圧縮ガス：CO2とH2O混合物の圧縮リスク
工学の分野では、混合ガスの圧縮は一般的ですが、複雑なプロセスであり、関与するガスの特性と挙動を深く理解する必要があります。今回は、水（H2O）と混合した場合の二酸化炭素（CO2）の圧縮について具体的な検討を行います。これは、特有の課題とリスクを示すシナリオです。
CO2の性質
CO2は、大気よりも重く無臭で目に見えないガスです。
室温（20℃）、圧力（1 bara）ではガスとして存在しますが、水と結合すると挙動が変化します。H2O濃度が2.33% volを超えると、水は凝縮して液滴を形成し始めます。
たとえば、圧縮後にインタクーラまたはアフタクーラで高温の飽和混合ガスを冷却する場合にも、ガス状のH2Oの凝縮が起こります。
液体のH2Oが存在すると、混合物は、炭酸（H2CO3）を形成します。これは、CO2、液体のH2O、およびHCO3イオン間のバランスです。この平衡状態は、CO2分圧の影響を受け、凝縮中にガスとして残留するCO2の量またはHCO3イオンに変換される量を決定します。
溶解するHCO3イオンが多いほど、凝縮物は、より酸性になります。
酸性リスクには
CO2とH2Oの混合物を圧縮する際の主なリスクは、酸の形成です。CO2が水と接触すると炭酸が形成され、圧縮室や、結露が発生する場所で使用される素材を腐食させる可能性があります。
このため、コンプレッサや関連部品の製造にステンレススチールを使用することが重要です。ステンレススチールは、圧縮や冷却中に形成される酸の腐食性に対する耐性を発揮し、機械の寿命と信頼性を確保します。
ステンレススチール
ステンレススチールは、その耐食性で知られていますが、これは主にクロムの存在によるものです。定義上、ステンレススチールは、重量比で10.5%以上のクロムを含有していなければなりません。ステンレススチールの耐食性は、ニッケル、モリブデン、窒素、チタンなどの他の合金元素の添加によってさらに強化できます。
たとえば、一般的なAISI 304Lステンレススチールは、18.111%のクロムと8.074%のニッケルを含有し、降伏強度351 N/mm²、引張強度619 N/mm²という優れた耐食性と機械的特性を発揮します。また、その低炭素含有量でも知られており、溶接後の粒間腐食を防ぐのに役立ちます。
これらの特性により、ステンレススチールは、耐久性と衛生が最優先される医療、食品加工、建設業界など、多くの用途に最適な材料となっています。
液体のリスクには、次のようなものがあります
混合物の一部としてH2Oを含む混合ガスを扱う際に考慮すべき2つ目の、同様に重要なリスクは、圧縮前の液滴の形成に関連しています。これらの液滴は、ガスと比較してはるかに圧縮しにくいものです。容積式コンプレッサの圧縮室に入ると、圧縮するために必要な力は、ガスコンプレッサの設計の範囲をはるかに超える可能性があります。
これにより、クランクシャフトの故障、ピストンロッドの損傷、またはその他の機械的故障が発生する可能性があります。
湿ったCO2、特に飽和CO2の圧縮に伴うリスクを軽減するには、
入口セパレータの使用が必須です。
- この装置は、液体の水が圧縮室に侵入するのを防ぎ、シリンダ、バルブ、ピストンを損傷から保護します。
- また、過酷な用途でもガスコンプレッサの信頼性の高い動作を保証します。
熱のリスクには、次のようなものがあります
考慮すべきもう1つの側面は、混合ガスの比熱です。比熱は、ガスの温度を変化させるために必要なエネルギー量を示します。同じ量の大気または純粋なCO2を圧縮すると、同じ出口圧力でもガスの温度が異なります。
この特性を十分に理解することは、温度変化に関連するリスクを回避するために、圧縮プロセスと関連する冷却要件を微調整する上で不可欠です。
適切なサイズのインタクーラとアフタクーラにより、コンプレッサを可能な限り効率的に稼働させ、運転コストを最小限に抑えることができます。
まとめ
CO2とH2Oの混合物の圧縮は、関係するガスの特性を尊重する必要がある作業です。
ステンレススチールなどの適切な素材を使用し、入口セパレータなどの安全対策を組み込むことで、エンジニアは、リスクを効果的に管理し、安全かつ効率的な運転を確保できます。