エネルギー管理士の蒸留・蒸発・乾燥対策｜選択問題に必要な分離操作

蒸留・蒸発・乾燥は、いずれも熱と物質の移動を使う単位操作です。何を分けたいか、何を蒸気として取り出すか、液や固体に何を残すかを先に決めると、似た用語を整理できます。

本記事は、蒸留・蒸発を中心に、乾燥を含む分離操作を物質収支と省エネへつなげます。

10年分で扱われた主題

2017〜2026年度の課目Ⅳ問題18では、還流比・理論段数、蒸発操作、沸点上昇、蒸気再利用、連続蒸留の物質収支、気液平衡、単蒸留、塔内装品、トレイ改造、蒸気再圧縮などが扱われました。

気液平衡を読む力、物質収支を立てる力、省エネ策の仕組みを説明する力の三つを学習の柱にします。

三つの操作を目的で比べる

表は横にスクロールできます →

蒸留では、気相と液相の組成が同じとは限りません。還流は塔内の分離に関係しますが、還流比を上げれば常に運転がよくなる、と単純化しないでください。

気液平衡の入口はラウールの法則、平衡線の読み方はx-y線図で詳しく確認できます。蒸留全体の構造は蒸留の完全ガイドへ進んでください。

連続蒸留は物質収支を先に立て、還流比の因果を追う

供給F、留出D、缶出Bを置くと、全物質収支と注目成分の収支を立てられます。流量や組成の単位をそろえ、モル基準と質量基準を途中で混ぜないでください。

塔の段数や還流を考える前に、指定された製品組成を満たすDとBが収支上成立するかを確認します。物質収支が合わない状態で、平衡線や操作線の計算へ進まないことが重要です。

還流を増やすと、塔内へ戻る液量が増え、分離に必要な接触を増やす方向に働きます。一方で、リボイラとコンデンサの負荷、塔内流量、圧力損失やフラッディングの余裕も変わります。

製品純度だけを見て還流比を上げ続ける、という判断はできません。 分離性能、エネルギー消費、塔の容量制約を同時に考えます。詳しい因果は還流比を上げると何が起きるかで確認できます。

蒸発は熱収支の基準をそろえる

蒸発操作では、供給液、濃縮液、蒸発蒸気について物質収支と熱収支を考えます。複数効用や蒸気の再利用を扱う問題では、どの蒸気が次の加熱源になるかを順に追うと整理できます。

蒸発量の計算では、濃度の基準と水分の行き先を先に書くことが重要です。式はその後に選びます。

単効用では加熱蒸気の凝縮熱を使って溶媒を蒸発させます。多重効用では前段で発生した蒸気を次段の加熱へ利用し、蒸気の利用回数を増やす考え方です。蒸気再圧縮では、発生蒸気の圧力・温度を上げて加熱源として再利用します。

省エネ策を比較するときは、蒸気消費だけでなく、温度差、沸点上昇、伝熱面積、圧縮動力、設備費、汚れやすさなどを確認します。蒸留の省エネ手法は蒸留の省エネにも整理しています。

乾燥は速度の変化を言葉で説明する

乾燥では、材料中の水分が移動し、空気側へ運ばれます。定率乾燥期間と減率乾燥期間の違いは、どこが乾燥を支配しているかを言葉で説明して覚えます。

定率乾燥期間では、材料表面が十分に湿っており、外部からの熱・物質移動が支配的な状態として整理します。減率乾燥期間では、材料内部から表面への水分移動などが強く影響します。材料の形、含水状態、空気条件で挙動は変わるため、一般論を実機条件へそのまま当てはめないことも必要です。

含水率には湿量基準と乾量基準があり、同じ百分率として扱えません。問題文で分母が湿り材料全体か乾燥固体かを確認します。

確認問題

ある蒸留塔で還流比を上げたところ、製品分離が改善する方向でした。この結果だけから、エネルギー消費も減ったと判断できるでしょうか。

答えと理由を開く

判断できません。還流量が増えると、一般に塔内流量とリボイラ・コンデンサ負荷が増える方向です。分離性能とエネルギー消費、設備容量を別々に確認する必要があります。

選択分野にするか判断する

公式問題を1年分解き、気液平衡の読み取り、蒸留・蒸発の物質収支と熱収支、乾燥の用語を分けて採点すると、どこで止まるかが分かります。操作の目的を一文で言え、気相・液相・固相のどれが出入りするかを書けるなら、選択候補として練習を進められます。

熱分野全体の学習順はエネルギー管理士・熱の勉強法、課目Ⅳの選択方法は課目Ⅳの攻略で確認できます。熱交換器との関係は熱交換器・熱回収対策、物質・熱収支の考え方は課目Ⅱの学習順、公式問題の使い方は過去問の入手先と復習方法を参照してください。

参考資料

• 『絵とき「蒸留技術」基礎のきそ』第2章「気液平衡」
• 『化学工学便覧 改訂五版』蒸発・蒸留の章
• 『初歩から学ぶ乾燥技術 基礎と実践』基礎編