化学プラント大全 
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吐出し弁を閉じたまま遠心ポンプを回す状態を、締切運転といいます。流量計はゼロ、送液もゼロ。それでもモータは回り、ポンプには軸動力が入り続けています。
送液に使われなかった動力は消えません。ポンプ内部の液をかき回し、熱、振動、騒音、内部循環へ変わります。だから締切運転は「何もしていない安全な待機」ではありません。この記事では、締切で何が起きるのか、最小流量は何で決まるのか、ミニマムフローラインをどう見るのかを現場向けに整理します。
この記事の結論
- 締切運転は流量ゼロでも軸動力が入る。動力は主に熱と内部流れへ変わる
- 液温上昇から蒸発・キャビテーション、軸封やウェアリング部の損傷、かじり・焼付きへ進み得る
- 「何分まで大丈夫」という共通値はない。液量、締切軸動力、比熱、初期温度、蒸気圧、ポンプ構造で変わる
- 最小流量は温度上昇だけでなく、内部循環、振動、ラジアルスラスト、軸封・軸受、NPSHなどで決まる
- ミニマムフローラインはポンプを通る流量を確保する保護設備。プロセスへの送液量がゼロでも、ポンプ流量までゼロにしない
- 容積式ポンプは締切運転を前提にできない。吐出し側の逃し弁・バイパスが必須で、遠心ポンプとは分けて考える
1. 締切運転とは｜吐出し弁が閉じ、流量がゼロの運転
遠心ポンプの性能曲線で、流量 Q＝0 の点を締切点といいます。吐出し弁を閉じて運転すると、ポンプはこの点に近づきます。吐出し圧力は上がりますが、配管へ流れ出す液はありません。
ここで誤解しやすいのが、流量ゼロならポンプの仕事もゼロという考えです。確かに、液を系統へ送り出す水動力はゼロです。しかし羽根車は液中で回転し、モータから軸動力が入り続けています。
入力された動力は、次のように使われます。
- 羽根車とケーシング内で起きる内部循環・摩擦・乱れ
- ポンプ内部の液とケーシングの温度上昇
- 振動・騒音
- 軸封部へのフラッシングやケーシングから外部への放熱
つまり締切運転は、送液機を小さな撹拌加熱機として使っている状態です。放熱より発熱が大きければ、内部液温は上がり続けます。
2. 締切を続けると何が起きるか
締切直後から必ず壊れるわけではありません。締切でも定格出力を超えないうず巻ポンプでは、吐出し弁を閉じて始動し、回転が立ち上がってから弁を徐々に開く手順が一般的です。メーカーの性能試験でも、締切運転は数秒から十数秒にとどめます。問題は、設備で認められた短い過渡状態を超えて締切を続けることです。
進展はおおむね次の順で考えると分かりやすくなります。
- ポンプ内部で液が循環し、損失が熱になる
- 液温が上がり、吸込部付近の飽和蒸気圧が上がる
- 局所的に蒸発・キャビテーションが起き、音と振動が増える
- 液量が減り、冷却・潤滑が失われて空運転に近づく
- ウェアリング部、軸封、軸受などがドライ接触し、かじり・焼付きを起こす
- 条件によってはケーシング損傷や危険物の漏えいへ進む
特に注意したいのは、飽和液、高温液、液化ガス、大動力ポンプです。沸騰までの温度余裕が小さい液や、単位時間あたりの入力動力が大きいポンプは、締切による悪化が速くなります。
「締切は5分まで」「1分なら安全」のような共通ルールは作れません。温度上昇の速さは、締切時の軸動力、ポンプ内の液量、液の比熱、ケーシングからの放熱で変わります。さらに、沸騰・軸封・クリアランスの限界も機種ごとに違います。許容時間はメーカー資料と設備SOPで確認する値です。
温度上昇の速さの桁は、次の式でつかめます。放熱を無視し、軸動力がすべてポンプ内の液の温度上昇に使われるとみなした、安全側の見積りです。
ΔT ＝ P × t ／（m × c）
P は締切時の軸動力［W］、t は締切時間［s］、m はポンプ内の液の質量［kg］、c は液の比熱［J/(kg·K)］です。たとえば締切軸動力が10 kW、ケーシング内の水が20 kg なら、10,000 ÷（20 × 4,190）≒ 0.12 K/s です。1分で約7 K 上がります。液温上昇は、締切時間と締切軸動力に比例し、比熱に反比例します。
締切時の軸動力・時間・ポンプ内の液量から温度上昇を見積もる計算は、iPhoneアプリポンプ 3D図鑑にも入れてあります。小流量で流し続けたときの温度上昇も、同じ画面で切り替えて出せます（紹介ページ）。
3. 最小流量は1つではない
「最小流量」と聞くと、温度上昇を防ぐための流量だけを想像しがちです。しかし実際の下限は、複数の制約のうち最も厳しいものになります。
| 下限を決める要因 | 小流量で起きること |
| 熱 | 効率低下で損失が熱になり、内部液温が上がる |
| 水力 | 羽根車入口・出口で内部循環が強まり、騒音・振動・不安定流れが生じる |
| 機械 | ラジアルスラスト、軸たわみ、クリアランス部の接触が増える |
| 軸封・軸受 | 冷却・潤滑・フラッシング条件を維持できない |
| NPSH | 温度の上がった漏れ液が吸込室へ戻り、羽根車入口の蒸気圧が上がってNPSHaが実質的に減る。入口の逆流もキャビテーションを招く |
| プロセス | 加熱、反応、濃縮、固化などにより戻し先や循環量に制約がある |
したがって、データシートに複数の下限がある場合は、その運転条件で最も大きい流量を守る必要があります。「温度上昇上の最小流量を超えたから安全」とは限りません。
温度から見た下限は、ポンプを通る液の温度上昇で見積もります。全揚程 H［m］、その流量でのポンプ効率 η、液の比熱 c［J/(kg·K)］を使うと、Δt ＝ g × H ×（1／η − 1）／ c です。効率が下がる小流量ほど、損失が熱になる割合が増えます。
許容する温度上昇の一例として、機械的な面からは30℃以下とします。比重0.65以上の炭化水素では、8.5℃以下として許容最小流量を求めることがあります。実際の運転では、データシートの最小流量を優先してください。
用語も設備や規格で異なります。最低連続安定流量、最低連続熱流量、許容最小流量などが混在するため、略号だけで判断せず、何を制約した値かを確認してください。
4. ミニマムフローラインの役割
プロセスが必要とする流量が少なくても、ポンプには最低限の流量が必要です。この差を逃がすのがミニマムフローライン（最小流量バイパス、再循環ライン）です。
一般には、ポンプ吐出し口に最も近い位置で、吐出し逆止弁より上流から分岐します。最小流量オリフィスや調節弁を通して、吸込タンク、上流容器、または適切な戻し先へ液を返します。ここで区別したいのは、次の2つです。
- プロセス流量：下流設備へ実際に送っている流量
- ポンプ流量：ポンプを通過している総流量。プロセス流量＋再循環流量
下流弁が閉じてプロセス流量がゼロでも、再循環が開いていればポンプ流量は確保できます。反対に、下流弁が閉じているときにミニマムフロー弁も閉じたままなら、吐出し圧力が正常に見えてもポンプは締切状態です。
代表的な方式は次の3つです。
常時開のオリフィス方式
固定オリフィスを通して常時一定量を戻します。構造が単純で作動失敗が少ない一方、通常運転中も再循環するため動力を消費します。差圧や液物性が変われば流量も変わるので、オリフィスがある＝必ず必要流量が流れるとは限りません。
流量調節弁方式
吐出し流量を測り、流量が下がると再循環弁を開きます。必要時だけ戻せるので効率的ですが、流量計、ロジック、調節弁、空気源・電源が正常であることが前提です。
自動再循環弁方式
主流量に応じて弁内部の機構がバイパスを開閉します。逆止機能と最小流量確保を一体化した形式もあります。構造と設定は設備ごとに違うため、メーカー資料で作動する流量と点検方法を確認します。
戻し先にも注意が必要です。高温の再循環液を小さな吸込容器へ戻すと、容器内液温が上がってNPSHaを削ることがあります。飽和液ではフラッシュが起きることもあります。ポンプだけでなく、戻し先を含む熱・圧力条件で設計する設備です。
5. 現場で締切を見抜く
締切状態は「吐出し弁が閉じている」ときだけではありません。自動弁の誤閉、逆止弁の固着、下流配管の閉塞、誤ったラインアップでも起こります。
次の情報を組み合わせて判断します。
- 流量がゼロまたは異常に低い
- 吐出し圧力が締切圧力付近まで上がっている
- モータ電流が通常より低い（うず巻ポンプの場合。斜流・軸流ポンプは締切で軸動力が増え、電流は上がる）。電流だけでは断定しない
- ケーシング温度、軸封温度、振動、音が上がる
- ミニマムフローラインの流れ、弁開度、前後温度が成立していない
- 下流弁の開指令と実開度、逆止弁の状態が一致しない
吐出し圧力が出ているから送液できている、とは限りません。圧力・流量・弁状態をセットで見ることが重要です。
締切を疑っても、自己判断で吐出し弁を急開しないでください。下流配管が空のときや差圧が大きいときは、ウォーターハンマーなどの過渡現象を起こします。設備SOPに従い、送液先、弁ラインアップ、再循環の成立を確認してから負荷を戻します。
6. 容積式ポンプは別物
ここまでの中心は遠心ポンプです。往復動ポンプ、ギヤポンプ、スクリューポンプなどの容積式ポンプは、吐出し側を閉じても押しのけ流量を出そうとします。
そのため締切にすると圧力が急上昇し、配管・ケーシング・駆動機を損傷する危険があります。吐出し側には、全流量を安全に逃がせる逃し弁やバイパスが必要です。逃し弁の前後の弁を閉じて、逃し弁を無効にしてはいけません。
遠心ポンプの「短時間なら吐出し弁を閉じて始動できる」という手順を、容積式ポンプへ持ち込まないでください。
まとめ
- 締切を疑ったら、圧力だけでなく流量・弁状態・温度・ミニマムフローの流れをセットで確かめる
- ミニマムフローラインは逆止弁より上流で分岐させ、戻し先の液温上昇とNPSHaへの影響も見る
- 許容される締切時間と最小流量は、メーカーのデータシートと設備SOPで確認する
「ポンプの流量調節」では、流量を下げる2つの方法——吐出し弁の絞りとインバータによる回転数制御——を、性能曲線と消費動力の違いから比較します。
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計算と選定の結果は構想段階の概算で、保証計算ではありません。必要NPSHの概算や比速度からの羽根車の形は目安です。3Dは代表構造の教育用モデルで、特定の機種の寸法・形状とは一致しません。実機の選定・発注・安全判断は、メーカーの性能曲線と仕様書、適用規格で確認してください。
参考文献
- 外山幸雄『ポンプの選定とトラブル対策』日刊工業新聞社, 2・12「締切運転」、2・17「保護装置」 Amazonで見る
- 化学工学協会関東支部編『プロセス機器構造設計シリーズ6 化学プラント用ポンプ・圧縮機』丸善, 2・2・3「うず巻ポンプの許容最小流量」、5・2「ポンプの運転」
- 外山幸雄『絵とき「ポンプ」基礎のきそ』日刊工業新聞社, 第5章「ポンプの据付けと試運転」 Amazonで見る
- 高圧ガス保安協会『高圧ガス保安技術』学識編 11.5「圧縮機とポンプ」
- 化学工学協会編『化学装置便覧 改訂二版』丸善, 第18章「ポンプ、圧縮機、冷凍機」
- 化学工学協会編『化学プラント建設技術（上）』5「化学プラント用回転機械の据付」
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