『化学工学プロセス設計』を読んで――プロセス設計の体系

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『化学工学プロセス設計』を読んで――プロセス設計体系について　Liutaize
一般的に、ある化学製品を生産するには、反応、分離、循環、混合、加熱、冷却、圧力変更など、複数の工程が必要となる。全体の合成プロセスシステムでは、まず各々の独立したユニットを特定し、次にそれらの独立したユニット同士を結びつけて有機的な全体を形成し、製品目標を達成する必要がある。通常、フローチャートはすべてのユニットおよび具体的な機器間の関係を表している。フローチャートが決定されれば、全工程のシミュレーション計算を行うことができ、温度、圧力、流量、物質組成などのパラメータを調整することでプロセスの最適化を実現できる。プロセス体系の優劣を評価するには、主に以下のいくつかの観点から検討します。一、経済効果：ある製品を生産する際には、多くの場合、複数のルートやプロセスが選択可能です。つまり、どの道でも目的にたどり着けますが、生産コスト、投資額、土地面積などには大きな違いがあります。そのため、考え得る各プロセスについて個別に経済効果を計算し比較することで、最も経済的な方法を選び出す必要があります。もちろん、経済的効果は非常に重要な評価基準ですが、唯一の基準ではありません；二、持続可能な発展：持続可能性が前提であり、化学プロセスの設計においては廃棄物の最小限化、資源化、無害化が求められ、化学プロセス全体を通じて産業と生態系のバランスが保たれるべきである；三、適応性：優れたプロセスシステムは高い適応性を持つべきであり、つまり異なる運転条件のもとでも正常に動作し、かつ起動・停止や事故時の緊急停止なども容易に制御できること；四、安全性：安全性はしばしば定量化しにくいが、プロセス設計においては安全性を最優先に考える必要がある。不確実性の高い要因に対しては、設計者に高度な判断力が求められる。上記の点について、筆者はある技術プロセスの設計を行う際に深く実感しました。長い間、さまざまな考え得るプロセスの計算比較を行っていたのです。事例1：ある吸収塔における冷却された供給ガスの気相と、冷却塔のタンク内を循環する液体相との比較。冷却された供給ガスの気相では、ガスの熱供給係数が小さいため、全伝熱係数も小さくなり、熱交換効率が低下する。そのため、熱交換器を設計する際にはより大きな熱交換面積が必要となる。一方、冷却塔のタンク内を循環する液相は、液体の熱供給係数が高く、全体的な熱伝達係数も大きいため、必要な熱交換面積は小さい。しかし、混合が起こるため、良好な分離効果を得るには段階的な循環冷却が必要であり、塔の構造も複雑になる；事例2：ある発熱反応の反応器において、入口と出口での熱交換による熱回収プロセスと熱交換を行わないプロセスを比較した場合、反応器自体においては熱交換を行う方が有利である。しかし、結晶しやすい製品を扱う場合や、その後に吸収塔や蒸留塔がある場合には、必ずしもそうとは限らない。なぜなら、熱交換によって物質の温度が下がり、その結果吸収塔内の温度も下がり、製品の濃度が低下してしまい、蒸留に必要なエネルギーが増加するからである。一方、熱交換を行わない製品原料が吸収塔に入ると、温度が高いため塔頂での戻り流量が多くなり、塔底の温度も高く濃度も高くなる。その結果、後段の蒸留塔でのエネルギー消費量が少なくなり、総合的に見て熱交換を行わないプロセスの方が優れている；事例3：あるアルコールと水の混合溶液の蒸留において、通常の蒸留法と二段効用蒸留法を比較した。通常の蒸留法は初期投資が低いがエネルギー消費量が多く、二段効用蒸留法は初期投資が高いがエネルギー消費量が少ない。総合的に比較すると、二段効用蒸留法の経済的効果は通常の蒸留法よりもはるかに高い；事例4：ある反応において副反応により酸が生成される場合、一般的な対処法としては反応条件を調整し、反応装置を最適化することで副反応生成物である酸の生成を減らすか、または装置内で反応に関与する物質を用いて副産物を再反応させて回収処理するなどが挙げられる。しかし、回収率を100％にすることは不可能であり、最終的にはアルカリ液を加えて中和処理を行い、生成した塩は汚染物質として処分しなければならない。これがいわゆる最終処理である。プロセスフローの最適化により、ループを巧みに活用して汚染物質の発生源での処理を実現する；事例4：ある技術プロセスでは、反応器を複数台並列に使用する方式、複数台直列に使用する方式、および並列と直列を組み合わせた方式が比較されている。プロセス自体を見ると、並列に使用した場合はガス流量が多く、圧力損失が少ないのに対し、直列または並列と直列を組み合わせた場合はガス流量が少なく、圧力損失が大きくなる。配管にかかる初期投資を見ると、並列の場合は配管の直径が大きく、直列の場合は配管の直径が小さい。消費エネルギーはほぼ同じだと思われますが、圧縮機を詳しく調べると、並列方式の圧縮機の出口温度は直列方式の圧縮機の出口温度よりも低くなります（多段圧縮の場合は、段間冷却によるエネルギー消費も考慮されます）。つまり、一部の仕事が熱に変換されるため圧縮機の動力は増加しますが、もし圧縮機の出口での流体に加熱が必要な場合は、直列方式では必要な加熱量が減少します。したがって、どちらの方式が適しているかを判断するには、システム全体を総合的に比較する必要があります；事例5：各種運転条件の算出。硫黄回収や酸製造といった技術プロセスにおいては、低硫黄、高硫黄、富酸素、純酸素、空気、触媒の初期・中期・終期などの運転条件や、それらの組み合わせた条件が関与する。プロセス設計を生産ニーズに適応させるため、各運転条件について設計計算を行う必要がある；事例6：安全性のため、精留塔では真空精留を用いて温度を下げている。プロセス設計において常圧精留を用いれば分離要件は満たせるものの、その温度では安全上のリスクがあるため、物質の温度を下げて本質的安全性を実現するために真空精留を採用しなければならない。化学プロセス設計の「オニオン」モデルでは、その中心には反応器があり、反応器の外側には分離・再循環システムがある。分離・再循環システムの外側には熱交換ネットワークがあり、熱交換ネットワークの外側には公共工程がある。ほとんどの化学プロセスにおいて、反応器は原料を製品に変換できる唯一の装置であり、反応器の出口流には未反応の原料、製品、副産物が含まれる。製品の品質要件を満たすためには、反応生成物を分離・精製する必要がある。また、原料の利用率を高めてプロセスをより経済的にするために、未反応の原料は再利用される。反応によって分離・再循環システムが決定され、反応器および分離・再循環システムのプロセスを最適化し熱を回収利用することで、冷暖房負荷が確定する。不足分は公共工程によって補われるため、熱交換ネットワークが最外層の公共工程の選定と設計を決定する。したがって、一般的なプロセス構造設計においては、まず最初に反応を決定する。実験室では、未反応物の循環ができない、原料の供給条件が工業規模の装置よりも優れている、実験装置が小さい、スケールアップ効果が顕著であるといった制約があるため、ほとんどの実験室データは工業生産のデータと大きく異なります。そのため、パイロットプラントやサイドライン実験を行い、理論計算や関連する工学的経験を加えてデータを得る必要があります。このデータの正確性は非常に重要で、もし誤差が生じると、システム全体がずれてしまうことになります。次に、分離および再循環の設計を行い、その後熱交換ネットワークの設計と公共工程の設計を行う。化学プロセス設計の2つの手法：一つ目は、単純化できないプロセスを構築することである。オニモデルの論理構造に基づき、内側から外側へと進み、まず反応器を決定し、その後反応に応じて分離・再循環システムを追加する。そしてプロセスと組み合わせて熱回収を行い、冷温流体を総合的に利用することで、冷負荷と熱負荷が決定される。熱バランスの結果に基づき、公共工程を選定・設計する。全体のプロセスを通じて、各ステップで最適な選択、つまり局所的最適な意思決定を行わなければならない。個々の各ステップの設計を行う際には情報が不完全であるため、最適な決定を下すためには、他の決定と関連する設計も評価する必要がある。また、関連する設計を最適化するためには、多くの設計を完了させ、最適化する必要がある。しかし、多くのプロセス設計を完了し評価しても、最適なプロセスが見つかったと保証するのは難しい。なぜなら、機器間には非常に複雑な相互関係が存在し、各決定段階でプロセスを簡素化しようとすることで、複雑なプロセスがもたらす利点が犠牲になってしまうからだ。この手法の利点は、設計者が各ステップの基本的な設計決定をコントロールでき、あらゆる不確実性要因が意思決定プロセス全体に含まれ、設計者が設計の進行に合わせて設計自体と対話できることです。二、簡素化可能なプロセスの構築と最適化 本手法は、冗長なプロセス構造を構築するものであり、つまり、考え得るすべての相互に影響し合う最適な設計案を検討し、その中に余分な機器を含めることになるため、多くの選択が関わってくる。次に、設計方程式と設計変数を用いて設計問題を数学的な問題に変換し、最適化アルゴリズムを用いて解を求める。構造およびパラメータの最適化過程において、目的関数は経済的効果の最大化またはコストの最小化である。この方法を用いるにはいくつかの困難がある：1、プロセス内のすべての独立した単位操作を正確に表現すると、最適化が必要な経済的効果の分布曲線は非常に大きく、かつ不規則になる。2、この方法を用いると、意思決定の過程で設計者の役割が排除され、安全性やレイアウトなど、数学的モデルに組み込むのが難しく十分に考慮できない多くの不確実な要因が除外される。一方で、この方法にはいくつかの利点もあり、多くの異なる設計案を同時に検討でき、すべての設計手順をコンピュータプログラムとして記述することで、迅速に設計案を得ることができる。上記の2つの方法にはそれぞれ長所と短所があるが、筆者はより多くの場合、局所的最適決定＋全体システムの考慮という手法を採用している。すなわち、まず各単位操作プロセスを最適化して選択し、全体システムが構成された後でそのシステム全体を評価し、さらに局所的な部分についても調整・比較を行う。同時に安全性、環境保護、配置などの要因も考慮し、経済的効果が最も高いプロセスを導き出すのである。これは、設計者がプロセス自体を深く理解していることを必要とする。要するに、化学プロセス設計体系は総合的な問題であり、設計者はプロセス自体を深く理解し、体系的な手法を用いつつ、安全性や配置などの要素も考慮しながらプロセス構造を継続的に最適化し、繰り返しシミュレーションと評価を行うことで、最適なプロセスを見出す必要がある。