相図を活用した蒸気圧曲線の正確な予測

相図を用いた蒸気圧曲線の活用

カリム・マフラズ、スウェージロック プロダクトマネージャー、分析計装

相図は主に実験室環境の化学者によって使用されますが、サンプル分析を担当する機械エンジニアやプラントマネージャーにとって驚くほど有用なツールとなります。一部の分析システムでは、液体サンプルを分析前に気化によってガスに変換する必要があります。気化は温度、圧力、流量の変数のバランス調整であり、相図の蒸気圧曲線を用いることで、エンジニアは異なる材料や化合物の相変化を特定できます。

以下では、仮想的なガス混合物（ペンタン中20%ヘキサン）を完全な相図（下図参照）に適用します。サンプルがバブルポイント（青線）より上にある場合、完全に液相です。サンプルは気化器に入る際、液体状態を維持しなければなりません。サンプルがデューポイント（金線）より下にある場合、全て蒸気です。サンプルは気化器を出る際、全て蒸気でなければなりません。

バブルポイントとデューポイントの間の領域は「ノーゴーゾーン」と呼ばれます。このゾーンはサンプルの沸騰範囲を表します。ここでは混合物が液相と気相の二相状態にあります。サンプルがノーゴーゾーンに入ると、分留が起こり、分析に適さなくなります。気化の目的は、温度、流量、圧力を設定し、サンプルがノーゴーゾーンの液相側から気相側へ瞬時に移行できるようにすることです。純粋またはほぼ純粋なサンプルでは、沸騰範囲またはノーゴーゾーンはほとんどなく、バブルポイントとデューポイントの線は重なるか、ほぼ重なります。

純粋およびほぼ純粋なサンプルは、蒸発または気化のいずれによっても同じ組成の蒸気になります。一部の工業用サンプルはこの純度に近く、比較的容易に変換できます。一方で、沸騰範囲やノーゴーゾーンが非常に広く、成功裏に気化できないサンプルもあります。このようなサンプルでは、変数を操作しても分留を回避することはできません。

上記の図では、バブルポイントとデューポイントの間のバンドは十分に狭く、適切な設定があればサンプルはノーゴーゾーンの液相側から気相側へ効果的に移行できます。同時に、バンドは十分に広いため、不注意は許されません。

温度、圧力、流量の設定

図のサンプル（ペンタン中20%ヘキサン）を用いて、成功する気化のために入力を巧みに設定する必要があります。一般的に、入口では高圧力と低温度が必要です。逆に、出口では高温度と低圧力が必要です。これらのパラメータをどれだけ高く/低くできるかには限界があり、すべての制約を制御できるわけではありません。

1. 気化器の入口圧力を決定する

入口圧力は固定されており、気化器がサンプルタップの近くにある場合はプロセス圧力となります。例の図では、この圧力は4 barです。圧力が高いほど、気化器がより高い温度を維持でき、流入する液体を沸騰させずに済みます。

2. 入口温度を設定する

入口温度を設定する際には2つの目的があります。第一に、サンプルが気化器に入る際に完全に液体であるよう、温度を十分に低くする必要があります。例の図では、4 barでのバブルポイントは88℃です。分留を防ぐため、88℃から十分に離れた丸い数字を選ぶのが賢明です。安全な温度の例として80℃が挙げられます。

第二の目的は、サンプルの完全なフラッシングに寄与するほど温度を高く保つことです。これにより、気化器からは蒸気のみが出ることが保証されます。サンプルを気化させると、エネルギー保存の法則に従って温度が低下します。圧力低下後、サンプルがノーゴーゾーンに入らないよう、最初からサンプル温度を十分に高くする必要があります。例の図では、圧力低下後の蒸気温度は60℃で、デューポイント線のちょうど気相側にあります。

3. 出口圧力を設定する

出口圧力を設定する際の目的は、圧力をデューポイント線より下に下げることです。例の図では、出口圧力は1.5 barに設定されています。この例で出口圧力がこれ以上高ければ、サンプルは完全に気化せず、分留が起こります。

4. 流量を設定する

流量は気化器ではなく、下流のバルブと流量計で設定します。サンプリングシステムでは、高い蒸気流量が望ましいです。これはサンプルをアナライザーに速く移動させるためです。しかし、高流量は問題にもなり得ます。サンプルを気化させるためにより多くの熱が必要になるためです。つまり、高流量は気化時により大きな温度低下をもたらします。例の図では、紫の線が温度低下を示しています。流量が増加すると、温度は急激に低下します。

温度低下に影響するもう一つの変数は、気化器の伝熱能力です。一部の気化器は、サンプルへより効率的に熱を伝えるように構築されています。液体サンプルが蒸気に変わって温度が下がると、周囲のステンレス鋼から熱を吸収します。重要なのは、気化器がどれだけ効率的に熱を補充し、サンプルに供給し続けられるかです。サンプルがより多くの熱を吸収できるほど、気化時の温度低下は小さくなります。場合によっては、気化器の外側は触れると熱いのに、内部のコアが冷たいことがあります。これは気化したサンプルが大量の熱を吸収しており、気化器が追いつけていないためです。最善の解決策は流量を減らすことです。

要するに、図に示される温度低下は、流量と気化器の伝熱能力の積み重ねです。優れた気化器と低流量では、図の線はより垂直になります。残念ながら、相図内での温度低下の正確な位置を計算する簡単な方法はなく、既知のソフトウェアプログラムでも生成できません。その結果、気化にはある程度の近似が必要です。経験則として、サンプルのアナライザーへの移動時間に許容できない遅延を生じさせない範囲で、流量を可能な限り低く保ちます。最初から高い流量で始めるより、低い流量で始めて実験的に増やす方が良いです。

相図の蒸気圧曲線を用いた分析計装とサンプリングシステムのベストプラクティスに関するさらなるサポートについては、お近くのスウェージロック販売・サービスセンターにお問い合わせください。