液体・天然ガスサンプリングシステムにおける最適なノズル配置の専門家ガイド

液体および天然ガスサンプリングシステムにおけるノズルの位置決め方法

Karim Mahraz

液体またはガスサンプリングシステムでは、ノズルがタップ位置で使用され、サンプルをアナライザーに供給します。このノズルの適切な配置、位置、向きは、タイムリーで正確な分析測定を確保するために極めて重要なので、正しく行う必要があります。不適切なノズル配置は、分析遅延、サンプル汚染、不正確な結果を招く可能性があります。

理想的には、サンプリングシステムエンジニアが配管レイアウトやプロセス容器の設計まで指定し、ノズルが適切に位置づけられるようにします。しかし、多くの場合、エンジニアは既存の回路図で作業しなければなりません。ノズルが適切に配置または配向されていなくてもです。以下では、液体およびガスサンプリングシステムの両方でノズルの位置決めと構築を任されたエンジニアにとって重要な考慮事項を見ていきます。また、設計のさまざまな段階で、資格のあるアナライザーエンジニア、プロセスエンジニア、化学者、コンポーネントサプライヤーを関与させ、すべての変数が考慮されるようにすることを推奨します。

ノズル位置の選択

ノズルは通常短く、分岐元のメインプロセスラインより小径です。多くの場合プローブを収容し、最もシンプルな形では金属、ガラス、セラミックの吻部がプロセス流体に突出し、分析用の液体またはガスの連続流を引き出します。

パイプラインまたは容器内でノズルをどこに配置するか決定する際、プロセス流体が十分に混合されている場所を選択し、サンプルがプロセス状態を正確に反映するようにします。可能であれば、インラインスタティックミキサーをプロセスラインに設置してください。それが不可能な場合、ポンプ吐出し、流量オリフィス、配管エルボなど、誘導乱流ポイントの下流にタップを配置してください。乱流がサンプリング前にプロセス流体の混合を助けます。

乱流源の直後にサンプリングタップを配置するのは良い習慣ではありません。乱流により圧力変動と渦電流が生じ、どちらも分析測定に影響を与える可能性があります。

ガスサンプリング

最後の流れの擾乱から少なくとも2管径下流にタップを配置するのがより良いです。米国環境保護庁（EPA）はこの慣行を推奨しています。手動スタックガスサンプリングには2つの位置を許容しています：

1. スタックまたはダクト径の少なくとも8倍下流、かついかなる流れの擾乱から2径上流；または
2. スタックまたはダクト径の少なくとも2倍下流、かついかなる流れの擾乱から0.5径上流。

EPAは最初の位置を理想的と見なしています。最初のルールを満たせない場合、EPAガイドラインでは層別化の可能性を防ぐために追加のサンプリングポイントを要求します。

液体サンプリング

パイプラインサンプリングでは、最後の流れの擾乱から少なくとも2管径下流（流量計測エレメントに干渉しない場所）にタップを配置してください。ただし、プロセス流体が泡点に近い液体の場合、より慎重であるのが賢明です。サンプルに気泡が混入するのを防ぐため、上流に少なくとも5管径の明確な直管、下流に2管径がある場所にタップを配置してください。

蒸気サンプリング

サンプリング対象のストリームが露点温度付近の蒸気である場合、タップ位置がより重要になります。流れの擾乱付近の圧力ポイントで結露が発生する可能性があり、ガスサンプルに液体凝縮物が含まれることは望ましくありません。この可能性を最小限に抑えるため、ヨーロッパ規格（ISO 10715 1997, 13）では、天然ガス測定のためにサンプリングタップを最後の流れの擾乱から少なくとも20管径下流に配置することを要求しています。関連する米国規格（API MPMS 14.1 2006, 15）では少なくとも5管径を要求しています。配管にサーモウェルなどの別のプローブが含まれる場合、サンプリングプローブはサーモウェルから少なくとも5サーモウェル径離れた位置に配置すべきです。

等速サンプリングでは、プローブ内の速度をプロセスライン内の速度と一致させる必要があるため、さらに大きな分離が必要です。例えば、飽和蒸気の場合、関連する米国規格（ASTM D1066）では、サンプリングタップを流れの擾乱から少なくとも35管径下流、4管径上流に配置することを推奨しています。この分離が達成困難な場合、ASTMは非準拠位置で上流：下流距離の9:1比率を維持することを提案しています。

ノズルの構築

設計段階に進むと、向きを含むノズル設計はプローブのニーズに大きく依存することがわかります。ノズル、ひいてはプローブの位置と向きは、プロセスストリーム内の粒子が分析にどのように影響するかに影響を与えます。正しいノズルとプローブの配置は、粒子がプローブに入り込みサンプルを汚染したり、蓄積して最終的にプローブを塞いだりする可能性を最小限に抑えます。

ノズルを構築する最もシンプルな方法は、パイプラインにメスねじボスを溶接し、それを貫通させることです。まず、配管壁が十分に厚くない場合は補強プレートを配管に溶接します。次に、使用するねじ込みプローブまたはバルブに対応するボスサイズを選択します。別のアプローチは、オスねじパイプニップルをラインに溶接することです。

もちろん、これらのシンプルな方法のどちらも、プロセス包絡面でのねじ接合を禁止するプロセス配管仕様を満たすことはできません。こうした制約に直面した場合、ニップルにバルブを溶接するか、フランジ付きパイプノズルを使用できます。

 

ガスストリームへのタッピング

可能な限り、プロセスガスサンプリングには水平配管を選択してください。水平配向によりノズルを垂直にできます。また、長い直管区間を見つけやすくなります。ラインの上部にノズルを配置し、汚れや液体がプロセス配管に戻るようにします。プロセスガスが清浄で乾燥している場合、水平配管の側面にガスノズルを配置することもできます。しかし、汚れたサンプルではそのような水平プローブ配向は避けてください。プローブ内のガス流が乱流でない可能性があり、固体粒子が落下してプローブを塞ぐ恐れがあります。

垂直ガスパイプライン上の水平ノズルにも同じ閉塞懸念が適用されます。傾斜ノズルは、混入液体や固体がプロセスに戻ることを可能にします。この機能は液体除去には有効ですが、固体には効かない可能性があります。固体はプローブ内でくっつく可能性があるためです。

垂直スタックの場合、ノズルは水平またはわずかに傾斜し、特殊プローブに対応するためにより大きくサイズ設定されるべきです。ここでは、ノズル位置はガス温度に基づきます。あまり熱くない（材料コストが妥当）が、酸性露点温度以上（硫酸がプローブ内で凝縮しない）です。スタックガス監視では、ノズルでの最適ガス温度は600℃強（1,112°F）で、完全燃焼を確保します。

凝縮液滴を含む可能性のあるプロセス蒸気流からサンプリングする場合（飽和蒸気システムなど）、推奨タップ位置は長い下向き流れのプロセス配管です。ただし、常にライン圧力を確認してください。下向きラインはプロセスポンプの吸込み側に接続され、低圧で動作していることがよくあります。低圧源はフレアにベントされるガスサンプルには適していますが、ファストループでプロセスに返却したいサンプルには適しません。ファストループの場合、プロセスポンプ吐出しからサンプリングし、ガスを吸込み側に返却するのが一般的です。

液体ストリームへのタッピング

上向きに流れる垂直パイプラインは、液体サンプリングノズルの最適な位置であることが多いです。パイプが満たされていることを確実にできるためです。このセットアップでは、より短いプローブで済み、振動しにくい水平ノズルを選択してください。プローブ内の流れが確実に乱流になるため、水平ノズルは液体サンプルに適しています。プローブ内での固体沈殿を防ぎます。

タップ上部の配管内の液体ヘッドが多少の追加圧力を提供し、タップでのプロセス液体が泡点以上であることを保証できます。この追加圧力はサンプル輸送にも役立ちます。下向きに流れる垂直プロセス配管からの液体サンプリングは避けてください。ラインが満たされている保証がないためです。

水平ラインからの液体ストリームサンプリングはリスクを伴います。プロセス配管が満たされていない可能性があり、二相サンプルになる恐れがあります。水平ランの後に配管が上向きに曲がる場合、ラインが満たされていることが確実です。下向きに曲がる場合、水平部分には流れる液体層の上に静的なガス層が閉じ込められている可能性があります。

従来の知見では、液体タップは常に水平プロセスラインの側面にあるべきだと言います。これはプローブなしでサンプリングする場合に良いアドバイスです。ライン側面のノズルからサンプリングすると、パイプ上部の混入蒸気や底部のスラッジ抽出リスクを減らせます。

実践では、ラインの中心まで届くプローブを使用するのが通常より良いです。プローブを使用する場合、向きはそれほど重要ではありません。通常、ライン上部の垂直ノズルが好まれます。重い固体がプロセス配管に戻るためです。一般的に、ノズルは水平パイプの底部にあってはなりません。固体が落ち込み、サンプル調整の難易度を上げるためです。既存の底部ノズルを使用せざるを得ない場合、パイプ径の中央1/3まで届くプローブを設置してください。

タップ位置を確定する前に

最終タップ位置を決める前に、プローブの選択がノズルの向き、直径、エンドフィッティングを決定することを覚えておいてください。プローブを選択したら、選んだ位置を見直し、設置とメンテナンス作業に利用可能な物理的スペースを確認してください。ノズル製作、プロセス遮断バルブのメンテナンス、プローブ引き抜きに十分なクリアランスがあるか検証してください。アクセス性と照明も考慮してください。シンプルなタップとパイププローブなら小さなプラットフォームと梯子で済むかもしれませんが、フィールドステーションなら本格的なプラットフォームと照明が必要です。

ノズル配置とサンプリングシステム設計について、より詳細でパーソナライズされたトレーニング支援が必要な場合は、お近くのSwagelok販売・サービスセンターにお問い合わせください。