溶媒リサイクルループは、溶媒消費量を削減し、吸収塔の運転を安定させるために使用されます。ガス吸収パイロットプラントでは、ガスが上昇する一方で、溶媒は充填塔または棚段塔内を下降し、可溶性の汚染物質を液相へ移動させます。溶媒を多く含む出口流は、多くの場合、再生された後に吸収塔へ戻され、パージ、同伴、蒸発、サンプリングなどによって失われた溶媒は、新規補給溶媒によって補われます。

収支計算における重要な原則は、内部リサイクル流と外部流を区別することです。リサイクル流は各単位操作の収支には現れますが、プロセス全体の収支では、プロセス外部境界を通過しないため相殺されます。

吸収パイロットプラントで溶媒をリサイクルする理由

原料消費量の削減

リサイクルループを使用すると、溶媒の大部分を塔内で1回使用した後に廃棄するのではなく、繰り返し循環させることができます。

これは、溶媒が高価である場合、危険性を有する場合、または廃棄前に処理が必要な場合に特に重要です。パイロットプラントでは、リサイクルによって、より大規模な工業プロセスにおける溶媒利用効率を再現できます。

溶媒濃度の制御

吸収性能は、溶媒の組成と流量に左右されます。再生された溶媒を戻すことで、塔内の運転条件を比較的一定に維持できます。

リサイクルを行わない場合、大量の新規溶媒流を供給しない限り、溶媒の組成と保有量は継続的に変化します。そのため、塔の性能を一貫して評価することが難しくなります。

溶媒再生の支援

多くのシステムでは、吸収塔から出る液体に捕捉された汚染物質が含まれています。ストリッピング、蒸留、またはその他の分離などの下流の再生工程により、汚染物質の大部分を除去し、吸収塔へ戻すのに適した溶媒を生成します。

例えば、ある溶媒が塔内で硫化水素またはアンモニアを吸収し、その後、再生工程でそれらを放出する場合があります。再生された液体がリサイクル流になります。

パイロット規模での経済性向上

パイロットプラントは、商用設備と同じ規模の経済性を常に得られるとは限りません。リサイクルにより、新規溶媒の需要、廃棄物の発生量、運転コストを削減しながら、限られた溶媒保有量で長時間の実験を行うことができます。

このループは、溶媒回収、補給要件、不純物の蓄積、定常状態での運転について実務的な経験を得る機会も提供します。

物質収支の境界の定義方法

吸収塔の境界

吸収塔単体については、入口ガスと入口液を流入流、処理済みガスとリッチ液を流出流として定義します。

全体収支は次のようになります。

[ G_{\text{in}}+L_{\text{in}}

G_{\text{out}}+L_{\text{out}} ]

ここで、(G)と(L)は、一貫した質量基準またはモル基準で表したガス流および液流の流量です。

汚染物質の収支

吸収対象成分(A)について、成分収支は次のようになります。

[ G_{\text{in}}y_{A,\text{in}} + L_{\text{in}}x_{A,\text{in}}

G_{\text{out}}y_{A,\text{out}} + L_{\text{out}}x_{A,\text{out}} ]

ここで、(y_A)は(A)の気相分率、(x_A)は液相分率です。いずれもモル分率または質量分率のどちらかに統一して定義する必要があります。

液体に吸収された量は、一般に次のように表されます。

[ \dot n_{A,\text{absorbed}}

\dot n_{A,\text{gas,in}}

\dot n_{A,\text{gas,out}} ]

これは、液体供給流に(A)がほとんど含まれていない場合です。溶媒がすでに(A)を含んでいる場合は、液体入口側の項も含める必要があります。

溶媒収支

非反応性溶媒(S)について、吸収塔の収支は次のようになります。

[ \dot m_{S,\text{in}}

\dot m_{S,\text{out}} ]

これは、吸収塔内で溶媒の蒸発、同伴、反応、その他の損失がない場合に成立します。

実際のパイロットプラントでは、これらの損失が補給溶媒流を必要とするほど大きくなる場合があります。

プロセス収支におけるリサイクルの扱い

混合器の収支

新規補給溶媒と再生リサイクル溶媒は、吸収塔へ入る前に混合されます。

[ L_{\text{makeup}}+L_{\text{recycle}}

L_{\text{absorber,in}} ]

溶媒成分(S)については、次のようになります。

[ L_{\text{makeup}}x_{S,\text{makeup}} + L_{\text{recycle}}x_{S,\text{recycle}}

L_{\text{absorber,in}}x_{S,\text{in}} ]

この式により、塔へ入る溶媒の流量と組成が決まります。

再生工程の収支

吸収塔から出たリッチ液は、再生セクションへ送られます。簡略化した全体収支は次のようになります。

[ L_{\text{rich}}

L_{\text{regenerated}} + L_{\text{regenerator losses}} + L_{\text{purge}} ]

対応する汚染物質収支には、再生塔頂流またはストリッピング流として除去される汚染物質が含まれます。

[ \dot n_{A,\text{rich}}

\dot n_{A,\text{regenerated}} + \dot n_{A,\text{overhead}} + \dot n_{A,\text{losses}} ]

正確な項は、再生工程をストリッパー、蒸留塔、フラッシュ、またはその他の単位操作としてモデル化するかどうかによって異なります。

プロセス全体の境界

吸収塔、再生装置、混合器、リサイクル配管を含む境界を設定する場合、リサイクル流は内部流となります。リサイクル流は等価な収支項として境界へ入り、境界から出るため、相殺されます。

定常状態における全体収支は、外部流だけに基づきます。

[ \text{External inputs}

\text{External outputs} ]

汚染物質については、一般に次のようになります。

[ \text{Contaminant in with feed gas} + \text{Contaminant in with makeup}

\text{Contaminant out in treated gas} + \text{Contaminant recovered or purged} + \text{Contaminant in other losses} ]

汚染物質は、吸収されたからといって単純に消失するわけではありません。気相から溶媒へ移動した汚染物質は、最終的に再生生成物、パージ、廃棄物流、処理済みガス、または蓄積在庫を通じて系外へ出る必要があります。

補給流とパージ流が重要な理由

補給流は避けられない損失を補う

液体パージ、ガス同伴、蒸発、装置のドレン抜き、サンプリング、または再生時の損失によって系外へ出る溶媒を補うため、新規溶媒が追加されます。

定常状態では、補給流はおおよそ溶媒の正味損失を補います。

[ L_{\text{makeup}} \approx L_{\text{purge}} + L_{\text{evaporation}} + L_{\text{entrainment}} + L_{\text{other losses}} ]

その他のプロセス流を通じて溶媒が流入または流出する場合は、この等式を調整する必要があります。

パージは不純物の蓄積を防ぐ

閉じた溶媒ループでは、不揮発性不純物、分解生成物、または再生が不十分な汚染物質が蓄積することがあります。これらの物質が系外へ出なければ、その保有量は時間とともに増加します。

パージによって循環液の一定割合を制御して除去します。その後、補給溶媒によって所望の全流量と組成が回復されます。

定常状態には正味蓄積がないことが必要

任意の成分(i)について、一般的な収支は次のようになります。

[ \text{Input}_i-\text{Output}_i

\text{Accumulation}_i ]

定常状態では、次のようになります。

[ \text{Accumulation}_i=0 ]

この条件は不純物に対して特に重要です。計算上の流入量が流出量を上回る場合、主溶媒流量が一定に見えても、ループは定常状態ではなく、その成分が蓄積しています。

実務的な収支計算の手順

測定した流量から始める

ガス流量、溶媒流量、補給流量、リサイクル流量、パージ流量、および関連する出口流を測定または推定します。全体を質量流量、または全体をモル流量のいずれかに統一します。

換算せずに質量分率とモル分率を混在させることは、よくある誤りです。

吸収塔の収支を取る

まず、ガスから液体へ移動した汚染物質を計算します。

[ \dot n_{A,\text{absorbed}}

\dot n_{A,\text{in}}

\dot n_{A,\text{out}} ]

次に、この値を液流が運ぶ汚染物質量の増加量と比較します。

再生セクションの収支を取る

吸収された汚染物質のうち、再生塔頂流または生成物流として流出する量と、リサイクル溶媒中に残る量を求めます。

再生された溶媒にも一部の汚染物質が残っている可能性があるため、完全に純粋なリサイクル流を仮定すると、現実離れした結果になることがあります。

混合器の収支を取る

補給流とリサイクル流を使用して、吸収塔へ入る溶媒の組成を計算します。この手順により、溶媒損失の計算と実際の塔の運転条件が結び付けられます。

ループ全体を確認する

最後に、プロセス全体の外部境界を描き、全体収支から内部リサイクル項をすべて除きます。外部収支は、予想される測定誤差の範囲内で一致する必要があります。

各単位操作の周りでは収支が一致するのに全体では一致しない場合、パージの記載漏れ、未測定の損失、基準の不統一、または流れの組成の誤りが原因であることがよくあります。

トレードオフの理解

リサイクル率を高めると溶媒使用量は減るが、ループは複雑になる

高いリサイクル率は新規溶媒の需要を低下させますが、ポンプ、再生装置、制御計装、追加配管が必要になります。

また、滞留時間が長くなり、徐々に進行する不純物の蓄積に対してプロセスがより敏感になる可能性があります。

リサイクルしても溶媒品質が一定になるとは限らない

溶媒の組成は、再生効率、パージ率、汚染物質の負荷量、溶媒の劣化に左右されます。汚染された流れをリサイクルすると、吸収能力が徐々に低下する可能性があります。

したがって、リサイクル流は流量だけでなく組成によっても評価する必要があります。

パージは不純物制御を改善するが、有用な物質も失われる

パージ量を増やすと不純物をより効果的に除去できますが、同時に溶媒や、本来なら回収できる吸収済み汚染物質も除去されます。

したがって、パージ率は溶媒回収、不純物制御、運転安定性のバランスによって決まります。

スタートアップ時には定常状態の仮定が適用できない場合がある

スタートアップ、シャットダウン、または運転条件の変更中は、溶媒と汚染物質の保有量が変化しています。蓄積項をゼロに設定することはできません。

ループが安定した運転状態に達するまで、非定常収支が必要です。

目的に適した選択

調査対象の問いに合わせて、収支の構成を分析に適用します。

主な関心が溶媒消費量の場合: リサイクルシステム全体を境界で囲み、パージ、蒸発、同伴、その他の溶媒損失から新規補給量を計算します。
主な関心が吸収塔の性能の場合: 吸収塔を個別に収支計算し、ガス流および液流における汚染物質の流入量と流出量を比較します。
主な関心が溶媒品質の場合: 汚染物質、溶媒、不揮発性不純物について、パージ流を含む成分収支を作成します。
主な関心がスケールアップの場合: 単一通過吸収と全体回収の両方を追跡し、リサイクルによって溶媒組成とプロセスの実効運転条件が変化することを考慮します。
主な関心がデータ検証の場合: まず単位操作ごとの収支を実施し、次に内部リサイクル流を相殺した後、プロセス全体の収支が一致することを確認します。

リサイクルループは、追加の発生源または吸収源ではなく、内部循環経路として理解するのが最も適切です。その利点と損失は、成分収支を慎重に定義することで明確になります。

まとめ表:

項目	要点
溶媒リサイクル	新規溶媒の消費量を削減し、吸収塔の安定運転を支援する
吸収塔の収支	汚染物質の移動を含む、ガスおよび液体の入口流と出口流を考慮する
内部リサイクル	各単位操作の収支には現れるが、プロセス全体の収支では相殺される
補給溶媒	パージ、蒸発、同伴、ドレン抜き、サンプリングによって失われた溶媒を補う
パージ流	溶媒ループ内の不純物および分解生成物の蓄積を制御する
再生	吸収された汚染物質を除去し、使用可能な溶媒を吸収塔へ戻す
定常状態の確認	各成分の正味蓄積がゼロであることを確認する
ベストプラクティス	まず各単位操作の収支を取り、次に外部流全体の収支が一致することを確認する

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