JP4847713B2 - ジメチルエーテル測定装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＰガス容器内の液相ＬＰガス中のジメチルエーテル濃度を測定するジメチルエーテル測定装置および方法に関するものである。

新たな工業用燃料等として、数年内にジメチルエーテルが実用化される予定である。ジメチルエーテルとＬＰガスは物性が類似しているため、ＬＰガスの既存のインフラ設備を一部共用してジメチルエーテルの流通を行う予定である。そのため、ＬＰガスにジメチルエーテルが混入する場合がある。このジメチルエーテルの濃度が、一定値を超えると安全上問題が発生する可能性があるため、ＬＰガス容器中のジメチルエーテルの濃度を管理する必要がある。

上記のように、ＬＰガスにジメチルエーテルが混入する場合、ＬＰガスを安全に使用するためには、ジメチルエーテルの濃度管理が必要になる。しかし、容器中のＬＰガスは大部分が液相であり、一方、気相中のジメチルエーテルの濃度は温度によって変化しやすい。したがって、ジメチルエーテルについては液相中の濃度を管理する必要がある。

ところで、この液相中のジメチルエーテル濃度を簡便に測定する技術は、未だ開発されていない。したがって、今後ジメチルエーテルが広く使われるようになったときに、安全上問題が発生することが予想され、事前の的確な対応が要請されている。

この発明は上記に鑑み提案されたもので、ＬＰガス容器中の液相中のジメチルエーテルの濃度を簡便にかつ精度良く測定して安全管理に用いることができるジメチルエーテル測定装置および方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ＬＰガス容器内の液相ＬＰガス中の、当該ＬＰガスとは物性が類似しているジメチルエーテル濃度を測定するジメチルエーテル測定装置において、上記ＬＰガス容器内の気相ＬＰガスをサンプリングしその気相ＬＰガス中のジメチルエーテル濃度を測定するジメチルエーテル気相濃度測定手段と、上記ジメチルエーテル気相濃度測定手段で測定して得られた気相ＬＰガス中のジメチルエーテル濃度、予め分かっているＬＰガス組成、およびＬＰガス容器の温度を用い、気液平衡を仮定し、溶液モデル法を用いて液相ＬＰガス中のジメチルエーテル濃度を演算で求めるジメチルエーテル濃度演算手段と、を備えることを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、上記した請求項１に記載の発明の構成に加えて、上記ジメチルエーテル濃度演算手段で求めた、液相ＬＰガス中のジメチルエーテル濃度を表示する表示手段を有する、ことを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、ＬＰガス容器内の液相ＬＰガス中の、当該ＬＰガスとは物性が類似しているジメチルエーテル濃度を測定するジメチルエーテル測定方法において、上記ＬＰガス容器内の気相ＬＰガスをサンプリングしその気相ＬＰガス中のジメチルエーテル濃度を測定し、上記測定で得られた気相ＬＰガス中のジメチルエーテル濃度、予め分かっているＬＰガス組成、およびＬＰガス容器周辺の外気温度を用い、気液平衡を仮定し、溶液モデル法を用いて液相ＬＰガス中のジメチルエーテル濃度を演算で求める、ことを特徴としている。

この発明のジメチルエーテル測定装置および方法では、ＬＰガス容器に充填されたＬＰガスの気相中に含まれるジメチルエーテル濃度の測定結果を用いて、ＬＰガスの液相中のジメチルエーテルの濃度を求めるようにしたので、従来測定できなかった液相中のジメチルエーテルの濃度を簡便にかつ精度良く求めることができ、今後ジメチルエーテルが混入したＬＰガスが広く使われるようになっても、その安全性を的確に維持することができる。

以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１はこの発明のジメチルエーテル測定装置の全体構成を示す図である。図において、この発明のジメチルエーテル測定装置２は、ＬＰガス容器１内の液相ＬＰガスＧ_L中のジメチルエーテル濃度を測定する装置であり、ＬＰガス容器１内の気相ＬＰガスＧ_Vをサンプリングしその気相ＬＰガスＧ_V中のジメチルエーテル濃度Ｄ_V（以下「ＤＭＥ気相濃度Ｄ_V」という）を測定するジメチルエーテル気相濃度測定手段（以下「ＧＭＥ気相濃度測定手段」という）２１と、そのＧＭＥ気相濃度測定手段２１で測定して得られたＤＭＥ気相濃度Ｄ_V、予め分かっているＬＰガス組成Ｃ、およびＬＰガス容器の温度Ｔを用い、気液平衡を仮定して液相ＬＰガスＧ_L中のＤＭＥ濃度Ｄ_L（以下「ＤＭＥ液相濃度Ｄ_L」という）を演算して求めるジメチルエーテル濃度演算手段（以下ＤＭＥ濃度演算手段」という）２２と、そのＤＭＥ液相濃度Ｄ_Lを表示する表示手段２３と、を備えている。

ＬＰガス容器１は、ボンベ、タンク、その他各種のタイプのものを使用できる。ＬＰガス容器１に充填されるＬＰガスは、プロパン、ブタン、イソブタン、エタンの４成分のうちの少なくとも１成分からなり、そのＬＰガス組成（プロパン、ブタン、イソブタン、エタンの混入割合）Ｃは予め分かっている値である。

上記のＤＭＥ気相濃度測定手段２１は、サンプリングした気相ＬＰガスＧ_Vを物理的、化学的に処理してＤＭＥ気相濃度Ｄ_Vを実測する、通常使用される測定装置であり、その計測結果はＤＭＥ濃度演算手段２２に出力される。

ＤＭＥ濃度演算手段２２は、コンピュータに構築され、メモリに格納された本発明に係るソフトウェアに従ってＣＰＵが動作する機能を含めて構成されている。上記のＤＭＥ気相濃度測定手段２１が計測したＤＭＥ気相濃度Ｄ_Vは、このＤＭＥ濃度演算手段２２のメモリに記憶され、メモリに記憶されたＤＭＥ気相濃度Ｄ_Vの値が更新されると、ＤＭＥ濃度演算手段２２は自動的に演算を開始するようになっている。

上記のＬＰガス組成Ｃの値は、演算の実行時にＤＭＥ濃度演算手段２２に手動で外部入力する。あるいは予めＤＭＥ濃度演算手段２２のメモリに、複数の組成データとして記憶保存させておき、演算実行時にその複数の組成データから該当するＬＰガス組成を読み出して使用する。

上記の温度Ｔは容器内の温度が好ましいが、容器周辺の外気温度でもよく、上記のＬＰガス組成Ｃの場合と同様に、演算実行時にＤＭＥ濃度演算手段２２に手動で外部入力するか、あるいは予めＤＭＥ濃度演算手段２２のメモリに、複数の温度データとして記憶保存させておき、演算実行時にその複数の温度データから該当する温度を読み出して使用する。

上記の表示手段２３は、ＤＭＥ濃度演算手段２２が求めたＤＭＥ液相濃度Ｄ_Lの値を、例えば液晶画面に表示する。

次にＤＭＥ濃度演算手段２２が行う演算手順を図２を用いて説明する。

図２はＤＭＥ濃度演算手段が行う演算手順を示すフローチャートである。ＤＭＥ濃度演算手段２２は、本発明に係るプログラムに従って下記の手順でＤＭＥ液相濃度Ｄ_Lを求める。

先ずステップＳ１において、変数の初期化を行う。

次にステップＳ２において、ＤＭＥ気相濃度測定手段２１で計測されたＤＭＥ気相濃度Ｄ_Vを入手する。

次にステップＳ３において、ＬＰガス容器の温度Ｔを、手入力で、またはメモリに予め登録されているテーブルのデータから選択して入力する。

続いてステップＳ４において、ＬＰガス容器１に充填されているＬＰガスの組成Ｃを、手入力で、またはメモリに予め登録されている組成テーブルの複数データの中から選択して入力する。

ステップＳ５において、演算に用いるＷｉｌｓｏｎパラメータの入力が行われる。

次にステップＳ６において、各種入力パラメータのエラーチェックを行う。エラーがなければ続いてステップＳ７において、ＤＭＥ液相濃度Ｄ_Lを求めるための演算を行う。この演算についての詳細は後述する。

次にステップＳ８において、演算結果の収束判定を行い、収束していなければステップＳ７に戻り、収束していればステップＳ９に進む。

ステップＳ９では、演算結果のＤＭＥ液相濃度Ｄ_Lを出力し、必要に応じて画面表示し、その後このプログラムを終了する。

上記のステップＳ７において行われるＤＭＥ液相濃度Ｄ_Lを求める演算は、概略次のように行う。ＬＰガス容器１内における気相・液相は気液平衡状態であると仮定し、ＤＭＥ気相濃度Ｄ_V等の入力データから液相組成を計算する。気液平衡の計算方法としては、比較的計算量の少ない溶液モデル法（活量係数式）を用いた。溶液モデル法の中でも、比較的精度が高く、広く用いられているウイルソン（Ｗｉｌｓｏｎ）法を用いた。これにより、ジメチルエーテル測定装置をオペレータが携帯可能な装置として構成した場合でも、その装置に搭載できるような低速のマイコンで動作させることができるようになる。

理想気体を仮定した場合、成分ｉの液相および気相のモル分率（ｘ、ｙ）の間には次式（１）が成り立つ。

ここでγは活量係数である。

理想気体では２成分系Ｗｉｌｓｏｎ式を用いた場合、気相中のＤＭＥのモル分率ｙ₃は、式（１）を用いると、次式（２）のように表すことができる。

ここで、ＤＭＥ、プロパン、ブタン、イソブタンおよびエタンの５成分から構成される系において、エタン、プロパン、ＤＭＥ、イソブタン、ブタンの成分をそれぞれ添え字１，２，３，４，５で表すこととする。

ジメチルエーテル（ＤＭＥ）混入後の液相中のエタン、プロパン、イソブタン、ブタンのモル分率ｘ₁，ｘ₂，ｘ₄，ｘ₅は、ＤＭＥ混入前の液相中のエタン、プロパン、イソブタン、ブタンのモル分率をｘ₁'，ｘ₂'，ｘ₄'，ｘ₅'（既知）とすると、次式（３）のように表すことができると仮定する。

ここで、ｋは比例定数であり、液相中のＬＰガスの組成割合の変化は、ＤＭＥの混入前と混入後とで無視できると仮定することにより導入した。上記の式（３）を用いて、液相中のＤＭＥのモル分率ｘ₃は、次式（４）で表すことができる。

ＤＭＥ混入前の液相中の各成分のモル分率に関してもｘ₁'＋ｘ₂'＋ｘ₄'＋ｘ₅'＝１が成り立つ。式（３）および式（４）を、次式（５）のＷｉｌｓｏｎ式に代入して反復法で解くことにより、液相中のＤＭＥのモル分率を求める。

上記のようにして求めた液相中のＤＭＥのモル分率（ＤＭＥ液相濃度Ｄ_L（計算値））と、気液平衡データのＤＭＥ液相濃度Ｄ_L（気液平衡状態にある混合物の気相、液相を採取して、ガスクロ等で組成を分析することにより測定された実測値）と比較し、計算精度を検証した。プロパンにジメチルエーテルが混入している場合、ブタンにジメチルエーテルが混入している場合、イソブタンにジメチルエーテルが混入している場合、プロパンとブタンからなるＬＰガスにジメチルエーテルが混入している場合等、種々のＬＰガスにジメチルエーテルが混入している場合について求めた結果、その何れの場合でも実験値と計算値とは高い精度で一致した。

以上述べたように、この発明のジメチルエーテル測定装置２では、ＬＰガス容器１に充填されたＬＰガスの気相中に含まれるＤＭＥ気相濃度Ｄ_Vの測定結果を用いて、ＬＰガス液相中のＤＭＥ液相濃度Ｄ_Lを求めるようにしたので、従来測定が困難であった液相中のジメチルエーテルの濃度を簡便にかつ精度良く求めることができる。したがって、今後ジメチルエーテルが混入したＬＰガスが広く使われるようになっても、この液相中のジメチルエーテルの濃度を用いてその安全性を的確に維持することができる。

なお、上記の説明では、液相中のジメチルエーテルの濃度の演算を溶液モデル法を用いて行うようにしたが、本発明はこの溶液モデル法に限定されず、様々の演算手法に対して同様に適用することができる。

この発明のジメチルエーテル測定装置の全体構成を示す図である。 ジメチルエーテル濃度演算手段が行う演算手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ガス容器
２ ジメチルエーテル測定装置
２１ ジメチルエーテル気相濃度測定手段
２２ ジメチルエーテル濃度演算手段
２３ 表示手段
Ｃ ＬＰガス組成
Ｄ_L ジメチルエーテル液相濃度
Ｄ_V ジメチルエーテル気相濃度

Claims (3)

1. ＬＰガス容器内の液相ＬＰガス中の、当該ＬＰガスとは物性が類似しているジメチルエーテル濃度を測定するジメチルエーテル測定装置において、
   上記ＬＰガス容器内の気相ＬＰガスをサンプリングしその気相ＬＰガス中のジメチルエーテル濃度を測定するジメチルエーテル気相濃度測定手段と、
   上記ジメチルエーテル気相濃度測定手段で測定して得られた気相ＬＰガス中のジメチルエーテル濃度、予め分かっているＬＰガス組成、およびＬＰガス容器の温度を用い、気液平衡を仮定し、溶液モデル法を用いて液相ＬＰガス中のジメチルエーテル濃度を演算で求めるジメチルエーテル濃度演算手段と、
   を備えることを特徴とするジメチルエーテル測定装置。
2. 上記ジメチルエーテル濃度演算手段で求めた、液相ＬＰガス中のジメチルエーテル濃度を表示する表示手段を有する、請求項１に記載のジメチルエーテル測定装置。
3. ＬＰガス容器内の液相ＬＰガス中の、当該ＬＰガスとは物性が類似しているジメチルエーテル濃度を測定するジメチルエーテル測定方法において、
   上記ＬＰガス容器内の気相ＬＰガスをサンプリングしその気相ＬＰガス中のジメチルエーテル濃度を測定し、
   上記測定で得られた気相ＬＰガス中のジメチルエーテル濃度、予め分かっているＬＰガス組成、およびＬＰガス容器周辺の外気温度を用い、気液平衡を仮定し、溶液モデル法を用いて液相ＬＰガス中のジメチルエーテル濃度を演算で求める、
   ことを特徴とするジメチルエーテル測定方法。

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