特開 2023-115930 熱量調整装置の後流配管内壁面に、微粒化されたＬＰＧが付着するか否かの判定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023115930

(43)【公開日】2023-08-22

(54)【発明の名称】熱量調整装置の後流配管内壁面に、微粒化されたＬＰＧが付着するか否かの判定方法

(51)【国際特許分類】

   C10L 3/00 20060101AFI20230815BHJP

【ＦＩ】

C10L3/00 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022018344

(22)【出願日】2022-02-09

(71)【出願人】

【識別番号】000004123

【氏名又は名称】ＪＦＥエンジニアリング株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000221834

【氏名又は名称】東邦瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100127845

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 壽彦

(72)【発明者】

【氏名】養田 信

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 健也

(72)【発明者】

【氏名】浦部 治貴

(72)【発明者】

【氏名】榎本 隼

(72)【発明者】

【氏名】清水 陽介

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 和男

(57)【要約】

【課題】熱量調整装置の後流側において、微粒化されたLPGが配管内壁面に付着するか否かの判定方法を提供する。
【解決手段】本発明は、NGが流れる主流管３に設けられて基端側から前記NGの供給を受けて先端側に噴出する外筒５と、外筒５内に外筒５と同軸方向でかつ外筒内壁と空間を介して配置され主流管３から分岐した分岐管７から前記NGの供給を受ける内筒９と、内筒９と同軸上に配置されて内筒９内にLPGを吐出する液体ノズル１３とを備え、主流管３を流れる前記NGに液体ノズル１３からLPGを添加することで前記NGの熱量を調整する熱量調整装置１の後流配管内壁面に、微粒化されたLPGが付着するか否かの判定方法であって、
S_m×t×(P_sat,LPG-P_LPG)が1.5×10¹⁰以上であれば、LPGが配管内壁面へ付着しないと判定し、S_m×t×(P_sat,LPG-P_LPG)が1.5×10¹⁰未満であれば、LPGが配管内壁面へ付着すると判定するものである。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

NGが流れる主流管に設けられて基端側から前記NGの供給を受けて先端側に噴出する外筒と、該外筒内に該外筒と同軸方向でかつ外筒内壁と空間を介して配置され前記主流管から分岐した分岐管から前記NGの供給を受ける内筒と、該内筒と同軸上に配置されて該内筒内にLPGを吐出する液体ノズルとを備え、前記主流管を流れる前記NGに前記液体ノズルからLPGを添加することで前記NGの熱量を調整する熱量調整装置の後流配管内壁面に、微粒化されたLPGが付着するか否かの判定方法であって、
S_m×t×(P_sat,LPG-P_LPG)が1.5×10¹⁰以上であれば、LPGが配管内壁面へ付着しないと判定し、S_m×t×(P_sat,LPG-P_LPG)が1.5×10¹⁰未満であれば、LPGが配管内壁面へ付着すると判定することを特徴とする熱量調整装置の後流配管内壁面に微粒化されたLPGが付着するか否かの判定方法。
ここで、S_m：LPGの比表面積[m²/m³]
t：LPG液滴の滞留時間[s]
P_sat,LPG：製造ガス温度におけるLPGの飽和蒸気圧[Pa]
P_LPG：製造ガス中のLPGの分圧[Pa]

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液化天然ガス（LNG）を気化させた天然ガス（NG）に液化石油ガス（LPG）を気化・混合することにより熱量調整する熱量調整装置の後流配管内壁面に、微粒化されたLPGが付着するか否かの判定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

都市ガスの熱量調整は液化天然ガス（LNG）を気化させた天然ガス（NG）に液化石油ガス（LPG）を気化・混合することにより行う。近年はシェールガスなどメタン成分の多いLNGの輸入が増加しており、LPGによる増熱幅が増加する傾向にある。

【0003】

このような熱量調整方法としては、例えば特許文献１に開示された「流体微粒化ノズル装置」を用いて行うことができる。
特許文献１においては流体微粒化ノズル装置の実施形態として、NG（気体）にLPG（液体）を添加して都市ガスを製造する熱量調整装置が開示されている。

【0004】

この熱量調整装置１は、図６に示すように、NGが流れる主流管３に設けられたベンチュリ管からなる外筒５と、主流管３から分岐した分岐管７と、外筒５内に配置されて分岐管７からNGの供給を受ける内筒９と、内筒９内に設けられて液体供給管１１からLPGの供給を受ける液体ノズル１３とを備え、主流管３を流れるNGに液体ノズル１３からLPGを添加することでNGの熱量を調整するものである。（特許文献１の段落［0042］参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２－２０６０７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に開示された流体微粒化ノズル装置が組み込まれた熱量調整装置は、ベンチュリ管を水平に設置する、すなわち横置きすることが前提とされており、縦置きとした場合に正常に熱量調整が機能するかについては言及されていない。

【0007】

熱量調整装置の据付姿勢を縦置き（鉛直上向き又は鉛直下向き）とする場合、高さ方向に所定のスペースが必要となる。そこで、設備の高さをできるだけ抑えるため、熱量調整装置の後流に設ける直管部を短くしてエルボを設ける必要がある。

【0008】

熱量調整後の製造ガス温度と製造ガスの露点の差（以下、「過熱度」という）が小さい条件においては、流体微粒化ノズル装置によって微粒化されたLPGの気化にある程度の距離を要する。そのため、その気化の最中に前記エルボによって生じる偏流の影響で微粒化されたLPGが熱量調整装置の後流側配管の内壁面に付着して気化が阻害され、想定外の低温となることが明らかになった。

【0009】

このような状態となると、熱量調整が正常に機能しないのみならず、想定外の低温による設備への悪影響が懸念される。
そのため、かかる事態が生ずるか否かを判定する定量的な判定基準が求められていた。

【0010】

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、熱量調整装置の後流側において、微粒化されたLPGが後流配管内壁面に付着するか否かの判定方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0011】

熱量調整装置の据付姿勢を縦置きとし、過熱度が小さく、かつ熱量調整装置後流にエルボを設置する場合について実証試験を実施し、微粒化されたLPGが配管内壁面に付着する条件を特定した。
そして、特定した条件から、LPGの気化に影響を及ぼす因子を突き止め、それを用いてLPGが気化せずに配管内壁面に付着するか否かの独自の指標を見出した。具体的には以下に示すものである。

【0012】

本発明は、NGが流れる主流管に設けられて基端側から前記NGの供給を受けて先端側に噴出する外筒と、該外筒内に該外筒と同軸方向でかつ外筒内壁と空間を介して配置され前記主流管から分岐した分岐管から前記NGの供給を受ける内筒と、該内筒と同軸上に配置されて該内筒内にLPGを吐出する液体ノズルとを備え、前記主流管を流れる前記NGに前記液体ノズルからLPGを添加することで前記NGの熱量を調整する熱量調整装置の後流配管内壁面に、微粒化されたLPGが付着するか否かの判定方法であって、
S_m×t×(P_sat,LPG-P_LPG)が1.5×10¹⁰以上であれば、LPGが配管内壁面へ付着しないと判定し、S_m×t×(P_sat,LPG-P_LPG)が1.5×10¹⁰未満であれば、LPGが配管内壁面へ付着すると判定することを特徴とするものである。
ここで、S_m：LPGの比表面積[m²/m³]
t：LPG液滴の滞留時間[s]
P_sat,LPG：製造ガス温度におけるLPGの飽和蒸気圧[Pa]
P_LPG：製造ガス中のLPGの分圧[Pa]

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、熱量調整装置の据付姿勢を問わず、熱量調整装置の後流配管内壁面に気化前のLPG液滴が付着するか否かを判定することができる。
したがって、熱量調整装置の据付姿勢を縦置きとし、過熱度が小さい、かつ熱量調整装置後流にエルボを設置する場合において、熱量調整装置後流配管が低温とならない指標とすることができる。すなわち、この指標を満たすように装置を製造すれば、熱量調整装置後流配管に低温材を用いなくてもよいため、材料費及び施工費の削減につながる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本実施の形態に係る熱量調整装置を縦置き・下向きとした状態を説明する図である。

【図2】液滴の終端速度の算出過程を説明する図である（その１）。

【図3】液滴の終端速度の算出過程を説明する図である（その２）。

【図4】LPG付着距離を説明する図である。

【図5】実証試験の各条件において、LPGの気化に影響を及ぼす因子を掛け合わせたもの（S_m×t×(P_sat,LPG-P_LPG)）に対するLPGの気化に要する距離の関係を示すグラフである。

【図6】従来の熱量調整装置の概要を説明する説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本実施の形態は、図１に示すように、NGが流れる主流管３に設けられて基端側から前記NGの供給を受けて先端側に噴出する外筒５と、外筒５内に外筒５と同軸方向でかつ外筒内壁と空間を介して配置され主流管３から分岐した分岐管７から前記NGの供給を受ける内筒９と、内筒９と同軸上に配置されて内筒９内に液体供給管１１からLPGの供給を受けLPGを吐出する液体ノズル１３とを備え、主流管３を流れる前記NGに液体ノズル１３からLPGを添加することで前記NGの熱量を調整する熱量調整装置１の後流配管内壁面に、微粒化されたLPGが付着するか否かの判定方法である。
具体的には、S_m×t×(P_sat,LPG-P_LPG)が1.5×10¹⁰以上であれば、LPGが配管内壁面へ付着しないと判定し、S_m×t×(P_sat,LPG-P_LPG)が1.5×10¹⁰未満であれば、LPGが配管内壁面へ付着すると判定する。
ここで、S_m：LPGの比表面積[m²/m³]
t：LPG液滴の滞留時間[s]
P_sat,LPG：製造ガス温度におけるLPGの飽和蒸気圧[Pa]
P_LPG：製造ガス中のLPGの分圧[Pa]
以下、上記判定基準の導出方法について説明する。

【0016】

LPGの気化に影響を及ぼす因子は、S_m（=LPGの比表面積）、t(=LPG液滴の滞留時間)及び(P_sat,LPG-P_LPG)（製造ガス温度におけるLPGの飽和蒸気圧P_sat,LPGと、製造ガス中のLPGの分圧P_LPGの差[Pa]）であり、S_mとtは以下の式によって求められる。
S_m=(πD²)×n/F_LPG ・・・（１）
t=L/u_t,LPG ・・・・・・・・（２）
ここで、D：微粒化されたLPGの液滴径[m/個]（既往の式により推定することができる）
n：液滴数[個]
F_LPG：LPG量[m³]
L:ベンチュリ部分の長さ[m]
u_t,LPG：LPG液滴の終端速度[m/s]

【0017】

ここで、LPG液滴の終端速度u_t,LPGの求め方について説明する。
液体ノズル１３から流出したLPG液滴が周囲のガスの流れによって減速されるような状況を考えると、次のLPG液滴に関する運動方程式が成り立つ。
ρ_LPGV_D(du/dt)=(ρ_LPG-ρ_Gas)V_Da-C_DS(ρ_Gasu²/2) ・・・・（３）
ここで、ρ_LPG：LPGの密度[kg/m³]
V_D：LPG液滴1 個当たりの体積(=πD³/6)[m³]
ρ_Gas：製造ガスの密度[kg/m³]
C_D：抗力係数(=24/Re，Re：レイノルズ数（=Du_tρ_Gas/μ_Gas）)[-]
u_t：LPG液滴の終端速度u_t,LPGとu₂の差(u₂は後述)
μ_Gas：製造ガスの粘度[Pa s]
S：LPG液滴1個当たりの運動方向への投影面積(=πD²/4)[m²]
u：LPG液滴の速度[m/s]
a：ガスの減速加速度[m/s²]
なお、抗力係数C_Dは、Reの範囲によって式が異なるが、LPG液滴径Dがμmオーダーと非常に小さく、総じてRe=Du_tρ_Gas/μ_Gas＜2なので、C_D＝24/Reとなる。

【0018】

ここで、ガスの減速加速度aの求め方を、図２、図３に基づいて説明する。
図２は、ノズル出口～ベンチュリ出口におけるNGとLPG液滴の典型的な流速変化を示したものである。ここで、u_Gはノズル流出時のNG流速、u₁はベンチュリのど部のNG流速、u₂はベンチュリ出口部のNG流速、Lはベンチュリ長さである。
図２に示すように、NG流速は流路が拡大していくに従って減少し、また、LPG液滴はu_Gまたはu₁のうち、大きい方の速度(=MAX(u_G,u₁))でベンチュリのど部を通過し、LPG液滴は周囲のガスによって終端速度u_t,LPGまで減速される。そして、ガス流速が時間に対して1次で減少すると仮定すると、ベンチュリ長さLは、図３のグラフにおけるグレーの部分の面積となり、下式が成立する。

【数1】

【0019】

また、ガスの減速加速度aは下式によって求まる。

【数2】

【0020】

式（４）（５）より、ガスの減速加速度aは、下記の通り求められる。

【数3】

【0021】

LPG液滴の終端速度u_t,LPGとu₂の差u_tは、加速度がゼロとなったときの速度である。これは、（３）式の左辺がゼロとなるときであり、このとき（３）式においてu=u_tとすればu_tについて以下の式が得られる。
u_t=D²(ρ_LPG-ρ_Gas)a/(18μ_Gas)
上式において、さらに液滴の変形による終端速度の低下を考慮した補正（(3μ_LPG+3μ_Gas)/(3μ_LPG+2μ_Gas)）をかけると次式のHadamard-Rybczinskiの式が求められる。
u_t=D²(ρ_LPG-ρ_Gas)a/(18μ_Gas)×(3μ_LPG+3μ_Gas)/(3μ_LPG+2μ_Gas) ・・・・（７）
ここで、μ_LPG：LPGの粘度[Pa s]
このu_tの絶対値|u_t|にu₂を加えたものがLPG液滴の終端速度u_t,LPGとなる。

【0022】

図１に示す試験装置を用いて各条件におけるLPG付着距離を求める実証試験を行った。ここで、LPG付着距離とは、図４に示すように、熱量調整装置１の後流側において、配管表面温度が-5℃以下となる距離である。
想定される運転範囲において、主流管NG流量、分岐管NG流量、熱量調整装置入口NG温度、LPG流量を組み合わせた条件で熱量調整装置及び後流配管の表面温度を測定する試験を行った。
ここで、主流管NG流量はベンチュリ内のNG流速ひいてはLPG液滴の終端速度u_t,LPGに、分岐管NG流量はLPGの液滴径Dに、熱量調整装置入口NG温度は過熱度及び製造ガス温度におけるLPGの飽和蒸気圧P_sat,_LPGに、LPG流量はLPG液滴の比表面積S_m、LPGの液滴径D及び製造ガス中のLPG分圧P_LPGにそれぞれ影響する因子である。

【0023】

実証試験の各条件において、（S_m×t×(P_sat,LPG-P_LPG)）に対するLPGの気化に要する距離（LPG付着距離）の関係を求めたものを図５に示す。図５の縦軸はLPG付着距離、横軸は（S_m×t×(P_sat,LPG-P_LPG)）である。
横軸を（S_m×t×(P_sat,LPG-P_LPG)）としたのは、LPG液滴の気化、すなわちLPGの物質移動に寄与する要因として考えられるもので整理したからである。
つまり、上記要因としては、(i)気液界面積（界面積が大きいほど気化しやすい）（S_m）、(ii)液体ノズルから流出したLPG液滴がどれくらいの時間ベンチュリ内に存在しているか（滞留時間t）、(iii)LPGがどれくらい気化できるか（理論的には飽和蒸気圧まで気化できる）（飽和蒸気圧と分圧の差P_sat,LPG-P_LPG）が考えられる。

【0024】

図５から、S_m×t×(P_sat,LPG-P_LPG)の値が1.5×10¹⁰以上であれば、LPG付着距離が０となり、LPGが配管内壁面に付着しないことが分かる。

【0025】

例えば、熱量調整装置入口NG温度40℃、主流管NG流量2100m³N/h、分岐管NG流量700m³N/h，LPG流量200kg/hの条件では、S_m×t×(P_sat,LPG-P_LPG)=1.6×10¹⁰となり、しきい値である1.5×10¹⁰以上となるため、LPGが配管内壁面へ付着せず、配管が低温となることはないと判定できる。

【0026】

以上のように、本実施の形態の判定方法によれば、熱量調整装置１の据付姿勢を問わず、LPGが配管内壁面に付着するか否かを判定することができる。
したがって、熱量調整装置１の据付姿勢を、図１に示すように、縦置きとし、過熱度が小さい、かつ熱量調整装置後流にエルボ１５を設置する場合において、熱量調整装置後流配管が低温とならない指標とすることができる。すなわち、この指標を満たすように装置を製造すれば、図１のエルボ１５による屈曲部分（図中の破線の四角で囲んだ部分）に液滴が付着することがなく、熱量調整装置後流配管に低温材を用いなくてもよいため、材料費及び施工費の削減につながる。

【符号の説明】

【0027】

１ 熱量調整装置
３ 主流管
５ 外筒
７ 分岐管
９ 内筒
１１ 液体供給管
１３ 液体ノズル
１５ エルボ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】