塔頂圧力を動かすと何が起きるか|決めているのはコンデンサ

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蒸留塔の圧力は「決めて動かさないもの」と思われがちです。しかし圧力は分離のしやすさそのものを変えるノブで、しかも自分では直接動かせません。

塔頂圧力を決めているのは、実はコンデンサと非凝縮ガスです。ここを理解すると、「なぜ夏になると塔が苦しくなるのか」が説明できるようになります。

この記事は蒸留シリーズ「運転とトラブル」の1本です。全体像は蒸留の完全ガイドにまとめています。

1. 圧力を動かすと分離の難易度が変わる

圧力が変わると起きることは3つあります。

設計では「熱に弱いから減圧」「冷却水で凝縮させたいから加圧」といった理由で圧力が決まります。詳しくは減圧蒸留の設計で扱いました。

運転で押さえておきたいのは2番目の効果です。相対揮発度αは温度の関数なので、圧力が上がって塔内温度が上がるとαが縮む。段数も還流比も変えていないのに、製品が規格を外れるということが起こり得ます。

「何も操作していないのに純度が落ちた」ときは、まず塔頂圧力の履歴を見てください。

2. 塔頂圧力を決めているのはコンデンサ

ここが本記事の核心です。圧力調節弁は圧力を直接いじっているのではなく、凝縮量を操作しています。

塔頂から上がってきた蒸気は、コンデンサで冷やされて液になります。蒸気が液になれば体積は激減するので、凝縮が速ければ圧力は下がり、凝縮が遅ければ圧力は上がる。塔頂圧力とは、蒸気の発生速度と凝縮速度が釣り合った点のことです。

だから圧力を操作する方法は、すべて「凝縮量をどう変えるか」の話になります。代表的な方式が3つあります。

• 冷却水量を変える：最も素直。ただし冷却水側の応答は遅く、汚れの影響も受ける
• 伝熱面積を変える：冷却水量は一定にして、コンデンサ内に凝縮液を溜め、伝熱管を液で浸すことで有効面積を減らす。液の過冷却が大きくなるので冷却水の使用量が増えるのが欠点
• 凝縮液ラインを絞る：調節弁を凝縮液側に置き、抜く量でコンデンサの液面（＝有効伝熱面積）を変える

いずれも「有効な伝熱面積」を操作しているのが共通点です。圧力制御と伝熱は不可分で、コンデンサの汚れは必ず圧力の挙動に出てきます。

3. ホットバイパス方式と、その落とし穴

もう一つ、現場でよく見る方式があります。コンデンサを還流槽より低い位置に置き、塔頂蒸気ラインから還流槽へバイパスを取って、そこに調節弁を入れる方式です。コンデンサを高い位置に上げなくて済むので、架構が安く済みます。

動きはこうです。

• バイパス弁を開くと、塔頂蒸気ラインと還流槽の圧力が接近する
• コンデンサ内の液面が上がり、有効伝熱面積が減って凝縮量が減る
• 結果として塔頂圧力が上がる

面白いのは、低い位置にあるコンデンサから高い位置の還流槽へ、ポンプなしで液が上がる点です。凝縮液がコンデンサ内で過冷却されると還流槽内の液の蒸気圧より低くなり、その圧力差で液が押し上げられる。この方式では、コンデンサと還流槽の間の3〜5 m程度の高さを凝縮液が自力で上がります。

落とし穴もここにあります。過冷却が足りないと液が上がりません。凝縮温度と冷却水温度が接近している場合はこの方式は使えない、とされています。

つまり夏場に冷却水温度が上がると、この方式は成立条件を失います。「夏になると圧力制御が不安定になる」塔があったら、方式そのものを疑う価値があります。

4. 非凝縮ガスは、無ければ入れる

系に非凝縮成分（空気、軽質ガスなど）があるときは、話が単純になります。圧力調節計の調節弁からそれを系外に排出すればよい。抜けば圧力が下がり、溜めれば上がります。

ここで面白いのが、非凝縮成分が微量、あるいはまったく無い系でも、系外から非凝縮性ガスを導入してやれば同じ制御ができるという考え方です。窒素などをわざと入れて、その量で圧力を操作する。

「不純物を入れる」と聞くと抵抗があるかもしれませんが、制御性を買っていると考えると筋が通ります。凝縮しないガスは還流槽に溜まるだけで製品には出て行きません。

ただし裏返しの問題もあります。溜まりすぎた非凝縮ガスはコンデンサの凝縮を阻害するので、抜き道と量の管理が要ります。入れる仕組みと抜く仕組みは必ずセットです。

5. 減圧塔ではさらに非凝縮ガスが効く

真空蒸留塔では、塔の圧力は存在する非凝縮成分の量によって支配されます。外から漏れ込んだ空気と、内容物から出た分解ガスの合計です。

これを、系内圧力が一定になるよう制御された量だけ真空装置で抜く。真空系の圧力制御とは、実質的に非凝縮ガスの収支の制御です。

すすめられる方式は、真空装置の上流に空気またはガスを系外から導入し、そのラインに調節弁を置くやり方です。真空装置の能力は一定にしたまま、導入量で見かけの負荷を変えて圧力を合わせます。真空発生装置そのものを絞るより素直に効きます。

運転上の注意は減圧蒸留の記事と同じで、漏れ込みは真空度を下げるだけでなく酸素による重合・酸化・爆発範囲の問題を持ち込みます。圧力が出ないときは、まず気密を疑ってください。

6. 「夏になると苦しい」の連鎖

ここまでを1本につなぐと、季節変動の説明ができます。

• 冷却水温度が上がる → コンデンサの温度差が減る → 凝縮量が減る
• 凝縮量が減る → 塔頂圧力が上がる
• 圧力が上がる → 塔内温度が上がる → αが縮む
• αが縮む → 同じ還流比では分離が足りない → 還流を上げる
• 還流を上げる → 蒸気量が増える → コンデンサ負荷がさらに増える／差圧も上がる

最後の行が効いています。対処が原因を悪化させる向きに働く。だから夏場の減産は、我慢ではなく合理的な判断であることが多いのです。

この連鎖のどこで止められるかを設計時に見ておくのが、仕様書に夏冬の冷却水温度を書くことの意味です。

まとめ

圧力は分離の難易度そのものを変えるノブで、下げればαが開き、上げれば縮みます。その圧力を決めているのはコンデンサの凝縮量で、圧力制御の各方式はどれも有効伝熱面積を操作しています。非凝縮ガスは抜いて制御するのが基本ですが、無ければ入れるという手もあり、減圧塔では圧力そのものが非凝縮ガスの収支で決まります。冷却水温度→凝縮量→圧力→αの連鎖を頭に入れておくと、季節で塔の調子が変わる理由が説明できます。

次の記事：製品組成が振れる原因の切り分け

参考文献

• 『プロセス設計シリーズ3 分解・加熱・蒸留を中心とする設計』化学工業社 第9章「蒸留装置設計の実際的留意点」（圧力制御の各方式、コンデンサと還流槽の高さと過冷却、非凝縮ガスによる圧力制御、真空蒸留の圧力制御）
• 化学工学会編『化学工学便覧 改訂五版』丸善, 第9章 9・12「蒸留塔の制御」　最新版をAmazonで見る
• 大江修造『絵とき「蒸留技術」基礎のきそ』日刊工業新聞社, 2008　Amazonで見る