蒸留塔のスタートアップとシャットダウン|事故は起動時に偏る

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プラントの事故は定常運転中に起きるもの——そう思われがちですが、機器によっては違います。

ある調査では、熱交換器や分離器などの塔槽類は、定常時40%に対して起動時50%。起動時のほうが多い。異常処理用の安全システムに至っては起動時約90%です。

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. なぜ起動時に集中するのか

手元の資料に、機器別の事故がどの時期に起きたかの内訳があります。

塔槽類だけが起動時に偏っています。理由は3つ考えられます。

• 設計されていない状態を通る：定常運転は設計点があるが、立ち上げ途中の低負荷・空塔・液張り状態には設計点がない
• 変化率が大きい：温度も圧力も液面も動いている。熱応力も、液の急激な移動も起きる
• 手動操作が多い：自動制御は定常点の近くで働くように調整されている。立ち上げは人が判断する

安全システムが起動時に集中しているのも示唆的です。異常処理の設備は起動時に働いている——つまり起動時には異常が起きているということです。

※ このデータは1970年代の文献によるもので、比率そのものを現在にそのまま当てはめることはできません。ただし「塔槽類のトラブルは起動時に偏る」という傾向は、現場感覚とよく一致します。

2. スタートアップの基本形

蒸留塔の立ち上げは、大きく次の順序をたどります。塔ごとに手順書があるはずなので、ここではなぜその順序なのかを押さえます。

1. 気密・置換：空気を追い出す。可燃物を入れる前に酸素を抜く。減圧塔なら気密試験もここ
2. 液張り：塔底とリボイラに液を入れる。リボイラの伝熱面が液に浸っていない状態で焚かない
3. 昇温：リボイラを徐々に焚く。急に焚くと熱応力と突沸の危険。塔の温度分布ができるのを待つ
4. 全還流：留出も抜き出しもせず、塔頂の凝縮液を全量戻す。塔の中に組成の勾配を作る工程
5. 原料投入と抜き出し開始：温度分布が落ち着いたら原料を入れ、D と W を出し始める
6. 負荷上げ：規格を確認しながら定格へ持っていく

4番目の全還流が蒸留塔らしい工程です。全還流は最小理論段数を与える運転、つまりその塔が出せる最高の分離です。製品は一滴も出ませんが、塔内に組成の勾配を作るには最も速い。

ここで焦って抜き出しを始めると、まだ濃縮されていない液が製品ラインに出ます。全還流で塔頂・塔底の分析値が落ち着くのを待ってから抜き出す——これが順序の理由です。

3. 立ち上げは必ず低負荷を通る

設計の話とつながるのがここです。どんな塔も、立ち上げでは必ず低負荷域を通ります。

蒸気量が定格の何割かしかない状態では、ウィーピングが起きます。トレイの穴から液が落ち、段が働かない。充填塔なら液負荷が下限を割ってぬれ不足になります。

だから立ち上げ中に「分析値が出ない」のは異常ではなく、低負荷域では塔が本来の性能を出せないというだけのことが多い。負荷を上げれば揃います。

問題は、その低負荷域がどこまで下なのかが設計で決まっていることです。ターンダウン比の狭い塔は、立ち上げに長い時間がかかるか、負荷を上げるまで品質が読めません。

仕様書に最低負荷を書く意味はここにもあります。「定格でしか動かない塔」は、定格に到達するまでが苦しい塔でもあります。

4. シャットダウンで気をつけること

停止側は起動の逆をたどりますが、蒸留塔特有の注意が3つあります。

• 塔内には液が残る：トレイ上の液、ダウンカマーの液、充填層に保持された液。これらの合計（ホールドアップ）は無視できない量になる。抜き出し先と量を把握しておく
• 冷えると凝縮して負圧になる：高温で密閉した塔が冷えると内部の蒸気が凝縮し、圧力が下がる。塔は外圧に弱いので、真空破壊の手当てが要る
• 残液の変質：長期停止では塔底の高沸点分が重合したり、水分と反応したりする。次の起動で詰まりの原因になる

2番目は事故につながる典型です。圧力容器は内圧には強く、外圧には弱い。減圧塔でない塔でも、冷却によって負圧になれば座屈します。ベントや窒素導入の手順が停止手順に入っているか、確認する価値があります。

5. 起動停止の回数そのものがコスト

最後に、運転計画に関わる話です。

化学プラントは連続長期運転を前提に設計・製作されます。できるだけ一定した条件の操業が望ましい。起動して温度・圧力を標準操業状態まで上げたあと、不調や異常でまた止めて温度・圧力を下げる。これを繰り返すと何が起きるか。

• 金属材料はもちろん、それを保護しているキャスター・煉瓦などの耐火物も伸縮し、疲労・劣化する
• 機器の支持部・補強部も弱化する
• 連結された配管の伸縮による変則荷重が加わる
• 腐食性液の飛沫を溢流させ、塔・槽・配管を腐食させて肉厚減少から破壊に至った例もある

最後の項目が生々しい。停止・起動の繰り返しが、直接ではなく腐食を経由して破壊につながるという経路です。定常運転では液に触れない部分に、起動停止のときだけ飛沫が当たる。

参考までに、新規建設した30万t/年規模のアンモニアプラントで原料装入から生産開始まで平均45日、生産開始からフル操業まで平均34日かかったという記録もあります。立ち上げは長く、その間ずっと非定常です。

実務への含意はこうです。「一度止めて直す」という判断のコストには、停止と起動そのものが機器に与えるダメージが含まれている。運転を続けながら切り分けられることは、続けながらやったほうがいい。組成異常の切り分けで「止めなくても分かることを先にやる」と書いたのは、この理由です。

まとめ

塔槽類のトラブルは起動時に集中します。立ち上げは気密・置換 → 液張り → 昇温 → 全還流 → 抜き出し開始 → 負荷上げの順で、全還流は塔内に組成勾配を作る工程です。途中で必ず低負荷域を通るので、設計時のターンダウンが立ち上げの苦しさを決めます。停止側では塔内のホールドアップ、冷却による負圧、残液の変質に注意してください。そして起動停止の繰り返しは機器の疲労・劣化を早めるので、その回数そのものがコストです。

次の記事：塔の差圧を読む｜汚れ・閉塞・フラッディングの見分け方

参考文献

• 『プロセス設計シリーズ2 プラントの安全と公害対策』化学工業社 第1章「プロセス設計のための安全対策」（機器別の事故発生時期、緊急停止原因の責任区分、アンモニアプラントの立ち上げ日数、停止・起動の繰返しと機器の疲労・劣化）
• 『プロセス設計シリーズ1 プロセス設計概論』化学工業社（スタートアップ・シャットダウンを考慮した設計）
• 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

※ 事故発生時期の比率は1970年代の文献によるものです。傾向を読む材料として引用しており、現在の統計ではありません。