パイロットプラント

パイロットプラントとは、主に新技術の学習を目的として、新生産技術を採用し、新技術に基づく製品を少量生産する商業化前の生産システムです。得られた知識は、その後、フルスケールの生産システムと商用製品の設計、およびさらなる研究目標の特定と投資決定のサポートに使用されます。その他の（非技術的な）目的には、新技術に対する国民の支持を得ることや、政府の規制に疑問を呈することなどがあります。^[1]パイロットプラントは、パイロットプラントが通常フルスケールの生産プラントよりも小さいという意味で相対的な用語ですが、さまざまなサイズで構築されます。また、パイロットプラントは学習を目的としているため、通常はより柔軟性が高く、経済性が犠牲になる可能性があります。パイロットプラントには、在庫の実験装置を使用して実験室で構築されるものもあれば、かなりのエンジニアリング作業が必要で、数百万ドルの費用がかかり、プロセス装置、計器、配管からカスタム組み立ておよび製造されるものもあります。また、フルスケールプラントの人員をトレーニングするために使用することもできます。パイロットプラントは、デモンストレーションプラントと比較して小さくなる傾向があります。

パイロットプラントに似た言葉にパイロットラインがある。^[2]本質的には、パイロットプラントとパイロットラインは同じ機能を果たすが、「パイロットプラント」は（生）化学および先端材料の生産システムの文脈で使用され、「パイロットライン」は新技術全般に使用される。「キロラボ」という用語は、予想される出力量を指す小規模パイロットプラントにも使用される。^[3]

パイロットプラントは、大規模なプロセスプラントの建設に伴うリスクを軽減するために使用されます。その方法はいくつかあります。

• パイロットスケールシステムの限界を決定するために、コンピュータシミュレーションと半経験的手法が使用される。これらの数学モデルは、実際のパイロットスケールプラントでテストされる。スケールアップにはさまざまなモデリング手法が使用される。これらの方法には以下が含まれる: ^[4]
  • 化学的類似性研究
  • 数学モデリング
    • 化学プロセスシミュレーション
    • 有限要素解析 (FEA)

      

    • 数値流体力学 (CFD)

これらの理論モデリング手法は、次の結果を返します。

• 最終的な質量とエネルギーのバランス
• 最適化されたシステム設計と容量
• 機器要件
• システムの制限
• パイロットモジュールの構築コストを決定する基準

• 本格的なプラントを建設するよりも、建設コストが大幅に安くなります。非効率または実現不可能なプロジェクトに多額の資本を投入する必要がなくなります。さらに、パイロット規模では設計変更をより安価に行うことができ、大規模なプラントを建設する前にプロセスの欠陥を解決できます。
• これらは、フルスケールのプラントの設計に貴重なデータを提供します。たとえば、反応、材料特性、腐食性に関する科学的データは入手可能ですが、複雑なプロセスの動作を予測することは困難です。他のプロセスのエンジニアリング データは入手可能ですが、このデータは必ずしも対象のプロセスに明確に適用できるとは限りません。設計者は、パイロット プラントのデータを使用して、生産規模の施設の設計を改良します。

システムが明確に定義され、エンジニアリングパラメータがわかっている場合、パイロット プラントは使用されません。たとえば、既存のプラントと同じ機能を持つ新しいプラントを建設して生産能力を拡大したいと考えている企業は、パイロット プラントを使用しないことを選択する場合があります。

さらに、コンピューターによるプロセス シミュレーションの進歩により、プロセス設計者の自信が高まり、パイロット プラントの必要性が減少しました。ただし、最先端のシミュレーションでも複雑なシステムの動作を正確に予測することはできないため、パイロット プラントは依然として使用されています。

システムのサイズが大きくなると、物質の量に依存するシステム特性 (示量特性を持つ) が変化する可能性があります。化学工場における表面積と液体の比率は、このような特性の良い例です。小さな化学スケールでは、たとえばフラスコでは、表面積と液体の比率は比較的大きくなります。ただし、問題の反応が 500 ガロンのタンクに収まるようにスケールアップされると、表面積と液体の比率ははるかに小さくなります。この表面積と液体の比率の違いにより、プロセスの熱力学と反応速度論の正確な性質は非線形に変化します。これが、ビーカー内の反応が、大規模な生産プロセスでの同じ反応と大きく異なる動作をすることがあるためです。

生産規模への移行中に変化する可能性のあるその他の要因は次のとおりです。

• 反応速度論
• 化学平衡
• 材料特性
• 流体力学
• 熱力学
• 機器の選択
• 攪拌
• 均一性/同質性

パイロット プラントの運用からデータを収集した後、より大規模な生産規模の施設を建設することができます。または、プロセスの商業的実現可能性を実証するために、通常はパイロット プラントよりも大きく、フルスケールの生産プラントよりも小さいデモンストレーション プラントを建設することもできます。企業は、新しい製品、新しい原料、または異なる運用条件のアイデアをテストするために、パイロット プラントの運用を継続することがあります。または、メイン プラントの生産を増強する生産施設として運用することもできます。

ベンチスケール、パイロットスケール、デモンストレーションスケールの違いは、業界や用途によって大きく左右されます。業界によっては、パイロットプラントとデモンストレーションプラントを同じ意味で使用しているところもあります。パイロットプラントの中には、一体型ユニットとして簡単に輸送できるポータブルモジュールとして構築されているものもあります。

たとえば製薬業界のバッチプロセスの場合、ベンチスケールは通常 1 ～ 20 kg 以下のサンプルで実施されますが、パイロットスケールのテストは 20 ～ 100 kg のサンプルで実施されます。デモンストレーションスケールでは、基本的に、長期間にわたって機器をフル商用供給速度で稼働させて、操作の安定性を証明します。

石油産業などの連続プロセスの場合、ベンチスケールのシステムは、通常、触媒が 1000 mL 未満のマイクロリアクターまたは CSTR システムであり、一回通しで反応や分離を研究します。パイロット プラントには通常、触媒容量が 1 ～ 100 リットルのリアクターがあり、多くの場合、物質収支を完結することを目的として、生成物の分離とガス/液体のリサイクルが組み込まれています。デモ プラント (セミワークス プラントとも呼ばれる) では、一般的な触媒容量が 100 ～ 1000 リットルの範囲で、商業化前の規模でプロセスの実行可能性を研究します。連続プロセスのデモ スケール プラントの設計は、スループットははるかに低いものの、予想される将来の商業プラントの設計と非常によく似ており、その目的は、市場テスト用に大量の製品を生成すると同時に、長期間にわたって触媒の性能と動作寿命を研究することです。

新しいプロセスの開発では、パイロット プラントとデモ プラントの設計と運用が将来の商業プラントの設計と並行して実行されることが多く、パイロット テスト プログラムの結果が商業プラントのフローシートを最適化する鍵となります。プロセス技術がうまく実装された場合、パイロット テストによって得られる商業規模での節約がパイロット プラント自体のコストを大幅に上回ることがよくあります。

カスタム パイロット プラントは、研究目的または商業目的で設計されるのが一般的です。規模は、自動化がなく流量が少ない小規模システムから、1 日に比較的大量の製品を生産する高度に自動化されたシステムまでさまざまです。規模に関係なく、機能するパイロット プラントの設計と製造の手順は同じです。手順は次のとおりです。

1. 事前エンジニアリング - プロセスフロー図 (PFD)、基本的な配管および計装図 (P&ID)、および初期機器レイアウトを完成させます。
2. エンジニアリング モデリングと最適化 - プロセス パラメータをモデル化し、化学プロセスをスケールするシミュレーション ソフトウェアを使用して、2D および 3D モデルが作成されます。これらのモデリング ソフトウェアは、システムの制限、非線形の化学的および物理的変化、および潜在的な機器のサイズを決定するのに役立ちます。質量とエネルギーのバランス、最終的な P&ID、および一般配置図が作成されます。
3. システムの自動化戦略が開発されます（必要な場合）。制御システムのプログラミングが開始され、製造と組み立てまで継続されます。
4. 製造と組み立て - 最適化された設計が決定された後、カスタム パイロットが製造され、組み立てられます。パイロット プラントは、オンサイトで組み立てることも、制御された環境で構築およびテストされるモジュラー スキッドとしてオフサイトで組み立てることもできます。
5. テスト - システム制御を含む完成したシステムのテストは、適切なシステム機能を保証するために実施されます。
6. 設置と起動 - オフサイトで構築される場合、パイロット スキッドはオンサイトで設置されます。すべての機器が設置された後、システムを既存のプラント ユーティリティおよびコントロールと統合することで、完全なシステム起動が完了します。完全な動作がテストされ、確認されます。
7. トレーニング - オペレーターのトレーニングが完了し、完全なシステムドキュメントが引き渡されます。

• 化学工学
• オペレーションズリサーチ
• プロセスエンジニアリング

• M. レビン (編集者)、製薬プロセスのスケールアップ (医薬品と製薬)、Informa Healthcare、第 3 版、ISBN 978-1616310011 (2011) 
• M. Lackner (編集者)、Scale-up in Combustion、ProcessEng Engineering GmbH、ウィーン、ISBN 978-3-902655-04-2 (2009)。 
• M. Zlokarnik、「Scale-up in Chemical Engineering」、Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA、第 2 版、ISBN 978-3527314218 (2006)。 
• Richard Palluzi、「パイロットプラント：設計、建設、運用」、McGraw-Hill、1992 年 2 月。
• Richard Palluzi、「パイロットプラント、化学工学」、1990 年 3 月。