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たばこ塩産業 塩事業版 2004.12.25 製塩工程の伝熱を考える ─ エネルギーの利用効率を最大にするために
─ 現在の製塩装置は完全に化石エネルギーに依存している。したがって、エネルギー利用効率を最大にする必要がある。それには伝熱効率が重要になる。伝熱効率とは熱を伝える効率のことである。まずボイラーで燃料を燃やして蒸気を発生させ、その蒸気を利用して真空式せんごう缶(煮詰め缶)で製塩する。ここでは、せんごう缶の伝熱効率に影響を及ぼす幾つかの要因について考えてみる。 熱伝導度 加熱装置を制作する場合、加熱管は熱伝導率の良い材質を選ぶ。熱伝導率とは表に示すように物質の熱を伝え易さを表す物質特有の値である。単位時間・距離・温度当たりの熱量で表されるので、時間が長いほど、距離が短い(厚さが薄い)ほど、温度差が大きいほど多くの熱が伝わる。家庭で使われる鍋の材質を考えても、鉄、ステンレス、アルマイト、銅、ホーロー、ガラス、陶器と様々である。熱伝導率でいえば銅が一番良くパイレックスガラス(耐熱強化ガラス)が一番悪い。熱伝導率が良いと言うことは、熱しやすく冷めやすいと言うことである。それぞれに特徴があり、使い分けされる。 総括伝熱係数 例えば、蒸気の熱を伝熱管の内部を流れる液体に伝える時に使う熱の伝わり易さを表す係数である。総括伝熱係数は、伝熱管内外の境膜伝熱係数と熱伝導率を含めた総合的な伝熱係数で、値が大きい熱交換器ほど性能が高い。単位面積・温度当たりの伝熱量を表す。この値を大きくするには伝熱管の材質の他に運転操作が関係してくる。 スケール スケールとは湯あかのことであるが、海水濃縮では炭酸カルシウム(家庭のやかんの注ぎ口に着く)と硫酸カルシウム(石膏)が伝熱管の内側に着く。スケールの熱伝導率は小さい(石膏ボードは木造建築の耐火性を持たせるために使われるくらいである)ので、熱伝達の抵抗となり、総括伝熱係数が低下する。したがって、伝熱管にスケールが着かないように運転することが重要となる。苦汁注加法とか種添加法により伝熱面にスケールを着けないで、液中にスケール成分が析出するように操作し、後工程で塩と分離する。 不凝縮ガス 製塩の場合、不凝縮ガスは空気、海水中に溶存している酸素、窒素、二酸化炭素などである。これらのガスは常圧では凝縮しない。このため蒸気の凝縮が妨げられ、伝熱係数が極端に悪くなる。つまり蒸気と一緒に伝熱管の表面に来るが、そこで凝縮しないで空気の層を形成する。空気の熱伝導率は0.02と非常に小さい(羽毛入りの防寒着が暖かいのは、中に熱を伝えにくい空気が保持されているからである)ので総括伝熱係数が悪くなる。蒸気の蒸気圧が高いのに蒸気の温度が低いことで不凝縮ガスがあることが判る。その時には、不凝縮ガスの集まりやすい所から真空ポンプやエゼクターでそれを抜き出し、トラブルを解消する。 有効温度差 熱が伝わるには温度差が必要である。温度差が大きいほど伝熱量は大きくなる。真空式製塩法では図１に示すように例えば、三重効用蒸発缶が用いられる。ボイラーからの蒸気を第一号缶に入れ、そこで蒸発した蒸気を第二号缶に入れることを繰り返す。最終的に冷却用海水をバロメトリック・コンデンサーに入れ蒸気を凝縮させることにより真空度が上昇して、低温でもかん水が蒸発する仕組みである。 
熱は温度差が大きいほどよく伝わる。図２を見ると分かるように、最初の加熱室に入れる蒸気温度とバロメトリック・コンデンサーの温度との差、つまり全温度差は80.5℃ある。 
ところが第一号缶で考えてみると、120℃近い蒸気を入れて缶内が沸騰するのは100℃以上である。通常、水は大気圧下では100℃で沸騰し、発生した蒸気温度も100℃である。しかし、塩分濃度の高いかん水では、沸点上昇(B.P.R)という現象があり、塩分濃度が高いほど沸点上昇は大きい。したがって、缶内液温度は100℃以上でなければ沸騰せず、発生した蒸気温度は缶内の飽和蒸気圧力に相当した温度にしかならないので、缶内液温度よりは低い温度を示す。これらの温度間の差が沸点上昇で、図では黒く塗り潰されている。第二号缶には低い温度の蒸気が供給され、真空度が高くなっているので、缶内の液温度は第一号缶の沸騰温度より低い約65℃で沸騰すべきであるが、沸点上昇のために約80℃にならないと沸騰しないし、蒸発する蒸気の温度は65℃でしかない。つまり熱を伝える有効な温度差としては100℃弱の温度で蒸気を供給しても約80℃との温度差20℃弱(薄い黒地の部分)しか利用できない。第二号缶の沸点上昇を表す黒塗り部分が大きいことは、この缶の塩分濃度が高いことを表している。 |
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