問題 18

次の各文章及び図の【1】～【14】の中に入れるべき最も適切な字句、式、記述又は図をそれぞれの解答群から選び、その記号を答えよ。なお、【1】は2箇所、【2】は3箇所あるが、それぞれ同じ記号が入る。(配点計40点) (1) 図に示すような連続多段蒸留塔の基本的事項と省エネルギーについて考える。 1) 蒸留塔は比較的多くの熱量を必要とする分離方式であり、一般的に、塔底の【 1 】で水蒸気等により加熱蒸発させ、塔頂の蒸気は【 2 】で冷却される。 2) 低沸点成分の組成が$z_F$である混合溶液を供給量$F$[kmol/s]で供給したとき、組成$x_D$の留出液量が$D$[kmol/s]、組成$x_W$の缶出液量が$W$[kmol/s]、還流量が$L$[kmol/s]であった場合、【 2 】で冷却される蒸気量$V$[kmol/s]は、$F, D, W, L$のいずれかを使用して次式で表される。 $V$=【 3 】 3) 還流比Rは、還流量Lを用いて次式で表される。 R=【 4 】 4) 還流比が大きいほど精留の効果は大きく分離は良くなるが、塔の蒸気流量が増加し、蒸留塔で使用されるエネルギーは大きくなる。したがって、省エネルギー化を図るには、必要な分離が得られる範囲で、できる限り還流比を小さくすることが重要である。たとえば、既存の蒸留塔において設計時と比較して原料組成が変化している場合などには、プロセスシミュレータなどを使用して【 5 】及び供給温度の最適化を図るなどの方策が考えられる。

5) 一般的に蒸留塔の運転圧を下げれば、比揮発度は【 6 】、より少ないエネルギーで分離が可能になる。 6) 既存の蒸留塔を改造する場合、効率のよいトレイ形式や充填材の採用により、既存の蒸留塔の実段数を基準とすると【 7 】し、還流比が下げられることになる。

(2) 表面まで十分に湿った被乾燥材料を一定条件の熱風中につるしたときの、平均含水率と材料温度の変化及び乾燥速度の変化について考える。 一般に、その乾燥機構はそれぞれ特徴のある三つの期間(期間Ⅰ、期間II、期間Ⅲ)に分けられる。 1) 期間Ⅰは、材料の温度が初期温度から次第に上昇し、乾燥条件によって定まるある平衡温度まで達する期間で、【 8 】期間という。 2) 期間Ⅱでは、流入熱量はすべて水分蒸発のみに費やされ、材料表面に自由水が存在し、そこで蒸発している限り続く期間で【 9 】期間という。 3) 期間Ⅲでは、乾燥が進んで材料内部の水分量が減少し、材料内部からの自由水の補給が表面での蒸発速度に追いつかなくなる期間で、【 10 】期間という。 4) 期間Ⅱと期間Ⅲの境界の平均含水率を【 11 】含水率と呼ぶ。

5) 横軸を時間、縦軸を材料温度としたときの材料温度の変化を正しく示した図は、【 12 】である。 6) 横軸を時間、縦軸を平均含水率としたときの平均含水率の変化を正しく示した図は、【 13 】である。 7) 横軸を平均含水率、縦軸を乾燥速度としたときの乾燥速度の変化を正しく示した図は、【 14 】である。