プロセスエンジニアは、ポンプ吐出圧力を液体揚程に変換し、その揚程をシステムに必要な総揚程と比較して評価します。 密度 ( \rho ) の液体では、吐出圧力 (P) は圧力揚程 (h=P/(\rho g)) に相当します。ポンプが適用可能なのは、必要流量における利用可能な差圧揚程が、静的な高低差、容器圧力差、配管摩擦、継手、バルブ、その他のシステム損失の合計を上回る場合に限られます。

ポンプは高低差だけでなく、システム全体の揚程に打ち勝つ必要があります。 圧力を揚程に変換することは有用な初期確認になりますが、最終的な選定にはポンプ曲線、運転流量、液体特性、吸込条件、すべての油圧損失が必要です。

必要なシステム揚程を確定する

静的な高低差揚程を計算する

静的な高低差揚程とは、液体が供給元の液面から供給先の液面まで上昇しなければならない垂直距離です。供給元と供給先の高低差を ( \Delta z ) とすると、対応する圧力要件は次のようになります。

[ \Delta P_{\text{static}}=\rho g\Delta z ]

密度が約 (62.4\ \text{lb/ft}^3) の、約 (60^\circ\text{F}) における水の場合、関係はおおよそ次のとおりです。

[ 1\ \text{psi} \approx 2.31\ \text{ft of water} ]

したがって、同等の水条件で (50.0\ \text{psig}) を発生するポンプは、次の揚程を提供します。

[ h=\frac{50.0 \times 144}{62.4}\approx115.4\ \text{ft} ]

必要な高低差が (148\ \text{ft}) である場合、配管抵抗を考慮する前の段階で、圧力だけでは不十分です。

液面における圧力差を含める

必要揚程は、必ずしも高低差だけで決まるわけではありません。供給元と供給先の容器が異なる圧力で運転されている場合、その圧力差も含める必要があります。

[ H_{\text{static}}=\Delta z+ \frac{P_{\text{destination}}-P_{\text{source}}}{\rho g} ]

同じ大気に開放された2つのタンクでは、液面圧力の項は相殺されます。一方、加圧反応器、吸収塔、貯蔵容器へ送液するポンプでは、供給先の圧力が必要ポンプ揚程を大幅に増加させることがあります。

吐出圧力単独ではなく差圧を使用する

ポンプは、吐出側と吸込側の圧力差に応じて作動します。

[ \Delta P_{\text{pump}}=P_{\text{discharge}}-P_{\text{suction}} ]

(50\ \text{psig}) の吐出圧力の読み値が、必ずしも利用可能なポンプ圧力 (50\ \text{psi}) を意味するわけではありません。吸込圧力は、供給元容器や配管構成によって、正圧、大気圧、または大気圧未満になる可能性があります。

ポンプ選定では、エンジニアは一般に、吐出圧力計の圧力を独立したポンプ能力として扱うのではなく、差圧揚程または総動揚程を使用します。

圧力を正しく揚程に変換する

圧力と揚程の関係を適用する

圧力と液体揚程の一般的な関係は次のとおりです。

[ H=\frac{\Delta P}{\rho g} ]

圧力をpsiで表し、比重を使用する米国慣用単位では次のようになります。

[ H\ (\text{ft})=\frac{2.31\Delta P\ (\text{psi})}{SG} ]

SI単位では次のようになります。

[ H\ (\text{m})=\frac{\Delta P\ (\text{Pa})}{\rho\ (\text{kg/m}^3)g} ]

同じ圧力でも、密度の高い液体では揚程が小さくなり、密度の低い液体では揚程が大きくなります。

ゲージ圧力と絶対圧力を区別する

容器間で液体を移送するポンプでは、圧力差を一貫した方法で使用してください。両方の容器圧力が同じ大気を基準としている場合、ゲージ圧力が通常便利です。これは差圧において大気圧が相殺されるためです。

真空サービス、蒸気圧、キャビテーションリスク、ガス圧縮、または大きく異なる圧力で運転される容器を評価する場合は、絶対圧力が不可欠です。

[ P_{\text{absolute}}=P_{\text{gauge}}+P_{\text{atmospheric}} ]

一方でゲージ圧力、もう一方で絶対圧力を使用する圧力変換は、誤ったシステム揚程を生じさせる可能性があります。

運転条件における液体密度を考慮する

化学工学のパイロットプラントでは、水ではなく、溶剤、ブライン、ポリマー、生体液、または温度に敏感な液体を扱うことがあります。密度は実際の運転温度と組成で評価する必要があります。

粘度もポンプ性能と配管損失に影響します。水用のポンプ曲線を満たす遠心ポンプでも、粘性のあるプロセス液では流量または揚程が低下する可能性があります。

摩擦損失と局所損失を加える

直管摩擦損失を計算する

配管摩擦は、液体が配管の直管部を流れることで発生します。損失は、流量、配管径、長さ、粗さ、密度、粘度によって決まります。

エンジニアは通常、Darcy-Weisbach式などの摩擦係数関係式を用いてこの損失を計算します。

[ h_f=f\frac{L}{D}\frac{v^2}{2g} ]

ここで、(f) は摩擦係数、(L) は配管長、(D) は配管径、(v) は液体の平均流速です。

バルブ、継手、機器を含める

エルボ、ティー、レデューサ、制御バルブ、ストレーナ、熱交換器、流量計、その他の部品は局所的な圧力損失を生じさせます。これらは多くの場合、損失係数を用いて表されます。

[ h_{\text{local}}=\sum K\frac{v^2}{2g} ]

パイロット設備では、コンパクトな配管、多数の継手、フレキシブルホース、仮設接続、制御バルブなどが使用されることが多いため、局所損失が大きくなる場合があります。

総動揚程を求める

指定流量における必要ポンプ揚程は、次のように表せます。

[ H_{\text{system}}= H_{\text{static}}+ H_{\text{friction}}+ H_{\text{local}}+ H_{\text{equipment}} ]

圧力で表すと、同等の式は次のようになります。

[ \Delta P_{\text{required}}

\Delta P_{\text{static}} + \Delta P_{\text{friction}} + \Delta P_{\text{local}} + \Delta P_{\text{equipment}} ]

摩擦損失と局所損失は流量によって変化するため、システム要件は単一の固定圧力ではありません。これは、流量に対する必要揚程を示すシステム曲線です。

要件をポンプ曲線と比較する

運転流量を決定する

必要流量は、プロセス物質収支、滞留時間の目標、循環要件、伝熱負荷、還流量、または機器の運転仕様から決まります。

ポンプは、締切条件や最大揚程条件だけでなく、その流量で評価する必要があります。遠心ポンプの揚程は一般に流量の増加に伴って低下するため、目的流量における利用可能揚程は、表示されている最大揚程より大幅に低い可能性があります。

運転点を見つける

ポンプの運転点は、ポンプ曲線とシステム曲線が交差する点です。この点では、ポンプの利用可能揚程が、接続されたシステムの油圧抵抗と等しくなります。

この運転点で必要流量が得られ、適切な余裕を持ち、メーカーが推奨する運転範囲内に収まる場合、そのポンプは適用可能です。

定格吐出圧力以外も確認する

評価には次の項目を含める必要があります。

設計流量におけるポンプ差圧揚程
供給元および供給先容器の圧力
静的な高低差
配管、バルブ、継手、機器の損失
液体の密度と粘度
ポンプ効率と軸動力
有効正味吸込ヘッド
予想される最小および最大運転流量
材質適合性と温度限界

したがって、名目上の吐出圧力定格は初期スクリーニングの値であり、ポンプサイズ選定の完全な根拠ではありません。

トレードオフを理解する

直列ポンプは揚程を増加させる

1台のポンプで必要揚程を供給できない場合、ポンプを直列に配置することがあります。実際のポンプ曲線と運転条件によりますが、一定流量において各ポンプの揚程はおおむね加算されます。

この構成は、高い静的揚程または高いシステム抵抗に適しています。ただし、吸込制限、キャビテーション、流量容量不足を自動的に解決するものではありません。

並列ポンプは流量を増加させる

並列ポンプは、主に一定揚程における利用可能流量を増加させます。処理量の増加やターンダウンの柔軟性が必要な場合に有効ですが、高揚程の制限を克服するための一般的な優先解決策ではありません。

十分な圧力能力がないシステムに並列ポンプを選択すると、装置が必要流量を下回る可能性があります。

大口径配管は摩擦を低減する

送液配管の径を大きくすると、流速と摩擦による圧力損失を低減できます。損失は流速、ひいては流量に強く依存するため、配管の変更によってシステム曲線が十分に低下し、1台のポンプでプロセス要件を満たせる場合があります。

この選択肢はポンプを追加するより実用的な場合がありますが、機器レイアウト、コスト、排液性、混合、制御バルブの応答に影響する可能性があります。

過大な圧力余裕を避ける

必要以上に大きな揚程を持つポンプを選定すると、過大な流量、高い制御バルブ圧力損失、振動、シールへの負荷、またはポンプの最高効率点から大きく外れた運転につながる可能性があります。

余剰容量は無害なものと考えるのではなく、速度制御や適切な絞り機構など、適切に評価した制御方法によって管理する必要があります。

NPSHと圧力安全を別々に確認する

吐出揚程を満たしても、ポンプが信頼性の高い運転を行えるとは限りません。蒸気の発生とキャビテーションを防ぐため、吸込圧力は十分に高く維持する必要があります。また、最悪の運転条件において、利用可能NPSHがポンプ必要NPSHを上回っていなければなりません。

ポンプ吐出圧力は、圧力リリーフ設計の代替にはなりません。パイロットプラントでは、該当する圧力機器およびリリーフシステムの慣行に基づき、閉塞した出口、熱膨張、暴走反応、フラッシング、その他の過圧シナリオを別途評価する必要があります。

目的に合った選択をする

評価は、必要なシステム曲線と選定したポンプの性能曲線を文書化して比較することで完了します。

主な関心が静的揚程の場合： ポンプの差圧を液体揚程に変換し、摩擦損失を検討する前に、高低差と容器圧力差と比較します。
主な関心が目標流量の維持の場合： 配管、継手、バルブ、機器の損失を含む完全なシステム曲線を用いて、必要流量におけるポンプを評価します。
主な関心が高揚程サービスの場合： 動力、NPSH、材質適合性、運転限界を確認したうえで、直列ポンプまたは異なるポンプ形式を検討します。
主な関心がエネルギー使用量の削減の場合： ポンプ容量を追加する前に、大口径配管、低損失継手、適切な制御バルブサイズを検討します。
主な関心が水以外の化学液体の場合： 実際の密度、粘度、温度、蒸気圧、組成を用いて揚程と損失を再計算します。

適切にサイズ選定されたポンプとは、必要流量および運転条件において利用可能な差圧揚程が、許容できない運転上または安全上のリスクを生じさせることなく、完全な油圧要件を確実に上回るポンプです。

まとめ表：

主な評価項目	確認内容
静的揚程	供給元と供給先の液面間の高低差
容器圧力	供給元容器と供給先容器の圧力差
差圧揚程	ポンプ吐出圧力から吸込圧力を引いた値
摩擦損失	直管、バルブ、継手、ホース、機器による損失
運転点	必要流量におけるポンプ曲線とシステム曲線の交点
液体条件	密度、粘度、温度、蒸気圧、組成
信頼性確認	NPSH、効率、動力、材質適合性、運転限界
設計オプション	高揚程には直列ポンプ、高流量には並列ポンプ、損失低減には大口径配管

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