プロセスパッケージ開発の考え方と手順

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プロセスパッケージの開発思想と手順　YD-liutaize化学プラント向け一式技術プロセスパッケージは、その中核の中の中核であり、多くの化学業界の人々が手を出すことをためらい、非常に難解であると感じ、一歩も踏み出せない状況にある。筆者は過去8年間の実戦経験を踏まえて個人的な見解を述べます。業界の方々からの批判や指摘を歓迎します！開発の考え方と手順：一、工程ルートの決定　新製品のごく一部を除き、国内のほとんどの化学技術においては、工程ルートはすでに基本的に決定されている。同じ原材料から同じ製品を得るための工程ルートが複数ある場合、各ルートについて別々に分析・比較した上で決定する。主に以下のいくつかの観点から検討します：1、必要な温度、圧力などのパラメータ。いくつかのルートでは得られる効果がほぼ同等なため、操作パラメータの設定が容易なルートを優先的に選択する；2、投資；3、エネルギー消費量；4、安全；5、環境保護；6、材質に関する要求事項；7、製品品質；8、著作権侵害かどうか。二、データの収集　実験（ラボ、パイロットテスト、スケールアップテスト、量産など）や、文献、論文、技術書など、あらゆる可能な手段を通じて（合法的な範囲内で）基礎データを収集する。これには、技術に関わるすべての物質の物性や物質同士の相互作用、関与するすべての反応や触媒、反応機構などが含まれます。同時に、プロセス全体を通じて生じる知的財産権の保護にも注意すること。反応については周知の通り、反応はシステム全体の魂であり、「オニオンモデル」の最も中心にある。ここに問題が生じれば、他のすべての作業は無駄になり、ここが間違えば、全体の基準自体が間違ってしまうのだ。だから、とても、とても、とても重要です！反応は触媒の有無によって分けられる：触媒反応、非触媒反応；相態別に分けると：均一系反応、非均一系反応。どのような反応であっても、プロセスパッケージの開発者としては、その反応について深い理解を持ち、反応機構をしっかりと把握していなければならない。研究室での研究のみを行う科学者だけでは、プロセスパッケージをうまく作り上げるのは難しい。2つの要因に制約されるからだ。要因1：エンジニアリングの経験が不足していること；要因二：工業化後の生産経験の欠如。単にエンジニアリング設計のみを行う技術者でも、反応機構に関する知識や関連データが欠如しており、さらに生産データや生産経験も不足しているため、プロセスパッケージを適切に作成するのは非常に難しい。生産のみを行う技術者も、研究開発やエンジニアリング設計の経験やデータが欠如しているため、うまく仕事をこなすのは難しい。触媒反応の場合、プロセスパッケージの開発者は、強度、気孔率、充填密度、活性成分、担体など、触媒の物理的性質に関するパラメータを少なくとも把握している必要がある。さらに、触媒の化学的特性も把握する必要があります。例えば、反応の転換率や選択性、反応に影響を与える要因（温度、圧力、流量、成分比率を含む）、空間速度、触媒の不活性化や中毒を引き起こす要因、反応の熱力学的平衡パラメータ、反応の動力学方程式、反応の制御ステップなどです。もちろん、これらのデータはプロジェクトチーム内で触媒の研究開発を専門に行う人員によっても提供されることがあります。非触媒反応の場合も、同様に反応機構、反応に影響を与える要因、反応速度式、反応制御の手順、吸熱・発熱量、過剰な温度上昇がもたらす影響、反応の制御不能を防ぐ対策などを把握する必要がある。分離再循環化学装置において一般的な分離法には、気液分離、吸収、気提、解析、精留などがある。通常の分離タンクの計算は、分離される液滴の直径に基づいて行われますが、高性能な分離タンクの場合は一般的に工程上の要件が定められます。吸収の鍵は適切な吸収剤を見つけることであり、気提は元の気液平衡を破り、分圧を変えることによって分離を実現する。これは吸収の逆過程として解釈される。通常の蒸留では沸点に基づいて分離すればよいが、分離対象に共沸物や沸点差が非常に小さい物質が含まれる場合は、共沸蒸留、抽出蒸留、加圧変動蒸留などの特殊な蒸留法を検討することができる。分離対象物の具体的な状況を分析した上で決定する必要があります。データベースに二成分相互作用パラメータが欠けている場合は、気液平衡データを測定するか、資料を参照して取得し、その後気液平衡データに対して回帰分析を行って二成分相互作用パラメータを求める必要があり、それによって初めて正確な分離計算を行うことができる。循環は一般的に気相循環と液相循環に分けられ、循環は通常、反応のニーズや分離のニーズを満たすためのものです。化学プラントにおいては、ほとんどの反応の一次転化率は高くないため、より高い収率を得るためには循環方式を採用せざるを得ず、アンモニア合成、尿素、炭酸アンモニウム、石炭タール水素化、メラミン、メタノール、エチレングリコールなどのプラントがこれに該当する。また、分離が困難な系の場合でも、高い収率と良好な製品品質を得るために、循環方式が用いられることもある。循環量が大きくなるほど、循環圧損も大きくなり、それに伴ってエネルギー消費も高くなる。ここにはエネルギー消費を削減できる大きな余地がある。通常、ループが多くなるほど、プロセスの複雑さは高まり、設計や制御、操作の難易度も上がります。熱伝達・集熱技術に関わるすべての物質/流体のエンタルピーおよび比熱、すべての反応の反応熱、融解熱など。装置内では、温度や熱量の違いに応じて熱を交換し、回収する（可能な限り装置内で熱の回収利用を図り、装置内で回収できない熱については、工場全体の観点から熱の回収利用を検討する）。熱交換ネットワークの設計を行う際には、純粋な理論的考察だけにとどまらず、運用上およびプロセス上の実現可能性も同時に考慮する必要があります。なぜなら、熱交換によって引き起こされる露点腐食、結晶化、閉塞、気液両相が触媒に与える影響など、あらゆる要素を総合的に検討しなければならないからです。運動量伝達に関しては、すべての流れの粘度や気化圧力などのパラメータを収集し、二相流においてピストン流を避けることで、適切な装置配置によって運動量の損失を減らし、エネルギーを節約する。三、プロセスシミュレーションのプロセスパッケージ開発において、全プロセスのシミュレーションを行うことは不可欠である。プロセスシミュレーションには、二つの極端で誤った見解がある。見解1：プロセスシミュレーションは万能で、何でもシミュレーションすれば得られる；見解2：プロセスシミュレーションは役に立たない。影響を与える要因が多すぎて、正確に計算できない。上記の二つの見解はどちらも象を触っているだけであり、シミュレーションソフトウェアを客観的に理解することはできない。以下、筆者は自身の実戦経験に基づき個人的な見解を述べます。1、プロセスシミュレーションは工程を理解する上で非常に役立ち、特に全プロセスをシミュレーションした後は、システム全体への理解が質的に飛躍します；2、プロセスシミュレーションは単なる入力と出力ではなく、多くの人的分析が必要であり、各パラメータの変化やその影響要因、そしてあるパラメータの変更がシステム全体にもたらす変化は、一つ一つ丁寧に分析する必要がある。さらに、重要なデータは実験、パイロットスケール試験、パイロットプラント試験、および量産などのデータと比較分析し、モデルデータをさらに修正する必要がある；3、プロセスシミュレーションは万能ではない。入力がなければ出力もない。入力が間違っていれば、出力も必ず間違う。入力が正しくても、出力が実験データや生産データと一致しない場合があります。その不一致の状況について詳細に分析・検証し、矛盾の原因を突き止める必要があります；4、プロセスシミュレーションの活用により、**プロセスパッケージの開発時間を短縮し、実験作業の負担を軽減し、生産を指導し、データの推移を予測することができる**；5、プロセスシミュレーションにより、物質やエネルギーのバランスに関するデータや物性パラメータなどが得られ、これらは工学設計や生産における基礎データとして活用される；6、シミュレーションによって様々な案を総合的に比較し、最適な案を導き出すことができる。具体的な業務の進め方（以下は個人のスタイルであり、参考までに）：1、物性に基づき物性測定方法を決定する；2、反応からアプローチし、反応が熱力学的平衡のみに影響される場合は、化学平衡反応器モジュールを検討し、平衡温度差を調整することで関連するパラメータを得ることができる。反応が熱力学的平衡だけでなく反応動力学の影響も受ける場合、実験データに基づくフィッティングによって反応速度式および関連するパラメータ（活性化エネルギー、指数前因子、吸着因子、吸着/反応平衡定数など）を導出する。これらのパラメータをプロセスシミュレーションの反応モジュールに適用し、同時にシミュレーション結果と実験データを比較・分析・修正する。目的は、モデルに予測可能性を持たせ、工業的なスケールアップのための信頼できる根拠を提供することです；3、分離や熱交換の問題を解決するため、前述で収集したデータおよび初期に策定したプロセスに基づき、シミュレーション計算を行う（物性データの回帰、熱交換器の解析計算など）。そこで見つかった問題を分析・修正し、さらに様々な可能なプロセスを一つずつ計算して比較し、最適な案を導き出す。プロセスの最適案が決定された後は、個々の装置についてさらに最適化を行う；4、公共設備のマッチング（仕様はできるだけ少なくし、同時に投資も考慮する）。これで、シミュレーション作業はほぼ完了しました。以上の軽い表現が、一部の人々を誤解させないことを願っています。化学技術は本当に広範で深遠なものであり、どれか一つの点を極めて深く理解しようとすれば、一生を費やしても達成できないかもしれないのです。四、正確な全工程シミュレーションを経てPFD、PID、機器データシートを作成すれば、完全な物質フロー図（PFD）が得られる。典型的なユニット設備のフロー模式を参考にし、プロセスの特性や要求事項を踏まえつつ、計装専門家も参加してPIDを共同で構築する。PFD上の各流量情報から経済的な流速を求め、配管の圧損を計算し、その後管径を決定する。起動・停止時のニーズに応じて、置換処理、触媒の加熱還元／停止時の保護、予硫化などを考慮し、さらに必要な起動・停止用ラインも追加する。すべての機器について設計計算を行い、標準機器については詳細な仕様や材料選定の基準を定め、非標準機器については寸法、大きさ、高さ、内部部品などを計算する。反応器：反応を総合的に検討した上で決定され、具体的には、反応のタイプ（迅速反応/遅速反応、気液相反応/気気相反応/液液相反応/気固相反応、触媒反応/非触媒反応など）、触媒の性能（触媒反応の場合）、空間速度、反応速度、反応制御ステップ、滞留時間、物質の分布、熱移動、スケールアップ効果といった要因を考慮して設計される。塔器：充填塔、板式塔があり、同じ塔の中に充填材と塔板を併用するものもある。充填塔は一般的に圧損が小さく、板式塔は圧損が大きい。充填塔は板式塔よりもスプレー密度の要求が高い傾向にある。また、物質の性質も塔の選択に大きな影響を与える。分離要件に基づき、供給位置を最適化し、還流比と理論段数を調整する。また、物質の性質に応じて適切な液泛係数を選定して塔の計算を行い、各段／充填材における気液相負荷、液保持量、スプレー密度、圧力損失を算出する。熱交換器：プロセスシミュレーションのデータを熱交換器計算ソフトウェアに入力して計算すればよい。筆者は一般的にHTRIの検証モードを用いて計算を行い、プロセスシミュレーションでは冷温端間の温度差を通常≥8℃に制御し、温度の交差をできるだけ避ける。また、汚れによる熱抵抗や清掃、熱膨張を考慮し、適切な余裕も設ける。さらに、工場が建設される地域の気候条件や水供給状況に応じて空冷も検討し、空冷は一般的に熱負荷が大きく温度差が小さい場所で用いられる。熱交換の要求が高く、冷温端の温度差が小さく、圧力損失の要求が低く、占有面積も少なくて済むような場所には、高性能な熱交換器を検討する。圧縮機：ガス量、圧縮比、および送気体の組成に応じて圧縮機の形式を決定する。工場の具体的な状況、例えば電力料金、蒸気の余剰状況、ボイラーの設置可能性、自家発電所の設置可能性、石炭価格などの要因を総合的に分析した上で、電動駆動か蒸気駆動かを決定する。電動式を採用する場合、一般的に圧縮機の初期投資は低く、占有面積も小さく、運転や点検・保守の作業量も少ないが、製品1単位あたりのコストを考慮すると、電力は蒸気よりも高くなる傾向がある。蒸気駆動を採用する場合、一般的に圧縮機の初期投資が高く、占有面積も大きく、運転や点検・保守の作業量も多いが、製品1単位あたりのコストを考慮すると、蒸気の方が電力より安価である。もちろん、例外となる工場もあるので、状況に応じて対応し、決して一概に言えないのです！また、蒸気駆動を採用する場合は、圧縮機が全凝縮式、抽出凝縮式、または背圧式かを考慮する必要があり（これは工場全体の蒸気バランスの中で総合的に検討する必要がある）、圧縮機が全凝縮式または抽出凝縮式の場合は、表面冷却に水冷を用いるか空冷を用いるかも考慮しなければならない。これら二つは圧縮機の蒸気消費量に違いが生じるからである。セパレータ：前述の計算に基づき、機器のデータシートをまとめれば完了です。貯蔵タンク：緩衝タンク、中間貯蔵タンク、完成品貯蔵タンクなどがあり、滞留時間や貯蔵時間、さらには生産操作上の要件（手動による分析サンプリングの要求、製品の密封要件、シフト交代時の連携要件など）を考慮して決定される。その他の機器：非標準機器で、外形寸法、内部部品の種類および詳細な仕様、工程パラメータなどを明記すること；定型装置について、詳細な工程パラメータ、工程要件、材料選定の原則などを提示する。五、設計説明書、計装仕様書、インターロック説明書、推奨機器配置図などを作成する。この際、SHSG 052-2003石油化学プラントプロセス設計パッケージ（一式技術プロセスパッケージ）の内容規定に従い、そこに記載された要求事項を一つずつ満たしていく。もちろん、そこには幅広い知識が求められ、要求水準も高い。プロセスだけでなく、機器、計装、衛生、安全、環境保護、分析、配管材料、配置、生産なども含まれる…したがって、実際に使用できる優れた、成熟したプロセスパッケージを一人の力だけで完成させることは到底不可能である。それを支えているのは、きっと優秀なチームがいるに違いありません。このチームには研究開発、技術、エンジニアリング、生産などが含まれます。次に、分析・試験マニュアルと操作マニュアルという2つのマニュアルを作成する必要があります。これら2つのマニュアルを完成させるには、工程に対する深い理解だけでなく、多くの実験やパイロットスケールでのデータも必要となります。さらに、専門家や生産技術者が関与して作成する必要があり、そうしてできたマニュアルこそが人材育成や起動・停止、事故処理の指導に活用され、実質的な効果を発揮するのである。