深掘り記事‖古い装置をどう合理的に改造すれば、省エネかつ効率向上が図れるか！

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深掘り記事‖古い装置をどう合理的に改造すれば、省エネかつ効率向上が図れるか！2016-08-13 石化縁　態度人生の石化縁　タワーの処理能力を向上させるために改修を行う際、古い設備にどれだけの潜在能力があるか、古い設備の処理能力を制限している要因は何か、経済的かつ増産の要求を満たすための改修方法とは何か、といった問題を解決する必要がある。ここでの鍵となる問題は、実質的にはタワーの最大処理能力の予測である。 しかし、この時点は設計段階とは異なり、性能向上のための改修ではより正確な予測が求められる。設計段階では10％～20％の誤差は一般的に許容されるが、性能向上のための改修ではそのような誤差は大きすぎる。 この時、有利な点は、既存の古い装置があること、豊富な運用経験と関連資料があることです。これらの有利な条件を十分に活用し、予測をより正確で現実的なものにすべきだ。ボトルネック段階の最大能力予測は、一般的な相関式ではなく、信頼性の高い測定に基づいて行われる。これは古い装置の改造を行う上での基本的な考え方であり、製品品質の向上や省エネにおいても同様です。 旧装置の最大処理能力、すなわち最大の原料処理能力または最大の製品量を得るためには、2つの試験を行う必要がある。 まず、供給位置を変更し、最適な供給位置を決定する；さらにリフラックス比Rを段階的に減少させながら製品の品質を検査し、合格品を生産するために必要な最小の操作リフラックス比を決定する。この値が通常の生産操作時のRよりも小さいことは、タワーに一定の余力があることを示している。最後に、この最小操作還流比で塔の液泛試験を行い、塔の最大通量を決定する。 上記の試験により、既存装置の最大原料処理能力または最大製品量を算出することができる。この処理量が増産要求を満たすのであれば、問題は無事解決したことになる。まだ一定の差がある場合は、タワーを改造する必要がある。 この時、タワーの処理能力を制限する要因を特定し、その上で改修案を決定する必要がある。装置の改造において塔のシミュレーション計算は重要な役割を果たすが、シミュレーション計算で使用される各種の関係式や基本データは、精留塔の実測データによって検証されなければならず、これによってシミュレーション結果が塔の実際の運転状況を正確に反映していることが保証される。精留塔のシミュレーション計算における最も基本的な相関式とデータは、以下の数項目がある。 1. 相平衡関連　関連式はできるだけ実測された相平衡データから導出すべきであり、その実測データは高い品質を持つ必要がある。つまり、熱力学的整合性の検証を通じて、構築された関係式を用いて予測された相平衡データと実測値との誤差が小さくなければならず、また実測データの濃度範囲は塔内の全濃度範囲をカバーし、外挿を避ける必要がある。 例えば、製品の濃度が99.5％であるにもかかわらず、実測値が95％またはそれ以下しかない場合、このような実測値の範囲は狭すぎます。95％から99.5％までは外挿による差は少ないように見えますが、実際にこの範囲で精製するには多数の塔板数を必要とし、わずかな誤差でも計算値に大きな影響を与えます。 2. 物質移動効率のデータ　板式塔では塔効率が用いられることが多く、精留段と抽出段で異なる値を設定することもできる。一方、充填塔ではHETPが用いられる。適切な相平衡相関式があれば、実測された製品組成、原料組成と熱状態、原料流量と製品流量、還流比と操作圧力、およびサイドカットの位置・抽出量・組成（もしあれば）から、シミュレーション計算により塔全体（および各セクション）が実際に有する理論段数を求めることができ、それによって塔効率（または各セクション効率）やHETPを得ることができる。 この試験では、重要な成分の分離によるジャンクション問題を避け、誤った結果が得られないように、リフラックス比をやや大きくすることが望ましい。また、充填塔の試験では、液体分配器の分配性能に特に注意を払う必要がある。構造図面を確認することで、分散器の設計品質を把握することができる。一般的に、正常に動作し設計目標を達成している塔の場合、その液体分散器の設計品質は要求水準を満たしている。もし製造運転中に液体分散器の設計品質に問題があるのではないかと疑われる場合は、現場テストによってその状態を判定することができる。 平衡データと効率、および生産操作が一致しているかを厳密に検証するため、現場テストでは塔の高さに沿った温度分布を測定する必要があります。もちろん、塔の高さに沿った濃度分布も測定できればなお良いでしょう。これらのデータを用いてシミュレーションの結果を照合し、繰り返し分析・調整することで、より実際に即した相平衡関係や効率データを得ることができます。 3. 気液二相のエンタルピー関連式 実測データによる検証ができれば最良だが、この分野のデータは多くなく、しばしば文献で比較的一致して推奨されているいくつかの関連式を選ぶしかない。エンタルピーの正確性は、塔内の気液二相流量や凝縮器、再沸器の熱負荷に主に影響を与える。熱負荷の誤差が小さい場合、それを用いたシミュレーション計算の結果は許容できるものとなる。 4. タワー型または充填塔のいくつかの流体力学的特性の関係性　最も重要なのは、液逆流速度とトルク降下の関係であり、まず液逆流が生じる原因を判断し、次に使用する関係式を選定・確認する必要がある。キースターは、フィラータワーの供給業者が液泛に関する見積もりを過度に楽観視したため、改造後に達成可能な生産能力の拡大率が誤って示された事例を挙げた。文献における各相関式がどれだけの実験データに基づいているか、変数の変動範囲や実験対象の系などを把握することは、信頼性の高い相関式を正しく選択する上で非常に重要である。 適切な各種相関式を選択し、プラントの設備や必要な試験測定データを用いてその相関式を検証することで、シミュレーション計算結果が塔内の実際の状況を正しく反映させることができる。そうして初めて、シミュレーション計算は、装置処理量を決定する主要因を特定したり、改造計画を策定したりするための有用なツールとなり得るのである。 塔の処理能力を向上させる方法 ►塔の内部部品を変更する。 ►地域の状況に応じてプロセスを改善する。 ►塔の操作圧力を上げること、さらに塔板を増やしてリフラックス比を下げることも、生産量を増加させる効果がある。 1. 塔設備の内部構造の改良 （1）旧式の充填材や塔板に代わって、新しい高効率な充填材を使用する 第三世代の充填材および規則充填材は、第二世代の充填材よりも圧力損失が少なく、効率が高い（HETPが小さい）。これらを旧式の充填材の代わりに使用することで、塔の液泛気速（つまり通量）が直接的に向上する；また、同じ高さの充填層が持つ理論段数が増加したため、操作時の還流比を低減でき、間接的に原料処理量と生産量が増大した。強調しておくべき点は、新しい高効率充填材の要求に対応するため、液体用の分配器や再分配器も改良が必要であるということです。 充填塔と板式塔は最適な状態で運転され、減圧、常圧、低圧下で稼働し、規則的な充填材は効率と流量の両方において優位性を持つ；高圧下（>2MPa）では、規則充填材の上記の利点は失われがちであり、高性能なバルク充填材が一定の優位性を持つ。塔の改良において、充填材を塔板に代わって使用すると、生産性の向上効果はより顕著になる。なぜなら、各理論板における圧力損失をほぼ90％削減できるからである。 一般的に各塔板の圧力損失は0.4～1.05kPaの間であり、減圧蒸留ではそれよりも低くなる。一方、金属製のマルチサドルリングなどの不規則充填材では圧力損失が55Pa/理論板まで下がり、規則充填材では13Pa/理論板に達する。この顕著な利点により、高真空蒸留塔の改造において大きな優位性を持つ。なぜなら、この場合タワー径の算出は規定された圧力損失によって決定され、圧力損失が小さい充填材ではより高い蒸気速度を用いることができるからである。 ストライガーの推定によると、同じ圧力損失の条件下で、金属製のマス鞍型充填材は板式塔よりも処理能力が約70％高くなり、整然とした充填材を使用すればさらに高い処理能力が得られるという。高効率充填剤を用いてスチレン精留塔を改良することは、多大な経済的利益をもたらす典型的な例であり、天津大学はプレートウェーブ形状の規則正しい充填剤を用いて、この種の塔を10基以上にわたって成功裏に改良してきました。 この改良により、生産量が増加するだけでなく、塔底温度や全抽出セクションの平均温度が低下し、塔内の液量も減少する（その結果滞留時間が短縮される）ため、スチレンの重合による損失がほぼなくなり、スチレンの収率が向上する。 常圧および高圧蒸留においては、充填塔の抵抗が小さく液保持量が少ないという利点はもはや重要ではないが、板式塔に代わって充填材を使用することで依然としてかなり顕著な生産性向上効果が得られる。ブライアリーは、長期にわたる成功した適用実績があるため、高圧（>2MPa）下では板式塔の方が信頼性が高いと考えているものの、高圧下で粒状充填材を使用することでも顕著な効果が得られることを認めている。 そして規則充填物は、板式塔に比べて、低圧領域のほとんどの場合でより大きな処理能力と効率を持つ。シュトライガーは、高圧塔において塔板の代わりに金属製のマス鞍リングを使用することで、約25％の生産性向上が得られると考えている。 その主な理由は、高圧下では板式塔がオーバーフロー領域にかなりのスペースを必要とするのに対し、充填塔では全領域が二相接触による物質移動に利用できるからである。30万トンのエチレンプラントの高圧脱メタン塔において、生産量を制限していた部分のフロートバルブを金属製のマス鞍リングに交換することで、約20％の生産増加効果が得られた。 高圧領域における整列充填材の利用はまだ広くはなく、使用する際には注意が必要です。既に文献には、乾式脱メタン塔（圧力3MPa）、脱プロパン塔（1.8MPa）、脱エタン塔（2MPa）、C3/C4塔（3.2MPa）などを改造した成功例があり、生産量の増加効果は20～25％に達している。ただし、分離効率は低圧時ほど良くないため、さらなる研究が必要である。 文献によると、アメリカの精留研究会社は3.2MPaの圧力下で、インタロックス2T整流充填材を用いて工業規模の試験を行った。試験対象の物質系はイソブタン－ノルマルブタンであり、分離効率および流量については一貫して満足のいく結果は得られなかった。 充填材を塔板の代わりに使用する場合、塔内の既存の塔板支持リングを取り除く必要があり、残った幅は12mm未満でなければならない。そうでないと、液体の大きな規模での不均一な分布が生じ、分離効率が低下するとともに、塔の処理能力も低下する。また、原材料、蒸気接続口、および圧力・温度測定用の計器接続口も慎重に位置を確認し、場合によっては移動させる必要があります。 一点指摘しておくべき点があります。現在議論されているのは塔の増産改造であり、塔内部の部品を改造するだけで増産の要求を満たすことができます。新しい装置を建設するよりも経済的であり、たとえ使用する部品の価格が少し高くても採算が取れます。これは新工場の設計とは異なり、どんな状況下でも充填塔が常に板式塔より優れているわけでは決してない。 （2）既存の塔板の構造寸法を改良するか、効率が高く処理能力の大きい新型塔板を採用する。一般的に、元の設計では様々な関連する誤差などのため、より信頼性の高い設計とするために安全係数が用いられており、これによってさらなる生産量の増加や潜在能力の掘り起こしが可能になる。しかし、しばしばある要因の制約により、適切な改良を行わなければ大幅な増産は難しい。 塔板の流体力学に関する相関式を実測データで検証することにより、再設計計算を現実に即したものにし、制約要因を明らかにし、最適な構造を達成することができる。カプスは、塔板負荷性能図を用いて判断することを提案している（図7-1）。 図7-1 構造寸法が最適化されているかを判断する性能図　図7-1bは降下管からの液の溢出が早期に発生する状況を示しており、塔板の開口率や溢流堰の高さ、降下管の底部間隙、または板間距離を調整することで最適な状態を実現できる；図7-1cは、降液管の断面が小さすぎ、その閉塞液溢れが塔の処理能力を制限している様子を示している；図7-ldに示すように、過剰な霧状の液の巻き上がりや液の逆流が塔の処理能力を制限するが、板間隔や堰の高さ、孔径などを調整することで最適化が可能である。塔板を適切に改良することで、大幅な生産量の増加を実現し、要求を満たすことが可能である。 具体的な分離対象の物質系、操作条件、および気液相の負荷状況を踏まえて、特に適した新型の塔板を選択することも、実際の塔の生産性向上のための手段である。ガイドフロートバルブは、スクリーンバルブやフロートバルブ塔板に代わって広く使用でき、生産性の向上をもたらすことができるようだ。 2. 改造プロセス 空いているタワーの分離能力と処理能力が共に要求を満たしていない場合でも、現在の生産用タワーと組み合わせることで、その処理能力は大幅に向上する。図7-2には3つの可能な組み合わせ案が示されており、プロセスシミュレーションによって最適な組み合わせを決定することができる。 図7-2 闲置タワーと生産タワーの組み合わせ方 1-生産タワー；2-余剰塔 ある製品の分離が、順次拡張された2基の塔を直列に接続して行われる場合、精留段として使用される塔の処理能力は、抽出段のそれよりも明らかに大きくなる。一方、抽出段での液泛は、塔全体の処理能力を著しく制限する。 塔全体の処理能力を向上させるために、蒸留段の下部に中間再沸器を設置し、抽出段の気液相負荷の一部を蒸留段に移すことで、両段の負荷をバランスさせ、生産量の増加を図ることができる。エネルギー利用の観点から見ると、中間再沸器に投入される熱量は蒸留段階で分離機能を果たすが、その利用率は低い。工場に余剰な低温熱源があれば、エネルギーを合理的に総合的に活用することができる。 塔の高さを増やすことが許容される場合には、塔板数を適宜増やすこと（これによりR値を下げることができる）、供給口の位置を最適な場所に調整すること、そして供給物の熱状態を調整すること（例えば、抽出段が処理量を制限する鍵となるため、気液混合供給または気相供給に変更するなど）も、生産量を適切に向上させるのに役立つ。 3. タワーの操作圧力を上昇させる。加圧操作を採用する理由は、タワー頂部の凝縮器の温度を上げて、空冷や水冷、あるいはより高温の冷却剤を使用できるようにするためである；減圧操作を採用する理由は、塔底の温度を下げて、材料が過熱して変質したり、コーク化や重合が起こったりするのを防ぐため、あるいは水蒸気やや低い温度の加熱剤を使用できるようにするためです。 これにより、塔底温度が原料の変質、重合、またはコーク生成によって規定されていない限り、塔圧を上げることができるかどうかは経済的な検討事項である。圧力を上げることで生産量を増やし、新規設備への投資を節約できる場合、それはしばしば経済的に魅力的である。 圧力を上げることで生産量が増えるのは、圧力が高まると蒸気の密度が正比例して増大するためです。塔圧の上昇により塔内の液泛蒸気速度はやや低下するものの、塔が許容できる蒸気質量流量は大幅に向上する。 リフラックス比が変わらない場合、つまり塔の生産量や処理する原料量も同様に増加することになる。しかし、圧力が倍増するにつれて相対揮発度もわずかに低下し、その結果最小還流比が上昇し、運転還流比も増大する。これにより、pGおよび増加した生産効果の一部が相殺される。 一般的に、減圧蒸留や常圧に近い条件での蒸留は、加圧による生産量増加の改造が容易である。なぜなら、わずかな絶対圧力を上げるだけでpGを大幅に高めることができ、装置の強度面での問題も生じないからである。高圧精留においてpGを倍増させると、装置の強度上の問題が生じる。また、高圧充填塔の正常な運転もより困難になり、板式塔では降液管が小さすぎるという問題が生じる可能性もある。本文は化学工業707からの転載です。情報共有のためのみに掲載しており、著作権は原著者に帰属します