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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
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化学工学とは何か

化学工学と化学プロセス

化学反応の3因子

化学工学の目的は化学工業の発展を意図して体系付けられた学問ですので、化学工業の理論基盤となっている化学プロセスの構築も化学工学の目的の一つです。

光合成でも説明しましたように、光合成を行う上で必要なモノは原料である水と二酸化炭素、それと光エネルギー、および反応を進めるための最適な温度と圧力、そしてこの運転条件を可能にする反応器の6つです。その結果、酸素とグルコースの二つの物質が生成します。

これらを改めて分類し、三つの因子に分類することにします。まず、一番目が、

  1. 反応生成物:原料(反応物)と製品(生成物)
  2. 反応条件:反応に必要なエネルギーの種類と量、それと反応に適した温度圧力条件
  3. 反応空間:反応を進行させるために必要な空間の確保


化学プロセスには種々の反応を伴いますので、上記の3つの因子は化学プロセス全般に渡って共通するものと見なすことが出来ます。

3因子の特徴

この3因子にはある特徴があり、それを明らかにするために化学系と機械系プラントとの比較を行ってみましょう。
まず、化学系プラントで扱う原料や製品の多くが有害で、危険性物質を含んでいることが上げられます。例えば危険物は「対象に危険を及ぼす可能性を秘めた物質」と定義され、以下のような物質が含まれます。

  • 可燃性ガス:水素・天然ガスなど
  • 可燃性液化ガス:LPGなど
  • 可燃性液体蒸気:エーテルやベンゼンなど

また、劇毒物は「生物学的作用が強いもの」と定義され、シアン化水素、水銀や弗化水素などが含まれます。圧縮された気体、つまり高圧ガスには、水素、一酸化炭素と二酸化炭素、酸素や窒素などの気体が含まれます。国内の石油精製プラントにおける事故事例を見ましても、その2/3が火災あるいは爆発による事故と報告されています。
これに対して例えば自動車工場で取り扱う車体や部品などはほとんどが無害であり、一部を除いて危険性物質を扱ってはいません。

機械系プラントでの運転条件はそのほとんどが大気圧でかる常温に対して、化学系プラントの運転条件は地球以外の惑星の大気条件に類似しています。例えば圧力は真空から超高圧(100MPa)、温度は絶対零度から二千度以上の広範囲に渡っています。

さらに化学系プラント特徴は少量と言えども酸素あるいは空気の侵入を許さないことです。その理由は酸素の存在がもたらす酸化現象と燃焼爆発の可能性です。

以上を表にまとめてみましたが、これからわかるように化学系プラントで使用される空間、つまり反応空間には以下の機能が必要となります。

  1. 設備機器配管は全て密閉される。
  2. 外部から異物は侵入出来ない。
  3. 外部に内部物質を漏らさない。




次回に続く・・・。

化学プロセスの三種の神器

世の中には”何とかの三種の神器”があるように、化学プロセスやプロセス設計にも色々な”三種の神器”がある。
例えば、本文で説明した”原料と製品”、”反応条件”および”反応空間”は化学プロセスが進行するために必要な三要素である。さらに反応条件を細かく分類すると、”温度”と”圧力”そして”エネルギー”の三項目がある。また、化学プロセスのHAZOPにおける重要なキーワードは”温度”と”圧力”と”流量”で、ここにも三つの項目がある。

ではプロセス設計に必要な”三種の神器”はなんであろうか。それは想像力、あるいはイメージを具体化出来る能力で、例えば”PFDやP&Iを三次元で理解できる能力”や”流れや伝熱の様子をイメージできる能力”、そして”トラブルを予知出来る能力”だと思う。
この能力があれば完全無欠なプロセスを構築できるが、それは今のところ不可能に近い。