環境対策、エネルギー効率の向上

3.1.２

2 の関連産業は、表 1 の誘導品を表 3 に示製造業

す最終製品の原料に加工しています。そし化学産業のエネルギー効率向上て最終製品のメーカーが、表 3 に示す個々製造部門が消費する二次エネルギーは日本全体の 43％の製品を製造しているのです。表 3 は主（2016 年度）で、化学産業はそのうちの 39.6（全体ではな最終製品と用途ですが、最終製品のメー17％）を占めています。化学産業は非常に裾野の広い業

カーは化学産業に含まれていません。

種なので、最初に化学産業の範囲と主要な製品群を示します。次に化学プラントの構成設備と機能を紹介し、これ化学産業の大きな特徴は、ナフサから製までに採用されてきた省エネルギー対策を、運転管理の品に至る加工の多くが気体か液体の状態改善と設備改善の分野に分けて概説します。という点です。このため、化学プラントの外観は塔類と槽類が主体で、その間をおび

日本の化学産業は、1970 年代の石油危機を契機ただしい配管が走っています。しかし出荷段階でに省エネルギー対策に注力し、1990 年代までにエは製品を粉体、粒体、ペレット、フレークに加工すネルギー効率を約４割向上させました。その後もることが多いので、荷姿はタンクの液体製品の他設備の改善やエネルギー管理の向上を継続し、現に袋詰めやコンテナーがあります。

在では国際的に最高水準のエネルギー効率を達成しています。

２．化学プラントを構成する設備

1．化学産業の製品群と生産設備の特徴

原料のナフサは多くの炭化水素の混合物ですが、化学製品は特定の炭化水素化合物です。したがっ

化学産業は石油製品の一部であるナフサから、て基幹設備は、炭化水素の混合物から求める特定繊維製品や生活用品まで多様な製品を製造していの化合物を合成する反応器です。反応条件の多くます。製油所は原油から二次エネルギーの燃料油は高温や高圧なので、反応器の上流には蒸気を熱とナフサを製造していますが、化学製品は製造し源とする加熱器や、燃料を使って加熱する加熱炉ていません。このため製油所は化学産業には属さを設置します。反応温度が低いほどエネルギー消ず、発電所などと同じエネルギー変換業種に属し費が少なくて済むので、少しでも低温で反応を促ています。このように製油所と化学産業は業種分進できる触媒を反応器に充填します。反応器の下類が異なりますが、製油所の設備も化学製品の生流には熱交換器を設置して、原料の炭化水素で反産設備も化学プラントです。このため、省エネル

応生成物の熱を回収し、次に求める炭化水素の濃ギー対策の多くが同じ技術を基盤にしています。

度を高める蒸留塔に送ります。蒸留塔の前に、反応で生成した炭化水素のガスを液体から分離する

表 1 は化学産業の主要製品で、ナフサから基礎気液分離槽を設置することも珍しくありません。

製品のエチレン、プロピレン、ブタジエン、ベンゼン、トルエン、キシレンを製造し、基礎製品から誘蒸留塔は蒸気圧の差を利用して、低沸点成分と導品としてプラスチック、合成繊維原料、合成ゴ高沸点成分を分離する装置です。内部には下部かム、塗料原料溶剤、洗剤原料を製造しています。表1表１．化学産業の基礎製品
基礎製品

エチレン、プロピレン、ブタジエン、ベンゼン、トルエン、キシレン

誘導品

プラスチック

合成繊維原料

合成ゴム

塗料原料溶剤

洗剤原料

（主製品）

ポリエチレン

エチレングリコール

ブタジエン

アルキド樹脂アルキルベンゼン

ポリプロピレンテレフタル酸

ブタジエンゴム

ポリウレタン

高級アルコール

塩化ビニル樹脂

アクリルニトリル

クロロプレンゴム

メチルエチルケトン

エチレンオキサイド

ポリスチレン

カプロラクタム

酢酸エステルブタノール

表２．誘導品を使用する関連産業
関連産業

プラスチック

繊維工業

ゴム工業

塗料工業

加工

合成洗剤
界面活性剤

その他に、接着剤・染料、肥料・農薬・医薬表３．化学産業の主な最終製品と用途（最終製品の製造業は、通常、化学産業に含まれません。
）
最終製品

自動車、船舶、 衣料、インテリア、 自動車、自転車、 自動車、鉄道車両、 工業用
鉄道車両、産業資材

電子機器、家電、機械、船舶、建築、木工、 家庭用

日用雑貨

建造物、家電、家電、機械、電気、機械、住宅、農業、水産、医療、容器包装、保育、日用雑貨

ら上昇する蒸気と、上部から落下させる液を接触象が異なっていても構造はほぼ同じです。このたさせる多数の棚段があります。下部には塔底液をめ、外観ではどれが何の装置か判断できません。

外部から熱を与えて蒸発させる再沸器を設置し、３．化学プラントの排熱発生源と低減策

上部には塔頂蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器を設置します。再沸器や凝縮器は目的が違うだけで、内部に多数の伝熱管がある熱交換器に変わりはあ

化学製品を製造するには、原料から製品を得るりません。化学プラントを構成する設備を整理すまでに非常に多くの工程が必要です。このため、ると表 4 になります。化学工場は製品の種類が多化学プラントには温度水準の異なる多くの流体がいので、非常に多くの化学プラントがあります。

流れており、加熱と冷却および加圧と減圧が何度しかし構成する主要設備は 10 種類程度で、処理対も繰り返されています。したがって化学プラント
2

表４．化学プラントを構成する設備群
主要機器
反応器

目的構成成分を変換する。

構造：基本構造の種類は少ない
多くは円筒形で内部に触媒が充填される。

目的成分を合成する。
蒸留塔

吸収塔

沸点の違いを利用して内部に棚段か充填物の塔形式（１段～数十段）原料を分離する。

１段の場合はフラッシュ塔または気液分離槽とも呼ぶ。

溶解度の違いを利用して構造は蒸留塔とほぼ同じ。

特定成分を分離する。
放散塔

低沸点成分を分離する。

構造は蒸留と同じ。ストリッパーとも呼ぶ。

熱交換器

低温流体が高温流体かほとんどが横置きの円筒形、内部に多数の伝熱管がら熱を回収する。

組み込まれている。（数十本から数百本）

再沸器

蒸留塔の塔底液を沸騰させる。 熱交換器と同形

凝縮器

蒸留塔の塔頂蒸気を水か空気

水冷は熱交換器と同形。空冷の外観は多くが長方形のボで冷却して液化する。

ックス型。伝熱管に「ひれ」のついたフィン管を使用。

冷却器

冷却水か空気で冷却する。

水冷は熱交換器と同形。空冷はフィン管使用

加熱炉

燃料の燃焼で流体を加熱する。 箱型の場合は中心部にバーナーがあり、周辺に伝熱管が配置されている。円筒形は縦置き。

ボイラー

燃料の燃焼で蒸気を作る。

低温側流体が水から水蒸気というだけで、加熱炉と同じ原理。

回転機

流体の輸送、圧縮ポンプ、圧縮機、タービン、発電機

注：主要機器は目的が違ちがってもほぼ同形です。
（例１：熱交換器・再沸器・水冷凝縮器・水冷冷却器、の省エネルギー対策では、最終的に外部に放出す

例２：蒸留塔・吸収塔・放散塔）

例が報告されています。

る熱損失をなるべく少なくすることが最も重要です。熱損失になる排熱は次の 3 種類です。

3.2 中間製品や最終製品を冷却する冷却熱
化学装置は製品を得るまでの工程が長いので、3.1 蒸留塔で発生する塔頂蒸気の冷却凝縮熱

全工程を複数のまとまった工程群に分割して生産蒸留塔には塔頂蒸気を冷却して凝縮させ、塔内することが珍しくありません。そのためには中間に戻す凝縮器を設置します。冷却凝縮器のほとん

製品を冷却してタンクに貯蔵し、次の工程の操作

どは空冷か水冷で、冷却凝縮熱を外気や排水に放に備える必要があります。冷却器のほとんどは水出しています。塔頂蒸気の冷却凝縮器への入口温冷で、冷却熱は排水に放出されています。中間製度は 110℃～140℃が多く、冷却凝縮後の温度は品 や 最 終製 品 の 冷却 器 に入 る 温度 は 100 ℃ ～60℃程度です。この熱損失を少なくするには、冷130℃が多く、冷却後の温度は 30℃～40℃です。

却凝縮流体の量を減らす方法と、冷却凝縮の熱をこの熱損失を少なくするには、中間製品を冷却す他の低温流体で回収する方法があり、多くの採用る前に他の低温流体で冷却熱をなるべく多く回収3するのが有効です。そのため、冷却器の上流に熱す。そこで煙道に酸素濃度計を設置して空気量が回収用の熱交換器を新たに設置するか、すでに熱過剰か不足か検知し、必要最小限度の空気量に調交換器が設置されていれば伝熱面積の大きい熱交整する燃焼空気制御システムが採用されるように換器に交換する、あるいは増設する対策が有効でなりました。もう一つの方法は排ガスからの熱回広く採用されています。課題は増強する熱交換器収で、煙道に熱交換器を設置し、燃焼用空気の予のスペースと費用です。費用はほぼ伝熱面積に比熱に利用する対策が広く採用されています。燃焼

例しますが、必要な伝熱面積は高温流体と低温流用空気ではなく、ボイラー給水の予熱に利用する体の温度差に反比例して大きくなります。熱回収場合もあります。

量を増やそうとすると温度差が接近し、必要な伝４．化学プラントの省エネルギー対策

熱面積が多くなるのです。したがって熱交換器の費用対効果が、熱回収の限界を規定するといって表 5 にこれまでに採用されてきた主な省エネルよいでしょう。

ギー対策を示します。2000 年以降に増大した対策
3.3 燃焼排ガスが大気に放出する排熱は、低価格化したインバーターによるポンプや圧化学工場には多くの加熱炉とボイラーが設置さ縮機の回転機制御、新たに開発された低温操作触れており、排ガスの保有熱は大気に放出されてい媒の採用、低温熱源のヒートポンプ利用による昇ます。排ガスの温度は 130℃~180℃が多く、規模温利用、膨張タービンを利用する圧力エネルギーが小さいほど高温のまま放出される傾向がありまの動力利用、計算機を利用する全社的なエネルギす。大気に放出される排熱を少なくするには、燃ー管理体制の整備などです。

焼用空気の量を減らすのが有効です。しかし空気（おわり）量を必要量以下にまで減らすと不完全燃焼になり、参考：松村：「化学プラントの省エネルギー対策と今後の展望」化学装置 2009 年 1 月、他

未燃の炭素が排出されて大気汚染の原因になりま

表５．これまでに採用されてきたエネルギー対策（主要対策のみ）
運転管理改善テーマ

設備改善テーマ①加熱炉・ボイラーの低過剰空気制御①

加熱炉に空気予熱器、給水加熱器、廃熱ボイラーを増設②蒸留塔の還流比低減②

加熱炉バーナーを低過剰空気型に交換（熱損失低減）③放散塔の吹き込み蒸気量低減③

蒸留塔トレイや充填物を低圧力損失タイプに変更④反応器の水素・炭化水素比低減（動力損失低減）⑤炉壁と配管保温材の補修・交換④

熱回収熱交換器の増設⑥熱交換器の伝熱管洗浄・交換⑤

排熱回収ボイラーの設置･増設⑦ポンプインペラーの適正化・交換⑥

フレアーガスの燃料利用⑧計算機制御の拡大⑦

装置間の中間製品熱損失抑制⑨ボイラースチーム圧の高圧化⑧

圧力エネルギーの動力変換回収⑩運転管理目標値の厳格化⑨

コジェネレーションの採用・強化

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