世界の石油化学分野における最適化技術の現状と発展傾向

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世界の石油化学分野における最適化技術の現状と発展傾向
世界各国で石油化学分野の最適化への関心が高まり、最適化技術に関する研究が深まる中、国内外の関連研究機関や技術企業は、特にシミュレーション最適化技術、エネルギー最適化研究、ソフトウェア開発などの分野で大きな進歩を遂げています。また、最適化技術の応用により、石油化学企業にも相当な経済的効果がもたらされています。以下では、シミュレーション最適化およびエネルギーシステム最適化の理論的研究の現状、国内外の技術企業における研究・応用の現状、ならびに発展傾向についてそれぞれ紹介する。（1）エネルギーシステム最適化理論の研究状況
プロセスエネルギーシステム理論の研究は20世紀70年代に始まった。研究が進むにつれて、国内外の学者たちは三サブシステム相互作用モデル、「オニオン」モデル、三段階モデルなどを次々と提案し、プロセスシステム内におけるエネルギーの構造、作用、変化を記述してきた。1983年、タウンセンドとリンホフは、プロセス最適化に関わる構造化手法を研究する中で、設計最適化のプロセスを簡素化するためにプロセスシステムを相互作用するいくつかのサブシステムから構成されるものと見なし、3つのサブシステム間の相互作用モデルを提案した。このモデルではプロセスシステムを処理（反応、分離）、熱交換ネットワーク、動力の3つのサブシステムに分け、プロセスシステムにおけるエネルギー変換と利用の内的な関連性や制約関係を定性的に表現したが、エネルギー構造の本質を正確に反映することはできなかった。1988年、リンホフらはプロセス設計の階層的特徴を強調するために「オニオンモデル」を提案した。その核心は反応サブシステムであり、それ以外は内側から外側へと順に分離サブシステム、熱交換ネットワーク、および公共工程サブシステムとなっている。しかし、このモデルはプロセスシステムのエネルギー構造を大まかに記述したものに過ぎず、厳密で定量的な数学モデルは提示されていない。1982年より、華賁らは熱力学第二法則の解析を基に、プロセスシステム内でのエネルギーの変化規則から出発し、エネルギー変換段階、エネルギー利用段階、エネルギー回収段階を含む三段階のエネルギー構造モデルを提案し、段階的に完善していった。このモデルは、厳密かつ定量的なプロセスシステムのエネルギーフロー構造のトポロジー関係を示しており、その鍵となるのは機能領域ごとの分子システムに分けてエントロピー経済モデル、対応する目的関数、および境界条件を定め、サブシステムの分解と調和的な最適化に基づいて全体的な改善案のエントロピー経済評価と調整を行うことである。しかし、エントロピー経済分析手法は理論的な側面が強く、作業プロセスも比較的複雑であるため、企業の実際の生産における適用には一定の制約がある。（2）国内外の研究および応用の現状　①海外の現状　近年、KBC社、ASPEN社、Shell GlobalSolutions社、Invensys社、Honeywell社、ProcessIntegrated Limited（PIL）社といった、世界的に有名な技術・ソフトウェア企業들は、高度なプロセスシミュレーションおよび最適化技術を基盤とし、先進的なサンプルポイント分析法を組み合わせ、豊富な専門家の知見を活用することで、独自のエネルギーシステム最適化技術ソリューションを段階的に構築してきました。そして、これらの技術は、いくつかの大手国際石油会社や石油化学企業で良好な成果を上げています。http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/xjFI9op4iaCnc9dCDiaNApMFYyfeIia5R1iaoxJWTG6e8t2gT3U8JP2Ah5iaVzrqC0fZlPLD1OmEvGMX7QiadsHb4TMg/0?wx_fmt=png KBC社はHYSYS.RefineryをベースにPetro-SIMプロセスシミュレーションソフトウェアを開発し、Petro-SIMで使用可能な触媒分解（FCC-SIM）、水素化分解（HCR-SIM）、触媒改質（REF-SIM）、ナフサ水素化処理（NHTR-SIM）、ディーゼル油水素化処理（DHTR-SIM）、VGO水素化処理（VGOHTR-SIM）、残油水素化脱硫処理（RHDS-SIM）、遅延焦化処理（DC-SIM）、アルキル化処理（ALK-SIM）、粘度低下型分解処理（VIS-SIM）、異性化モデルなどの標準的な反応器モデルセットを有している；熱交換ネットワーク最適化用のSuperTargetソフトウェア、蒸気システムのシミュレーション最適化用のProSteamソフトウェア、およびBT（Best Technology）指数に基づく最適なエネルギー利用効率技術を研究開発した。その研究で提唱された「全工場エネルギー統合技術（Total Site）」は、全工場のジャンクション分析技術と戦略的な省エネ開発計画のロードマップを活用し、全工場のプロセス装置や公共工程システムのエネルギー消費量と供給量を分析・最適化し、優先順位を付けることで、最も迅速かつ効果的な改善策を見出すものである。現在、KBCはBP、BASF、ESSO、Chevron、Total、COSMO、日本エネルギーグローバルなど50以上の製油所や化学工場でTotal Site全社エネルギー最適化プロジェクトを実施しており、省エネ率は15％～30％、水素需要の削減率は8％～20％、圧縮機の省エネ率は25％～35％となり、総コストは14％～20％削減されている。例えば、ヨーロッパのある製油所はTotal Site技術を活用してジャンクション分析および蒸気システムのモデリングを行い、プラント設備面ではタービンの改造、余熱の利用、コンバインドサイクル発電など、いくつかの省エネプロジェクトを提案した。これらを実施した結果、同製油所のエネルギー密度指数（Energy Intensity Index, EII）は5ポイント低下した；南アフリカのSasol Fuel社は、Total Site技術を用いてプラント設備システムを分析した結果、熱交換ネットワークの改善やコンバインドサイクル発電の導入など、多くの典型的な省エネプロジェクトを提案しました。これらを実施することで、プラント設備に必要なエネルギー量を約30％削減することができます。 アスペン社は多数のシミュレーション最適化ソフトウェア製品を有しており、主なものとして化学プロセスシミュレーション用のAspen Plus、石油精製プロセスシミュレーション用のAspen RefSYS、化学プロセスシミュレーション用のHYSYS、動的シミュレーション用のAspen Dynamics、熱交換ネットワーク最適化用のHX-NetおよびAspen Pinch、ユーティリティシステム最適化用のAspen Utilities、リアルタイム最適化用のAspen PlusOptimizer、熱交換器のシミュレーション計算用のAspen HTFS+シリーズ、一部の石油精製反応装置シミュレーションソフト、ポリマー反応シミュレーション用のPOLYMERなどがある。その中で、Aspen Plusは定常プロセスシミュレーションツールであり、順次モジュールと連立方程式という2つのアルゴリズムを1つのシミュレーションツール内に同時に備えた唯一のソフトウェア製品です；HYSYSは元々カナダのHyprotech社の製品でしたが、2002年にAspen社が同社を買収したことで、HYSYSはAspen社の製品となりました。これは、定常解析および動的解析の機能を両方備えた唯一のソフトウェア製品です；Aspen PlusOptimizerは、連立方程式解法を利用して、複数の自由度を持つ非線形目標関数の最適化問題を迅速かつ正確に解決することを可能にします。これにより、プロセス工学のエンジニアにとって、大規模で複雑なプロセスフローを解決するための有効なツールとなり、閉ループ型のリアルタイム最適化システムの実現にも寄与します。Aspen Plusのネスト製品として、Aspen Plusに含まれる自由度や制約条件、目標関数の設定・配置などの機能をすべてサポートしており、オンラインでのプロセス最適化やオフラインでのシミュレーションにも利用できます。上記のソフトウェア製品を基に、Aspen社はさらに研究を重ねてエネルギー最適化の総合的なソリューションを提案し、その専門知識を活用して多くの石油化学企業でエネルギーシステムの最適化分析を行ってきました。例えば、Aspenは2000年にBPのBulwer Island製油所でプラントエンジニアリングシステムの最適化プロジェクトを実施し、投資回収期間は1年未満でした；韓国のヨスにあるYNCCエチレン工場で、エチレン製造設備の省エネ化改修プロジェクトが実施されました。運転条件の調整や設備の改良により、生産量は10％増加し、単位エネルギー消費量は2.2％削減されました；2005年、中国海洋石油惠州製油所の設計案に対してエネルギーシステム最適化分析が実施された。これには水素システムの分析と最適化、全工場の蒸気システムの分析と最適化、全工場の燃料・電力（熱電併給）システムの分析と最適化、全工場規模でのピンチ分析などが含まれる。最適化後の設計案におけるEIIは80から61.5に低下し、これは年間2億4000万ドルの経済効果に相当する。シェル・グローバルソリューションズ社は、自社の専門コンサルティングチームと、導入・開発したシミュレーション最適化ソフトウェアを活用してエネルギーシステムの最適化分析を行っており、使用されるソフトウェア製品にはAspen Plus、Unisim、そして自社開発のECU、SHARC、plan24tune、EMSなどがあります。その中で、ECUソフトウェアはエチレン分解炉のシミュレーション最適化に、SHARCソフトウェアは触媒クラッキング装置のシミュレーション最適化に使用される。現在、Shell Global Solutionsは世界29か所の製油所および石油化学企業でエネルギーシステム最適化を実施しており、製油所のエネルギー消費量を約2％～7％、石油化学企業のエネルギー消費量を約3％～5％削減することに成功しています。インベンシス社は、プロセスシミュレーション（定常状態および動的シミュレーション）、オフライン・オンライン最適化、オペレーター訓練システムなどの分野で多数のソフトウェア製品を有しており、化学プロセスシミュレーション用のPRO/II、熱交換器およびネットワーク最適化用のHEXTRAN、動的プロセスシミュレーション用のDYNSIM、オンラインシミュレーション最適化用のROMeoなどがある。2002年、同社は韓国のダエサンにあるエチレン工場と日本の水島にある製油所でそれぞれエチレンのプラント設備を最適化しました；2005年、それぞれ大分のエチレン工場の公共工程システムと愛知の製油所の公共工程システムが最適化改修された。ハネウェル社は2004年に、定常および動的シミュレーション最適化用のソフトウェア製品であるHYSYSを買収し、2005年にはHYSYSとUOPの技術を基盤として新世代のプロセスシミュレーションソフトウェアシステムであるUniSimを発表しました。これにより、設計、オンライン最適化、オペレーター教育のシステムが1つの製品環境内で統合され、熱交換ネットワークの最適化やプロセス合成といった技術がさらに強化されました。その中で、UniSim Designは定常状態のプロセスシミュレーションに使用され、Unisim Dynamic Optionは動的プロセスシミュレーションに用いられます。また、UniSim SQP Optimizer Optionはプロセスシミュレーションの最適化に、UniSim ExchangerNetはピンチ解析や熱交換ネットワークの設計に利用されます。さらに、Profit Optimizerはオンラインでの動的最適化に使われます。PIL社は、熱回収熱交換ネットワークシステムの設計・改造技術およびHEAT-intソフトウェア、工場全体の蒸気動力システムの設計・運用最適化技術およびSITE-intソフトウェア、工場全体の水素リソース管理・最適化のための水素ジャンクション分析技術およびH2-intソフトウェアを研究開発しました。その中で、H2-intソフトウェア製品は、独自の水素化装置モデリング手法と高度な数理最適化手法を備え、水素ネットワークの厳密なプロセスシミュレーションと組み合わせることで、各単位操作を正確に記述し、製油所の水素システム運用を全体的に最適化することができる。現在、同社は複数のエネルギーシステム最適化プロジェクトを実施し、良好な省エネ効果を得ています。例えば、BPのグランジマウス工場にある13基の石油精製装置（常圧・減圧蒸留装置3基、水素化分解装置、触媒分解装置、改質装置、アルキル化装置、そして複数基の水素化精製装置）および8基の石油化学装置についてエネルギーシステムの最適化分析を行った結果、運用調整のみを行うことで年間780万ドルの省エネ効果が得られた；BPのコリトン製油所にある25基の設備においてエネルギーシステムを最適化した結果、運用調整のみを行っただけで年間370万ドルの省エネ効果が得られました。http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/xjFI9op4iaCnc9dCDiaNApMFYyfeIia5R1ia8iciaUHhs4yBzUz9POmic1fIDDFzzyibsmu32WKcoofTF6sb2wcpjAhUFQ/0?wx_fmt=png ②国内の現状 近年、優華プロセス技術会社、大連理工大学、中国科学院、清華大学、華南理工大学などは、一部の国際的に先進的なシミュレーション最適化ソフトウェアを導入した上で、独自の研究を行うことにより、デプス熱排出や大規模システムの熱統合、仮想温度法といった独自技術を確立しました。また、熱交換器最適化ソフトウェア、熱交換ネットワーク最適化ソフトウェア、蒸気動力システム最適化ソフトウェアといった製品も開発しています。さらに、装置や装置間、熱交換ネットワーク、蒸気動力システムなどのエネルギーを総合的に最適化する取り組みも行われており、良好な経済的効果が得られています。優華プロセステクノロジー社のエネルギーシステム最適化技術は、プロセスシステムの「三段階」エネルギー総合最適化理論と手法に基づいて構築されており、この技術を活用して国内の石油化学企業向けに40件以上の省エネ改善プロジェクトが実施されています。その中で、2002年9月に広東省科学技術庁が主催して行われた評価の結果としてまとめられた「プロセス工業におけるエネルギーシステムの最適化を石油・化学産業で活用する方法」という成果により、4社は年間1億2000万元の利益を得ることができました。同社が研究開発した独自技術およびソフトウェア製品には、専用熱交換器最適化ソフトウェア（HEDO）、水素化装置の熱供給後のエネルギー最適化技術、深度熱排出および大規模システムの熱統合に関する独自技術、低温熱の大規模システムでの総合的利用技術、蒸気動力システム最適化ソフトウェア（STOpti）、工場全体の循環水システム最適化用のCWoptiプロセスパッケージ、ポンプの省エネ化技術、熱交換ネットワーク最適化ソフトウェア（ODHEN）などがある。2001年、大慶製油化学の常圧減圧装置のエネルギーシステム最適化改修工事が実施された。最適化改修後、1系列あたりの蒸気使用量が2t/h～3t/h削減され、熱交換の終端温度が10℃以上上昇し、燃料消費量も100kg/h減少した；2セットの常圧運転により、熱交換の終温が6℃～8℃上昇し、燃料消費量が200kg/h～250kg/h減少する；大気中への蒸気放出量を8t/h～10t/h削減し、低温熱回収量を約2500kW増加させる。総投資額は約8000万円で、年間の省エネ効果は3200万円となる。年間1300万トンの原油処理能力を持つある石油化学企業において、エネルギーシステムの最適化が行われました。その結果、熱供給と熱の統合、低温熱システムの最適化、蒸気動力システムの最適化といったプロジェクトが提案され、実施されました。総工事費用は1億6000万円で、エネルギー消費量は1トンあたり14.9キログラムの標準石油換算量削減され、年間の経済的効果は3億6000万円に上りました。大連理工大学化学工学学院は、自主的な研究開発に基づき「プロセスシステムのエネルギー統合技術」を開発しました。また、「プロセスシステムにおけるエネルギー利用の一貫性原則」という概念を初めて提唱し、大規模で複雑なプロセスシステムをエネルギー利用の観点から一つの全体として統合しました。これにより、エネルギー統合の問題は、制約付きの熱交換ネットワークシステムの最適化問題へと変換されます。そして、大規模なエネルギーネットワークの最適化を行うためのソフトウェアV1.0が開発され、大規模システムのエネルギー統合問題を効果的に解決することが可能になりました；初めて「仮想温度法」（すなわち有効温度位）を用いた運用型および設計型のジャンクション分析を提案し、システム内におけるエネルギーの流れの分布状況を正確に描写することで、エネルギー利用状況の正確な診断を行った；「プロセスシステムのエネルギー統合戦略」をまとめ上げ、プロセスシステムのエネルギー使用診断、ボトルネックの発見、その解消、さらには生産設備の省エネ化と拡張の同時最適化を指導する。現在、この技術は大連、吉林、遼陽、撫順、燕山、齊魯などの石油化学企業にある20以上の生産装置におけるエネルギー使用状況や生産能力の分析に応用されており、提案された省エネ・生産能力拡大のための技術改良案のうち8件が実施されている。これにより、10％～20％の省エネ効果と20％～30％の生産能力向上が見込まれ、年間8000万元の経済効果が期待される。その中で、仮想温度法を用いて国内のあるエチレンプラントの冷却システムに対するエネルギー消費診断分析を行い、プロセスシステムのエネルギー消費のボトルネックを特定した。また、低温プロセスにおける熱伝達の温度差が小さいこと、および冷却用の公共設備が中間的な公共設備を利用しているという特徴に着目し、低温プロセス向けの多流路式熱交換器ネットワークを活用する総合的な手法を提案した。これにより、冷却用の公共設備の使用量は44.5％削減された。清華大学化学工学系のプロセスシステム工学研究所は、高い柔軟性と低い感度を持つ熱交換ネットワークシミュレーションシステム「HEXTH」および、工場全体のエネルギーシステムを最適化するためのツール「TSES」を開発し、燕山石化、齊魯石化、錦西石化などで実用化されている。エチレンプラントのシミュレーション最適化において、GK-V型エチレンクラッキング炉のシミュレーション解析システムPYRO-SimPおよびエチレンクラッキング炉のシミュレーション・最適化システムEPSOSを開発しました。また、蘭州石化の小規模エチレンプラント向けには、クラッキング反応の動力学モデルおよび全サイクル運用最適化モデルを開発し、プラントの運用を効果的に支援するとともに、ジエン収率の向上やプラントのエチレン製造にかかる総エネルギー消費量の削減に技術的なサポートを提供しました。さらに、PIL社のHEAT-intソフトウェアと清華大学のHEATSimソフトウェアを用いて、プロセス工程における熱回収システムの最適化・改良を行うためのソフトウェアプラットフォームを研究開発し、熱交換ネットワークの自動設計や改良、熱交換ネットワークのシミュレーションおよび最適化などが可能となっている；PIL社のSITE-intソフトウェアと清華大学のHEATSimソフトウェアを用いて、プラント全体の蒸気動力系統の最適化・改良用ソフトウェアが研究開発されました。このソフトウェアにより、系統工学に基づく分析、コージェネレーションの目標設定と最適化、系統シミュレーションによる最適化などが行えます。中国科学院過程研究所は日本の三菱社と協力して、重油遅延接触分解プロセスシミュレーションシステムを開発し、炭素系成分モデルを提案するとともに遅延接触分解反応器モデルを作成し、Pro/IIソフトウェアのインターフェースを通じてPro/IIソフトウェア内に正常に組み込むことに成功した；遅延接触分解の全工程シミュレーション用の専用ソフトウェアを独自に開発し、既存の商用プロセスシミュレーションソフトウェアから完全に独立して動作する；有効エネルギーに基づくプロセス全体のエネルギー効率解析モデルおよびデータベースシステムを提案した。これにより、原料、物流、ユニット、およびプロセス全体のエネルギー利用効率とエネルギー消費損失の原因を解析することができる。このシステムは単独で稼働することも可能であり、Pro/IIやAspenなどのプロセスシミュレーションソフトウェアとも連携させることができる。（3）キーテクノロジーの研究および応用の現状　①エネルギー消費評価手法　現在、海外の精製・化学企業や石油会社に広く認められている主要な石油精製におけるエネルギー消費評価指標としては、ソロモン社が提唱したエネルギー密度指数（EII）とKBC社のベストプラクティス指数（Best Technology, BT）がある。また、シェル社にも独自のエネルギー消費評価指標であるCEL（Correct Energy Loss）がありますが、エネルギー消費のベンチマーク比較を行う際には、依然としてソロモン社のEII指数を組み合わせる必要があります。その中で、EII指標は、製油所の実際の総エネルギー消費量、プラントの利用率、プラントのエネルギー消費指標、およびプラント外のシステムのエネルギー消費量といった主要な要因によって決定される。この指標は、製油所のプラントの状態、原料の質、運転条件、製品の品質がエネルギー消費に与える影響を反映しており、製油所の複雑さを考慮した総合的なエネルギー消費指標である。主に、異なる企業間の横断的な競争力の比較に用いられる。KBC社のBT指数は、主に企業の現在のエネルギー消費量と最適水準との差を縦断的に比較することによって企業間でランキングを行います。この指標は、原材料や工程、設備がエネルギー消費量に与える影響を適切に反映し、石油化学企業のプラントや工場全体のエネルギー使用における弱点を指摘することができます。これにより、企業はエネルギーシステムの最適化を目的別に進めるための方向性を見出すことができます。上記の指標は客観的であり、省エネの可能性を見出し、省エネ活動を指導するのに適しているため、海外の石油化学企業におけるエネルギーシステムの最適化分析において広く利用されている。ただし、エネルギー利用評価手法の具体的な研究内容は上記企業の核心技術の一つであるため、その具体的な研究内容は外部に公開・譲渡されません。国内の石油精製企業では、一般的に米国のアモコ社が1980年代に提案した石油精製の総合エネルギー消費量および単位要因別エネルギー消費指標が用いられており、化学事業ではこれまで化学製品の総合エネルギー消費指標が使用されてきた。2005年、中国石化は既存の石油精製エネルギー消費計算基準を見直し、主に現在の石油精製プラントの生産工程の変化に応じて、各プラントのエネルギー係数を調整した。2006年、中国石油はエチレン製品の総合エネルギー消費量の算出基準を改訂し、算出範囲を変更し、ジエンのエネルギー消費量などの指標を追加した。上記のエネルギー消費評価指標の利点は、エネルギー消費の概念を単純化し、各装置間のエネルギー消費の比較や製油所間の比較を容易にすることです。しかし、これは企業全体や装置の全体的なエネルギー使用水準の分析にのみ利用でき、原料や工程、設備などが装置のエネルギー消費に与える影響度を反映することはできません。特に、装置内のエネルギー使用システムや機器の重要な指標を比較することはできず、装置やシステムの重要な節約ポイントを直接見つけ出すためには利用できません。②精製プロセスシミュレーションの最適化技術およびソフトウェアにおいて、精製プロセスのシミュレーションで用いられる方法は主に3つあります：逐次モジュール法、連立方程式法、および連立モジュール法です。その中で、逐次モジュール法とは、各ユニットモジュールを順番に処理しながらシステムモデルを解く手法であり、モデリングが直感的で理解しやすいため、現在、広く利用されている石油化学プロセス全体のシミュレーションソフトウェアのほとんどがこの手法に基づいて開発されている。精製プロセスの最適化手法には、主に数理計画法、人工知能法、およびジャンクション分析法（熱交換ネットワークの最適化に主に用いられる）がある。以下で概説するシミュレーション最適化ソフトウェア製品は、主に上記のシミュレーションおよび最適化手法に基づいています。Petro-SIMは、業界をリードするKBC Profimatics技術と実績のある製油所向け厳密なプロセスモデルを組み合わせ、HYSYS.Refineryのインターフェースを基に開発された、フル機能を備えたグラフィカルなプロセスシミュレーターです。Petro-SIMでは、典型的な「デスクトップ製油所」を構築することができ、触媒クラッキング装置、接触改質装置、水素化クラッキング装置、水素化精製（ナフサ水素化、軽油水素化、ワックス油水素化、残油の水素化脱硫を含む）、遅延コーキング、芳香族異性化、異構化など、比較的完全な製油生産装置の反応モデルが提供される。このソフトウェアは世界中の120社以上の石油化学企業で導入されており、生産計画の最適化やPIP、エネルギーシステムの最適化において優れた効果を上げています。Aspen RefSYSは、Aspen社が成熟した汎用プロセスシミュレーションシステムであるHYSYSをプラットフォームとし、Aspen社および世界的に有名な石油精製技術会社であるUOPのさまざまな石油精製反応モデル（触媒分解、触媒改質、水素化分解、水素化精製を含む）を統合して開発された、製油所の全工程シミュレーションに適した優れたソフトウェアです。これにより、製油所は操業方法を改善し、工場全体の収益をより正確に予測することができます。現在、世界のトップ25の石油会社のうち23社がこの製品を使用しています。Aspen Plusは、Aspen社が提供する化学工業用の定常状態プロセスシミュレーションツールであり、連続プロセスの定常状態における物質収支およびエネルギー収支を解決することができる。充実したデータベースを備え、製品ラインナップも豊富で統合機能も強力である。逐次モジュール法（SM）と連立方程式法（EO）という2種類のアルゴリズムを単一のツール内に同時に搭載している唯一のシミュレーションソフトウェアでもある。成分、物性値、状態方程式に加えて、多種多様なユニット操作モジュールも用意されており、優れたモデル作成機能やプロセス解析機能を有している。インベンシス社のPRO/II製品は、汎用化学プロセスの定常状態シミュレーションソフトウェアであり、その起源は1967年にSimSci社が開発した世界初の石油精製蒸留シミュレータSP05にまで遡ります。1973年にSimSciはフローチャートベースのシミュレータを発表し、1979年にはPCベースのプロセスシミュレーションソフトウェア「Process」（PRO/IIの前身）を発表した。PRO/IIは、充実した物性データベース、強力な熱力学的物性計算システム、および40種類以上の単位操作モジュールを備えており、プロセスの定常状態シミュレーション、物性計算、装置設計、費用見積もり／経済評価、環境評価、その他の計算に利用できます。ROMeoは、Invensys社とShell社が共同で開発した、オープンなアプリケーションアーキテクチャを備えた次世代のオンライン最適化システムです。これは、Invensys社が持つ熱力学や単位プロセス分野における強みと、Shell社が有する数理モデリングや最適化アルゴリズム分野における先進的な技術を組み合わせたものであり、厳密なメカニズムに基づき方程式の解決を目的としたオンラインシミュレーション最適化システムです。このシステムにより、石油精製プロセスのシミュレーションおよび最適化において、包括的なソフトウェアソリューションが提供されます。ROMeoは、エクソンモービル社におけるプロセスのオンライン最適化を行うための標準的なソフトウェア製品となっています。Unisimは、Honeywell社が2005年にHYSYSおよびUOPの技術を基盤として開発した新世代のプロセスシミュレーションソフトウェアであり、設計、シミュレーション、オンライン最適化、およびオペレーター訓練のシステムを1つの製品環境内に統合しています。また、熱交換ネットワークの最適化やプロセス合成といった技術も強化されています。http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/xjFI9op4iaCnc9dCDiaNApMFYyfeIia5R1ia6dtaryM36g6VMibVibJIXF7Nng7BF5ficvYD5mSVT9BRmKZOaiax3Q2JfQ/0?wx_fmt=png ③精製の重点装置におけるシミュレーション最適化技術およびソフトウェア 常圧・減圧蒸留装置は石油精製工場の核心的な装置であり、主に中間段階での原料投入、複数の流出物の生成、中段部での還流が行われる複雑な精留塔である初留塔、常圧塔、減圧塔などから構成される。このような複雑な蒸留塔のシミュレーション手法には、段ごとの計算法、行列法、F係数法などがあり、最も一般的に用いられるのは段ごとの計算法である。また、Aspen RefSysのPetroleumDistillation Columnモジュール、Petro-SIMのDIS-SIM、Aspen PlusのPetroFracモジュールなど、これに対応するシミュレーションモジュールも既に開発されている。これらのモジュールは多くの製油所で使用されており、いずれも満足のいく精度を達成しています。触媒クラッキング装置は石油精製所における重要な二次加工装置であり、そのシミュレーション最適化の核心は反応・再生システムにある。現在、国内外で開発されている関連するシミュレーション最適化ソフトウェア製品には、Aspen社のAspen FCCおよびAspen RefSYSCatCracker、KBC社のFCC-SIM、Shell社のSHARCなど、そして国内の洛陽石化工程社のFCCMがある。その中で、Aspen FCCソフトウェアの反応モデル部分は、現在触媒分解反応をより包括的かつ洗練された形で記述するための21の集約反応動力学モデルが採用されており、触媒分解の反応経過を比較的合理的に記述することができる。昇温管反応器モデルは、1つの予備昇温段と2つの反応段から構成されている。生成物分離部分では相関法による分離が行われ、原料の性質や運転条件の変化に伴う生成物の分布や性質の変化傾向をシミュレーションできる。また、プラントの最適化計算も可能であり、最適化の目標としては特定の製品の最大収率やプラントの最大経済的利益などが設定できる。最適化変数には、原料の予熱温度、昇温管出口温度、再生煙ガス中の酸素含有量、沈殿器の圧力、再生器の圧力、再処理油の流量、再処理油スラリー、触媒の活性度などがある。Aspen RefSYSCatCrackerは、使いやすく厳密なメカニズムモデルであり、Aspen RefSYSに含まれる精製ユニットモジュールです。プラント全体のフローに迅速に統合することができます。KBC社のFCC-SIMは触媒分解装置のメカニズムシミュレーションモデルであり、厳密なコーク燃焼動力学の原理に基づいて熱収支モデルを構築しています。昇温管反応器やリジェネレータの焼結などの動力学モデルも詳細に備えており、触媒活性モデルによって、特定の触媒分解ユニットに最適な原料、転換率、触媒などを選定することができます。シェル社が1995年に発表したSHARCも厳密なメカニズムモデルであり、原料や触媒、運転条件の変化が触媒分解装置の運転に与える影響を予測し、装置の運転を最適化するために使用されており、現在までに7回アップグレードされている。このモデルはまず装置の炭素および熱バランスを算出し、その後、原料・触媒の添加率や操作条件の変化が収率や製品性能に与える影響を予測することで、ユーザーが原料の選定と最適化、触媒の評価と制御を行い、装置の運転改善を図れるようにする；シェル独自の原料特性表現技術を採用し、例えば不揮発性コークス（NVC）を用いることで、コークス収率の予測がコンラッセン残炭を用いる場合よりもより正確になる；オープンな構造を持ち、他のオンライン最適化ツールや製油所の線形計画モデルと組み合わせて利用しやすい。洛陽石化工程公司のFCCMは、重油触媒クラッキングの13集総動力学モデル、触媒再生の本質的動力学、および再生器の流動・移動モデルを基に開発されたもので、さまざまなタイプの反応器および再生器に適用可能である。触媒改質は石油精製所における重要な二次加工装置の一つであり、改質反応の動力学モデルの研究開発は、改質装置の全工程シミュレーションを実現するための核心的な内容である。反応に関与する化合物は300種類以上にも及び、ナフサ系炭化水素の脱水素芳香族化、アルカンの脱水素環化、異性化、水素化分解などの反応が含まれている。これらの反応は連続的に、または並行して、あるいは交差して起こり、複雑な反応系を形成している。したがって、反応動力学モデルの開発における鍵となるのは、集約された構成要素を適切に単純化し、構成要素間の反応ネットワークを構築することである。現在、国内外の学者によって多くの集約反応動力学モデルが開発されており、Smithの4集約モデル、Ramageの13集約モデル、翁惠新らによって提案された16集約モデル、Jorgeの24集約モデル、Fromentの28集約モデルなどがある。最も代表的なのはラマージュの13要素集約モデルであり、このモデルは工業プラントの稼働開始、プロセス監視、故障診断、運用および設計の最適化、研究開発の指導などに広く利用され、顕著な経済的効果をもたらしている。現在、一部の汎用プロセスシミュレーションソフトウェアには、Aspen RefSYSのReformerモジュールやKBCのRef-SIMモジュールなど、触媒改質反応モデルが内蔵されている。Aspen RefSYSに内蔵されている触媒改質反応モデルは、連続改質装置や半再生型改質装置をシミュレートでき、触媒金属の負荷量や過去の触媒挙動に基づいた触媒の不活性化速度を算出することができる。KBC社のREF-SIMには、連続改質、半再生改質、および循環ユニットのモデルがあり、炭素数と種類によって決定される詳細な動力学反応が含まれている。水素化分解装置は、高品質な軽質油を生産するための重要な装置であり、モデリングには厳格な要件が求められる。現在、代表的な水素化分解反応の動力学モデルには、以下のものがある：1）生成物の数と沸点範囲に基づいて分類された4集約モデルであり、このモデルをロマシキン減圧蒸留油およびアランス減圧蒸留油に適用した結果、一定の温度・圧力条件下で反応モデルの予測値は実験値と一致した；2）狭い留分用の多集中反応動力学モデル。このモデルは、比較的広範囲な原料の沸点範囲において製品の沸点範囲および収率を予測し、その結果がパイロットプラントの実際のデータとよく一致することから、本モデルを用いて未試験の製品の収率を補間予測できるものと考えられている；3）沸点と化学的性質によって分類された7つの集約モデル。現在、一般的に使用されている水素化分解シミュレーションソフトウェアには、Aspen RefSysのHydrocrackerモデルとKBCのHCR-SIMモデルがある。その中で、Hydrocrackerモデルには、水素化脱硫、水素化脱窒、脱金属、オレフィンおよび芳香族の飽和、開環、脱アルキル環化、パラフィンの分解、パラフィンの異性化、そして触媒の不活性化といった、すべての重要な反応を含むモデルが含まれている。KBCのHCR-SIMモデルもすべての主要な反応を含んでおり、詳細な熱バランス計算を用いて反応床の温度上昇を算出することで、生成物および水素の消費量を正確に予測することができる。水素化精製プロセスには、反応器、気液分離器、熱交換器、ストリッパー、遠心式圧縮機などが含まれ、反応動力学モデルには、オレフィン飽和モデル、脱硫モデル、脱窒モデル、脱酸素モデル、芳香族飽和モデル、芳香族開環モデル、およびシクロアルカン開環モデルなどがある。現在、一般的な水素化精製シミュレーションソフトウェアには、Aspen RefSysのHydrotreatorモデルとKBCのDHTR-SIMモデルがある。Hydrotreatorモデルには、専用の軽油、ワックスオイル、および残油原料モデルが含まれている；DHTR-SIMモデルは、水素化脱硫、水素化脱窒、芳香族の飽和および分解を含むすべての重要な反応に対して厳密な動力学的特性を有し、超低硫黄含有レベルの脱硫も正確に記述することができる。遅延重質油分解装置のメカニズムモデルに関する文献報告は少なく、現在開発されている重質油分解装置シミュレーションソフトウェア製品には、KBCのDC-SIM、洛陽石化工程公司のDCLK、および中国科学院過程研究所の重油遅延重質油分解プロセスシミュレーションシステムが主にある。その中で、KBC社のDC-SIMソフトウェアは遅延焦化工場のメカニズムシミュレーションモデルであり、コークス塔の温度、循環比、操作圧力、原料の性質といった重要なプロセス変数が及ぼす様々な影響をシミュレートでき、Petro-SIMに組み込んで使用することができる。洛陽石化工程公司のDCLKソフトウェアは、コークス化プロセスの集約型反応動力学モデルに基づいて開発された、工業用遅延コークス化プロセスを動的にシミュレーション・最適化するソフトウェアです。このソフトウェアは、工業用遅延コークス化装置の非定常性といった特徴を再現でき、1つの運転サイクルの中で任意の時点における製品の生産量や、コークス塔内の各物質の瞬間的な組成を予測することができます。中国科学院のプロセス研究チームが日本の三菱社と共同で開発した重油遅延焦化プロセスシミュレーションシステムは、遅延焦化反応器モデル、遅延焦化の全工程シミュレーション、有効エネルギーに基づく全工程のエネルギー効率分析モデル、およびデータベースシステムなどを備えている。単独で動作させることも可能であり、Pro/IIやAspenといったプロセスシミュレーションソフトウェアと連携させて使用することもできる。エチレンプラントの省エネ最適化の方向性は、主に分解反応のシミュレーション最適化と冷却ゾーンのシミュレーション最適化である。現在、分解反応モデルは以下の3つのカテゴリーに分けられる。KSF分解深さ関数とPONA値を用いて分解過程における生成物の分布を記述する経験的動力学モデルがそれにあたる；クマールモデルを代表とする分子反応動力学モデル；SPYROモデルを代表とするメカニズムモデル。主なソフトウェア製品には、SPYRO（TECHNIP）、ECU（SHELL）、OlefinSim（KBC）、PYRO-SimP（清華大学）などがあります。その中で最も成功しているのがSPYROモデルであり、その最新の反応シナリオには約240種類のラジカルや分子種（または等価成分）が関与する7000以上の反応が含まれており、C2からHVGOまでの分解生成物の収率を予測することができる。SPYROプログラムの計算は2つの段階に分かれており、第1段階では簡略化された動力学モデルを用いて正確な圧力分布と物質の温度分布を計算する；第2段階では、ラジカル反応機構に従い、第1段階で得られた温度分布に基づいてエンタルピー平衡および素反応の動力学計算を行う。プロセスシミュレーションソフトウェアと連携し、SPYROによる反復計算を同期させることで、プロセス中の複数の案に基づく計算や生産データの動的シミュレーションを最適化し、生産状況をより正確に反映させます。これにより、エチレン分解の原料および生成物の構造を最適化し、省エネルギーと効率向上を実現します。このモデルを用いて分解炉の運転管理、原料選定、および製造プロセスの最適化を行うことで、エチレン収率を1％～4％向上させることができると期待される。例えば、2004年10月以降、燕山石化のエチレン原料は石油精製設備による外部原油の処理の影響を受けて徐々に悪化し、エチレン収率は継続的に低下した。また、分解炉の運転サイクルも明らかに短縮された。これに対し、分解原料、工程条件、分解生成物の組成などを追跡し、SPYROソフトウェアを用いて分解炉のシミュレーション計算を行うとともに、利用可能な仕事の解析やジャンクション分析などの技術を活用して、分離工程、熱交換プロセス、操作方法などの最適化案を提案した。この装置は2005年3月から運転を開始し、産業データによると、運転サイクルに大きな影響が出ない状況下で、エチレン収率が約1%向上した。④熱交換ネットワークのシミュレーション最適化技術およびソフトウェア　熱交換ネットワークの最適化は、20世紀60年代からプロセス設計の総合的な課題の一つとして注目されるようになり、多くの研究者がその総合的最適化問題について深く研究を行い、実際の工業分野で応用することで顕著な経済的効果をもたらしました。熱交換ネットワークの最適化手法には、ジャンクション法、数理計画法、および人工知能が主に含まれる。その中で、ジャックポイント技術は1982年にリンホフによって提唱されたものです。この技術は熱力学第二法則に基づいており、主に熱交換ネットワークの総合的最適化に用いられる。この技術は、エネルギー回収に限界があるという観点から、温度・エンタルピー曲線や問題表を組み合わせてエネルギー回収のボトルネックを特定し、最大限のエネルギー回収が可能な初期ネットワークを構築する。次に、投資コストと運用コストを比較検討し、ネットワークをさらに最適化することで、最適な熱交換ネットワークを得る。1986年、LinnhoffとAhmad、およびFloudasという2組の研究者が、熱交換ネットワーク最適化における最適な挟み角温度差を求めるための異なる手法をそれぞれ独立して提案した。前者の手法は「スーパーターゲティング法」（Supertargeting）と呼ばれる；1992年、尹清華、華賁らは、流動エクセルギー損失やマッチングユニットの最適化を考慮しない場合、得られる解が真の最適な挟み角温度差とはならない可能性があると指摘し、流動エクセルギー損失、マッチングユニットの最適化、および熱伝達の強化を同時に考慮した際の最適な挟み角温度差への影響について詳細に論証し、改良された最適化戦略を提案した；Challandら（1981年）およびClbert（1982年）が提案した二重最小熱交換温度差法において、組み合わせ曲線の最小熱交換温度差はHRATとして用いられ、外部から供給されるエネルギー量を決定する。一方、合成ネットワークにおいては、個々の熱交換ユニットの熱交換温度差はE-MATとして用いられ、そしてEMAT