れに周期的な交互流が存在するため、純粋な逆流操作は不可能であり、ΔTminは一般的に10℃未満にはできない。プレート式熱交換器では、最小の温度差は5℃に達することができる。板翅式熱交換器では、最小の温度差は1～2℃に達することがある。もちろん、これらの制約条件が関わってくるのは、2つの曲線が最も近づく点での設計においてのみです。ここで気化や凝縮が起こると、さらなる制約が生じます。2、熱回収ジャンクションの組み合わせ曲線の合理的な設定は、エネルギーコストと投資コストのバランスによって決定され、このバランスは経済的な最小伝熱温度差ΔTminに対応する。ΔTminが決定されると、組み合わせ曲線の相対的な位置が決まり、それによってエネルギー目標も決定される。最小伝熱温差ΔTminは、冷側曲線と熱側曲線の間に存在する一点のみであり、この点を熱回収ジャンクションと呼ぶ。組み合わせ曲線によって定められたエネルギー目標を達成するため、設計者は熱がジャンクションを通過することを許してはならず、すなわち次のことを避けるべきである：（1）ジャンクション上部と下部のプロセス間の熱交換；（2）公共施設の不適切な利用。同時に、各熱交換器の伝熱温度差はΔTmin以上でなければならない。3、しきい値の問題とは、すべての問題がプロセスを2つの部分に分ける分岐点を持つわけではない。冷温の組み合わせ曲線を熱端で合わせることで、組み合わせ曲線をさらに近づけ、冷端で必要な冷却用ユーティリティ量はさらに減少する。しかし、熱端では新たな冷却用ユーティリティが必要となり、その必要量は冷端のユーティリティ量の減少量に等しくなる。つまり、2つの組み合わせ曲線はさらに接近するものの、必要な総公共工事費は変わらない。ここが「しきい値」の位置であり、「しきい値」の特性を持つ問題は「しきい値問題」と簡称される。スレッショルド問題において、熱的な公共工事の需要がないものもあれば、冷却用の公共工事の需要がないものもある。総費用の最適点は、閾値よりも低いところには現れることがなく、この閾値以上であるか、等しいかのどちらかです。4、プロセスの制約 上で行った分析はすべて、許容される温度差があれば、どの熱流束も原則としてどの冷流束とでもマッチング可能であるという前提に基づいている。しかし、実際にはそうではなく、様々な制約条件のために実現できないことがよくある。例えば、2種類の流体が同一の熱交換器内で熱交換を行う場合、漏れが発生すると2つの流体が直接接触し、受け入れがたい結果を招くことになる。このとき、2つの流れる流体が熱交換を行うことを禁じるという制約が追加された。さらに、2つの流体の流路があまりにも離れていると、パイプラインによる長距離輸送が困難になるなど、他にも多くの制約条件があります；異なる機能領域間の熱交換は、システムの柔軟性を欠かせなくする。潜在的な制御や起動・停止、操作の柔軟性、安全性などが制約となり、熱回収の一部を諦めざるを得なくなる。この理由からも、ほとんどのエンジニアや技術者は熱交換ネットワーク設計法を放棄してしまった。筆者は、これらの制約要因を十分に考慮し、同時に熱交換ネットワーク設計法と組み合わせることで、必ず理想的な効果が得られると考えている。一部のプロセス制約において、制約コストが高額な場合は独立度を放棄し、プロセスをシステムとして動作させることを検討できる；あるいは独立性を保ち、別の方法でその制約を克服する。通常は、2つの工程間の間接熱交換によって実現できる。例えばエチレンジオールの蒸留において、高温の塔頂ガス相から蒸気を生成しそれを蒸気主管に供給し、他のユーザーがその主管から蒸気を取り出して熱交換を行う場合、プラント設備システムは緩衝帯として機能する。二、投資費用と総費用の目標 熱交換ネットワークの投資費用に影響を与える要因には、主に熱交換ユニットの数、熱交換面積、機器の材質、ケーシングサイドの数、圧力レベル、機器のタイプなどがある。一般的に、最終的な熱交換ネットワークの設計では、装置投資コストを削減するために熱交換ユニットの数を最小限に抑えるべきであり、すなわち：最小熱交換ユニット数＝総流路数－1；ネットワークにジャンクションがある場合、そのジャンクションの両側に上記の式を適用する。すなわち、最小熱交換ユニット数＝（ジャンクション上部の流れの数－1）＋（ジャンクション下部の流れの数－1）。 熱交換面積：経験データから伝熱膜係数を求め、その後経験式を用いて熱交換ネットワーク全体の熱交換面積を算出するが、この方法では関連データの取得が困難である。筆者は通常、プロセスシミュレーションソフトウェアのASPENを用いてモデリングを行い、同時にAspen Energy Analyzerを利用して関連データを算出する。総費用は投資費用と運用費用の合計であり、プロセスのエネルギー消費が増加すると、熱回収で利用可能な熱交換の温度差が大きくなり、必要な熱交換面積は小さくなる。したがって、エネルギー消費の最適点が存在し、その点で総コストが最小となる。ここでは、プロジェクトによって地域差があることに十分注意する必要があり、一概には言えない。例えば、新疆や内モンゴルと中部地域を比較すると、公共事業費用に大きな違いが生じ、最適な地点もそれに応じて変わってくる。三、熱交換ネットワークの設計については、プロジェクトの設計段階において、ほとんどの製品が既に成熟しており、プロセスの構成も十分に整っているため、熱交換ネットワークの設計も十分に考慮されている。また、製品自体の冷温物流量が比較的少ないものについては、プロセス上で直接熱回収の設定を判断することができる。さらに、多くの熱回収はプロセスの制約条件によって制限されている。以上の理由から、多くのプロセス設計者やプロセス開発者を含むほとんど全ての関係者が、熱交換ネットワークの設計に実質的な意味はないと考え、それを放棄してしまった。筆者はこの見解に賛同しない。実際、科学的な熱交換ネットワーク設計手法は非常に意義深く、既存製品技術のさらなる向上であれ、新規開発製品技術の最適化・完善であれ、代替不可能な大きな役割を果たしているのである。まずはその本体の設計であり、次に反応・分離・再循環システムなどとの密接な関連性であり、これは複数の要因を総合的に検討した上での選択です。熱交換ネットワークの設計において、良い初期案としては、すべての熱交換器の伝熱温度差がΔTminよりも大きいと仮定することである。エネルギー目標を達成するために、プロセスフロー間の熱伝達はジャンクションを通過してはならず、ジャンクションの上方および下方で不適切なユーティリティの使用があってはならない。1. ジョイント設計法については、上記の内容で熱交換ネットワークの投資コストとエネルギーコストのトレードオフについて既に論じました。総費用の最小値は、最適なΔTmin値に対応する。ΔTminという値は一般的に経験則に基づいて設定され、通常は10～20℃の間です。一部の産業では、より低いΔTmin値を選択できます。いくつかのΔTminの経験値の推奨値は以下の通りです：石油精製——20～40℃；石油化学――10～20℃；化学工業——10～20℃；低温プロセス——3～5℃。（1）ジョイントポイントから設計を始める。ジョイントポイントは、全体の問題の中で最も制約を受ける領域である。全体の問題の中で最も制約の多い部分から初期マッチングを決定することで、後のマッチングに困難が生じることは通常ない；（2）単一のマッチングにおけるCP不等式として、ジョイントマッチングの実現可能性を保証するため、ジョイントの上方ではCPH≤CPC、下方ではCPH≥CPCとなる。CP不等式はジョイントマッチング時のみ適用され、ジョイントを離れると温度差が増大するため、もはやCP不等式を守る必要はない。ジョイントの上方では冷たい公共インフラを使用してはならず、下方では熱い公共インフラを使用してはならない；（3）流れの分岐により、適切なプロセスマッチングを実現するため、ジャンクションの上部では：SH≤SC；ジョイント下部：SH≥SC；上記の要件を満たせない場合、またはCP不等式の要件を満たせない場合は、流れの分岐手法を用いて解決することが考えられる；（4）経験則を「排除」し、そのルールを利用してユニット数を最小限に保つ。1本の流れる流体を排除するため、2つのマッチングする流体のうち熱負荷が小さい方を完全にマッチングさせられるよう、単一の熱交換ユニットはできるだけ大きくすべきである。ジョイントポイントを離れると、設計者がマッチング関係を選択するための自由度が増えます。このとき、自分の経験に基づく判断やプロセス設計の知識を活用して解を求めることができる。2、複数のジャックポイント問題 1つの問題に2つのプロセスジャックポイントが存在するケースは稀であり、複数のジャックポイント問題は通常、ユーティリティの導入によってユーティリティジャックポイントが生じることが原因である。複数のクランプポイントを持つ問題において、2つのクランプポイント間の設計は、最も制約の厳しいクランプポイントから始めるべきである。初期の熱交換ネットワーク構造が決定された後、ループ、公共工程経路、および流量の分岐によってネットワークコストを調整することができる。この過程においては、温度差がΔTminを超えることや、熱がジャンクションを越えないという制約を受けない。唯一の目標は、総費用が最も少ない設計を実現することです。3、Aspen Energy Analyzerを用いた熱交換ネットワークのジャンクション分析について、ジャンクション分析および最適化の過程では、多数の冷媒・熱媒フローとそれに対応する熱力学的性質が必要となる。Aspen Plusでシミュレーションを行った後、その結果を直接Aspen Energy Analyzerに転送し、そこで熱交換ネットワークの設計を行うことができます。このソフトウェアの最大の利点は、**効率を向上させることができ、かつ十分に整備された物性データを備えているため、さまざまな案を迅速に比較検討できる点**です。具体的な分析手法および熱交換ネットワークの設計手法の原則は、上で述べた内容と同じである。上で紹介した熱交換ネットワークの設計手法は、ジャンクション分析に基づく熱統合であり、プロセス工業や電力業界のさまざまな分野で広く応用されている。その手法とは、プロセス内に存在するさまざまな熱源や熱の貯蔵場所を考慮し、プロセス内で熱交換を行う解決策を提案することによって、エネルギーの最適な利用を実現するものである。