タワー設計において、タワーの直径を計算する際、空タワーのガス速度はどのように決定されるのでしょうか？空塔の気速は物質の種類と関係があるか？
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タワー設計において、タワーの直径を計算する際、空タワーのガス速度はどのように決定されるのでしょうか？空塔の気速は物質の種類と関係があるか？
例えばエタノールアミンは発泡しやすく、脱硫塔であれ再生塔であれ、経験的にその空塔線速度は0.7m/sを超えてはならない。
4.1.3 塗料塔のプロセス寸法の計算 填料塔のプロセス寸法の計算には、塔径の計算、填料層の高さの計算、および区分などが含まれる。 4.1.3.1 タワー径の計算 パッキングタワーの直径は、依然として式4-1を用いて計算される。すなわち、式(4-1)における気体体積流量Vsは、設計条件によって与えられる。上式からわかるように、タワー径を計算する際の核心的な問題は、空塔内の気速uを決定することである。 (1) 空塔気速の決定 ①泡点気速法 泡点気速は充填塔の運転気速の上限であり、充填塔の運転時の空塔気速は泡点気速よりも小さくなければならない。運転空塔気速と泡点気速の比率を泡点率という。 バルク充填剤の場合、フラッディング率の経験値はu/uF=0.5～0.85である。整然充填剤の場合は、フラッディング率の経験値はu/uF=0.6～0.95である。フラッディング率の選定にあたっては、主に充填塔の操作圧力と物質系の発泡度という2つの要因が考慮される。設計において、加圧操作を行う塔については、より高い泡点率を採用すべきである；減圧操作を行う塔については、より低い泡点率を採用すべきである；発泡しやすい物系においては、泛点率は低い値を採用すべきである；一方、泡のない系では、より高い発泡率を得ることができる。 フラッドポイントの気速は、経験式を用いて計算することも、関連図から求めることもできる。 a. ベイン－ホーゲン関係式 充填剤の限界気速はベイン－ホーゲン関係式によって計算でき、すなわち式(4-2)において、uFは限界気速（m/s）、gは重力加速度（9.81 m/s²）である ； at——充填剤の総比表面積、m2/m3； ε——充填層の空隙率、m3/m3； ρV、ρL——気相、液相の密度、kg/m3； μL——液体の粘度、mPa·s； wL、wV——液相、気相の質量流量、kg/h； A、K——相関定数。 定数AとKは充填剤の形状および材質に依存し、異なるタイプの充填剤におけるA、K値は表4-3に示されている。式4-2によってフラットポイントの気速を計算すると、誤差は15％以内です。 表4-3 式3-34におけるA、K値
散装充填材の種類 A K
規則充填材の種類 A K
プラスチック製ボールリング 0.0942 1.75
金属線製ワイヤープレート型波形充填材 0.30 1.75
金属製ボールリング 0.1 1.75
プラスチック製ワイヤープレート型波形充填材 0.4201 1.75
プラスチック製ステップリング 0.204 1.75
金属製メッシュ型波形充填材 0.155 1.47
金属製ステップリング 0.106 1.75
金属製メッシュ板型波形充填材 0.291 1.75
セラミック製マスクアンカー 0.176 1.75
プラスチック製メッシュ板型波形充填材 0.291 1.563
金属製リング型マスクアンカー 0.06225 1.75
b. エッカート法による一般的な関係式
散装充填材の臨界流速は、図4-5に示すようにエッカート法による関係式を用いて計算できる。計算時には、まず気液相負荷および関連する物性データから横軸の値を求め、次に垂直線を引いて対応する泛点線と交わらせ、その交点から水平線を引いて縦軸と交わらせることで、縦軸の値を求める。このときのuが、パン点の気速uFである。 指摘しておくべきは、エクター一般関連図を用いてフラッディング速度を計算する際に必要となる充填係数は、液フラッディング時の湿潤充填係数であり、これをフラッディング充填係数と呼び、ΦFで表すということである。フラッドポイント充填係数ΦFは液体スプレー密度に関連しているが、工学的計算の便宜上、液体スプレー密度と無関係なフラッドポイント充填係数の平均値がよく用いられる。表4-4には、一部のバルク充填材のフラン点充填係数の平均値が示されており、設計の参考となる。 図4-5 パッキングタワーのフラッディング点と圧力損失の一般的な関係図 図中、u0は空塔内の気体速度、単位：m/s； φ——湿潤充填剤係数、略して充填剤係数、1/m； ψ——水の密度と液体の密度の比； g——重力加速度、m /s2； ρV、ρL——それぞれ気体と液体の密度、kg/m3； wV、wL——それぞれガスおよび液体の質量流量で、単位はkg/sです。 この図は、ラシー環、アーチ型フィラー、長方形アーチ型フィラー、ボール環などの乱雑に積まれた粒状フィラーに適用され、さらに整然と積まれたラシー環やストリング・グリッドフィラーといった規則的なフィラーのファンポイント曲線も描かれている。他の充填剤については、信頼できる充填剤ファクターのデータはまだ存在しない。 表4-4 パッチ式充填材の平均フィラー係数 充填材の種類 フィラー係数、1/m DN16 DN25 DN38 DN50 DN76
金属製ボールリング 410 — 117 160 —
金属製リングマウント — 170 150 135 120
金属製ステップリング — — 160 140 —
プラスチック製ボールリング 550 280 184 140 92
プラスチック製ステップリング — 260 170 127 —
セラミック製マウント 1100 550 200 226 —
セラミック製ラシリング 1300 832 600 410 —
②気相運動エネルギー係数（F係数）法
気相運動エネルギー係数は略してF係数と呼ばれ、その定義は(4-3)で与えられる。気相運動エネルギー係数法は、整然とした充填材を用いた場合の空塔流速を決定するためによく用いられる。計算する際には、まずマニュアルや図表から運転条件における充填剤のF係数を調べ、次に式4-3に基づいて運転時の空塔ガス速度uを算出します。一般的な規則的充填剤における適切な操作ガス運動エネルギー係数は、関連する図表から求めることができる。 指摘しておくべきは、適切な空塔流速を計算するための気相運動エネルギー係数法は、一般的に低圧操作（圧力0.2 MPa未満）の場合に用いられるということである。 ③気相負荷係数（Cs係数）法 気相負荷係数は略してCs係数と呼ばれ、その定義は(4-4)である。気相負荷係数法は、整然充填材の空塔流速を決定するためによく用いられる。計算にあたっては、まず最大気相負荷係数Cs,maxを求め、次に以下の関係式Cs=0.8Cs.max (4-5)によってCsを算出し、さらに式4-4によって操作空塔気速uを求める。 一般的な規則的充填剤におけるCs.maxの計算方法は、関連する充填剤マニュアルを参照するか、図4-6に示されているCs.maxのグラフからも求めることができる。図中の横軸ψは流動パラメータと呼ばれ、その定義は(4-6)である。図4-4の曲線は板状波形充填材に適用される。250Y型の板波形充填材を基準とする場合、他のタイプの板波形充填材については修正係数Cを乗じる必要があり、その値は表4-5を参照のこと。 表4-5 その他のタイプのウェーブ状充填材の最大負荷補正係数
充填材の種類 型番 補正係数
板状ウェーブ状充填材 250Y 1.0
メッシュ状ウェーブ状充填材 BX 1.0
メッシュ状ウェーブ状充填材 CY 0.65
セラミック製ウェーブ状充填材 BX 0.8
(2) タワーの直径の計算と丸め処理
上記の方法で空塔内の気速uを求めた後、式4-1を用いてタワーの直径Dを計算することができる。指摘しておくべきは、式4-1によって塔径Dを算出した後、塔径の規格系列に従って丸める必要があるということである。一般的に使用される標準的なタワーの直径は、400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200mmなどです。円形に整えた後、操作用の空塔気速uと泡立ち率を再計算する。 (3) 液体噴霧密度の検算 パッキングタワーにおける液体噴霧密度とは、単位時間、単位タワー断面積あたりの液体の噴霧量を指し、その計算式は式(4-5)で表される。ここでUは液体噴霧密度で、単位はm3/(m2·h)である； Lh——液体噴霧量、m3/h； D——充填塔の直径、m。 充填剤が良好に濡れるためには、塔内の液体の噴霧量はある一定の限界値以上でなければならず、この限界値を最小噴霧密度と呼び、Uminで表す。 バルク充填材の場合、その最小スプレー密度は通常、次の式で計算される。すなわち、Umin=(LW) minat (4-6) ここで、Uminは最小スプレー密度で、単位はm3/(m2·h)である； (LW) min——最小濡れ速度、m3/(m·h)； at——充填剤の総比表面積、m2/m3。 最小濡れ速度とは、塔の断面において、単位長さの充填材周辺の最小な液体体積流量を指す。その値は経験式によって計算することもできる（関連する充填剤マニュアルを参照）、またいくつかの経験値を用いることもできる。直径が75 mmを超えないバルク充填材の場合、最小濡れ速度(LW) minは0.08 m3/(m·h)とすることができる；直径が75 mmを超えるバルク充填材については、(LW) min=0.12 m3/(m·h)とする。 規則的な充填材の場合、最小スプレー密度は関連する充填材マニュアルで確認でき、設計においては通常Umin=0.2とする。 実際の運用時に用いる液体噴霧密度は、最小噴霧密度よりも大きくなければならない。液体のスプレー密度が最小スプレー密度よりも小さい場合は、調整を行い、塔径を再計算する必要がある。
散装充填材の種類 A K
規則充填材の種類 A K
プラスチック製ボールリング 0.0942 1.75
金属線製ワイヤープレート型波形充填材 0.30 1.75
金属製ボールリング 0.1 1.75
プラスチック製ワイヤープレート型波形充填材 0.4201 1.75
プラスチック製ステップリング 0.204 1.75
金属製メッシュ型波形充填材 0.155 1.47
金属製ステップリング 0.106 1.75
金属製メッシュ板型波形充填材 0.291 1.75
セラミック製マスクアンカー 0.176 1.75
プラスチック製メッシュ板型波形充填材 0.291 1.563
金属製リング型マスクアンカー 0.06225 1.75
b. エッカート法による一般的な関係式
散装充填材の臨界流速は、図4-5に示すようにエッカート法による関係式を用いて計算できる。計算時には、まず気液相負荷および関連する物性データから横軸の値を求め、次に垂直線を引いて対応する泛点線と交わらせ、その交点から水平線を引いて縦軸と交わらせることで、縦軸の値を求める。このときのuが、パン点の気速uFである。 指摘しておくべきは、エクター一般関連図を用いてフラッディング速度を計算する際に必要となる充填係数は、液フラッディング時の湿潤充填係数であり、これをフラッディング充填係数と呼び、ΦFで表すということである。フラッドポイント充填係数ΦFは液体スプレー密度に関連しているが、工学的計算の便宜上、液体スプレー密度と無関係なフラッドポイント充填係数の平均値がよく用いられる。表4-4には、一部のバルク充填材のフラン点充填係数の平均値が示されており、設計の参考となる。 図4-5 パッキングタワーのフラッディング点と圧力損失の一般的な関係図 図中、u0は空塔内の気体速度、単位：m/s； φ——湿潤充填剤係数、略して充填剤係数、1/m； ψ——水の密度と液体の密度の比； g——重力加速度、m /s2； ρV、ρL——それぞれ気体と液体の密度、kg/m3； wV、wL——それぞれガスおよび液体の質量流量で、単位はkg/sです。 この図は、ラシー環、アーチ型フィラー、長方形アーチ型フィラー、ボール環などの乱雑に積まれた粒状フィラーに適用され、さらに整然と積まれたラシー環やストリング・グリッドフィラーといった規則的なフィラーのファンポイント曲線も描かれている。他の充填剤については、信頼できる充填剤ファクターのデータはまだ存在しない。 表4-4 パッチ式充填材の平均フィラー係数 充填材の種類 フィラー係数、1/m DN16 DN25 DN38 DN50 DN76
金属製ボールリング 410 — 117 160 —
金属製リングマウント — 170 150 135 120
金属製ステップリング — — 160 140 —
プラスチック製ボールリング 550 280 184 140 92
プラスチック製ステップリング — 260 170 127 —
セラミック製マウント 1100 550 200 226 —
セラミック製ラシリング 1300 832 600 410 —
②気相運動エネルギー係数（F係数）法
気相運動エネルギー係数は略してF係数と呼ばれ、その定義は(4-3)で与えられる。気相運動エネルギー係数法は、整然とした充填材を用いた場合の空塔流速を決定するためによく用いられる。計算する際には、まずマニュアルや図表から運転条件における充填剤のF係数を調べ、次に式4-3に基づいて運転時の空塔ガス速度uを算出します。一般的な規則的充填剤における適切な操作ガス運動エネルギー係数は、関連する図表から求めることができる。 指摘しておくべきは、適切な空塔流速を計算するための気相運動エネルギー係数法は、一般的に低圧操作（圧力0.2 MPa未満）の場合に用いられるということである。 ③気相負荷係数（Cs係数）法 気相負荷係数は略してCs係数と呼ばれ、その定義は(4-4)である。気相負荷係数法は、整然充填材の空塔流速を決定するためによく用いられる。計算にあたっては、まず最大気相負荷係数Cs,maxを求め、次に以下の関係式Cs=0.8Cs.max (4-5)によってCsを算出し、さらに式4-4によって操作空塔気速uを求める。 一般的な規則的充填剤におけるCs.maxの計算方法は、関連する充填剤マニュアルを参照するか、図4-6に示されているCs.maxのグラフからも求めることができる。図中の横軸ψは流動パラメータと呼ばれ、その定義は(4-6)である。図4-4の曲線は板状波形充填材に適用される。250Y型の板波形充填材を基準とする場合、他のタイプの板波形充填材については修正係数Cを乗じる必要があり、その値は表4-5を参照のこと。 表4-5 その他のタイプのウェーブ状充填材の最大負荷補正係数
充填材の種類 型番 補正係数
板状ウェーブ状充填材 250Y 1.0
メッシュ状ウェーブ状充填材 BX 1.0
メッシュ状ウェーブ状充填材 CY 0.65
セラミック製ウェーブ状充填材 BX 0.8
(2) タワーの直径の計算と丸め処理
上記の方法で空塔内の気速uを求めた後、式4-1を用いてタワーの直径Dを計算することができる。指摘しておくべきは、式4-1によって塔径Dを算出した後、塔径の規格系列に従って丸める必要があるということである。一般的に使用される標準的なタワーの直径は、400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200mmなどです。円形に整えた後、操作用の空塔気速uと泡立ち率を再計算する。 (3) 液体噴霧密度の検算 パッキングタワーにおける液体噴霧密度とは、単位時間、単位タワー断面積あたりの液体の噴霧量を指し、その計算式は式(4-5)で表される。ここでUは液体噴霧密度で、単位はm3/(m2·h)である； Lh——液体噴霧量、m3/h； D——充填塔の直径、m。 充填剤が良好に濡れるためには、塔内の液体の噴霧量はある一定の限界値以上でなければならず、この限界値を最小噴霧密度と呼び、Uminで表す。 バルク充填材の場合、その最小スプレー密度は通常、次の式で計算される。すなわち、Umin=(LW) minat (4-6) ここで、Uminは最小スプレー密度で、単位はm3/(m2·h)である； (LW) min——最小濡れ速度、m3/(m·h)； at——充填剤の総比表面積、m2/m3。 最小濡れ速度とは、塔の断面において、単位長さの充填材周辺の最小な液体体積流量を指す。その値は経験式によって計算することもできる（関連する充填剤マニュアルを参照）、またいくつかの経験値を用いることもできる。直径が75 mmを超えないバルク充填材の場合、最小濡れ速度(LW) minは0.08 m3/(m·h)とすることができる；直径が75 mmを超えるバルク充填材については、(LW) min=0.12 m3/(m·h)とする。 規則的な充填材の場合、最小スプレー密度は関連する充填材マニュアルで確認でき、設計においては通常Umin=0.2とする。 実際の運用時に用いる液体噴霧密度は、最小噴霧密度よりも大きくなければならない。液体のスプレー密度が最小スプレー密度よりも小さい場合は、調整を行い、塔径を再計算する必要がある。
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中国石化『塔器』または現代の充填塔技術ガイド