JP2006201063A - 揮発性液体蒸発拡散現象計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】 揮発性液体から蒸発したガス成分の濃度分布（拡散分布）を安全にしかも短時間で計測する。
【解決手段】 風洞２１に配置された揮発性液体２３の重量を重量計測器２４で計測し、演算ユニット２６では揮発性液体重量の変化に応じて揮発性液体の蒸発量を求める。そして、揮発性液体の対空気比重と同一の対空気比重を有する模擬ガスを生成して、模擬ガスを蒸発量に対応する放出量で風洞内に放出し、風洞内に放出された模擬ガスの濃度を風下側で濃度計で検知して模擬ガスの濃度分布を得、模擬ガスの濃度分布を揮発性液体から蒸発したガス成分の濃度分布として拡散現象を計測する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、揮発性液体の蒸発拡散現象を計測するためのシステムに関するものである。

一般に、化学プラント等においては、ナフサ又はエタノール等の揮発性液体が処理されており、防災対策上揮発性液体から揮発したガス成分が化学プラントから外部に漏洩した際の拡散現象を事前に把握する必要がある。つまり、揮発性液体から蒸発・拡散するガス成分の拡散現象を把握するため、揮発性液体から蒸発するガス成分の量を特定し、ガス成分の挙動を定量的に把握する必要がある。

ここで、図７を参照して、従来の揮発性液体の拡散現象を計測するためのシステムについて説明する。図示の計測システムでは、風洞１１を備えており、この風洞１１内に揮発性液体が収納された容器１２が配置される。容器１２の上面は開口されており、この容器１２の風下側には複数の濃度検知管１３が配置され、各濃度検知管１３は濃度計１４に接続される。

風洞１１には送風機（図示せず）から太線矢印で示すように風が送られ、容器１２内の揮発性液体から蒸発するガス成分が風に乗って拡散しつつ、濃度検知管１３側に送られる。そして、濃度検知管１３で捕捉されたガス成分は濃度計１４によってその濃度が検知され、各濃度検知管１３に対応付けてガス成分の濃度が求められて、容器１２の風下側におけるガス成分の拡散状況（濃度分布）が得られることになる。

揮発性液体の１つであるナフサには、ｎ−ブタン、イソペンタン、及びｎ−ペンタン等の多数の成分が含まれており、これら成分がガス成分として蒸発拡散されることになるが、ガス成分毎にその濃度分布を得るとなると、ナフサ等のように多成分を含有する揮発性液体においては、ガス成分毎に複数の濃度検知管１３及び濃度計１４を準備しなければならず、ガスクロマトグラフィー等の濃度計が高価であることを考慮すると、揮発性液体の拡散現象を計測するためのシステム自体が極めて高価になってしまう。

一方、濃度計を１つだけ備えて、ガス成分毎に順次その濃度分布を計測するとなると、ナフサ等のように多成分を含有する揮発性液体においては、全てのガス成分の濃度分布を得るためには長時間に亘って計測を行わなければならない。

さらに、揮発性液体は危険物であることが多く、この揮発性液体から蒸発したガス成分の濃度を直接濃度検知管１３で捕捉して計測するとなると、爆発等の不測の自体に備えなければならず、安全面から計測の際に要するコストがアップしてしまうということになる。

ところで、風通しの良し悪しを判断するための風洞実験を行う際、風洞の基台上に水を染み込ませた紙又は布を敷きつめて濡れ面を形成し、実験対象の模型を基台上に設置して、風洞内で気流を発生させる前に、電子天秤によって基台の総重量を測定した後、気流を発生させて所定の時間が経過した後、再度電子天秤により基台の総重量を測定し、総重量の差を算出して水の蒸発量を求め、風通しが良いほど水の蒸発量は多くことを考慮して、蒸発量に応じて地域全体の風通しの良し悪しを判断するようにしたものがある（特許文献１参照）。

特開平９−２１８１２６号公報（第３頁、第１図〜第２図）

上述の特許文献１に記載された風洞実験においては、電子天秤で基台の総重量を計測して、総重量の差に基づいて水の蒸発量を得て、この蒸発量から風通しの良し悪しを判定するようにしているものの、単に蒸発量を得ただけでは、多成分を含有する揮発性液体の拡散状況を把握することができず、濃度計を用いて各ガス成分の濃度を計測しなければならない。

従って、前述したように、多数の濃度計を準備するか又は長時間に亘って各ガス成分の濃度を計測しなければならないという課題を解消することはできない。また、安全面からのコストアップ要因を解消することも難しい。

いずれにしても、特許文献１に記載された風洞実験では、揮発性液体から蒸発したガス成分の濃度分布を安全にしかも短時間で計測することが難しいという課題がある。

本発明の目的は揮発性液体から蒸発したガス成分の濃度分布を安全にしかも短時間で計測することのできる揮発性液体蒸発拡散現象計測システムを提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明は、揮発性液体から蒸発したガス成分の拡散現象を計測する計測システムであって、風洞に配置された前記揮発性液体の重量を揮発性液体重量として計測する重量計測手段と、前記揮発性液体重量の変化に応じて前記揮発性液体の蒸発速度を求める蒸発速度算出手段と、前記揮発性液体の対空気比重と同一の対空気比重を有する模擬ガスを生成するガス生成手段と、前記模擬ガスを前記蒸発速度に対応する放出速度で風洞内に放出する放出手段と、前記風洞内に放出された模擬ガスの濃度を風下側で検知して前記模擬ガスの濃度分布を得る濃度検知手段とを有し、前記濃度検知手段で得られた模擬ガスの濃度分布を前記揮発性液体から蒸発したガス成分の濃度分布として前記拡散現象を計測することを特徴とするものである。

本発明では、前記風洞内の状態を野外状態に調整する調整手段を有しており、例えば、前記調整手段は、前記風洞内の気流温度を調整する気流温度調整手段と、前記揮発性液体の温度を調整する揮発性液体温度調整手段とを有している。

また、本発明では、前記風洞の壁面にかかる静圧を検出する静圧検出手段と、該静圧に基づいて前記揮発性液体重量を補正して補正揮発性液体重量とする補正手段とを有し、前記蒸発速度算出手段は、前記補正揮発性液体重量の変化に応じて前記揮発性液体の蒸発速度を求めるようにしてもよい。

以上のように、本発明では、揮発性液体の蒸発速度を予め計測して、この揮発性液体の対空気比重と同一の空気比重を有する模擬ガスを蒸発速度に対応する放出速度で風洞内に放出して、この模擬ガスの濃度分布を得て、模擬ガスの濃度分布を揮発性液体から蒸発したガス成分の濃度分布として拡散現象を計測するようにしたので、安全でしかも短時間に拡散現象を把握することができるという効果がある。

本発明では、風洞内の状態を野外状態に調整するようにしたので、種々の気象条件下における揮発性液体の蒸発速度を計測することができる結果、野外における揮発性液体の蒸発拡散状況を忠実に計測することができるという効果がある。

本発明では、静圧に応じて揮発性液体重量を補正して、補正後の揮発性液体重量に基づいて蒸発速度を求めるようにしたので、精度よく揮発性液体の蒸発速度を求めることができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

まず、図１を参照して、図示の揮発性液体蒸発拡散現象計測システム（以下単に計測システムと呼ぶ）は風洞２１を有しており、この風洞２１には予め定められた表面積を有する容器２２が配置され（容器２２の上面は開口されている）、この容器２２には揮発性液体（例えば、ナフサ）２３が収納されている。図示のように、容器２２は重量計測器（例えば、電子天秤（重量計測手段））２４上に配置されており、この重量計測器２４は重量記録装置２５に接続され、重量記録装置２５には演算ユニット２６が接続されている。

いま、実験が開始されると、送風機（図１には示さず）が駆動されて風洞２１に太線矢印で示すように風が送られる。そして、容器２２内の揮発性液体から蒸発したガス成分は風に乗って拡散する。重量計測器２４では容器２２の重量を計測して、計測結果を揮発性液体重量として重量記録装置２５に送り、重量記録装置２５に揮発性液体重量が記録される（ガス成分が蒸発するにつれて、容器２２の重量、つまり、揮発性液体重量は低下することになる）。

図２も参照して、予め設定された時間が経過すると、実験が停止されて、重量記録装置２５に記録された揮発性液体重量が演算ユニット２６に読み込まれて、演算ユニット２６では、揮発性液体重量の変化を得て（ステップＳ１）、この重量変化から単位時間当たりの蒸発速度（ｇ／ｓ）を求める（ステップＳ２）。この蒸発速度から単位時間あたりの蒸発量（ｍ^２／ｓ）を以下の式で求める（ステップＳ３）。
蒸発量（ｍ^２／ｓ）＝（mol数）＊22.4（l／mol）＊1/1000
＝[蒸発速度（ｇ／ｓ）／平均分子量]＊22.4（l／mol）＊1/1000

揮発性液体がナフサであるとすると、ナフサが含有する成分は予め分かっているから、演算ユニット２６ではナフサ成分の分子量の平均値を求めて、これを平均分子量とする（ステップＳ４）。そして、演算ユニット２６では平均分子量に基づいてナフサの対空気比重を求めて（ステップＳ５）、この対空気比重に基づいて後述する模擬ガス（トレーサガス）の配分比を求める（ステップＳ６）。つまり、演算ユニット２６では模擬ガスの対空気比重がナフサの対空気比重となるように模擬ガスの配分比を決定する。

なお、ナフサの対空気比重を求める際には、各ナフサ成分の分子量とその容積％との積を得て、ナフサの平均分子量を求める。

ここで、図３を参照すると、風洞２１とは別の風洞３１の床面にはメッシュ状の面源３１ａが規定されており、この面源３１ａを介して模擬ガス３２が風洞３１内に送り込まれる。また、風洞３１には送風機（図２には示さず）によって図中太線矢印で示すように風が送り込まれる。面源３１ａの風下側には、複数の濃度検知管３３が配置され、この濃度検知管３３は１つの濃度計３４に接続されている。

図４を参照して、図３に示す面源３１ａにはチャンバー３５が接続され、このチャンバー３５には混合器３６が接続されている。そして、混合器３６には流量調節計３７を介して第１のボンベ３８が接続されるとともに、流量調節計３９を介して第２のボンベ４０が接続されている。なお、第１のボンベ３８には、例えば、メタンガスが充填され、第２のボンベ４０には不活性ガスが充填されている。

前述したように、演算ユニット２６では模擬ガスの配分比を求めることになるが、模擬ガスとしてメタンガス及び不活性ガスを用いる際には、メタンガスの対空気比重は０．５６であるから、揮発性液体の対空気比重が０．５６未満である際には、不活性ガスとしてヘリウムを用い、揮発性液体の対空気比重が０．５６以上である際には、不活性ガスとして窒素ガスを用いる。

そして、演算ユニット２６では模擬ガスの配分比、つまり、ここではメタンガス及び不活性ガスの配分比と蒸発量とに基づいて流量調節計３７及び３９を流れるメタンガス及び不活性ガスの流量Ｑ１及びＱ２を決定する（ステップＳ７：図２）。そして、流量調節計３７及び３９では、流量Ｑ１のメタンガス及び流量Ｑ２の不活性ガスが混合器３６に与えられるように、流量調節弁３７ａ及び３９ａを調節する（ステップＳ８）。

混合器３６でメタンガスと不活性ガスとが混合されて、模擬ガスとしてチャンバー３５に与えられる。そして、模擬ガスはチャンバー３５で圧力低下されて、流量Ｑ３で、つまり、ナフサの蒸発量で面源３１ａから風洞３１内に放出される（ステップＳ９）。図３に示すように、模擬ガスは送風機からの風に乗って拡散しつつ、濃度検知管３３側に送られる。

そして、濃度検知管３３で捕捉された模擬ガスは濃度計３４によってその濃度が検知され、各濃度検知管３３に対応付けて模擬ガスの濃度が求められて、模擬ガスの拡散状況（濃度分布）が得られることになる（ステップＳ１０）。模擬ガスの対空気比重が揮発性液体の対空気比重と同一であるから、この模擬ガスの濃度分布は揮発性液体の濃度分布にほぼ一致することになる。

このようにして、予め揮発性液体の蒸発量を求めた後、揮発性液体の対空気比重と同一の対空気比重を有する模擬ガスを生成して、この模擬ガスを揮発性液体の蒸発量で風洞に放出して、模擬ガスの拡散状況を計測し、その結果を揮発性液体の蒸発拡散現象とするようにしたので、安全に短時間で計測することができることになる。

なお、風洞３１に送る風速を種々変化させて、蒸発速度を計測するとともに、模擬ガスを用いて濃度分布計測を行って、風速（気流速度）による濃度分布の変化を得るようにすることが望ましい。また、上述の例においては、重量計測器２４及び重量記録装置２５が重量計測手段として機能し、演算ユニット２６が蒸発速度及び蒸発量の算出手段として機能する。そして、演算ユニット２６及び図４に示す構成がガス生成手段及び放出手段として機能し、図３に示す濃度検知管３３及び濃度計３４が濃度検知手段として機能することになる。

ところで、実際の環境下では、つまり、野外では、気流速度ばかりでなく、温度等の他の要因が作用することになる。特に、気流温度及び地面温度が揮発性液体の蒸発拡散現象に大きく影響する。このため、図５に示すように、気流（風）温度を種々変化させるととともに、地面温度の変化に応じて揮発性液体の温度を変化させて、その蒸発速度を計測することが望ましい。

図５に示す例では、容器２２内にプレートヒータ４１を配置するとともに、温度センサ（例えば、熱電対）４２を配置する。さらに、容器２２の風上側に空間加熱用ヒータ（例えば、シーズヒータ）４３を配置し、空間加熱用ヒータ４３の風下直下に温度センサ４４を配置する。なお、図５においては、重量記録装置２５及び演算ユニット２６は省略されている。

温度センサ４２は温度調整器４５に接続され、温度調整器４５は予め設定された地面温度と温度センサ４２で検知された温度との偏差に基づいて電源供給装置４６を制御して、プレートヒータ４１によって揮発性液体２３を加熱し、揮発性液体２３の温度を地面温度に応じて変化させる。

一方、温度センサ４４は温度調整器４７に接続され、温度調整器４７は予め設定された気流温度と温度センサ４４で検知された温度との偏差に基づいて電源供給装置４８を制御して、空間加熱用ヒータ４３によって送風機（図示せず）からの気流を加熱して、気流の温度を変化させる。

このようにして、気流温度及び揮発性液体の温度を変化させて、その蒸発速度を計測するようにすれば、種々の気象条件下で気流温度及び地面温度が変化した際における揮発性液体の蒸発速度を計測することができる結果、野外における揮発性液体の蒸発拡散状況を忠実に計測することができることになる。

次に図６を参照して、風洞２１を用いて揮発性液体の蒸発速度を計測する際には、大気中と異なって風洞２１の壁面に気流による圧力（静圧）がかかるため、精度よく蒸発量を計測するためには、この静圧を考慮する必要がある。いま、図６に実線で示す位置に送風機２１ａがあるとする（つまり、空気を風洞２１に押し込むようにして風洞２１に気流を生じさせる状態であるとする（吹出し式風洞））。

容器２２の風上側において、風洞２１の壁面には静圧孔５１が形成され、この静圧孔５１には圧力計５２が連結されている。なお、図６においては、重量記録装置２５及び演算ユニット２６は省略されている。圧力計５２は演算ユニット２６に接続され、演算ユニット２６は圧力計５２から得られる静圧検出値に応じて重量記録装置２５から読み込まれた揮発性液体重量を補正する。

いま、重量記録装置２５から読み込まれた揮発性液体重量（見かけの液体重量）をＷ０、真の液体重量をＷ、静圧（静圧検出値）をＰｓ、液体の表面積（つまり、容器３１の表面積）をＡとすると、演算ユニット２６では、まず図２で説明したステップＳ１を実行した後、ステップＳ２を行う前に、数１に基づいて真の液体重量を求める（つまり、揮発性液体重量を補正する）。

（数１）
Ｗ＝Ｗ０−（Ｐｓ×Ａ）

このようにして、静圧による補正を行った後の揮発性液体重量に基づいてステップＳ２以降の処理が行われることになる。なお、図６に破線で示す位置に送風機２１ａがあるとすると（つまり、風洞３１から空気を吸引するようにして風洞３１に気流を生じさせると状態であるとすると（吸引式風洞））、演算ユニット２６は数２に基づいて真の液体重量を求めることになる。

（数２）
Ｗ＝Ｗ０＋（Ｐｓ×Ａ）

このように静圧に応じて揮発性液体重量の計測値を補正して、補正後の揮発性液体重量に基づいて蒸発速度を求めるようにしたので、精度よく揮発性液体の蒸発速度を求めることができることになる。

揮発性液体の蒸発量を予め計測して、この揮発性液体の対空気比重と同一の空気比重を有する模擬ガスを蒸発量に対応する放出量で風洞内に放出して、この模擬ガスの濃度分布を得て、模擬ガスの濃度分布を揮発性液体から蒸発したガス成分の濃度分布として拡散現象を計測するようにしたから、安全でしかも短時間に拡散現象を把握することができる結果、各種揮発性液体の拡散現象の計測に適用できる。

本発明による揮発性液体蒸発拡散現象計測システムの一例において揮発性液体の蒸発速度を求める際の構成を示す図である。 図１に示す演算ユニットの動作を説明するためのフローチャートである。 本発明による揮発性液体蒸発拡散現象計測システムの一例において模擬ガスの拡散を計測する際の構成を示す図である。 本発明による揮発性液体蒸発拡散現象計測システムの一例において模擬ガスの風洞内への放出を説明するための図である。 本発明による揮発性液体蒸発拡散現象計測システムの他の例の構成を示す図である。 本発明による揮発性液体蒸発拡散現象計測システムのさらに他の例の構成を示す図である。 従来の揮発性液体蒸発拡散現象計測システムを説明するための図である。

符号の説明

２１、３１ 風洞
２２ 容器
２３ 揮発性液体
２４ 重量計測器
２５ 重量記録装置
２６ 演算ユニット
３１ａ 面源
３２ 模擬ガス
３３ 濃度検知管
３４ 濃度計
３５ チャンバー
３６ 混合器
３７、３９ 流量調節計
３８、４０ ボンベ
４１ プレートヒータ
４２、４４ 温度センサ
４３ 空間加熱用ヒータ
４５、４７ 温度調整器
４６、４８ 電源供給装置
５１ 静圧孔
５２ 圧力計

Claims (4)

1. 揮発性液体から蒸発したガス成分の拡散現象を計測する計測システムであって、
   風洞に配置された前記揮発性液体の重量を揮発性液体重量として計測する重量計測手段と、
   前記揮発性液体重量の変化に応じて前記揮発性液体の蒸発速度を求める蒸発速度算出手段と、
   前記揮発性液体の対空気比重と同一の対空気比重を有する模擬ガスを生成するガス生成手段と、
   前記模擬ガスを前記蒸発速度に対応する放出速度で風洞内に放出する放出手段と、
   前記風洞内に放出された模擬ガスの濃度を風下側で検知して前記模擬ガスの濃度分布を得る濃度検知手段とを有し、
   前記濃度検知手段で得られた模擬ガスの濃度分布を前記揮発性液体から蒸発したガス成分の濃度分布として前記拡散現象を計測することを特徴とする揮発性液体蒸発拡散現象計測システム。
2. 前記風洞内の状態を野外状態に調整する調整手段を有することを特徴とする請求項１記載の揮発性液体蒸発拡散現象計測システム。
3. 前記調整手段は、前記風洞内の気流温度を調整する気流温度調整手段と、前記揮発性液体の温度を調整する揮発性液体温度調整手段とを有することを特徴とする請求項２記載の揮発性液体蒸発拡散現象計測システム。
4. 前記風洞の壁面にかかる静圧を検出する静圧検出手段と、
   該静圧に基づいて前記揮発性液体重量を補正して補正揮発性液体重量とする補正手段とを有し、
   前記蒸発速度算出手段は、前記補正揮発性液体重量の変化に応じて前記揮発性液体の蒸発速度を求めるようにしたことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の揮発性液体蒸発拡散現象計測システム。

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