化学プラント大全 
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爆発の影響範囲を見積もりたいが、どこから手をつければいいのか分からない。
TNT換算という言葉は知っているが、なぜ換算するのかが腑に落ちない。
そんな悩みを解決します。
TNT換算は「爆風だけ」を比べるための共通尺度
三乗根法則で、量が変わっても同じ図表が使える
収率（TNT当量係数）が最大の不確かさ ── 1〜10%
過圧の目安：7 kPaで窓が割れ、70 kPaで建物が全壊
保安距離の設定、防爆壁の要否、緊急時の避難範囲。定量的リスク評価の中核にある計算です。
現場で、この評価はどこで要るか
| 場面 | 何を決めるか |
|---|---|
| 保安距離の設定 | 設備間・保安物件までの距離 |
| 防爆壁・障壁の要否 | コントロール室・電気室の防護 |
| 建屋の配置 | 常時人がいる建物をどこに置くか |
| QRA（定量的リスク評価） | 被害範囲と影響人数 |
| 緊急時の避難範囲 | 事故時にどこまで下がるか |
| 事故の再現解析 | 被害から爆発規模を逆算する |
「どこまで離せば安全か」を数字で言うための道具です。
法令の保安距離は、こうした評価の積み重ねから決まっています。
なぜTNTに換算するのか
爆風（ブラスト）のデータはTNTで大量に蓄積されている（軍事研究の遺産）
→ 他の爆発をTNT何kg相当に直せば、既存の図表がそのまま使える
TNTが特別に強いから基準にしているのではありません。 データがあるから基準になっただけです。
エネルギーで比べると、むしろ炭化水素のほうが大きい
| 物質 | エネルギー［MJ/kg］ | TNTの何倍 |
|---|---|---|
| TNT（爆発熱） | 4.19 | 1.0 |
| プロパン（燃焼熱） | 46.4 | 11.1 |
| メタン（燃焼熱） | 50.0 | 11.9 |
| 水素（燃焼熱） | 120.9 | 28.9 |
それでもTNTのほうが破壊力があるのは、反応速度が違うからです。
TNT（爆ごう）：反応速度 約7,000 m/s。エネルギーが一瞬で解放される
炭化水素の燃焼（爆燃）：数 m/s 〜数十 m/s。ゆっくり解放される
同じエネルギーでも、解放が速いほど圧力波が強くなります。
だからTNT換算では、燃焼熱に「収率」を掛けるのです。
→ 爆燃と爆轟の違い
計算の3ステップ
W_TNT ＝ η × M × ΔHc / 4,190［kg］
η：収率（TNT当量係数）
M：可燃物の質量［kg］、ΔHc：燃焼熱［kJ/kg］
4,190：TNTの爆発熱［kJ/kg］
Z ＝ R / W_TNT^(1/3)［m/kg^(1/3)］
R：爆心からの距離［m］
換算距離 Z に対して、ピーク過圧・インパルス・到達時間が決まる
なぜ三乗根なのか
爆発のエネルギー ∝ 体積 ∝ 長さの3乗
→ 同じ過圧になる距離は、エネルギーの3乗根に比例する
爆発量が8倍になっても、同じ被害が及ぶ距離は2倍にしかなりません。（8^(1/3) ＝ 2）
これが「距離を離すことの効果」を過小評価しがちな理由でもあります。
逆に言えば、8倍の量に備えるには2倍の距離でよいということです。
収率（TNT当量係数）── ここが最大の不確かさ
可燃物のエネルギーのうち、爆風に変換される割合です。
| 条件 | 収率 η の目安 |
|---|---|
| 開放空間・障害物なし | 1〜3% |
| 部分的に閉塞・障害物あり | 3〜10% |
| 密閉空間・強い閉塞 | 10〜20% |
| 爆ごうに移行した場合 | 最大100%近く |
実務では 3〜10% を使うことが多いです。ただし条件で1桁変わります。
なぜこんなに幅があるのか
開放空間：火炎が自由に膨張できる → 圧力が上がらない → 収率が低い
障害物が多い：乱れが発生 → 燃焼速度が加速 → 収率が高い
配管・構造物の間：DDT（爆ごうへの転移）が起きうる → 収率が急上昇
プラント内は障害物だらけです。だから開放空間の値は使えません。
フレアランドや空地での漏えいなら1〜3%、装置間での漏えいなら10%という使い分けになります。
収率の選び方が、評価結果を1桁変えます。 ここは根拠を残しておくべき部分です。
より精密な方法
| 手法 | 特徴 |
|---|---|
| TNT等価法 | 簡便。近距離では過大評価になる |
| TNO Multi-Energy法 | 閉塞度を考慮。より現実的 |
| Baker-Strehlow-Tang法 | 火炎速度から直接計算 |
| CFD | 最も精密。計算コストが高い |
TNT法は近距離で過大に、遠距離で過小に出る傾向があります。
スクリーニングにはTNT法、詳細評価にはMulti-Energy法というのが実務の使い分けです。
数値で確かめる
例1：プロパン1トンの漏えい・爆発
プロパン1,000 kg が漏えいして蒸気雲を形成し、着火した。
収率3%、燃焼熱46,400 kJ/kg とする。TNT当量と、7 kPa（窓が割れる）の距離は？
〔解答〕
W_TNT ＝ 0.03 × 1,000 × 46,400 / 4,190
＝ 1,392,000 / 4,190 ＝ 332 kg
W^(1/3)：log 332 ＝ 2.521 → ÷3 ＝ 0.840 → 逆引き 6.92
7 kPa に対応する換算距離は図表から Z ≒ 15 m/kg^(1/3)
R ＝ 15 × 6.92 ＝ 約104 m
1トンの漏えいで、100 m 先の窓が割れます。
例2：収率を10%にすると
同じ条件で収率10%（障害物の多い装置エリア）だと？
〔解答〕
W_TNT ＝ 0.10 × 1,000 × 46,400 / 4,190 ＝ 1,108 kg
W^(1/3)：log 1,108 ＝ 3.045 → ÷3 ＝ 1.015 → 10.35
R ＝ 15 × 10.35 ＝ 約155 m
収率が3.3倍で、距離は1.5倍。三乗根なので効き方が緩やかです。
これが三乗根法則の実感です。量や収率が大きく変わっても、距離はそこまで伸びない。
例3：立方根を四則電卓で出す
関数電卓が使えない場面（試験も含む）での手順です。
① log 332 ＝ log 3.32 ＋ 2 ＝ 0.521 ＋ 2 ＝ 2.521
② ÷ 3 ＝ 0.840
③ 0.840 ＝ 0.840 ＋ 0 なので、表から 真数 6.92
→ W^(1/3) ＝ 6.92
「対数を取って3で割って、逆引き」。これだけです。
検算：6.92³ ＝ 331。合っています。
ピーク過圧の目安 ── 数字で被害を語る
| ピーク過圧 | 被害 |
|---|---|
| 1 kPa | 大きな音がする程度 |
| 2 kPa | 窓ガラスの一部が割れる |
| 7 kPa | 窓ガラスがほぼ全部割れる／軽微な建物被害 |
| 14 kPa | ブロック塀が倒れる／木造建物に部分的損傷 |
| 21 kPa | 木造建物が大破／鋼構造に変形 |
| 35 kPa | 鉄筋コンクリート建物に損傷／人が飛ばされる |
| 70 kPa | 建物がほぼ全壊／致死率が高い |
| 100 kPa以上 | ほぼ全壊・全滅 |
7 kPa と 21 kPa と 70 kPa。この3つを覚えておくと、評価結果の意味がすぐ分かります。
人への直接影響は意外と鈍い
| 過圧 | 人体への直接影響 |
|---|---|
| 35 kPa | 鼓膜が破れ始める |
| 100 kPa | 鼓膜破裂 50% |
| 200 kPa | 肺損傷のしきい値 |
| 350 kPa | 致死のしきい値 |
人が死ぬのは、爆風そのものより「建物の崩壊」と「飛散物」です。
だから建物の耐爆設計が重要になります。コントロール室の防爆化は、この理由から。
屋外にいるほうが安全なことすらあります。 建物の中で崩壊に巻き込まれるより。
インパルス（力積）も見る
ピーク過圧：瞬間的な圧力の最大値
インパルス：過圧を時間で積分した値（＝どれだけ押されたか）
剛性の高い構造物はピーク過圧、柔らかい構造物はインパルスが効きます。
だからP-I線図（Pressure-Impulse diagram）という2次元の図で評価します。
同じピーク過圧でも、継続時間が長いほうが被害が大きいのはこのためです。
実務での使いどころと、限界
使いどころ：保安距離の妥当性を検証する
① 最大想定漏えい量を決める（配管破断・貯槽の内容量など）
② 収率を条件から選ぶ（開放か、閉塞ありか）
③ TNT当量と過圧の分布を計算する
④ 保安物件の位置での過圧を確認する
⑤ 許容できなければ距離を取るか、防護する
①の想定が最も重要です。 ここを甘くすると、以下の計算がすべて無意味になります。
「配管が全周破断したら」を想定するかどうかで、結果が桁で変わります。
限界①：蒸気雲の形成を評価していない
TNT換算は「爆発したら」の話です。そもそも爆発するかどうかは別問題。
漏えい速度（穴の大きさ・圧力から）
拡散・希釈（風速・大気安定度・地形）
爆発範囲内にある量（LEL〜UELの間にある分だけが寄与）
着火源の有無
漏れた全量が爆発に寄与するわけではありません。 濃すぎる部分も薄すぎる部分も燃えない。
実務では、爆発範囲内にある質量だけを M に入れます。 これが分からないと、大幅な過大評価になります。
限界②：近距離では過大評価になる
TNTは点爆源、蒸気雲は体積を持った爆源です。
TNTは1点から圧力波が出る → 近くでは極端に高い過圧
蒸気雲は広い領域全体で燃える → 近距離の過圧はTNTほど高くない
雲の直径程度の距離までは、TNT法は信用できません。
近距離を評価するならMulti-Energy法かCFDを使ってください。
限界③：BLEVEは別の現象
| UVCE（蒸気雲爆発） | BLEVE | |
|---|---|---|
| 原因 | 漏えい＋着火 | 加熱された液化ガス容器の破裂 |
| 主な被害 | 爆風 | ファイヤーボールの輻射熱＋容器破片 |
| 評価手法 | TNT換算・Multi-Energy | ファイヤーボール径・輻射熱 |
BLEVEをTNT換算で評価するのは適切ではありません。 主な被害が輻射熱だからです。
直径 D ＝ 5.8 M^(1/3)［m］（M：燃料質量 kg）
継続時間 t ＝ 0.45 M^(1/3)［s］（M ＜ 30,000 kg）
ここでも三乗根が出てきます。 体積とエネルギーの関係は共通です。
限界④：粉じん爆発には使えない
粉じん爆発は燃焼速度が遅く、爆風の性質が違います。
Kst値（爆発指数）による評価が標準です。
→ 粉じん爆発
甲種化学ではこう出ます
学識の型9（燃焼・爆発）の一形態です。令和2〜6年度の60大問中2回出ました。
| 年度・問 | 内容 |
|---|---|
| R2 国試 問5 | 硝酸エチル：ベンソン法で生成エンタルピー → 爆発熱 → TNT換算 |
| R3 検定 問4 | アセトアルデヒド：TNT換算・爆風ピーク過圧 |
① 生成エンタルピー（または問題文の値）から爆発熱を出す
② W_TNT ＝ 爆発熱 × 質量 / 4,190
③ Z ＝ R / W^(1/3)（立方根を対数表で）
④ 図表からピーク過圧を読む
③の立方根が本番の山場です。 「logを取って3で割って逆引き」を手が覚えるまで練習してください。
4,190 kJ/kg は問題文で与えられます。 暗記は不要。
解き方と過去問は学識・型9｜燃焼・爆発の計算、爆発熱の計算は学識・型8｜熱化学／ヘスの法則と生成エンタルピーへ。
法令では、保安距離・障壁の規定として出てきます。→ 製造の技術上の基準
まとめ
- TNT換算は、爆風データが豊富なTNTを共通尺度にするための手法
- TNTのエネルギーは4.19 MJ/kg。プロパンの11分の1にすぎない
- TNTが強いのは反応速度（約7,000 m/s）
- W_TNT ＝ η × M × ΔHc / 4,190
- Z ＝ R / W^(1/3)（ホプキンソンの三乗根法則）
- 爆発量が8倍でも、同じ被害の距離は2倍
- 収率 η が最大の不確かさ。開放1〜3%、閉塞あり3〜10%
- 過圧の目安：7 kPaで窓、21 kPaで木造大破、70 kPaで全壊
- 人が死ぬのは建物崩壊と飛散物。爆風の直接影響は鈍い
- 漏れた全量が爆発に寄与するわけではない（爆発範囲内の分だけ）
- 近距離では過大評価になる。詳細評価はMulti-Energy法
- BLEVEは輻射熱が主なのでTNT換算は不適切
燃焼・爆発の計算全体は学識・型9｜燃焼・爆発の計算、断熱火炎温度は断熱火炎温度の計算へ。
