02. １０００気圧が生み出す肥料と食料―酸・アルカリ工業と水資源―

山形大学  理工学研究科（工学系）  化学・バイオ工学科  🔋 C1 伊藤智博 📛 立花和宏

研究所	中間製品タンクヤード	原料タンクヤード

© 2023 K.Tachibana ^* , C1 Lab.

工場は、原料や素材を加工して、付加価値をつけて、 工業製品を生産します ^{1 )} 。

化学工場の設備には、反応装置などの主要製造設備と、 ボイラー、 発電、 用水、タンクなどの付帯設備があります ^{2 )} 。

地図 地図

組立ライン
研究所	テストコース

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地図 👨‍🏫 日産自動車追浜工場＠神奈川県横須賀市

化学反応にも 圧力と 温度ってとっても大事なんですよ。

^{3 ) 4 )}

🔷

熱エネルギーの示強因子です。

熱エネルギー＝温度×エントロピー

温度を長さに変換するには、物質の体積膨張を使う。それが 液体封入ガラス温度計だ。

温度計を検索してみましょう。

加圧 には、頑丈な釜が必要です。 頑丈な釜に水を入れて密封し、加熱すれば圧力も上がります。

レトルト食品 の製造には、小型のレトルト釜（オートクレーブ） * * * が使われます。

ボイルの法則：圧力と体積は反比例：pV=一定
シャルルの法則：体積は温度に比例：V/T=一定
ボイル・シャルルの法則：pV/T=一定
気体の状態方程式:pV=nRT
pV=m/MRT

熱機関は、 熱エネルギー（温度差）と運動エネルギー（動力）との エネルギー変換 をします。

高圧でも外れないようネジが切ってあります。 バルブにもいろいろな種類があります。 * ^{5 )}

危険な薬物の流失 事故 がないように定期 点検しましょう。

万一の漏洩や流失に備えて、 どこにバルブがあるか把握するため、図面や 化学プラント配管図面記号 を読めるようにしておきましょう。

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圧力計。 高圧でも外れないようネジが切ってあります。

大分類	小分類	特徴用途
液柱式	Ｕ字管マノメーター
	傾斜管マノメーター
弾性式	ブルドン管圧力計
	ベローズ圧力計
	ダイヤフラム圧力計
電気式	抵抗線ひずみ計

圧力 は、物質の 状態や反応速度、化学平衡と関係します ^{6 )} 。 オートメーションで計測されます。

ボイラーでは、高温・高圧の蒸気を作り出します。

温度、 圧力、 流量、 液位 （ 液面）、 組成 （成分、濃度） は、プロセス変量（プロセス変数）と呼ばれます ^{7 )} 。 プロセス変量を計測したり、目標値を設定して、 制御したりします。 PID制御などが使われます。

米沢キャンパス３号館入り口に展示してあります。

👨‍🏫 ３号館（物質化学工学棟）

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1成分系では、相律においてn=1であるから、F=3-pで、自由度の最大値は2となります。 F=2のときに変えられるのは、温度と 圧力です。 よって、1成分系では、 温度と 圧力によって、物質が固体、液体、気体、超臨界流体のいずれの 状態を示した図を 状態図(Phase Diagram) と言います ^{8 )} 。 固体に複数の結晶系があるとき、多形(Polymopism)と言います。

2成分系では、自由度の最大値は3となります。鉄ー炭素系平衡状態図などは、よく使われます。

状態	密度	粘性／弾性	物質（材料）の例
超臨界流体	密度大	粘性 小
気体	密度小	粘性 小	🏞 空気 水素 アンモニア
液体	密度大	粘性 大	水、海水 石油
固体	密度大	弾性	石炭 鉄鋼 材料

気体や液体のような流体は、備蓄や輸送にタンクやパイプの設備を必要とします。

材料	用途	特徴 スケール
セラミックス	土器
	甕（陶磁器）	ろくろによる成型、焼成
木材	樽、桶	鋸、鉋による切削加工
鉄鋼	茶釜 レトルト釜 ステンレス槽 スチール缶
アルミニウム	アルミ缶
ガラス	びん 、 ガラス器具
プラスチック	ＰＥＴボトル
複合材料	ＦＲＰタンク 反応槽

気体や液体を保持するには 固体材料で成型された容器が必須です。

高圧ガスの分類	ガスの名称	性質	原料 ／製法	🚂 製品 ／用途
🏞 酸素ガス	酸素		🏞 空気 ／ 冷却・分留	製鉄
🏞 水素ガス	水素	燃	水 *／ 電解 石炭 石油 ＬＮＧ	アンモニア
🏞 液化炭酸ガス	二酸化炭素			消火
🏞 液化アンモニアガス	アンモニア	燃 毒	🏞 空気
🏞 液化塩素ガス	塩素	毒	🏞 海水 ／電解
アセチレンガス	アセチレン	燃		溶接
可燃性ガス	プロパン	燃	🏞 石油	🚂 燃料
可燃性・毒性ガス	可燃性・毒性ガス	燃 毒
毒性ガス	毒性ガス	毒
その他のガス	アルゴン

事故が起きた後で調査をしてみると、「無理をした」「油断をした」「 知らなかった」「教わらなかった」など、安全に対する心構えの不備な事例が意外に多い ^{10 )} 📥 。

ボンベの 色 や文字の 色 は、高圧ガス保安法で定められています。 * 誤った色使いは、事故の原因になります。 *

可燃性ガスと不燃性ガスでは、ねじの切る向きが違います。 *

化学工業では、気体を 圧縮して高圧ガスとして使います。 冷蔵庫やエアコンの冷媒や燃料のＬＰガスも高圧ガスです ^{11 )} 。

🔷 高圧ガスの取り扱い

分類	例
法令	道路交通法	信号機、止まれは赤。
	高圧ガス保安法	ガスボンベ 水素ガス のボンベの塗色は赤。文字は白。
民間規格	JISC 60062	固定抵抗器
バリアフリー ユニバーサルデザイン

類別／性質	小分類	例
第一類 酸化性固体	塩素酸塩類	🚂 マッチ頭薬 *
	過塩素酸塩類
	無機過酸化物
	亜塩素酸塩類
	臭素酸塩類
	硝酸塩類
	ヨウ素酸塩類
	過マンガン酸塩類
	重クロム酸塩類
第二類 可燃性固体	硫化リン
	赤リン	🚂 マッチ側薬 *
	硫黄
	鉄粉
	金属粉
	マグネシウム
	その他のもので政令で定めるもの
	前各号に掲げるもののいずれかを含有す るもの
	引火性固体
第三類 自然発火性物質及び禁水性物質
第四類 引火性液体	特殊引火物
	第一石油類	アセトン、 🏞 ガソリン
	アルコール類
	第二石油類	灯油 、軽油
	第三石油類	重油
	第四石油類
	動植物油類	動物の脂肉等又は 植物の種子若しくは果肉から抽出したものであって、1気圧において引火点が250℃未満のもの
第五類 自己反応性物質 *	有機過酸化物
	硝酸エステル類	ニトログリセリン
	ニトロ化合物
	ニトロソ化合物
	アゾ化合物
	ジアゾ化合物
	ヒドラジンの誘導体
	ヒドラキシルアミン
	ヒドラキシルアミン塩類
	そのほか政令で定めるもの
	前各号に掲げるいずれかを含有するもの
第六類 酸化性液体	過塩素酸
	過酸化水素
	硝酸

可燃性、引火性、 爆発性の物質の使い方を誤れば、火災や爆発とそれに伴う火傷や負傷が起こる可能性がある ^{12 )} 。 消防法で定めている。

米沢キャンパスには、 危険物屋内貯蔵所が二か所あります。 消防法 に定められた危険物は、安全 のため コンプライアンスに従って、貯蔵し、定期的に点検 （定期保全） しなければなりません。

アメリカの損害保険会社のハインリッヒが1929年に発表した法則 ^{13 )} 。

「同じ種類の 事故が３３０件起きたとすると、３００件は無傷ですむが、２９件は軽い傷害（災害）を伴い、１件は重い傷害（災害）を伴う確率となる」 ^{14 ) 15 ) 16 )}

高温 で溶かす、劇薬で化学反応を起こす……、そんな工場のイメージはとても事故が多そうな感じがしますが、実はそうでもありません ^{19 )} 。

研究開発現場、製造現場、輸送時、 製品、 廃棄物、食……と安全は多岐にわたる ^{20 )} 。

各工場では、安全第一の標語をかかげ、生産能率より安全を優先させ、労働災害の防止につとめながら生産活動にあたたっている ^{21 )} 。

ヒヤリハット活動、ＫＹ活動、指さし呼称、やりきり厳守 ^{22 )}

安全の基本 ^{23 )}

• いつもスマイル！－けが人は怪我して申し訳ないと思う、本人が言えずに周囲が気づかず失血死した例も－
• 緊急連絡先の確認登録－間違えた登録のないようリハーサルをしよう－
• 整理・整頓の徹底
• 無知・未熟な状態でで作業しない。
• 一人でやらない。
• 装置、器具、毒物、危険物、ガスの理解。
• 慣れは禁物。

緊急時の対応

火災 爆発 漏洩 地震 事故（けが、急病）

実験廃棄物の処理

「実験廃棄物の適切な処理および廃棄のためのマニュアル」

段階	標本数	容積	質量	アクション	備考
構想		シミュレーション
ラボスケール	3~5	5~500mL	1g～100g	フラスコ	C1ラボ 共同研究
ベンチスケール	10～100	5~50L	1kg～10kg	ポリタンク	共同研究
パイロットスケール	100～1000	50~250L（ドラム缶レベル）		機械
量産	100000～	500~数千L（工場レベル）		機械 ばらつきがあるので サンプリング 検査が必要。

目的		背景	特徴	例
物質の移動	輸送			溶かす
	加圧	💪 第一次産業革命	つぶす、圧力釜	ポンプ で気体を圧縮する。 🏞 アンモニア
熱の移動	加熱	🔥	温度	炉 ボイラー 茹でる、煮る、蒸す 🏞 製鉄 1500℃
	冷却	💪 第一次産業革命		冷ます 酸素
固体の処理	撹拌・混合			混ぜる
固体と液体 液体と液体	溶解			溶かす
	撹拌・混合			混ぜる
	粉砕 26 ) ・ 解砕・分散 27 )			砕く、 👨‍🏫 マヨネーズ 、チョコレート
	濾過・ 沈降・ 乾燥			干す
	再結晶・塩析
気体・ 液体・固体 中からある成分を取り出す	分離・抽出			濾す
	蒸留 ・分留			🏞 ナフサ ガソリン ウイスキー シリコン
電気を使う	電解製造 電解・電析	⚡ 第2次産業革命		🏞 アルミニウム q.64 めっき
	電解精錬
	電気透析			かん水
光を使う	露光	⚡ 第3次産業革命		フォトリソグラフィー

化学反応を起こさせる操作すなわち反応操作（unit process）のほかに、いろいろな物理的な操作を必要とする。この物理的な操作を単位操作（unit operation）という ^{28 ) 29 ) 30 )} 。

名称	機能	図記号
ポンプ	液体の 輸送		渦巻ポンプ ダイヤフラムポンプ
圧縮機 送風機	気体の圧縮・輸送 ( 圧縮空気 ) 31 )
コンベヤー	固体の 輸送
押出機	液体の 輸送
乾燥器 （ dryer ） 32 )			トンネル乾燥機、噴霧乾燥機
混合機 （ mixer ） 撹拌器 （ agitator ）	固体の粉末の 混合 液体の撹拌
粉砕機	固体の粉砕
集塵器

化学工場では、 機械や 装置が使われます。 それらは、プラント記号として表現されます。

産業革命で、 人類は動力を使うようになりました。

第二次産業革命で、 熱機関からモーターを使うようになりました。

機械の 動力として、 モーターが使われます。

^{33 )}

名称	機能	図記号		例
塔 tower,column	物質同士の接触（ 蒸留・ 反応・ガス吸収・洗浄・抽出）
槽	物質の貯蔵、静置、 沈降、分離、混合、反応		電解槽 発酵槽
サイロ、ホッパー	粉体の貯蔵。供給を主とするホッパーと長時間の貯蔵に使うサイロ。
熱交換器
加熱炉 （ furnance ）	燃焼による物質の 加熱		コークス炉 34 ) ボイラー 35 ) セラミックスの焼成や金属粉末の焼結。
配管設備	流体の 輸送 （管、管継手）と遮断（ バルブ）		石油精製

化学工場では、 機械や 装置が使われます。 それらは、プラント記号として表現されます。

^{36 )}

化学プラントには、計装とよばれる計測器や制御装置が装備されていて、 DCS （Distributed Control System＝分散型制御システム）の制御盤の画面に状態が映し出されます。

プラントの破損は、流出事故を起こします。 地球温暖化による災害のリスクが高まっています。水害や風害によるプラントの破損にも対策を施しましょう。

名称	図記号
バルブ 37 )	38 )
垂直容器（塔）
水平容器（槽、タンク）
サイクロン
熱交換器
加熱炉 （ furnance ）
液量調節計			F:液量、 L:液位、 P:圧力、 T:温度、 A:成分 C:調節、R:記録計

化学工場では、 機械や 装置が使われます。 それらは、プラント記号として表現されます。 プロセスを流れずの形式で図面にしたものをプロセスフローシートと言います。

* *

	材料例	原料／ 製法	用途
塩基（アルカリ）	灰汁（あく）	灰	灰汁抜き、釉
	苛性ソーダ（水酸化ナトリウム）	食塩／ 電解	製紙 （ パルプ蒸解）、 繊維 （紡糸）、中和、二酸化炭素の吸収除去
	ソーダ灰 （炭酸ナトリウム）	食塩、 アンモニア、 二酸化炭素／ ソルベー法、安塩ソーダ法	ガラス工業
	🏞 アンモニア	空気、水素／ バーバー・ボッシュ法（空中窒素固定法） 39 ) 40 ) 41 )	肥料 、硝酸、樹脂、 繊維
酸	酸敗ミルク	ミルク／発酵	繊維
	硫酸	硫黄／接触法	肥料 （硫安）、 染料、洗浄剤、中和剤
	硝酸（揮発性）	アンモニア／アンモニア酸化法（オストワルト法）	肥料 、火薬（硝酸カリウム）
	塩酸（揮発性）	食塩／ 電解	食品、 鉄鋼、 紙、織物 染料
	リン酸	リン鉱石／湿式法、乾式法	肥料 、食品

👨‍🏫 単体・工業薬品など ＠ＪＩＳ．Ｋ―化学・化学分析

空気： air		石油：
↓		↓
分留		改質炉
↓		↓
窒素： N2		水素 ：H2
→	↓	←
	合成塔 加熱 600℃、 加圧
	↓
	🏞 アンモニア： NH3

アンモニア製造におけるハーバー・ボッシュ法、 硫酸 製造における接触法や、 硝酸 製造におけるアンモニア酸化法などではいくら 触媒 を工夫しても収量は変わらない。

👨‍🏫 * * * ^{42 )}

© 2017 K.Tachibana ^* , C1 Lab.

カイコの糞、ヨモギを発酵させ、アンモニア、硝酸を合成し、 灰汁 で硝酸カリウム（煙硝）にしていた。 硝酸カリウム、木炭、硫黄で黒色火薬となり、鉄砲の火薬の重要な原料製造であった。

また 灰汁 で雁皮を煮て、叩解し、 雁皮紙を作っていた。

危険物 ^{43 )} * * 👨‍🏫 煙硝の館＠五箇山富山県南砺市 👨‍🏫 空気―高圧化学とアンモニア― 👨‍🏫 化学工業＠学問の自由 👨‍🏫 ＪＩＳ．Ｋ―化学・化学分析 👨‍🏫 越前和紙の里－紙の文化博物館＠福井県越前市

分類	名称（内容）	爆速 /m/s	爆圧 /kg/cm2	感度 /cm	用途
化合火薬類	ＴＮＴ（ニトロ化合物）	5700	80	75	炸薬（軍事爆薬・破壊薬）
混合火薬類	ダイナマイト（硝酸グリセリン＋珪藻土など）	6000	94	4	爆破薬（工業爆薬・破壊薬）
	黒色火薬（ 硝石75、イオウ10、 木炭15）				発射薬（鉄砲）

爆発反応が、工業的に利用される爆発物で、化学構造上 染料と関係の深いものが少なくありません。 危険物の第五類に分類されます。

含有成分 元素	単肥の例	原料	特徴
🏞 窒素	硫安（硫酸アンモニウム）・尿素・硝安（硝酸アンモニウム）・塩安（塩化アンモニウム）・石灰窒素	🏞 アンモニア 44 ) 45 ) 46 )	葉肥 *
リン	リン酸カルシウム・過リン酸石灰・	リン酸	果肥
カリウム	硫酸カリウム、塩化カリウム	鉱物	根肥

肥料には、肥料の三要素を一成分含む単肥と、二要素以上含む複合肥料に分けられます。また複合肥料は、配合肥料と化成肥料に分けられます。化成肥料は、肥料の三要素のうち、二要素以上を化学合成で作ったものです ^{47 )} 。

このように肥料は、工業製品であり、その要素は、材料でもあります。

飢餓を終わらせ、食料安全保障および栄養改善を実現し、持続可能な農業を促進する。

もし人間を中心とした農村開発を適切に行い、環境を保護するならば、農業や林業、漁業が栄養ある食料をすべての人々に提供し、人並みの収入を生み出すことができる。

• 2.4

  2030 年までに、生産性を向上させ、生産量を増やし、生態系を維 持し、気候変動や極端な気象現象、干ばつ、洪水及びその他の災害 に対する適応能力を向上させ、漸進的に土地と土壌の質を改善させるような、持続可能な食料生産システムを確保し、強靭(レジリエント)な農業を実践する。

* 🔷 足立区都市農業公園＠ 東京都足立区 🔷 小石川植物園＠東京都

大分類	小分類	資源	用途
用水	海水	🏞 海水	火力発電所の冷却
	淡水	🏞 河川水や 🏞 地下水	冷却、洗浄
	純水	河川水や地下水	ボイラー 48 )
超純水	河川水や地下水	ボイラー、 半導体洗浄
燃料	重油、天然ガス	加熱炉 、 ボイラー、自家発電、非常動力
蒸気	河川水や地下水	加熱 、蒸気タービン駆動
電力	商用電力、太陽光	動力 照明、自動制御、 コンピュータ 通信
圧縮空気		🏞 空気	自動制御、調節弁

工場では、原料や材料のほか、触媒や溶剤、補助的な薬品なども使われます。 またプラントを運転するために、用水、 燃料、蒸気、 電力、圧縮空気のような用役（ようえき）も必要です ^{49 )} 。

1. 貧困をなくそう
2. 飢餓をゼロに
3. 全ての人に健康と福祉を
4. 質の高い教育をみんなに
5. ジェンダー平等を実現しよう
6. 安全な水とトイレを世界中に
7. エネルギーをみんなに、そしてクリーンに
8. 働きがいも経済成長も
9. 産業と技術革新の基盤を作ろう
10. 人や国の不平等をなくそう
11. 住みつづけられる街づくりを
12. つくる責任　つかう責任
13. 気候変動に具体的な対策を
14. 海の豊かさを守ろう
15. 陸の豊かさも守ろう
16. 平和と公正をすべての人に
17. パートナーシップで目標を達成しよう

*

水は、 工場の ユーティリティです。

水 👨‍🏫 東京都水の科学館＠東京都江東区 👨‍🏫 水の公園　福島潟・水の駅　ビュー福島潟＠新潟県新潟市 👨‍🏫 最上川＠最上川水系―山形県、宮城県― 👨‍🏫 仙台市水道局水道記念館＠宮城県仙台市 👨‍🏫 東京都水道歴史館＠東京都文京区 👨‍🏫 貴布禰総本宮 貴船神社＠京都府京都市

すべての人々の水と衛生の利用可能性と持続可能な管理を確保する。

SDG 6は飲料水や衛生施設、衛生上の範囲を超えて、水質や水資源の持続可能性の問題も取り上げている。そのため国際協力を拡大し、水と衛生の管理向上について地域コミュニティの支援を強化する。

区分	部品	材料
建物	躯体	🏞 木材、 鉄骨、 ＲＣ（鉄筋コンクリート）、レンガ
	屋根	ソーラーパネル、ガルバリウム鋼板、瓦、萱 ルーフィング材
	窓	樹脂サッシ、アルミサッシ
	住宅設備	給湯器 、エアコン、 トイレ、 電池（ＥＳＳ）、 パワコン（ＰＣＳ）、 ＨＥＭＳ *
基礎	鉄筋コンクリート
外構		カーポート、緑地
ライフライン		◇ 水道、電気（ 電池 ）、 ガス、 通信（ネット）

^{50 )}

© 2009 K.Tachibana ^* , C1 Lab.

水は 工場の 用水 としても重要。

1950年、日本の水道普及率は30%に満たなかった。 * 生野菜を食べるGHQに、糞尿の肥料を禁止されたが、化学肥料の普及には至らなかった。 終戦後、海外からの引揚者によって持ち込まれた病原菌は、糞尿の肥料から、地下水に流れ込み、井戸を汚染した。 * 幼い子を疫病から救うため、水道の普及は急務であった。 そのため、水に強いポリ塩化ビニルを使ったパイプを作る必要があった。 石炭からカーバイトを経て *、アセチレンを作り、アセチレンから 塩化水銀を触媒として塩化ビニルを合成、重合してポリ塩化ビニルを作った。 1970年、日本の水道普及率は80%に至った。 水銀化合物を触媒とした工程の排水によって、環境を汚染し、多くの中毒患者を出した。 水俣病である。 河川や海洋の流れ出した有機水銀の中毒だと結論づけられるまで20年近くの歳月を要した。 水道の普及で安心な水を得たかわりに、河川や海洋の汚染というとんでもない代償を払ったことは、皮肉なことであった。

米沢市では、 水窪ダムと綱木川ダムを水源として笹野浄水場で、沈砂池で、砂を沈殿させ、 着水池で、カセイソーダと次亜塩素酸ナトリウムで消毒し、ポリ塩化アルミニウムで濁りを沈殿させ、 濾過池で濾過し、浄水池で次亜塩素酸ナトリウムで消毒し、 送水ポンプで配水池に送り、水道管で各家庭に届けます。 米沢市水道施設紹介

^{51 )} 👨‍🏫 千利休屋敷跡＠大阪府堺市堺区

名称	機能
ターボポンプ	遠心ポンプ	渦巻ポンプ
		拡散ポンプ	高真空
	軸流ポンプ
	斜流ポンプ
容積式ポンプ	往復ポンプ
	回転ポンプ	歯車ポンプ
		ベーンポンプ	低真空
特殊ポンプ	エアリフト
	アシッドエッグ
	ジェットポンプエッグ		アスピレータ

液体を高いところに組み上げたり、液体に圧力を加えて配管で輸送する 機械

*

• 📖テキスト： 野村正勝・鈴鹿輝男 最新工業化学―持続的社会に向けて― 講談社サイエンティフィク

  ✍ 予習報告書 ( エネルギー化学 無機工業化学 )

• 📖 テキスト： 松林光男、渡辺弘, イラスト図解　工場のしくみ ,日本実業出版社

  ✍ 予習報告書 ( 情報処理概論、 情報処理概論、 無機工業化学、 技術者倫理 )

• 📖テキスト： 山下正通、小沢昭弥, 現代の電気化学, 丸善 , 目次 , (2012).

  ✍ 予習報告書 ( エネルギー化学 無機工業化学 )

• 📕参考書：小菅人慈　ほか10名, 実教出版, 化学工学, (2023).

  ✍ ( 品質管理 )

• 📕参考書：細見正明　ほか11名, 実教出版, 地球環境化学, (2024).
• 📕参考書：和田雄二、多湖輝興　ほか8名, 実教出版, 工業化学１, (2022).
• 📕参考書：馬場章夫、安田誠　ほか7名, 実教出版, 工業化学２, (2022).

◇ 参考文献

無機工業化学