化学工学計算

このカテゴリは「流れ・熱・物性」の入口を分けます

化学工学の計算では、式より前に、資料の値が流れの条件、気体の状態、熱量、物性値のどれを示しているかを分けます。 同じ流量、密度、粘度、比熱でも、温度、圧力、相、組成、測定基準が変われば、同じ入力値として扱えません。

このカテゴリは、P&ID、流量計資料、SDS、仕様書、実験条件から得た値を、どの式へ入れてよいか確認するための実務ハブです。 装置設計や安全判断を決めるものではなく、概算と前提確認の範囲を明確にします。

入口1: 流れを見たい場合

まず、資料の流量が質量流量、実体積流量、標準状態換算流量のどれかを確認します。kg/h と L/min は密度があれば結べますが、 Nm3/h と実状態の m3/h は基準温度・基準圧力なしには結べません。

次にReynolds数を確認したい場合は、流量そのものではなく、管断面平均流速、内径、密度、動的粘度をそろえます。 cSt は動粘度なので、動的粘度 Pa s や mPa s の欄にそのまま入れません。流速が0の場合もReは0になりますが、 流れがないため層流・乱流の判定対象ではありません。

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二相流、スラリー、非ニュートン流体、脈動流、強い圧縮性、粗さや入口条件が支配的な流れは、ここでのReynolds数の目安だけでは扱いません。

入口2: 気体の状態を見たい場合

ガス密度、標準状態換算、気体流量では、温度をK、圧力を絶対圧として扱う関係が多くあります。 0.5 MPaG のようなゲージ圧は単位を換算しても絶対圧にはなりません。大気圧基準や計器の定義を確認してから使います。

公開済み候補から単一ガスまたは乾燥空気の分子量を選ぶ場合は、 物質を選ぶ気体密度計算を使います。選択肢にない単一ガスで確認済み分子量がある場合は、 理想気体の密度計算へ進みます。混合気体では、質量%や体積%をそのまま混ぜず、 mol%またはモル分率、各成分の分子量、dry/wet基準、圧縮係数の扱いを確認して 混合気体の平均分子量・密度計算へ進みます。

1 MPa以上、高圧、低温、凝縮性成分、湿りガス、反応性ガスでは、Z = 1 の近似をそのまま採用しません。 状態方程式や物性資料の適用範囲を確認できない場合は、計算を停止します。

入口3: 熱量や物性を見たい場合

純酸素、純窒素、水素、二酸化炭素、アルゴン、ヘリウムの入力温度における標準理想気体Cp°を確認する場合は、 物質を選ぶ気体比熱計算を使います。NIST Shomate式の公開区間内だけ係数を選び、 区間外、混合物、高圧実在気体、別相では停止します。

顕熱量の概算では、質量基準かモル基準か、CpかCvか、温度差か温度そのものかを先に分けます。 顕熱量計算は、同じ相の範囲で、選択した熱容量を一定とみなす概算です。 沸騰、凝縮、融解、反応、混合、溶解、結晶化を含む条件では、そのまま熱負荷に読み替えません。

乾燥空気、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン、酸素の動的粘度を確認する場合は、 物質を選ぶ気体粘度計算で、NIST一次資料の20〜50 ℃・0.04〜4 MPa(abs)内だけ補間します。 水素、湿り空気、任意混合物、範囲外では数値を返しません。

液体密度や選択肢にない物質の粘度を別温度へ補正する場合は、物質名から代表値を選びません。基準値、基準温度、係数、相、組成、 出典の適用温度範囲をそろえてから、密度の温度補正または 粘度の温度補正計算を使います。

実務で止まるべきケース

• 同じ流体か分からない密度と粘度を組み合わせようとしている。
• 気体の圧力がゲージ圧か絶対圧か分からない。
• 流量の時間基準、基準状態、dry/wet基準が資料間で違う。
• 比熱の相、温度範囲、Cp/Cv、質量基準/モル基準が分からない。
• 純物質の係数を溶液、製品グレード、混合物へ流用しようとしている。

このような場合は、数値を入力して結果を出すより先に、SDS、仕様書、試験成績書、メーカー資料、社内基準の条件を照合してください。

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最終的な設備仕様、安全、法令、品質保証、購買、運転条件の決定には、原典、適用規格、社内基準、専門家による確認を優先してください。