CQ:Comtec Quest ReNewals !!


Google
WWW を検索 サイト内を検索

HOME > 化学工学 > 化学工学の基本コンセプトと物質収支

化学工学はプロセス設計の基本となる工学で、原料から製品を作るためのものの流れ(狭義のプロセス)を具象化するために考えられた工学です。

化学工学を確立することで、以下の作業が可能となりました。

  1. 原料から製品を作るための手順(工程)を策定する。
  2. 工程に必要な機能を明らかにする。
  3. 機能を有する装置や機器を開発あるいは選択する。

工業的に生産されている化学物質は約10万種類あり、それぞれの生産プロセスに必要な装置や機器を1から設計することは限られた時間と経済的な面からあり得ないことです。

そこで化学プラントに共通する機能を抽出し、機能に係わる基礎理論と対応する装置の設計手法を決めました。それが化学工学の基本科目と応用科目です。

基本科目では化学や物理化学などの基本理論や現象を学習し、応用科目では化学機械の設計方法やプラント建設に係わる経済性評価を学習します。

化学工学の基礎と応用化学工学の基礎と応用
前のページ 次のページ

1. 化学工学入門

1.1 化学工学の基本コンセプト

化学工学は化学プラントを対象とした工学手法であり、そのために他の工学に比べ内容がより具体的で実務に適しています。ですから、他の工学を専攻したエンジニアでも、物理や化学などの一般的な知識があれば、化学工学を一通り理解することはそれほど難しいことではありません。
ただし、化学工学特有の基本項目、つまり、

  1. 物質収支
  2. 熱収支あるいはエネルギー収支
  3. 平衡
  4. 熱流動
  5. 経済評価


については改めて学習する必要があります。

この5つの項目は1944年から1947年に掛けてTexas A&M Universityにて化学工学を教えていたChalmer G. Kirkbrideが提唱したもので、その際にまとめた教科書「Chemical Engineering Fundamentals」は世界各国の学校で使用されていました。後の1954年にAIChE(米国化学工学会)会長に選任されています。

確かに熱収支や熱流動に関しては、機械工学分野でも熱力学や流体工学として学んでいますが、細部に渡って見ますと内容は異なっています。どのように違っているかも含め、「物質収支」から順次説明していきましょう。

1.2 物質収支
1.2.1 物質収支(液体)

物質収支の基本原理は「質量保存則」です。つまり、ある限定された範囲と適切な時間内において入ってくる質量と出て行く質量は変わらないということです。化学工学の場合にはこの限定された範囲が化学プラントや工場であったり、装置や機械であったりしますが、範囲の大小は問いません。また、適切な時間内も1時間であったり1日であったりします。
具体的に説明しますと、図に示すように流量Faで液体が中央部のドラムに入り、ドラム底部から液体が流量Fbで配管内に入り、流量Fcで外部に流出するシステムを想定します。ここで、流量Faは一定としますが、Fbは一定とはなりません。それはドラム液面がドラムから流出する流量Fbと流入するFaとの関係で上下に動き、その液面変動がドラムから流出する液体流速を支配しますので流量Fbが時間的に変化するからです。
しかし、配管から流出する流量Fcは配管の長さが適当であれば、多少時間遅れが生じますが流量Fbにほぼ等しくなります。

すなわち図に示すように、

  1. 流量Fa>Fbであれば、ドラム液面は当初は上昇しますが、適当な時間後に液面は一定となります。液面が一定になれば流量Fbは流量Faに等しくなります。また、その間、ドラム内液量は増加します。
  2. 流量Fa<Fbであれば、ドラム液面は当初は下降しますが、適当な時間後に液面は一定となります。液面が一定になれば流量Fbは流量Faに等しくなります。ただし、その間、ドラム内液量は減少します。


つまり、ドラムが流入する液体と流出する液体とのバッファ(緩衝)となっており、流量Faが変動したとしても、”或る時間”が経過すれば流量Fb(Fc)は流量Faに等しくなるように自律的に変化しています。しかし、化学プラントで”或る時間”まで待っていますと、その間に変動が大きくなったりして元に戻すまで苦労するだけでなく、連鎖的に影響が他の装置に波及してプラントにダメージを与えることがあります。そのために色々な制御システムが導入されています。これらも含めて基本設計を行うのが化学工学です。

つまり、換言すれば、「化学工学の役目は物質収支が適正になるように(入りと出の質量が同じになるように)する」ことなのです。
さて、或る限られた時間内では本当に流入する質量と流出する質量は同じにするにはどうしたらよいのでしょうか?(この答えは次回に・・・。)

物質とMass

物質収支の英訳はmaterial balanceあるいはmass balanceですが、この”mass”にはどのような意味があるでしょうか。英和辞典を調べてみますと、

  1. 塊、集団、多数、大量
  2. 大部分
  3. 質量
  4. 一般大衆:mass mediaなど


しかし、”Mass”と頭文字を大文字にすると「ミサ」という意味になります。つまり、キリスト教における儀式で、場合によっては”mass”とも書かれることがあります。
なぜ、”mass”が「ミサ」なのか、逆に何故「質量」なのかは調査不十分でわかりませんが・・・。