化学プラント大全 
熱Ⅳの「蒸留・蒸発・濃縮、乾燥、乾留・ガス化」の論点を、表と例題で並べました。
前半の5つが蒸留で、続いて蒸発・濃縮が2つ、乾燥が2つ、最後が乾留とガス化です。
目次
- 気液平衡と単蒸留 ── 沸点の低い成分ほど蒸気に多く出る
- 連続蒸留の物質収支 ── 全体と成分の収支で留出液と缶出液の量が決まる
- 還流比と理論段数 ── 還流を増やすと段数は減るが熱が増える
- 特殊な蒸留 ── 加える・吹き込む・減圧するで分けやすくする
- 蒸留塔の省エネルギーと内装品 ── 接触効率を上げ、塔頂の蒸気を再利用する
- 沸点上昇と蒸発缶の収支 ── 沸点上昇で有効温度差が小さくなる
- 多重効用と蒸気の再圧縮 ── 蒸気を使い回すほど外から入れる蒸気が減る
- 含水率と乾燥特性曲線 ── 定率乾燥のあと減率乾燥に入る
- 乾燥装置の選定と熱効率 ── 排気が持ち去る熱を減らすほど効率が上がる
- 乾留とガス化 ── 乾留は空気を断ち、ガス化は少しだけ与える
気液平衡と単蒸留 ── 沸点の低い成分ほど蒸気に多く出る
| 用語・式 | 中身 | 押さえどころ |
|---|---|---|
| ラウールの法則 | pi＝xiP°i | 成分の分圧は、液のモル分率×その温度での純成分の蒸気圧 |
| ダルトンの法則 | π＝Σpi | 分圧の和が全圧（操作圧）。2つの法則が成り立つ溶液を理想溶液という |
| 気液平衡の式 | yiπ＝xiP°i | 温度と液組成が決まれば蒸気組成が出る |
| 比揮発度 | αij＝(yi/xi)/(yj/xj)＝P°i/P°j | 純成分の蒸気圧の比で、温度だけで決まる。1に近いほど分けにくく、0.95＜α＜1.05 は特殊な分離が要る |
| 共沸点 | 液と蒸気の組成が等しくなる点 | 純成分の沸点より高ければ最高共沸点、低ければ最低共沸点。普通の蒸留ではこの点を越えて濃縮できない |
| 単蒸留（回分式） | 仕込んだ液を加熱し、出た蒸気を凝縮する | 低沸点成分が先に抜けるので、残液の沸騰温度はしだいに上がる。一段なので分離はよくない |
| 平衡フラッシュ蒸留 | 液を連続で供給し、一段で蒸気と液に分ける | 定常で F＝L1＋V1。連続単蒸留ともいう |
なぜ：全圧 π は、2つの純成分の蒸気圧を液組成で重み付けした平均です。そのため、蒸気圧の高い（沸点の低い）成分は P°i/π が1より大きく、蒸気中のモル分率が液中より大きくなります。この液と蒸気の組成の差が、蒸留で分けられる理由です。差の大きさを表すのが比揮発度で、比なので1なら組成は変わりません。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 二成分の理想溶液では、同じ温度での純成分の蒸気圧が高い成分ほど、蒸気中のモル分率が液中より大きくなる | ○ | 沸点の低い成分が蒸気に濃く出る |
| ラウールの法則が成り立つ系の比揮発度は、2成分の純成分蒸気圧の差に等しい | × | 差ではなく比 P°i/P°j |
| 比揮発度が1に近い組み合わせほど、普通の蒸留で分けやすい | × | 1に近いほど分けにくい |
| 共沸点が純成分の沸点より低い混合物は、最高共沸点をもつという | × | 低ければ最低共沸点 |
| 回分式の単蒸留で加熱を続けると、残液の沸騰温度はしだいに高くなる | ○ | 残液は高沸点成分が増える |
例題
A・B の2成分の理想溶液で、ある温度の純成分の蒸気圧が A 200 kPa・B 80 kPa です。A のモル分率 0.40 の液が沸騰しているときの全圧と蒸気組成、比揮発度を求めます。
①分圧：pA＝0.40×200＝80 kPa、pB＝0.60×80＝48 kPa。
②全圧：π＝80＋48＝128 kPa。
③蒸気組成：yA＝80/128＝0.625。液の 0.40 より A が濃い。
④比揮発度：α＝200/80＝2.5。
⑤確かめる：(0.625/0.40)/(0.375/0.60)＝1.5625/0.625＝2.5 で④と一致。全圧と液組成は比揮発度から消える。
- 一段の蒸発・凝縮で進む濃縮は、気液平衡で決まる一段分だけ。比揮発度の近い2成分を高純度にするには、凝縮液をもう一度蒸発させる操作を重ねる（再蒸留の原理）。これを塔の中で連続して行うのが多段連続蒸留。
- 沸点は液組成に平衡な蒸気が生じる温度で、Σyi＝1 で決まる。露点は蒸気組成に平衡な液が生じる温度で、Σxi＝1 で決まる。
- ラウールの法則が成り立たない非理想溶液は、活量係数 γ で補正する（pi＝xiγiP°i）。
連続蒸留の物質収支 ── 全体と成分の収支で留出液と缶出液の量が決まる
| 収支 | 式 | 読み方 |
|---|---|---|
| 全物質収支 | F＝D＋W | 入るのは原料 F、出るのは留出液 D と缶出液 W だけ |
| 低沸点成分の収支 | F xF＝D xD＋W xW | 各流れの量に組成を掛けて足す |
| 留出液の量 | D＝F(xF−xW)/(xD−xW) | 2式から W を消す。xD は分母にある |
| 濃縮部と回収部 | 原料供給段より上が濃縮部、下が回収部 | 上では低沸点成分が濃縮され、下では下りてくる液から低沸点成分を回収する |
| 各段の蒸気量・液量 | 濃縮部の中（V・L）、回収部の中（V′・L′）でそれぞれ段によらず一定とみなす。原料供給段をまたぐと、原料の状態 q（液で入る割合）に応じて変わる | 蒸留するのは化学構造の似た物質で、モル蒸発潜熱がほぼ等しいから |
なぜ：定常運転では塔の中にものがたまらないので、全量でも低沸点成分だけでも「入る量＝出る量」が成り立ちます。還流やリボイラの蒸気は塔の中を回るだけで、外へ出ないので収支に出てきません。製品の組成を決めれば、留出液と缶出液の量は収支だけで決まり、段数や還流比はその後に考えます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 連続蒸留塔では、全体で F＝D＋W、低沸点成分で F xF＝D xD＋W xW が成り立つ | ○ | 入るのは原料、出るのは留出液と缶出液 |
| 原料と缶出液の条件を変えずに留出液の純度だけを上げても、留出液の量は変わらない | × | xD は分母にあり、D は減る |
| 原料供給段より上を回収部、下を濃縮部という | × | 上が濃縮部、下が回収部 |
| 各段の蒸気量を一定とみなせるのは、成分どうしのモル蒸発潜熱がほぼ等しいから | ○ | 化学構造の似た物質を蒸留する |
例題
原料 150 kmol/h（低沸点成分のモル分率 0.30）を連続蒸留し、留出液 0.90、缶出液 0.06 にします。留出液と缶出液の量を求め、留出液の組成を 0.96 に上げたときと比べます。
①2式から W を消す：D(xD−xW)＝F(xF−xW)。
②右辺：150×(0.30−0.06)＝36 kmol/h。
③D＝36/(0.90−0.06)＝36/0.84≒42.9 kmol/h。W＝150−42.9＝107.1 kmol/h。
④組成を 0.96 に上げると D＝36/(0.96−0.06)＝36/0.90＝40.0 kmol/h に減る。
⑤確かめる：③で D xD＋W xW＝42.9×0.90＋107.1×0.06＝38.6＋6.4＝45.0＝F xF。④では D xD＝40.0×0.96＝38.4 で、留出液中の低沸点成分の量も変わる。一定なのは F(xF−xW)＝36 のほう。
- 量はモル（kmol）、組成はモル分率でそろえる。途中で質量基準を混ぜない。
- 塔頂では、上がってきた蒸気 V を凝縮し、L を還流として戻し、残りの D を製品にする（V＝L＋D）。
関連：蒸留の完全ガイド
還流比と理論段数 ── 還流を増やすと段数は減るが熱が増える
| 項目 | 式・関係 | 押さえどころ |
|---|---|---|
| 還流比 | R＝L/D | 塔頂へ戻す液 L と、取り出す留出液 D の比 |
| 濃縮部操作線 | yn+1＝R/(R＋1)·xn＋xD/(R＋1) | 対角線上の x＝xD を通り、傾き R/(R＋1)（＝L/V） |
| 回収部操作線と q 線 | 回収線は対角線上の x＝xW を通る | 濃縮線と回収線は q 線の上で交わる |
| 理論段数 | 塔頂の点から平衡曲線と操作線の間に階段を引いて数える | マッケーブ・シーレの図解法。各段で気液が平衡に達するとした段数 |
| 全還流 | 留出液を 0 にして蒸気をすべて還流 | 分離がいちばんよく、段数は最小（最小理論段数） |
| 最小還流比 | これ以下では段数をいくら増やしても所定の分離ができない | 平衡曲線の形・原液の組成・分離の程度で決まる |
| 塔効率 | 理論段数／実際の段数×100% | 実際の段は平衡に達しきらないので 100% を超えない |
なぜ：還流を増やすと操作線が対角線に近づき、平衡曲線との間が開くので、1段で進む組成の幅が大きくなり段数が減ります。その代わり、戻す液を作るために同じだけ多く蒸気を発生させます。そのため塔径が大きくなり、再沸器と凝縮器の用役費が増えます。段数（装置費）と熱（操作費）の兼ね合いで還流比を決めます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 濃縮部操作線は、対角線上の x＝xD を通り、傾き R/(R＋1) の直線 | ○ | 傾きは L/V |
| 還流比を上げると、必要な理論段数は減るが、塔径は大きくなり用役費もかさむ | ○ | 装置費と操作費の兼ね合い |
| 全還流では、所定の分離に要る理論段数が最大になる | × | 最小（最小理論段数） |
| 最小還流比より小さい還流比でも、段数を十分に増やせば所定の分離が得られる | × | いくら段数を増やしても得られない |
| 塔効率は、実際の段数を理論段数で割って 100 を掛けたもの | × | 理論段数÷実際の段数 |
例題
留出液 40 kmol/h（組成 0.95）、還流 100 kmol/h の蒸留塔があります。還流比と濃縮部操作線の式を求めます。
①還流比：R＝100/40＝2.5。
②傾き：R/(R＋1)＝2.5/3.5≒0.714。切片：xD/(R＋1)＝0.95/3.5≒0.271。
③塔頂の蒸気量：V＝L＋D＝140 kmol/h。L/V＝100/140≒0.714 で傾きと一致。
④確かめる：x＝0.95 を入れると y＝0.714×0.95＋0.271≒0.95。濃縮線は対角線上の点 (xD, xD) を通る。
- 留出液の量を変えずに還流比を上げると、V＝L＋D の蒸気、つまり再沸器で作る蒸気が増える。
- 階段の数（ステップ数）は、理論段数にリボイラの1段を加えたもの。
- 充てん塔には段がないので、1理論段にあたる充てん層の高さ HETP（＝充てん層の高さ／理論段数）で表す。小さいほど効率がよい。
特殊な蒸留 ── 加える・吹き込む・減圧するで分けやすくする
| 方式 | 何をするか | 押さえどころ |
|---|---|---|
| 共沸蒸留 | 揮発性の第3成分（共沸剤）を加え、成分と共沸混合物をつくらせる | 塔頂へ共沸混合物、塔底へほぼ純粋な成分が出る。共沸剤は回収して使い回す。例：エタノールと水（共沸剤ベンゼン） |
| 抽出蒸留 | 沸点が高く、一方の成分と親和力の大きい溶剤を加え、その成分の揮発度を下げる | 溶剤とその成分は塔底から出て、別の塔で分ける。共沸蒸留より熱が少なく、溶剤の回収も容易。例：ベンゼンとシクロヘキサン（溶剤フェノール） |
| 水蒸気蒸留 | 水と混じらない液体の混合物に、水蒸気を吹き込んで加熱する | 全蒸気圧が各成分の蒸気圧の和になり、各成分の沸点より低い温度で沸騰する。留出液は水の層と分かれる |
| 真空蒸留 | 減圧下で蒸留する | 熱で分解・反応する物質を低い温度で扱える。小さな圧力の差で温度が大きく変わるので、段や配管の圧力損失を小さくする |
| 反応蒸留 | 蒸留塔の中で反応と分離を同時に行う | 原料を適当な段に供給し、製品・副生物・未反応物を塔の各部から抜き出す |
なぜ：普通の蒸留は液と蒸気の組成の差を使います。共沸点をもつ系や比揮発度が1に近い系では、この差がないか小さいのです。そこで第3成分を加えて気液平衡そのものを変えるか、圧力を変えて沸点を動かします。水蒸気蒸留は、混ざらない2つの液がそれぞれ単独のときの蒸気圧を出すことを使います。合わせた蒸気圧が、低い温度で大気圧に届きます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 共沸蒸留の共沸剤は揮発性で、原料の成分と共沸混合物をつくって塔頂から出ていく | ○ | 塔底から純粋に近い成分 |
| 抽出蒸留は、一般に共沸蒸留より熱を多く使い、第3成分の回収も難しい | × | 熱は少なく、回収も容易 |
| 水蒸気蒸留では、水に溶けない成分を、その成分の沸点より低い温度で沸騰させられる | ○ | 全蒸気圧は各成分の蒸気圧の和 |
| 真空蒸留では、塔内に小さな圧力分布があっても分離への影響は小さい | × | 小さな圧力分布でも分離効率に大きく効く |
- 水蒸気蒸留は、普通の蒸留ではきわめて高い温度か高い真空でないと出てこない、蒸気圧の小さい物質を取り出すのに向く。
- 共沸剤は塔頂から出たあと、デカンタで分けるなどして回収し、塔へ戻す。
- 抽出蒸留の溶剤は塔の上部から入れ、塔底液とともに溶剤回収塔へ送る。
蒸留塔の省エネルギーと内装品 ── 接触効率を上げ、塔頂の蒸気を再利用する
| 方法 | 中身 | 何が減るか |
|---|---|---|
| 多重効用形システム | 1塔を2塔に分けて圧力を変え、高圧塔の冷却熱（塔頂蒸気の凝縮熱）を低圧塔の再沸器に入れる | 外から入れる加熱の熱。既設の改善では経済的でないことが多く、新設のときに検討する |
| 分離順序の最適化 | 比揮発度の差の大きい分離を先に、多い成分を先に分け、塔数を少なくする | 設備費と運転費 |
| 加熱源を使い分ける | 塔の中段（加熱領域）は、再沸器より質の低い熱源で加熱する | 高温の熱源の量 |
| 圧力損失を下げる | 再沸器の圧力＝塔頂圧力 π＋圧力損失 ΔP。段塔を充てん塔に替えると ΔP が小さい | 再沸器の温度が下がり、質の低い熱源を使えることがある |
| 排熱を回収する | 塔頂蒸気で蒸気発生や予熱、塔頂蒸気を圧縮して再沸器の熱源にする（ヒートポンプ）、製品の熱で原料を沸点近くまで予熱 | 冷却水に捨てていた熱と、原料を温める再沸器の負荷 |
| 保温を改善する | 全体の熱損失を減らし、途中の段が分縮器のようにならないようにする | 熱損失 |
| 還流比を最適点で運転 | 気液接触効率の向上（操作圧力、効率のよいトレイや充てん材）、原料供給段の最適化、制御の高度化 | 還流比、つまり再沸器の熱 |
なぜ：蒸留塔が熱を多く使う大きな理由は、再沸器で入れた熱を、塔頂の凝縮器で冷却水に捨てていることです。省エネは捨てる熱をどこかの加熱に回すか、還流を減らして入れる熱そのものを減らすかのどちらかになります。熱は温度の高い所から低い所へしか移りません。そこで塔の圧力を変えたり蒸気を圧縮したりして、渡す側の温度を高くしてから回します。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 一般に、蒸留塔の操作圧力が高いほど相対揮発度が大きくなり、分離がよくなる | × | 一般に圧力が低いほうが大きい |
| 段塔を充てん塔に替えて圧力損失を小さくすると、再沸器の温度が下がり、質の低い熱源を使えることがある | ○ | 再沸器の圧力＝π＋ΔP |
| 製品の熱で原料を予熱し、供給段の温度に近づけると、再沸器の負荷は増える | × | 減る |
| 多重効用形システムでは、低圧塔の冷却熱を高圧塔の再沸器に入れる | × | 高圧塔の冷却熱を低圧塔の再沸器へ |
| 効率のよいトレイや充てん材にすると、同じ空間で理論段数が増え、還流比を下げられる | ○ | 段数と還流比の兼ね合い |
- 操作圧力の最適値は、冷却水・冷媒・蒸気などの用役の条件で決まる。圧力を下げるほど相対揮発度は一般に大きくなり、分離しやすくなる。
- 原料の組成は設計時から変わっていることが多い。シミュレータなどで最適な供給段か確かめ、合わせると実質の段数が増えて還流比を下げられることがある。
- 制御の高度化（多変数モデル予測制御など）で、製品の組成を許容の限界近くで運転できる。すると還流比の余裕を減らし、再沸器の熱を下げられる。
- 段（トレイ）には泡鐘段・多孔板・バルブトレイなどがある。キャップや孔が近すぎると気液の接触が悪くなるので、スケールの掃除など設計どおりに保つ。
関連：蒸留の省エネ
沸点上昇と蒸発缶の収支 ── 沸点上昇で有効温度差が小さくなる
| 項目 | 式・関係 | 押さえどころ |
|---|---|---|
| 蒸発能力 | Q＝KAΔt | Δt は溶液と加熱媒体の有効温度差 |
| 溶質による沸点上昇 | 不揮発性の溶質で蒸気圧が下がる（p＝kP0。ラウールの法則が成り立てば k は溶媒のモル分率） | 同じ圧力なら溶液の沸点は純溶媒より高い。デューリング線図で求める |
| 液深による沸点上昇 | 蒸発面の圧力 P＝p0＋hρg | 大気圧ではほぼ無視できるが、真空になるほど効く。熱に敏感な液の真空濃縮は液深の小さい缶 |
| Δt を大きくしすぎ | およそ 25〜35 K を超えると、気泡が合体して蒸気が伝熱面を覆う | 沸騰側の伝熱係数が急に下がり、伝熱量が減ることもある。核沸騰→極大熱流束点→遷移沸騰→膜沸騰 |
| 物質収支 | F＝D＋W、F CF＝W CW | 溶質は蒸発しない。W を消すと D＝F(1−CF/CW) |
| 熱収支 | S γs＝F Cf(tW−tF)＋D γW | 加熱蒸気の凝縮熱＝原液を沸点まで温める熱＋溶媒の蒸発潜熱（ドレンが飽和温度で出るとき） |
| 蒸発缶の形式 | 標準形（自然循環）・強制循環式・液膜式・撹拌形など | 強制循環式は管内の流速が速くスケールが付きにくい。撹拌形は高粘度で熱に弱い液 |
なぜ：蒸発量は、伝わる熱 Q＝KAΔt で決まります。加熱蒸気の温度が同じでも、溶液の沸点が上がればその差の Δt が縮み、同じ伝熱面積で伝わる熱、つまり蒸発量が減ります。溶液が濃くなるほど沸点上昇は大きくなります。真空にして沸点を下げると Δt が開き、蒸発能力が増します。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 不揮発性の溶質を溶かした溶液は、同じ圧力では純溶媒より高い温度で沸騰する | ○ | 同じ温度での蒸気圧が下がる |
| 加熱蒸気の温度が同じなら、沸点上昇の大きい溶液ほど有効温度差が大きく、蒸発能力が増す | × | 有効温度差は小さくなり、能力は減る |
| 液深による沸点上昇は、大気圧下より真空蒸発のほうが大きく効く | ○ | 静圧 hρg の割合が大きくなる |
| 加熱蒸気と沸騰液の温度差 Δt は、大きくするほど伝熱量が増え続ける | × | 25〜35 K 程度を超えると伝熱係数が急に下がる |
| スケールや結晶が出やすい液には、液を高速で循環させる強制循環式の蒸発缶が向く | ○ | 加熱管にスケールが付きにくい |
例題
溶質の質量分率 0.10 の原液 5 kg/s を、0.25 まで濃縮します。濃縮液の量と蒸発させる溶媒の量を求めます。
①溶質の収支：5×0.10＝0.5 kg/s の溶質は、すべて濃縮液に残る。
②濃縮液：W＝0.5/0.25＝2.0 kg/s。
③蒸発量：D＝F−W＝5−2.0＝3.0 kg/s。式でも D＝5×(1−0.10/0.25)＝5×0.6＝3.0 kg/s。
④確かめる：濃度が 2.5 倍なので、残る液は 1/2.5＝0.4 倍。原液の 6 割を蒸発させる。
- 伝熱面にスケールが付くと蒸発能力は大きく落ちる。濃縮液が製品なので、ボイラのように薬品でスケールを防げず、止めて化学的・機械的に掃除する。
- 付属装置には、減圧抽気装置（真空ポンプ・エゼクタ）、凝縮器、飛まつ捕集器がある。
関連：沸騰と凝縮の熱伝達
多重効用と蒸気の再圧縮 ── 蒸気を使い回すほど外から入れる蒸気が減る
| 方法 | 仕組み | 押さえどころ |
|---|---|---|
| 多重効用法 | 第1缶の発生蒸気を、より減圧の第2缶の熱源にし、その発生蒸気をさらに減圧の第3缶へ | 圧力は p1＞p2＞p3。新しい蒸気は第1缶だけに入れる |
| 効用数と蒸発量 | n 缶なら、加熱用蒸気1に対して理論上 n 倍の水を蒸発 | 実際は、水の潜熱が低温ほど大きいことと熱損失で下がる。4重効用までが多い |
| 多重効用缶の配列 | 順流・逆流・錯流・並流 | 加熱蒸気と液の流し方の違い |
| 多段フラッシュ蒸発法 | 加熱した液を、飽和圧力の低い室へ順に送り、圧力の低下だけで沸騰させる | 発生蒸気で原液を予熱して凝縮潜熱を回収する。海水の淡水化で実用化 |
| 蒸気圧縮法 | 発生蒸気を圧縮して温度を上げ、同じ缶の加熱に戻す | 圧縮に動力を使うので、加熱装置としてはヒートポンプの一種。ターボ圧縮機やエゼクタを使う |
なぜ：沸騰している液と出てきた蒸気は同じ温度なので、そのままでは発生蒸気で液を温められません。次の缶の圧力を下げて沸点を下げておけば、前の缶の蒸気との間に温度差ができ、その凝縮熱で次の缶の水を蒸発させられます。蒸気圧縮法は逆に、蒸気のほうを圧縮して温度を上げ、同じ缶に戻します。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 加熱用蒸気 1 kg/s を第1缶だけに入れる3重効用缶は、理論上は約 3 kg/s の水を蒸発させられる | ○ | n 缶で n 倍（理論値） |
| 缶数を増やすほど効果が下がる理由の一つは、水の潜熱が低温ほど小さくなることである | × | 低温ほど大きくなる |
| 第1缶の発生蒸気は、より高い圧力で操作する第2缶の熱源に使う | × | より減圧の第2缶 |
| 蒸気圧縮法は、発生蒸気を圧縮して温度を上げ同じ缶の加熱に使うので、ヒートポンプの一種といえる | ○ | 動力で熱を汲み上げる |
| 多段フラッシュ蒸発法は、加熱した液を低圧の室へ送り圧力の低下だけで沸騰させる方式で、海水の淡水化に使われる | ○ | 予熱で凝縮潜熱を回収 |
- 最終缶の発生蒸気は凝縮器へ出し、低い圧力はエゼクタや真空ポンプで保つ。
- 蒸気圧縮法で外から入れる主なエネルギーは、圧縮機の動力。
- 多段フラッシュ蒸発では、各室で出た蒸気が原液予熱用の凝縮器で凝縮し、その熱で原液を温める。
含水率と乾燥特性曲線 ── 定率乾燥のあと減率乾燥に入る
| 項目 | 中身 | 押さえどころ |
|---|---|---|
| 湿量基準 ωw | 水の質量／湿り材料の全質量 | 乾燥が進むと分母が変わる |
| 乾量基準 ωd | 水の質量／無水材料の質量 | 分母が変わらないので計算に便利。ωd＝ωw/(1−ωw)、ωw＝ωd/(1＋ωd) |
| Ⅰ 材料予熱期間 | 材料の温度が上がり、ある平衡温度に達する | 熱風からの対流だけで受熱するなら、平衡温度は熱風の湿球温度 |
| Ⅱ 定率（恒率）乾燥期間 | 材料温度は一定、入る熱はすべて水の蒸発に使われ、乾燥速度は一定 | 表面に自由水がある間続く。速度は熱風の温度・湿度など外部の条件で決まる |
| Ⅲ 減率乾燥期間 | 内部からの水の補給が蒸発に追いつかず、乾燥速度が時間とともに下がる | 材料温度は上がる。曲線の形は材料の形態や水の性質など内部の条件で決まる |
| 限界含水率 | Ⅱ とⅢ の境の材料平均含水率 | 材料特有の値だが、乾燥法で大きく変わることが多い。撹拌・分散が強いほど低い |
| 平衡含水率・自由含水率 | それ以上乾かない含水率／その含水率との差 | 平衡含水率は熱風の温度・湿度で決まる。乾燥で除けるのは自由含水率の分 |
なぜ：表面が水で覆われている間は、表面は水面と同じで、熱風から入る熱と蒸発に使う熱がつり合うので、温度も速さも一定です。乾燥が進み、中の水が表面まで出てくるのが蒸発に間に合わなくなると、蒸発する面が内部へ下がります。熱は内部まで入らなければならず、一部は材料自身を温めるのに使われるので、乾燥は遅くなります。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 湿量基準で 0.20 kg-水/kg-湿り材料の材料は、乾量基準では 0.25 kg-水/kg-無水材料 | ○ | 0.20/(1−0.20) |
| 定率乾燥期間には、入った熱の一部が材料を温め、材料温度が時間とともに上がる | × | 熱はすべて蒸発に使われ、温度は一定 |
| 減率乾燥期間に入るのは、内部から表面へ運ばれる水が表面の蒸発に間に合わなくなるから | ○ | 乾燥速度は時間とともに下がる |
| 限界含水率は材料に特有なので、同じ材料なら乾燥法や分散の程度が変わっても同じ | × | 乾燥法で大きく変わることが多く、分散が強いほど低い |
例題
湿量基準の含水率 0.40 の湿り材料 100 kg を、湿量基準 0.10 まで乾かします。蒸発させる水の量を求めます。
①無水材料：100×(1−0.40)＝60 kg。乾燥しても変わらない。
②乾量基準に直す：はじめ 0.40/0.60≒0.667、乾燥後 0.10/0.90≒0.111。
③水の量：はじめ 60×0.667≒40 kg、乾燥後 60×0.111≒6.7 kg。
④蒸発量：40−6.7≒33.3 kg。
⑤確かめる：乾燥後の材料は 60＋6.7＝66.7 kg で、水の割合は 6.7/66.7≒0.10。湿量基準の差 0.40−0.10＝0.30 から 30 kg としない（分母の湿り材料の量が変わるから）。
- 定率乾燥速度は、熱風の温度と湿球温度の差に比例する（熱風だけから受熱するとき RA＝α(T−TW)/γW）。
- 石けんやゼラチンのような均質な物質は、材料の中の水分の拡散が律速になり、定率乾燥期間をほとんどもたないものが多い。
乾燥装置の選定と熱効率 ── 排気が持ち去る熱を減らすほど効率が上がる
| 項目 | 式・数値 | 押さえどころ |
|---|---|---|
| 熱効率 | η＝(qE＋qH)/qT | 水の蒸発に使った熱と材料に与えた顕熱の和を、加熱器で与えた熱で割る |
| 非循環式・熱損失なし | ηmax＝(T1−T2)/(T1−T0) | T0 外気、T1 加熱後の熱風、T2 乾燥器出口。回転乾燥器・気流乾燥器・噴霧乾燥器など、熱風を高温にできる乾燥器がこの形 |
| 循環式・熱損失なし | η＝(T1−T2)/(T1−T′) | T′ は外気と排気を混ぜた後の温度。出入りの熱風の温度・風量をそろえて比べると、T2＞T0 なら T′＞T0 で非循環式より高い |
| 循環率 | 戻すほど熱風の湿度が上がり、乾燥が遅くなる | 総合経費で見た最適な循環率がある。熱風温度が低いと湿度の影響が大きい |
| 受熱方式 | 熱風受熱式 30〜60%、伝導受熱式 70〜90% | 伝導受熱式は金属壁を通した間接加熱で、熱風は蒸発した水を運ぶだけ |
| 気流乾燥器 | 並流なので 400〜600℃ の高温の熱風を使え、熱効率が高い | 乾燥時間が数秒で、最終乾燥には向かない。限界含水率がきわめて小さい |
| 流動層乾燥器 | 伝熱容量係数が大きく、材料温度が均一、平均滞留時間を設定できる | 含水率が高く付着・凝集しやすい材料は流動化できない |
なぜ：加熱器で熱風に入れた熱のうち、乾燥器の中で熱風が失った分だけが乾燥に使われ、残りは排気が持って出ます。熱風の量と比熱が同じなら熱は温度差に比例するので、排気の温度 T2 が低いほど、入れた熱を使い切っています。ただし熱風の量を減らしすぎると排気の湿度が上がり、温度を下げすぎても乾燥速度が落ちて、どちらも乾燥器が大きくなります。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 熱損失のない非循環式で、加熱後の熱風 150℃、乾燥器出口 60℃、外気 20℃ なら、最大熱効率は約 69% | ○ | (150−60)/(150−20) |
| 加熱後の熱風と外気の温度を変えずに排気温度を上げると、最大熱効率は上がる | × | 分子の T1−T2 が減り、下がる |
| 排気の一部を戻すと熱効率は上がるが、戻すほど乾燥が遅くなるので、経費で見た最適な循環率がある | ○ | 熱の節約と乾燥の遅れの兼ね合い |
| 一般に、熱風受熱式の熱効率は伝導受熱式より高い | × | 熱風 30〜60%、伝導 70〜90% |
| 流動層乾燥器は、含水率が高く付着・凝集しやすい材料に向く | × | 流動化できず、適用が難しい |
例題
熱損失のない非循環式の熱風乾燥器で、外気 15℃ を 180℃ に加熱し、乾燥器出口が 70℃ です。最大熱効率を求め、出口を 50℃ に下げたときと比べます。
①ηmax＝(180−70)/(180−15)＝110/165≒0.667、約 67%。
②出口 50℃：(180−50)/165＝130/165≒0.788、約 79%。
③排気が持ち去る割合：(T2−T0)/(T1−T0) は 55/165≒33% から 35/165≒21% に減る。
④確かめる：①と③、②と③の和はどちらも 100%（熱損失なし）。分母は外気からの温度差 T1−T0で、℃ のままでよい。
- 前工程のろ過・圧搾・遠心脱水で先に水を減らす。蒸発させるよりずっと少ないエネルギーで済む。
- 排気の熱は、熱風の循環のほか、乾燥用空気・被乾燥物・燃料の予熱に回す。
- 箱型乾燥器では、熱効率が 20〜40% にとどまる例がある。
乾留とガス化 ── 乾留は空気を断ち、ガス化は少しだけ与える
| 比べる点 | 乾留 | ガス化 |
|---|---|---|
| 酸素（空気） | 断って加熱する | 完全燃焼より少ない酸素で部分燃焼させる。水蒸気・水素も加える |
| 熱の出どころ | 外から加熱する（コークス炉では燃焼室の熱が耐火れんが越しに炭化室へ） | 石炭の一部を炉内で燃やしてまかなう |
| 主な反応 | 熱分解（350℃ ぐらいから） | 水性ガス反応 C＋H₂O→CO＋H₂（118.0 kJ の吸熱）、水素化分解 C＋2H₂→CH₄（発熱）、C＋O₂→CO₂（406 kJ の発熱） |
| できるもの | ガス・タール・ガス液・コークス | CO・H₂・CH₄ などを含む燃料ガスや合成用ガス |
なぜ：乾留は石炭を蒸し焼きにして、揮発分をガスとタールとして追い出し、炭素の塊（コークス）を残す操作です。空気があると石炭そのものが燃えてしまいます。ガス化は炭素までガスに変えたいのですが、主反応の水性ガス反応は大きく熱を吸います。その熱を、石炭の一部を燃やしてまかなうので、酸素を少しだけ入れます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 石炭の乾留は、適量の空気で石炭の一部を燃やしながら熱分解する操作である | × | 空気を断って加熱する。部分燃焼はガス化 |
| 高温乾留のコークスは、低温乾留の半成コークスより揮発分が少なく、強度が高く、反応性が低い | ○ | 温度が高いほど揮発分が抜ける |
| 高温乾留のガスは、低温乾留のガスよりメタンに富み、発熱量が大きい | × | 高温は水素に富む。メタンに富み発熱量が大きいのは低温 |
| 石炭のガス化では、主反応の水性ガス反応が大きく熱を吸うので、石炭の一部を燃やしてその熱を回す | ○ | C＋H₂O→CO＋H₂ は吸熱 |
高温乾留と低温乾留
| 比べる点 | 高温乾留 | 低温乾留 |
|---|---|---|
| 温度 | 800℃ 以上（1000℃ 程度） | 800℃ 以下（600℃ 程度） |
| コークス | 揮発分 1〜3%、硬く強度が高い、反応性が低い | 半成コークス（チャー）。揮発分 8〜13%、軟らかく火がつきやすい、反応性が高い |
| ガス | 水素に富み、16.8〜21.0 MJ/m³N | メタンに富み、25.2〜29.4 MJ/m³N |
| タール | 芳香族が主のコールタール | パラフィン・フェノール類 |
| 主な用途 | 製鉄・鋳物用のコークス、都市ガス。工業的に広く使われるのはこちら | 家庭用の無煙燃料、ガス化や活性炭の原料のチャー |
- 乾留の温度を上げていくと、まず 200℃ ぐらいまでで水分と吸着ガスが抜ける。熱分解の始まりは 350℃ ぐらいで、重量の減りがいちばん大きいのは 400℃ 前後。
- 水素は 600〜800℃ で、メタンは 500℃ 前後で盛んに発生する。メタンのほうが体積あたりの発熱量が大きいので、低温乾留のガスの発熱量が高い。
- コークス炉は炭化室・燃焼室・蓄熱室からなる。赤熱コークスの顕熱は加熱用燃料の 40% 以上にあたり、乾式消火で回収する。
- 石炭を空気でガス化すると 5.4 MJ/m³N 程度の低カロリーガスになる。空気ではなく酸素を用いてガス化した場合は、10.5〜17 MJ/m³N の中カロリーガスが得られる。
出典：エネルギー管理士試験講座 熱分野Ⅳ（省エネルギーセンター）2編4章 4.1〜4.4
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