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プロセス シミュレーションは、化学プラント、化学プロセス、環境システム、発電所、複雑な製造操作、生物学的プロセス、および同様の技術機能などのプロセスのシミュレーションの技術プロセスの設計、開発、分析、および最適化に使用されます。
主な原則
プロセスシミュレーションは、化学的、物理的、生物学的、およびその他の技術的プロセスと単位操作をソフトウェアでモデルベースで表現したものです。モデルの基本的な前提条件は、純粋な成分と混合物、反応、およびソフトウェアによるプロセス特性の計算を可能にする数学モデルの化学的および物理的特性[1]です。
プロセス シミュレーション ソフトウェアは、ユニット操作が配置され、製品または抽出物のストリームによって接続されるフロー図でプロセスを記述します。ソフトウェアは、質量とエネルギーのバランスを解決して、指定されたパラメータで安定した動作点を見つけます。プロセス シミュレーションの目的は、プロセスの最適な条件を見つけることです。これは本質的に、反復プロセスで解決する必要がある 最適化の問題です。
上記の例では、カラムへの供給ストリームは、その化学的および物理的特性の観点から定義されています。これには、ストリーム内の個々の分子種の組成、全体の質量流量、ストリームの圧力と温度が含まれます。炭化水素システムの場合、気液平衡比 (K 値) またはそれを定義するために使用されるモデルは、ユーザーが指定します。カラムの特性は、入口圧力や理論段数などとして定義されます。リボイラーとオーバーヘッド コンデンサーの負荷は、底部および/または上部製品の指定された組成またはその他のパラメータを達成するためにモデルによって計算されます。シミュレーションでは、製品ストリームの化学的および物理的特性を計算し、それぞれに質量およびエネルギー図で使用される一意の番号が割り当てられます。
プロセス シミュレーションでは、近似値と仮定を導入するモデルを使用しますが、利用可能な実際のデータではカバーされない可能性のある広範囲の温度と圧力にわたる特性を記述できます。また、モデルでは、一定の制限内で補間と外挿が可能であり、既知の特性の範囲外の条件を検索できます。
モデリング
実際のプロセスをより良く表現するためのモデル[2]の開発は、シミュレーションソフトウェアのさらなる開発の中核です。モデル開発は化学工学の原理だけでなく、制御工学の原理に基づいて行われ、数学的シミュレーション技術の改善にも役立ちます。したがって、プロセスシミュレーションは、化学、物理学、コンピューターサイエンス、数学、工学の専門家が協力して取り組む分野です。
特性の計算のための新しい改良モデルの開発に努めています。これには、例えば、
モデルには主に 2 つの種類があります。
- パラメータが実験データに適合される単純な方程式と相関関係。
- 特性を推定する予測方法。
方程式と相関関係は、特性を（ほぼ）正確に記述するため、通常は好まれます。信頼性の高いパラメータを得るためには、実験データが必要です。実験データは通常、事実データバンク[3] [4]から取得されますが、公開されているデータがない場合には、測定値から取得されます。
予測方法を使用すると、実験作業やデータバンクのデータよりもコスト効率が高くなります。この利点にもかかわらず、予測された特性は通常、プロセス開発の初期段階で最初の近似解を見つけ、誤った経路を除外するためにのみ使用されます。これは、これらの推定方法では通常、実際のデータから取得された相関よりも大きな誤差が生じるためです。
プロセスシミュレーションは、数値解析分野における数学モデルの開発と複雑な問題の解決を促進してきました。[5] [6]
歴史
プロセスシミュレーションの歴史は、コンピュータサイエンス、コンピュータハードウェア、プログラミング言語の発展と関係があります。化学プロセスの部分的な側面の初期の実装は、適切なハードウェアとソフトウェア (ここでは主にプログラミング言語FORTRANとC ) が利用可能になった 1970 年代に導入されました。化学特性のモデリングはそれよりずっと以前に始まり、特に 3 次状態方程式とアントワーヌ方程式は 19 世紀の先駆的な開発でした。
定常状態および動的プロセスシミュレーション
当初、プロセス シミュレーションは定常状態のプロセスをシミュレートするために使用されていました。定常状態モデルは、時間に関係なく、定常状態プロセス (平衡状態のプロセス) の質量とエネルギーのバランスを実行します。
動的シミュレーションは定常状態プロセス シミュレーションの拡張であり、微分項 (質量とエネルギーの蓄積) を介して時間依存性がモデルに組み込まれます。動的シミュレーションの出現により、実際のプロセスの時間依存の記述、予測、および制御がリアルタイムで可能になりました。これには、プラントの起動とシャットダウン、反応中の条件の変化、ホールドアップ、熱変化などの記述が含まれます。
動的シミュレーションは、定常状態シミュレーションよりも計算時間が長く、数学的に複雑です。これは、パラメータが常に変化する、固定された時間ステップに基づく定常状態シミュレーションを複数回繰り返したものと見ることができます。
動的シミュレーションは、オンラインとオフラインの両方で使用できます。オンラインの場合はモデル予測制御で、リアルタイムのシミュレーション結果を使用して制御入力の変更に対して発生する変化を予測し、その結果に基づいて制御パラメータを最適化します。オフラインのプロセス シミュレーションは、プロセス プラントの設計、トラブルシューティング、最適化のほか、プロセス変更の影響を評価するためのケース スタディの実施に使用できます。動的シミュレーションは、オペレータのトレーニングにも使用されます。
参照
参考文献
- ^ Rhodes CL、「プロセスシミュレーション革命：熱物性のニーズと懸念」、J.Chem.Eng.Data、41、947-950、1996
- ^ Gani R.、Pistikopoulos EN、「製品およびプロセス設計のための特性モデリングとシミュレーション」、Fluid Phase Equilib.、194-197、43-59、2002
- ^ Marsh K.、Satyro MA、「データベースの統合とプロセスシミュレーションおよび設計への影響」、カンファレンス、レイクタホ、米国、1994、1-14、1994
- ^ Wadsley MW、「計算化学プロセスシミュレーションのための熱化学および熱物理特性データベース」、会議、韓国、ソウル、1998 年 8 月 30 日 - 9 月 2 日、253-256、1998 年
- ^ Saeger RB、Bishnoi PR、「UNIFAC グループ寄与法を用いた多段階多成分分離プロセスのシミュレーションのための修正された「インサイドアウト」アルゴリズム」、Can.J.Chem.Eng.、64、759-767、1986
- ^ Mallya JU、Zitney SE、Choudhary S.、Stadtherr MA、「大規模プロセスシミュレーションと最適化のための並列フロンタルソルバー」、AIChE J.、43(4)、1032-1040、1997
- ^ 「ASL: 物理蒸着シミュレーション」。