化学プラント大全 
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コンデンサの能力が急に落ちた
真空度が上がらない
そんな悩みを解決します。
・なぜ微量の不凝縮ガスで凝縮性能が激減するのか
・ベント（抜き出し）の設計と位置の考え方
・不凝縮ガスが原因かを見分ける方法
私の仕事は化学プラントの設計です。
現場で頻発するトラブルの機構と対策を整理します。
凝縮器のトラブルで最も多く、そして最も見落とされやすいのが不凝縮ガスの蓄積です。
設計は正しい。伝熱面積も足りている。汚れてもいない。それなのに能力が出ない──こういうとき、まず疑うべきがこれです。
厄介なのは、ごく微量で効いてしまう点です。体積で数％の空気が混じるだけで、凝縮側の熱伝達率が半分以下になることがあります。
・不凝縮ガスは、凝縮する蒸気に運ばれて伝熱面の近くに濃縮します。
・その結果、蒸気の分圧が下がって飽和温度（＝有効温度差）が下がり、さらに拡散抵抗も加わります。
・体積で1〜数％の混入でも、凝縮側の熱伝達率が半減することがあります。
・対策はベント。位置は「最も温度が低く、蒸気の流れの終端」に置きます。
・真空系では外部からの空気の漏れ込みが主因になります。
なぜ微量で効くのか
不凝縮ガスとは、その条件では凝縮しないガスのことです。水蒸気に対する空気、有機蒸気に対する窒素や水素などが該当します。
① 伝熱面近傍に濃縮する
蒸気は凝縮して液になり、体積が激減します（水なら約1/1,700）。ところが不凝縮ガスは凝縮しません。
蒸気が伝熱面に向かって流れ込み、そこで消えていく。一方でガスは消えずに残る。結果として、伝熱面のすぐ近くに不凝縮ガスが溜まっていきます。
バルクでは1％しかなくても、伝熱面近傍では数十％に濃縮されている、ということが起こります。
これが「微量で効く」理由です。バルク濃度と界面濃度がまったく違います。
② 蒸気の分圧が下がり、飽和温度が下がる
界面に不凝縮ガスが濃縮すると、その分だけ蒸気の分圧が下がります。分圧が下がれば、その蒸気の飽和温度も下がります。
凝縮の駆動力は「飽和温度 − 壁面温度」です。飽和温度が下がるということは、有効温度差が直接減るということです。
③ 拡散抵抗が加わる
蒸気が伝熱面に到達するには、濃縮した不凝縮ガスの層を拡散して通り抜けなければなりません。これは純粋な凝縮にはなかった、新しい抵抗です。
②と③が重なるため、性能低下は不凝縮ガスの濃度に対して非線形に急激に進みます。
どれくらい落ちるのか
水蒸気の凝縮に空気が混入した場合の、性能低下の目安です。
| 空気の体積分率 | 凝縮熱伝達率の低下の目安 |
|---|---|
| 0.1％ | 10 〜 20％低下 |
| 0.5％ | 30 〜 40％低下 |
| 1％ | 約50％低下 |
| 5％ | 70 〜 80％低下 |
| 10％以上 | 1/5以下。ほぼ凝縮しなくなる |
この数値は流速や機器形状に強く依存するため、あくまで感覚をつかむための目安です。ただし「1％で半減」という桁感は、実務で何度も確認されています。
重要なのは、この低下が設計計算では表れないという点です。純蒸気として計算した h をそのまま使えば、実機とは大きく違う値になります。
不凝縮ガスの存在が分かっている場合、メーカーは専用の計算手法（拡散を考慮したコルバーン・ホーゲンの方法など）を使います。ユーザー側は「不凝縮ガスがどれだけ入るか」を正確に伝える責任があります。
どこから入ってくるのか
| 経路 | 典型例 | 対策 |
|---|---|---|
| プロセス由来 | 原料に溶存していたガス、反応で生成した軽質分 | ベントで系外へ抜く |
| 外部からの漏れ込み | 真空系のフランジ・シール部からの空気吸込み | 気密試験、シール改善 |
| 不活性ガスのパージ | 窒素シール、計器パージ | 必要最小限に。ベント確保 |
| 起動時の残留空気 | 運転開始時に系内に残った空気 | 起動時のベント操作 |
真空系では、外部からの漏れ込みが主因になります。系内が負圧なので、わずかな隙間からでも空気が吸い込まれます。真空度が経時的に悪化する場合、ほぼ確実にどこかで漏れています。
ベントの設計
不凝縮ガスへの対策は、溜まる前に抜くこと。つまりベントです。
位置 ― どこに設けるか
ベントは「蒸気の流れの終端」かつ「最も温度が低い場所」に設けます。
理由は単純で、そこが不凝縮ガスが最も濃縮する場所だからです。蒸気は凝縮しながら流れていき、最後まで残るのが不凝縮ガスです。
・横型シェル側凝縮 → シェルの蒸気入口と反対側、かつ冷却水入口に近い側
・縦型管内凝縮 → 管の下流端
・複数のパスがある場合 → 各パスごとにベントが要る
最後の点が見落とされがちです。パスが分かれていると、ベントのないパスにガスが溜まり続けます。そのパスだけ能力が出なくなります。
量 ― どれだけ抜くか
ベント量が少なすぎればガスが溜まります。多すぎれば、有効な蒸気まで系外に捨てることになり、損失になります。
一般には、想定される不凝縮ガスの流入量に対して余裕を見た量を、連続的に抜きます。抜いたガスに含まれる蒸気を回収するため、ベントコンデンサ（小型の後段凝縮器）を設けることもあります。
真空系の場合
真空系では自然に抜けないので、エジェクタや真空ポンプで強制的に吸い出します。この能力が不足すると、系内の不凝縮ガス濃度が上がり続けます。
真空系のトラブルで確認すべき順序
1. 真空発生装置（エジェクタ・真空ポンプ）の能力は出ているか
2. 系内に空気の漏れ込みはないか（気密試験）
3. ベント経路が閉塞・凍結していないか
4. コンデンサ自体の汚れ・ドレン滞留はないか
不凝縮ガスが原因かを見分ける
能力低下の原因が汚れなのか、不凝縮ガスなのかを切り分けるポイントがあります。
| 観察される現象 | 不凝縮ガス | 汚れ |
|---|---|---|
| 低下の進行 | 急に、あるいは変動する | 徐々に、単調に進む |
| ベント操作への反応 | 抜くと回復する | 変化しない |
| 運転条件との相関 | 真空度・パージ量と連動 | 運転時間と相関 |
| 洗浄後 | 回復しない | 回復する |
| 凝縮器出口の温度 | 飽和温度より低い（過冷却） | 飽和温度付近 |
最も分かりやすい判定は「ベント弁を開けたら回復するか」です。開けて数分で能力が戻るなら、不凝縮ガスが溜まっていた証拠です。
もうひとつの手がかりが凝縮液の過冷却です。不凝縮ガスがあると界面の蒸気分圧が下がり、その分だけ飽和温度が下がります。凝縮液の温度が、系圧力に対応する飽和温度より明らかに低ければ、不凝縮ガスの存在が疑われます。
汚れ係数（ファウリング）の考え方【過大に取ると、かえって汚れる】
設計段階でやっておくこと
・不凝縮ガスの種類と量を、プロセス条件として明示する（「微量」では不十分）
・ベントノズルを各パスに設ける
・ベント量を調整できるようにする（弁とオリフィス）
・真空系では気密試験の基準を仕様に入れる
・凝縮液温度を測れるようにしておく（診断の手がかりになる）
「不凝縮ガスは微量なので無視」という前提で設計してはいけません。微量だからこそ効く、というのがこの現象の本質です。
まとめ
・不凝縮ガスは凝縮する蒸気に運ばれて伝熱面近傍に濃縮します。バルク濃度と界面濃度はまったく違います。
・蒸気の分圧低下による有効温度差の減少と、拡散抵抗の増加が重なり、性能は非線形に急落します。
・体積で1％程度の混入でも、凝縮熱伝達率が半減することがあります。
・対策はベント。位置は「蒸気の流れの終端」かつ「最も温度が低い場所」。パスごとに必要です。
・真空系では外部からの空気漏れ込みが主因です。
・「ベントを開けたら回復するか」が、汚れとの切り分けに最も有効です。
次は、相変化のもう一方の主役であるリボイラを扱います。
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