過熱蒸気で再沸器を加熱するのは合理的か？

温度差が大きく、温度が高いと、プロセス媒体に影響はありますか？

再沸器の原理は、精留塔に熱源を供給し、さらに塔底の物質中の軽成分を蒸発させることです。温度差が大きくなると重成分の蒸発が増え、精留の制御が困難になります。また、塔底の物質にカーボン化しやすい成分が含まれている場合、温度が高すぎるとカーボン化が起こります

一部の媒体は局部的な過熱によって劣化したり、カーボン化したりすることがある。そのような場合にのみ、圧力を下げて温度を下げて飽和状態にする必要があり、そうでなければ必要ない。

間接加熱なら可能だと思います

加熱される媒体が高温に耐えられるのであれば、問題ないはずです（0.55MPaの過熱蒸気は一般的に300度を超えることはありません）。しかし実際には、熱交換器から漏れが生じやすくなります。

飽和蒸気の熱交換の方が良いのか、過熱蒸気の方が良いのか調べてみて

この投稿は最終的にarpcdによって2016年11月24日06:10に編集されました。どうやら投稿者はまだ初心者のようです（投稿の最後にその理由が記載されています）。初心者が抱える問題としては、xx本社が所有するxx支社には、飽和蒸気を使って物質を加熱する再沸器E101があり、これは立式の管殻型熱交換器（最もシンプルなタイプの熱交換器）です。現在、この装置は正常に動作しており、状態も良好です。しかし、本社で蒸気配管の改修が行われることになり、蒸気を長距離輸送する際に凝縮水ができるだけ発生しないようにし、蒸気の利用効率を高めるため、配管では過熱蒸気が使用されることになります。そのため、本社の技術改革部門は、各支社に対して、自社で使用している蒸気装置について点検を行うよう要請しています。工場全体の改修に合わせて、XX分工場技術課ではE101の照査計算を行う必要がある。すなわち、同等の圧力条件下で元々使用していた飽和蒸気の代わりに過熱蒸気を使用することは可能かどうか、ということだエネルギー消費、工程指標、設備の安全性などの要因を評価し、技術改善室が後続の改良作業を計画できるようにする。 答えを得るためには、上記の例を仮想的に設定し、実際に計算して結論を出してみてください。ベテランの経験はどうやって得られるのでしょうか？計算した。。。。シナリオ開始：E101熱交換器および使用する蒸気のパラメータは以下の通りで、稼働中の装置であるため、以下のパラメータはすべて実測値です（これは重要です）：熱交換面積F=40m2、総伝熱係数Kmax=500 W/m2.℃、伝熱平均温差T=50℃（媒体の気化温度112℃）、実際の運転時に達成可能な最大熱負荷Qmax=1000kW；使用される蒸気は0.55MPaG（表圧）の飽和蒸気であり、蒸気は飽和温度で凝縮する。P=0.55MPaG、T=162℃、比エンタルピーH=2760 kJ/kg、定圧比熱Cp=2.5129 kJ/kg・℃、飽和水の比エンタルピーH0=685 kJ/kgである。これにより、蒸気の凝縮潜熱r=2760-685=2075 kJ/kgとなる。与えられた1000kWの熱負荷において、蒸気消費量W=1735 kg/hとなる。 そして、あなたは演劇の主人公であるXX工場の技術員として、この厄介なE101が過熱蒸気を使用できるかどうかを確認し、エネルギー消費量や工程指標、設備の安全性について評価することが、あなたの仕事なのです。これらすべてがあなたの責任範囲内の業務です。仕事が終わらなかったり、うまくできなかったりすると、上司に不満を持たれて、今年の年末評価は絶対に台無しになる！！ 技改办の担当者たちが示した過熱蒸気のパラメータは、P=0.55MPaG、T=262℃、過熱度100℃、比エンタルピーH=2981 kJ/kg、定圧比熱Cp=2.1047 kJ/kg·℃、飽和水の比エンタルピーH0=685 kJ/kgである。これにより、過熱蒸気が飽和水に凝縮する過程での顕熱＋潜熱はr=2981-685=2297 kJ/kgとなる。エネルギー消費、プロセス指標、設備の安全性という3つの問題をそれぞれ見ていく。1.エネルギー消費：計算は簡単で、使用される過熱蒸気がすべて熱交換器内で凝縮され、プロセスの熱負荷が変わらないと仮定すると、必要な蒸気量W=Q/r=1000*3600/2297=1567 kg/hとなる。これは従来の1735 kg/hと比べて、1735-1567=168 kg/h少なく、削減率は9.7％で、ほぼ10％に達している。既存の蒸気配管やバルブもそのまま使用可能である。。上司がそれを聞いて、「おや、消費量が減るし、配管のバルブも再利用できるなんて、良いことだ」と言った（すみません、上司、悪いことはたいてい後で話すから）。。 2.工程指標：まずE101の熱交換面積が十分かどうかを確認する必要があります。つまり、過熱蒸気を使用するE101の熱交換面積が工程上の要求を満たしているかどうかです。そうでなければ、1で算出された消費量の数値は意味のないものになってしまいます。 過熱蒸気を使用するため、E101内には必然的に顕熱領域と潜熱領域が存在し、つまり蒸気は100℃の過熱度が消費された後でなければ凝縮できず、262℃の蒸気→162℃の蒸気→162℃の水という2つの過程に分かれる。前者は顕熱、後者は潜熱である。熱負荷が変わらず1000kWのままだと、それぞれの領域の熱負荷を計算すると、顕熱領域では262℃と162℃の2つの温度における平均定圧比熱Cp=(2.5129+2.1047)/2=2.3088 kJ/kg·℃となり、熱負荷Q1=WCpt=1567×2.3085×100=361,842kJ/h=101kWとなり、全体の約10％を占めることになる； 潜熱段：簡単で、1000－101＝899kW。顕熱段を差し引けばよく、全熱負荷の90％を占める。面積の検算計算：簡単に言えば、潜熱段の割合は90％であり、この段階は元の運転条件とまったく同じなので、9割で計算すればよい。したがってF＝40×90％＝36m2となり、つまり40m2の熱交換面積のうち、潜熱段には36m2が必要で、残りの4m2が顕熱段に充てられる。では、262気体→162気体というプロセスを満たすことができるだろうか？ 顕熱段の計算も難しくはない。総伝熱係数の値はある程度の経験が必要だが、一般的に単純な気相側の伝熱係数は非常に低い。元のE101が500という高い総伝熱係数を持っていた理由は至ってシンプルで、一方が蒸気の凝縮、もう一方が飽和溶液の気化という、どちらも相変化が起こる過程であり、給熱膜係数が非常に高くなるからだ。一方、過熱蒸気を使用する場合、その過熱蒸気側の給熱膜係数は数十程度のオーダーで、100を超えることはほとんどない。そして総伝熱係数は通常、低い方の値によって決まるため、媒体が気化する側がどれだけ高くても意味がない。ここではK=100として計算しても構わない。どうせこれは予測値による検証計算なので、シミュレーションの結果がうまくいかなくても問題ない。許容誤差があるのだ。 熱負荷は既知で、総伝熱係数は100と見積もりました。残りの温度差は計算できます。ここでは平均対数温度差を用います。低温側の温度差：162－112＝50℃、高温側の温度差：262－112＝150℃、対数温度差T＝(150－50)/ln(150/50)＝91℃です。注意してほしいのは、温度差が非常に重要だという点で、後ほど詳しく説明します。 F=Q/(TxK)=101×1000/(91×100)=11㎡。つまり、顕熱処理の要件を満たすためには11㎡の熱交換面積が必要だ。したがって、過熱蒸気を使用するためには11＋36＝47㎡の熱交換面積が必要となる。しかしE101の場合は40㎡しかないため、技術改善委員会や上層部にとって頭を悩ませる問題となっている。 現在のこのE101は、どれくらいの熱負荷に耐えられるのでしょうか？ 11m2は過熱蒸気で冷却され、残りの29m2で処理可能な熱負荷Q2=FxKxT=29×500×50=725,000 W=725 kWとなる。つまり、過熱蒸気を使用した場合、既存のE101では最大値Qmax=101+725=826kWの熱負荷しか処理できない（Kが100は最大値と見なされる）。1000kWのプロセス要件と比較すると、不足率は1-826/1000=17.4%となり、言い換えれば媒体側の気化量は8割にまで低下する。これはKを100とした場合であり、通常このKは100を超えることはほとんどない。。 上司が無意識に「蒸気を強くして、いいかな？」と尋ねてくる誰が1567kg/hの流量しか使ってはいけないなんて決めたの？2000kg/hを使っても問題ないでしょう？1時間あたり2トンの蒸気なら、うちの分廠で支払い可能だ。お金は問題ない。。 リーダーって本当に面倒見が良すぎる。怒鳴りつけても、計算しなければならないことは計算しなければならない。このような状況では、限界値を設定して計算することができる。つまり、装置の運転における極限的な条件を示すのだ。E101の場合、262気体→162気体→162液体というのは正常な状態だが、もう一つの異常な状態（リーダーは金に困っていないので、問題にされているのはその異常な状態だ）とは――過熱蒸気が全く凝縮せず、純粋に顕熱のみで加熱する場合、どれだけの蒸気が必要になるかということだ W=Q/(Cp·t)です。ここで、Qは与えられている1000kWであり、比熱は2.3088 kJ/kg・℃とします。では、温度差はいくらになるでしょうか？わかりません。わからない場合は、与えたり推定したりすることができます。あなたの過熱蒸気の過熱度は100℃です。これが最大の温度差になります。蒸気が凝縮しないので、どれだけの過熱蒸気が必要か計算してみましょうW=1000×3600/(2.3088×100)=15592 kg/h、これが15.6トン/時の蒸気消費量です。。。この値は正しいですか？？Q=WCptがあなたの熱量計算式ですが、同時にQ=FKTでもあり、これが熱交換器におけるQの上限値となります。顕熱としてのQには最大値があります（E101で達成可能な最大温度差は262-112=150℃）。Qmax=40×150×100=600kWで、元々のE101の熱負荷1000kWの60％に過ぎません。これは良くない状況です。既に6割減になってしまっているのですから、先ほどの15.6トン/時という蒸気量を使い切ることは不可能です。この蒸気量を供給しても、40平方メートルの面積しかない熱交換器では処理しきれません。これは高速道路に例えると、最大通行能力は道路の最も狭い部分で決まるのと同じ原理です。後半は4車線ですが（蒸気供給量は十分に多い）、手前の最も狭い部分は2車線しかありません（40平方メートルの面積）。最高速度120km/hという制限があるため、通過能力もそれだけに限定されます（蒸気の流量にも最大値がある）。たとえ8車線あったとしても待つしかなく、通過できないのです（蒸気量が多くても負荷は60％までしか上がらない……）。。。 実際の計算は、WCpt=FKTと示した後に試差法を用いて行うべきである。なぜなら、ここには蒸気消費量Wと温度差t（tは過熱蒸気の温度降下であり、Tは熱交換器の対数平均温度差で、tが決まればTも決まる）という2つの変数が存在し、試差計算が必要だからだ（1つの方程式に2つの未知数がある場合、どうやって解けばよいのか？）数学の基礎はどうですか？）、しかし、煩雑な試行錯誤法はもう必要ありません。貴社の蒸気がどのような状態で使用されていようと、凝縮しているかどうかにかかわらず、このE101では元々要求されていた1000kWの負荷を満たすことは不可能です。達成可能な熱負荷は、過熱蒸気が凝縮する場合で最大でも元の値の82％、過熱蒸気が凝縮しない場合では最大で60％に留まります。これがプロセス計算上の限界値であり、上司が貴方に求めている答えでもあるのです。お金に困っていない上司には、100トン/時の蒸気を供給しても意味がないと伝える必要があります。E101の敷地はそこにあるのに、こちらの高速道路は2車線しか作られておらず、不十分です！たとえ上司がBMW X5を持たせてくれたとしても、至る所にカメラがあり、時速40kmの制限速度に加えて区間速度取り締まりもある県道では、結局時速40でしか走れないでしょう？（リーダーは心の中でドキッとした。ちょうど郊外の別荘に住む愛人にX5を買ってやったばかりなのに、この野郎が見てしまったのか？後で彼を始末しよう！！ストーリーが盛り上がる！） なぜ与件に最大熱負荷がQmax=1000kWとあるのか、わかりましたよね？？実際に運用されている熱交換器のデータでは、設計上の余裕があるため、Qmaxに達するのは難しい。言い換えれば、今あなたの仕事はその余裕を引き出すことです。わかりましたか？ ああ、神様、こちらで加熱しているのは感温性の材料で、温度にとても敏感なんです。温度差をあまりつけてはいけません。。。。。。ストーリーに演出を加えられる。。。。。。 3. 設備の安全性：最後の問題ですが、E101の実際の温度差はわずか50℃です。一般的なシェルアンドチューブ式熱交換器では、冷側と熱側の温度差が60℃を超える場合には膨張継手を設置して設備の膨張に対処する必要があります。しかし、現在のE101には膨張継手がありません。過熱蒸気を使用した場合、たとえE101の材質自体に問題がなく262℃まで耐えられるとしても、膨張継手がないため、最大100℃もの冷熱側の温度差（熱側150℃、冷側50℃）に耐えることはできません。この温度差による応力は非常に大きいのです！装置には甚大なリスクがあります！！もし温度差による応力についてよく知らないのであれば、設備専門の知人に相談してみてください。工場内にいるのであれば、設備技術者に尋ねて、100℃もの温度差がE101にどのような深刻な影響を与えるかを確認すべきです。。 おっと、私たちの熱交換器はとても高性能な新型熱交換器でして、膨張継手なんかの古い部品は必要ありません。。。。。。機器の安全性に問題はないので、第3条は不要です。ストーリーも削ってもいいですよね。。。。。。 計算もしたし、書きもした。過程についてはたくさん説明したけど、結論とアドバイスも出してくれないと？？ 計算過程だけで、過熱蒸気を使用しても元のプロセス負荷を満たすことはできず、言い換えれば負荷を下げて運転せざるを得ず、また装置自体にも大きなリスクがある。元の設計から大きく外れた温度差によって生じる応力が、間違いなくE101を破壊するからだ。。。リーダー、顔が真っ黒？？？？急がないで、アドバイスはやはり伝えなければ。。。。。過熱蒸気を予め使用した場合、現在のE101は熱交換面積が不足しているため交換が必要で、再設計・製造が求められ、コストも莫大になります。上司はきっと「それは時間も労力もかかる作業だ」と言うでしょう。もっと簡単な方法はないでしょうか？ありますよ。E101に入る前に除温加湿器を1台設置し、過熱した蒸気を飽和させればいいのです。除温加湿器には既に成熟した製造業者も多数存在するので、1台購入すれば十分です。除温器に必要な水については、E101の凝縮水から少し分けて使えば問題ありません。。。。。リーダーの目が輝き始めた。この若者の言うことは正しい。彼の言う通りにやろう。年末の評価で工場の優秀な部門になり、給与も倍になる。2年後には彼を主任に昇進させよう。技術力も悪くない。理にかなった意見を述べており、適当なことを言って、データもなければ提案もなく、対策も立てられないような信用できない若者ではない。将来的にうまくやっていけるなら、私のアシスタントにしてやろう……以上がシミュレーションされたストーリーだ。。。。。。シチュエーションドラマで最も重要なのは――主人公であるあなたが自ら計算を行い、数値を出すことによってのみ、あらゆる可能性について基本的な理解を得られるという点です。計算しなければ、熱交換面積が不足していることや、温度差が91℃もあることなど、どうやって知ることができるでしょうか？ ベテランが教えてくれる経験則とは——過熱蒸気はE101内で顕熱領域を生じ、潜熱領域の面積を縮小させるため、E101の面積が不足する可能性がある。また、過熱蒸気によって温度差が大きくなり、装置に重大なリスクが生じるかもしれない。この「かもしれない」「可能性がある」というのは、ベテランたちが、計算を行わない限り自分でも分からないと静かに伝えているのだ。計算は自分で行うしかなく、ベテランは代わりに計算してはくれない。。面積が足りないのはなぜ？？リスクはどこにあるの？？あなたは除外していい。ベテランなら3日後には忘れてしまうだろうし、3日間覚えていられないのに300日間覚えているなんてあり得ない。さらに、上司や技術改善担当者から質問された時には混乱してしまうだろう（上司や技術改善担当者が馬鹿だと思わないこと。自分が何も把握していなければ答えようがなく、必ずボロが出る！）。データを示せない場合、あなたは「私の師匠がそう言っていました。彼に聞いてみてください」としか言えなくなるだろう？上司は絶対に3秒以内に君を追い出すだろう……。なぜ投稿者が初心者なのかというと、それは至って単純で、絶対圧なのか表圧なのかもわからない飽和蒸気圧しか書かず、過熱度はいくつなのかも記載していないからだ言わないのか、熱交換器のパラメータは何だ？面積はどれくらいですか？運転時の熱負荷はどのくらい？書かない、熱交換器はどのような形ですか？神のみぞ知る、部品は大きな温度差に耐えられるのか？わかりません。。。。。質問なのだから、まずは問題を明確に説明することを覚えないとね。もっと真剣に考えてみて。初心者ならこの問題をどう考えるだろうか？考えている過程でどんな障害があるのか？化学工学の原理を学んだことがないのか、計算ができないのか、あるいは面倒で計算しないのか、口を開けば「先生方、アドバイスをください」と言うだけだ。。。。。問題がはっきりせず、考えも整理できないのに、仕事がうまくいくわけがない料理、ひどい。。。。言い換えれば、怠け者で、とても怠け者だ。。。。 怠らずに計算してみなさい。そうすればあなたは専門家になれるのです。そうすれば300日間忘れることはないでしょう。計算過程は非常に困難で、運用中の熱交換器のパラメータを理解するのもまた苦痛な作業かもしれません。。。。。。。もちろん、このような計算には経験が必要だ。その経験を得る過程、つまり計算を行う過程こそが、初心者からベテランになるための過程なのだ。生まれながらにしてベテランになれる人なんていないのだ。。 手元に、数年前に国語の先生が中学1年生の女の子のために作成した読書メモがあったので、投稿者さんに送ります。古文の原文は――『孔丛子・居衛』にこうあります。「禹、湯、文、武、そして周公は、勤勉に思索し、苦労を重ね、中には腕を折っても目標を目指し、または頭が禿げて背中が曲がっても、それでも聖人であった。」” 先生の添削コメント――「勤しんで思索する」ことはもちろん「肉体を労す」ことでもあり、大変なことだ。そうでなければ、どうやって「聖人」になれるだろうか？