CPI 施設の濾過に関する考慮事項

2023 年 6 月 1 日 | ウルリッヒ・ラッツ、ヴィム・カラアート著

濾過システムを設計する際には、技術的、物流的、安全性に関する考慮事項など、数多くの要素が考慮されます。

ろ過は、化学プロセス産業 (CPI) における多くの材料の生産および処理において不可欠なステップです。 ろ過溶液自体の有効性以外にも、化学工学施設のオペレーターが理解しておくべき複雑な点があります (図 1)。 この記事では、化学物質の製造および処理用途における適切なろ過を多面的な課題にするあまり知られていない要因のいくつかについて説明しますが、これらの要因は適切なろ過技術によって解決できます。

図 1. 化学薬品の製造および処理作業では、ろ過システムの適切な設計とメンテナンスが重要です。 高品質の製品の使用、オペレーターの安全への注意、いつ専門家に助けを求めるべきかを知ることも同様です。

各化学プロセスでは濾過に関して独自の考慮事項があり、汚染物質の存在により敏感な反応が妨げられ、目的の出力製品の品質低下につながる可能性があります。 不純物はプロセス装置の内面を腐食したり損傷したりする可能性があり、メンテナンスに費用がかかる可能性があるため、原料の粒子状物質の除去と補助流体の循環が不可欠です。

不純物は、ある領域の非効率がすぐに他の領域に伝播する可能性があるため、相互接続された化学プロセスの運用パフォーマンスを著しく脅かします。 主要なプロセスポイントに適切な濾過ソリューションを設置することは、最終製品の品質を向上させながら、これらのリスクを軽減し、出費を抑えるのに役立ちます。

原料の精製、再利用または最終精製のためのプロセス流体の濾過など、化学施設は目的の分離を達成するために多くの種類の濾過システムに依存しています。 これらのシステムの設計と操作は大きく異なる場合がありますが、次のセクションで説明するように、すべての濾過システムについて理解することが重要な共通の考慮事項があります。

ろ過システムはすべて同じ目標の達成に努めていますが、最良の結果を確実に得るには高品質の材料が不可欠です (図 2)。

図 2. 工業用フィルターは、塗料やコーティング、特殊化学薬品などの業界の厳しい安全性、衛生性、品質要件を満たす材料で作られている必要があります

フィルターは通常、さまざまな添加剤や界面活性剤を含むさまざまなプラスチック、ポリマー、繊維から作られています。 特に自動車の塗料およびコーティング分野では、濾過製品は、構造材料および製造プロセス全体を含めてシリコーンフリーでなければなりません。 「シリコンフリー」はユーザーによって意味が異なります。 ただし、フィルターバッグであってもフィルターカートリッジであっても、製品にはシリコーンやその他のクレーター形成物質が含まれていてはなりません。 これらの不純物が十分な量で存在すると、仕上げ材が汚染物質から「クレーター状に剥がれる」原因になったり、塗料やコーティングの接着力を失ったりする可能性があります。

浸出性物質が化学プロセスに拡散する可能性があるため、フィルター媒体に不純物が含まれていないことを確認することが重要です。 施設運営者は、ロット番号や供給元を含むろ過製品の完全なトレーサビリティを提供できるサプライヤーに保証を求める必要があります。 さらに、すべての製品は、どこで製造されたかに関係なく、製品の設計と材料が性能、安全性、信頼性の点で揺らがない、世界的に一貫した品質を示す必要があります。

さらに、油吸着機能を備えたフィルターは、バッチが最終顧客の使用に適した状態を維持する必要がある塗料メーカーにソリューションを提供できます。 ポリプロピレンなどの純粋な非潤滑プラスチックは、水粒子をはじきながら表面に油を引き寄せる親油性および疎水性の特性を備えています。 これらのフィルターは、自動車業界の塗装槽で治療または予防策として一般的に使用されています。

多くの CPI 施設では、フィルター バッグやフィルター カートリッジなどの汚れた消耗フィルター媒体を交換するために、システム オペレーターはマスクを含む保護具を着用する必要があります。 消耗品を交換するためにろ過ユニットを開けると揮発性有機化合物 (VOC) が放出される可能性があるため、これらのポイントのメンテナンス間隔を最小限に抑えることが重要です。 VOC は天然に存在するものと合成されたものがありますが、相対蒸気圧が高い傾向があり、空気にさらされると容易に蒸発します。

メンテナンスの必要性は、選択した濾過装置のタイプと容量によって大きく異なります。 濾過システムは、交換間の長い間隔で動作するように設計され、適切なサイズでなければなりません。 多くの場合、消耗品フィルターメディアの交換間隔を数週間、場合によっては数か月空けることが目標となります。 これにより、ユニットの保守が必要になるたびに工業用溶剤が生産環境に導入されるリスクを制限できます。

施設のオペレーターは、大容量システムのオプションについて、または手動介入の必要性を大幅に減らす自動セルフクリーニング システム (図 3) について、工業用濾過の専門家に相談することをお勧めします。 市場には、消耗品フィルタの交換間隔を延長できる多くの構成や機能が提供されています。専門家は、交換頻度と支出額の適切なバランスを取るお手伝いをします。

図 3. この商用システムのような、自動的に機械的に洗浄されるフィルターは、有害な VOC が生産環境に放出されるリスクが少ないため、連続流量、簡素化されたメンテナンス、安心の操作を提供できます。

また、濾過ユニットのハウジングは、圧力容器である限り、適切に認証される必要があります。 米国機械学会 (ASME) のボイラーおよび圧力容器規格 (BPVC) と圧力機器指令 (PED) は、世界中の圧力機器の安全な動作を保証する 2 つの主要な規格です。 ASME BPVC は、ボイラー、圧力容器、配管の設計、製造、使用に関する一連の手順として確立され、米国とカナダだけでなく他の多くの国でも使用されています。 PED は、圧力機器に対して同様の安全性と設計要件を課す EU ベースの規制です。

これらの規制は、濾過システム、使用流体、システムの動作条件および周囲条件の設計および安全パラメータをさらに定義します。 いずれの場合も、濾過ソリューションに必要なスタンプと第三者による承認が付いていることを確認することが重要です。これは、機器が最高レベルの安全性で構築され、評価を受けていることを示します。 必要な認証では、EN 13445 または AD 2000 圧力容器コードに基づく PED に準拠した CE マーキングがさらに要求される場合があります。

化学薬品の製造および処理用途におけるろ過プロセスの効率と有効性には、多くの要因が影響します。 これらには、濾過される粒子のサイズ、濾材の孔径、流体の粘度、システムの温度と圧力、懸濁液の濃度が含まれます。 最適なパフォーマンスを確保するには、工業用濾過システムはこれらの要件を考慮して設計する必要があります。

たとえば、目的の物質が不純物とともにろ過されて除去される場合、ろ過システムは効率が高すぎるため、コストが高くなる可能性があります。 粒子サイズは、最小 0.1 µm (バクテリアなど) から最大 2,000 µm (砂粒など) までの範囲に及びます。

エンドユーザーはまず、封じ込めのどの部分が望ましくなく、どの部分が許容できるかを評価する必要があります。 これは、最適かつ最も経済的なフィルターのタイプ、グレード、サイズを選択する際に重要です。 たとえば、フィルター媒体の孔径が小さすぎると、早期の目詰まりが発生する可能性があり、孔が大きすぎると、不純物がフィルターを直接通過する可能性があります。

汚染物質の量も、装置のサイズ決定に重要な役割を果たします。 場合によっては、公称媒体構成を備えた単純な消耗品フィルターが効果的に機能することもあれば、大容量媒体を備えた 1 つ以上のマルチバッグハウジング構成が必要になる場合もあります。 市場ではエンドユーザーが各アプリケーションに最適なものを見つけられるよう、膨大な製品ラインが提供されています。

非常に高い汚染負荷も、自動濾過システムに対するエンドユーザーの選択に影響を与える可能性があります (図 3)。 これらのシステムは、消耗品や使い捨ての媒体を使用せずに機能し、バックフラッシュまたは機械的に洗浄される設計に基づいており、フィルター媒体の交換を停止することなく連続的に動作し続けます。 その他の要因には次のようなものがあります。

粘度。 さらに注目すべき点は、流体の粘度が濾過システム全体の圧力降下に影響することです。 粘度が高くなるほど、流れに対する抵抗が増加するため、圧力損失も大きくなります。 その結果、ろ過が完了するまでにかかる時間が長くなります。 粘度の高い流体はフィルターに高いレベルのストレスを与え、フィルターを損傷する可能性があるため、システムを設計する際にはこの圧力降下を考慮する必要があります。

温度。 一方、動作温度が低いと流量が遅くなる可能性があるため、システム内からの圧力上昇に対処するために、より強力なポンプとより堅牢な濾過材が必要になります。 高温では、状況はさらに複雑になる可能性があります。 過剰な熱により、流体を安全な動作温度内に保ち、摩擦損失を回避するために、追加の冷却要素が必要になる場合があります。

プレッシャー。 同様に、動作圧力が低すぎる場合、流体の流量が減少し、濾過システムが不純物を効果的に除去できない可能性があります。 逆に、圧力が高すぎると、流体の速度が大幅に増加し、プロセスが速すぎてシステムコンポーネントに損傷を与える可能性があります。 これらの理由から、一部の濾過システムは圧力を所望のレベルに調整するレギュレーターを備えて設計されています。

環境への影響。 工業用濾過プロセスに関連する重要な傾向の 1 つは、化学廃棄物や水の廃棄物の発生を最小限に抑えることで、環境への影響とコストのリスクを軽減することです。 適切に設計されたろ過システムは、使い捨てフィルターを使用する必要がある場合に、バッチサイズに合わせてフィルターのサイズを最適に調整したり、自動フィルターが生成する逆洗量やパージされた濃縮廃棄物を最小限に抑えたりする上で重要な役割を果たします。 。

これらは日常的な課題ではありますが、化学物質の製造および処理操作に影響を与える可能性のある複雑さをすべて予測することは不可能です。 このため、企業は、これまでに同じ課題を何度も解決し、問題のトラブルシューティングを行い、設備のニーズを予測し、最初から正しい解決策をアドバイスできる専門家に相談することをお勧めします。

産業用濾過に関する追加のベスト プラクティスは、CPI 施設のすべての課題に広く適用でき、次のものが含まれます。

品質の入力と品質の出力に関する考慮事項。 ろ過は、化学物質の製造プロセスが完了する前後に行う必要があり、液体の入口と出口（たとえば、液体がタンカーに移送される前の積み込みステーション、およびトラックからの荷下ろし時に再度）にフィルターが必要です。 化学薬品を移送するときは常に、製品の品質を保証するために両端で濾過を使用する必要があります (図 4)。

図 4. プロセスラインで汚染の可能性があるあらゆる場所での工業用濾過システムを考えてみましょう。 上流の濾過は、より高価な下流のフィルターを保護することで、運用コストを最小限に抑えることができます。

さらに、濾過システムは業界の規定および規格に厳密に準拠する必要があります。 これにより、システムが適切に動作し、設置時のリスクがほとんどなくなり、環境への混乱も最小限に抑えられます (したがって、汚染のリスクの軽減にも役立ちます。図 4)。 また、将来のメンテナンスが容易に行えるように構成する必要があります。

オペレーターの安全への配慮。 バッグやカートリッジのフィルター ハウジングなど、消耗品の交換のために開閉する必要がある液体濾過システムの場合、オペレーターの安全性と人間工学を考慮する必要があります。フィルター ハウジングを開く必要がある高さと、消耗品の交換が必要な場所から抽出されるのはその典型的な例です。 たとえば、フィルターハウジングは通常垂直に設置されますが、傾斜または水平に設置すると作業高さが大幅に低下する可能性があります。

フィルターユニットの開閉方法によっても違いが生じます。 従来のユニットには複数のボルトが装備されていることがよくありますが、よりオペレータに優しい、素早い開閉システムを選択することで、数分間の困難な手作業ではなく数秒で消耗品にアクセスできます (図 5)。 ユニットには、ハウジングに圧力がかかっているときにクイックオープン機構をブロックする適切な安全システムが装備されている必要があることに注意してください。

図 5. CPI プラントでは、オペレーターは、迅速な開閉とロック機構を備えたこのマルチバッグ フィルター ハウジングのような、シンプルで安全に使用できるバッグ濾過ソリューションを必要としています。 オペレータはその場に立ってハンドホイールを回転させてカバーを開けることができます。 従来のボルト留めのように、ハウジングの周りを完全に動かしたりアクセスしたり、工具を使用したりする必要はありません。

同じフィルター ハウジング内で追加の濾過面積を提供する大容量フィルターにより、必要なメンテナンス サイクルを最小限に抑えることができるため、潜在的な危険な環境へのオペレーターの曝露を減らすことができます。

最後に、環境内の他の安全上の危険への曝露を最小限に抑えるような方法で、オペレータとメンテナンス担当者が濾過ユニットにアクセスしてその周囲を操作できるように、十分なスペースを提供する必要があります。

収益の観点から見ると、世界の産業用濾過市場は 2022 年に 335 億ドルの価値があると推定され、2027 年までに 452 億ドルに達する見込みであり、6.2% の年間複合成長率 (CAGR) で成長します [1]。 現在、市場は、政府が制定した環境規制、安全な環境に対するより厳格な要件、プロセスの信頼性に対するニーズの高まりなど、ここで説明したような多くの要因によって動かされています。 これらの要因により、高信頼性、高性能のろ過ソリューションの需要が高まっています。

CPI 施設に濾過システムを導入する場合は、細心の注意を払う必要があります。 専門家に濾過システムの設計を依頼するのは賢明な投資です。 専門設計者は濾過ソリューションの技術的側面に精通しており、施設の特定の要件に合わせてセットアップをカスタマイズし、不適切な濾過対策に伴うリスクを最小限に抑えることができます。 また、最新の業界標準とテクノロジーについても最新の情報を入手し、最も効果的なアプローチを提案できます。 さらに、設計がすべての業界要件と安全ガイドラインに適合することを保証します。

化学品の製造および処理用途向けの濾過ソリューションの設計、導入、保守は、簡単なプロセスであることはほとんどありません。 生産量の最適化を目指す企業は、高品質の濾過製品と、考慮すべき点をすべて知っている産業用濾過の専門家の支援から恩恵を受けるでしょう。

ジェラルド・オンドリー編集

1. MarketsAndMarkets Pvt., Ltd.、「産業用濾過市場 – 2027 年までの世界予測」、レポート コード EP 4471、2022 年 3 月、www.marketsandmarkets.com、アクセス日 3.22.23。

ウルリッヒ・ラッツは、ドイツに拠点を置くイートン社の濾過部門のグローバル プロダクト マネージャーです。 彼は工業用濾過関連で 10 年以上の経験があります。 ラッツはケルン応用科学大学で工学の修士号を取得しています。

ヴィム・カラアートベルギーに本拠を置くイートン社の濾過部門のシニアプロダクトマネージャーです。 彼は、世界的な製品管理、販売、マーケティングにおいて濾過関連の 30 年の経験を持っています。 Callaert は、ブリュッセルの IHR でエンジニアリングの修士号を取得しています。