プロセス設計

化学工学におけるプロセス設計とは、物質の望ましい物理的および/または化学的変換のためのユニットの選択と順序付けです。プロセス設計は化学工学の中心であり、その分野のすべての要素をまとめた、その分野の頂点であると考えることができます。

プロセス設計は、新しい施設の設計である場合もあれば、既存の施設の修正や拡張である場合もあります。設計は概念レベルから始まり、最終的には製造および建設計画の形で終わります。

プロセス設計は、ユニット操作の設計に近い概念である装置設計とは異なります。プロセスには、多くの場合、多くのユニット操作が含まれます。

プロセス設計ドキュメントは、設計を定義し、設計コンポーネントが互いに適合することを保証します。設計に関与する他のエンジニア、外部の規制機関、機器ベンダー、建設請負業者にアイデアや計画を伝えるのに役立ちます。

プロセス設計ドキュメントには、詳細度が増す順に次のものが含まれます。

• ブロックフロー図 (BFD): 主要な物質またはエネルギーの流れを示す長方形と線で構成された非常にシンプルな図。
• プロセスフロー図（PFD）：一般的には、主要なユニット操作とフローラインのより複雑な図。通常は物質収支、時にはエネルギー収支が含まれ、標準または設計流量、ストリームの組成、ストリームと機器の圧力と温度を示します。これはプロセス設計における重要な文書です。^[1]
• 配管および計装図(P&ID): 配管クラス (炭素鋼またはステンレス鋼) とパイプ サイズ (直径) とともに各パイプラインを示す図。また、計器の位置とプロセス制御スキームとともにバルブも示します。
• 仕様: すべての主要な機器項目の設計要件を文書化します。

プロセス設計者は通常、プロセスの起動、操作、およびシャットダウンの方法に関する操作マニュアルを作成します。また、事故計画やプロセス操作が環境に及ぼす影響の予測を作成することもよくあります。

プロセス設備の建設後も、作業員が参照できるように文書が保管されます。また、設備の変更を計画する際にも、この文書が役立ちます。

プロセス ドキュメントを開発する主な方法は、プロセス フローシートの作成です。

目標が定義され、制約が特定されると、設計の概念化と検討を開始できます。

設計で達成しようとする 目標には次のようなものがあります。

• スループット率
• プロセス収率
• 製品の純度

制約には以下が含まれます:

• 資本コスト: 新しい機器のコストや古い機器の廃棄など、設計を実装するために必要な投資。
• 利用可能なスペース: 新しい機器や改造された機器を配置するための土地または建物内の部屋の面積。
• 安全上の懸念: 事故のリスクと危険物質による危険性。
• 環境への影響と予測される排水、排出物、廃棄物の発生。
• 運用および保守コスト。

設計者が考慮する可能性のあるその他の要素は次のとおりです。

• 信頼性
• 冗長性
• 柔軟性
• 原料の予想される変動性と製品の許容される変動性。

設計者は通常、特に複雑なプロジェクトでは、ゼロから始めることはありません。多くの場合、エンジニアはパイロット プラントのデータや実規模の稼働施設からのデータを持っています。その他の情報源には、プロセス ライセンサーが提供する独自の設計基準、公開された科学データ、実験室実験、原料やユーティリティのサプライヤーなどがあります。

設計はプロセス統合、つまり目標を達成するための技術と産業ユニットの組み合わせの選択から始まります。概念設計から詳細設計まで、各段階で他のエンジニアや関係者が承認するにつれて、より詳細な設計が進みます。

シミュレーション ソフトウェアは、設計エンジニアによってよく使用されます。シミュレーションにより、設計の弱点を特定し、エンジニアがより良い代替案を選択できるようになります。ただし、エンジニアはプロセスを設計する際に、依然としてヒューリスティック、直感、経験に頼っています。人間の創造性は、複雑な設計の要素です。

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• プロセスの合成、統合、強化のための一般的なフレームワーク (OSTI / テキサス A&M 大学)