レギュレーターを用いた分析計装のタイムディレイ削減

レギュレーターを使用して分析システムのタイムディレイを減らす方法

Mike Strobel、フィールドエンジニアリングスーパーバイザー

プロセス測定は瞬時ですが、アナライザー応答はそうではありません。タップからアナライザーまで、常にタイムディレイが存在します。残念ながら、この遅延はしばしば過小評価されたり、誤解されたりします。

分析サンプリングシステムにおいて、タイムディレイとは、新しいサンプルがアナライザーに到達するまでの時間を指します。別のブログ記事でタイムディレイの仕組みと高レベルでの最小化ヒントを説明していますが、ここでは圧力レギュレーターでタイムディレイを制御する方法に焦点を当てます。レギュレーターは圧力を制御し、分析システムにおける圧力は時間と密接に関係しています。制御流量のガスシステムでは、圧力が低いほどタイムディレイが短くなります。

タイムディレイは、分析計装システムの主要なあらゆる部分で発生し得ます。プロセスライン、タップとプローブ、フィールドステーション、輸送ライン、サンプル調整システム、ストリーム切替システム、アナライザーなどです。下図は、典型的なプロセスアナライザーサンプリングシステムの一例です。

タイムディレイは累積的です。監視対象プロセスからアナライザーまで流体が移動する総時間で構成されます。タイムディレイの測定方法について詳しくはこちら。ここでは、フィールドステーションと、そこでレギュレーターがタイムディレイ削減に果たす重要な役割に焦点を当てます。

フィールドステーションの前

タイムディレイ最小化は、タップの位置決定から始まります。タップはプロセスアナライザーにできるだけ近く、かつドラム、タンク、デッドレグ、停滞ライン、冗長または陳腐化した設備など、プロセスタイムディレイの発生源より上流に配置するのが最適です。

液体サンプリング時、タップでの圧力は、ポンプなしでサンプルを輸送ラインやファストループを通じて届けられる程度に十分であるべきです。ポンプは高価なコンポーネントであり、追加の性能変数を導入します。

多くの場合、タップの位置を自由に決められないことがあります。既存のタップ位置、そして多くの場合既存のアナライザーシェルダー位置で妥協しなければなりません。タップがアナライザーから遠い場合、ファストループを使用して、流体をアナライザーに素早く届け、未使用分をプロセスに戻すことを推奨します。

ほとんどの分析計装システムでは、プローブもタイムディレイの発生源です。プローブの容積が大きいほど遅延は大きくなります。容積はプローブの長さと幅の両方に影響されます。タイムディレイ最小化を図る際は、低容積プローブを選択してください。

フィールドステーションにて

プロセスアナライザーが液体サンプルを必要とする場合、フィールドステーションでレギュレーターは使用しません。液体は高圧に保ち、気泡発生を防ぐのが良いためです。ガスサンプルの場合、フィールドステーションは輸送ラインの圧力を下げる手段として使用されます。

タイムディレイは絶対圧力に直接比例して減少します。圧力が半分になれば、タイムディレイも半分になります。フィールドステーションはタップにできるだけ近く配置します。圧力を早く下げれば下げるほど良いです。フィールドステーションでのレギュレーターの3つの適用例を見てみましょう。それぞれ、レギュレーターの構成が若干異なります。

レギュレーター適用例 #1

最初の適用例では、ガス圧力を下げることが目的です。圧力低下で凝縮は発生しないと想定されます。したがって、シンプルな減圧レギュレーターが使用できます。減圧レギュレーターは出口圧力を一定に維持します。センシングエレメント（通常はダイヤフラムまたはピストン）が下流圧力に応じて動き、制御エレメント（多くは円錐形ポペット）が、ガスが通過するオリフィスの流路面積を変化させます。センシングエレメントが高圧で押し上げられると、制御エレメントがレギュレーターシートに近づき、オリフィス面積が小さくなります。センシングエレメントが低圧で下がると、オリフィスが大きくなります。ほとんどの分析用レギュレーターでは、ハンドルでセットスプリングを圧縮・緩和し、センシングエレメントの動きを出口圧力に対して駆動することで、オペレーターが出口圧力を設定できます。

金属ダイヤフラムは、入口圧力が急激に変化しない用途や、化学的互換性が重要な用途に最適です。しかし、圧力が不安定だったりスパイクしたりする用途では、ピストン式レギュレーターの方が適している場合があります。

レギュレーター適用例 #2

2つ目の適用例では、圧力低下によって凝縮が発生すると想定されます。圧力低下により、ほぼすべてのガスはジュール・トムソン効果として知られるエネルギー損失を受け、冷却されます。ガスが露点に近い場合、この冷却によって凝縮が起こる可能性があります。場合によっては、熱損失が大きく、凝縮を引き起こし、レギュレーターが凍結する可能性さえあります。ジュール・トムソン効果により、ガス温度を露点以上に保つため、加熱レギュレーターが必要になることがあります。加熱レギュレーターは、システム流体が加熱エレメントを通過する減圧レギュレーターです。ヒーターカートリッジが必要です。

ヒーターカートリッジに必要なエネルギー（ワット数）を計算し、適切な電力範囲のものを指定できます。すべてのガスにはジュール・トムソン係数があり、これを圧力降下と流量とともに式に当てはめると、必要なワット数が算出されます。

レギュレーター適用例 #3

3つ目の適用例では、ガスクロマトグラフや他のアナライザーで分析するために、液体を気化させる必要があります。この場合、気化レギュレーターを使用します。気化レギュレーターの選定は難しい場合がありますが、適切にサイジング・設置すれば、液体サンプルを準備する信頼性の高い手段となります。気化レギュレーターの目的は、サンプル全体を瞬時に気化させ、気化サンプルが液体プロセスを代表するものにすることです。

気化レギュレーターでは、温度と蒸気流量に細心の注意を払う必要があります。流量が大きすぎると、サンプルが部分的にしか気化せず、液体がレギュレーターを通過してアナライザーへ向かいます。気化器温度が高すぎると、上流の液体サンプルが気化してしまいます。サンプリングシステムでの気化管理について詳しくはこちら。

最後に、気化レギュレーターを正しくセットアップし、かなりのタイムディレイを生まないようにしてください。流体が液体から気体に変わると、体積が劇的に増加します。増加量は液体の分子量に依存します。通常、レギュレーター後の測定蒸気流量は、気化レギュレーター前の液体流量の300倍以上になります。

例えば、蒸気流量が600 cm³/minの場合、液体流量は2 cm³/min未満となります。この場合、液体が3メートル（約10フィート）の6mm（1/4インチ）チューブを通過するのに25分かかります。この時間を減らすには、レギュレーター前のチューブ容積を減らさなければなりません。例えば、3.2mm（1/8インチ）チューブを30.5cm（1フィート）のみにすれば、液体がレギュレーターに到達するまで30秒で済みます。ただし、これにプローブのタイムディレイを加算する必要があります。プローブが細ければ細いほど、応答は速くなります。

より速い応答を得るもう一つの手段は、液体ファストループを用いて気化器をアナライザーに近づけることです。下図では、レギュレーターはファストループフィルターの後ろに配置され、第2の液体スローバイパスループが、気化レギュレーター直前まで良好な液体流量を確保します。目的は、気化レギュレーターに向かう低速移動液体の容積を最小限に抑えることです。

適切なレギュレーター選択でディレイを最小限に

レギュレーターは、分析システムにおけるタイムディレイ対策の重要なツールです。ガスシステムでは圧力が低いほど応答時間が速くなります。一般的に、ガスシステムで圧力を早期に下げられるほど有利です。液体を気化させる場合、液体ファストループで液体を気化レギュレーター直前まで動かし続けることを検討してください。フィールドステーションは、複雑な分析計装システムの中でタイムディレイを大幅に削減できる場所の一つですが、タイムディレイへのアプローチは常に包括的でなければなりません。システム内の遅延の潜在的原因すべてを精査する必要があります。

分析システムのタイムディレイでお悩みの場合、上記のレギュレーター選定アドバイスに従う以外にも、いくつかの相談先があります。サンプリングエキスパートによるサンプリングシステムトレーニングコース、ベストプラクティスに基づく事前設計済み分析サブシステム、フィールドエンジニアリングチームによる現地での問題特定とトラブルシューティングなどを提供しています。分析システムの遅延削減についてさらに知りたい、または会話を始めたい場合は、下のボタンをクリックしてください。