プロセス統合

プロセス統合は化学工学における用語であり、2 つの意味があります。

1. プロセスの統一性を重視し、最初から異なる単位操作間の相互作用を考慮し、それらを個別に最適化しないプロセス設計への総合的なアプローチ。これは、統合プロセス設計またはプロセス合成とも呼ばれます。El-Halwagi (1997 および 2006) と Smith (2005) は、このアプローチをうまく説明しています。重要な最初のステップは、多くの場合、製品設計(Cussler および Moggridge 2003) であり、必要な目的を満たす製品の仕様を開発します。
2. ピンチ解析は、エネルギー消費を最小限に抑え、熱回収を最大化するプロセスを設計するための手法で、熱統合、エネルギー統合、ピンチ技術とも呼ばれます。この手法では、特定のプロセスで熱力学的に達成可能なエネルギー目標を計算し、それを達成する方法を特定します。重要な洞察は、プロセスで最も制約されるポイントであるピンチ温度です。この手法の最も詳細な説明は、Linnhoff et al. (1982)、Shenoy (1995)、Kemp (2006)、Kemp and Lim (2020)によるもので、Smith (2005)でも強く取り上げられています。この定義は、プロセス統合の最初の大きな成功が、エネルギー問題に対処する熱ピンチ解析であり、Linnhoffと同僚が先駆けとなったという事実を反映しています。その後、質量交換ネットワーク (El-Halwagi および Manousiouthakis、1989 年)、水の最小化 (Wang および Smith、1994 年)、材料リサイクル (El-Halwagi 他、2003 年) などのさまざまな用途向けに、他のピンチ分析が開発されました。非常に成功した拡張は「水素ピンチ」で、これは製油所の水素管理に適用されました (Nick Hallale 他、2002 年および 2003 年)。これにより、製油所は水素供給の資本コストと運用コストを最小限に抑えて、ますます厳しくなる環境規制を満たすとともに、水素処理装置の収率も向上することができました。

化学工学の分野では、プロセス統合は、リソースを効果的に使用してコストを最小限に抑えるために、さまざまなユニット間の相互作用を活用するプロセス設計と最適化に対する総合的なアプローチとして定義できます。

プロセス統合は、新しいプラントの設計に限定されず、改修設計（古いプラントに新しいユニットを設置するなど）や既存システムの運用も対象とします。ニック・ハラル（2001）は、プロセス統合により、産業界は原材料や資本資産からより多くの収益を上げながら、よりクリーンで持続可能なものになると説明しています。^[1]

プロセス統合の主な利点は、システム全体を（つまり統合的または全体的アプローチとして）考慮して、設計や操作を改善することです。対照的に、分析的アプローチでは、プロセス ユニット間の潜在的な相互作用を必ずしも利用せずに、プロセス ユニットを個別に改善または最適化しようとします。

たとえば、プロセス統合技術を使用すると、ユニットが単独では最適な状態で動作していなくても、プロセスが別のユニットによって廃棄された熱を使用して全体的なエネルギー消費を削減できることを特定できる場合があります。分析アプローチでは、各ユニットを最適化しようとするため、このような機会を逃し、その後は熱を内部で再利用できなくなります。

通常、プロセス統合技術は、プロジェクト（新しいプラントや既存のプラントの改良など）の開始時に、プロセスプラントの設計や運用を最適化するための有望なオプションを選別するために使用されます。

また、シミュレーションや数学的最適化ツールと組み合わせて使用​​して、システム（新規または既存）をより適切に統合し、資本コストや運用コストを削減する機会を特定することもよくあります。

ほとんどのプロセス統合技術では、ピンチ分析またはピンチツールを使用して、複数のプロセスをシステム全体として評価します。したがって、厳密に言えば、特定の状況では両方の概念が互換的に使用されている場合でも、両方の概念は同じではありません。Nick Hallale (2001) によるレビューでは、将来、この分野でいくつかの傾向が予想されると説明されています。将来的には、ターゲットと設計の境界があいまいになり、プロセス ネットワークに関するより構造的な情報に基づくものになる可能性が高いようです。2 番目に、プロセス統合の適用範囲がはるかに広くなる可能性があります。複雑な蒸留システムだけでなく、混合タイプの分離システムでも、分離の分野ではまだ多くの作業が必要です。これには、浮選や結晶化などの固体を含むプロセスが含まれます。リアクター設計へのプロセス統合技術の使用は急速に進歩していますが、まだ初期段階です。3 番目に、新世代のソフトウェア ツールが期待されています。プロセス統合用の商用ソフトウェアの出現は、プロセス設計でのより広範な適用の基礎となります。

• Cussler, EL および Moggridge, GD ( 2001)。化学製品設計。ケンブリッジ大学出版局 (ケンブリッジ化学工学シリーズ)。ISBN 0-521-79183-9 
• El-Halwagi, MM、(2006)「プロセス統合」、Elsevier
• El-Halwagi, MM、(1997)「プロセス統合による汚染防止」、Academic Press
• El-Halwagi, MM, F. Gabriel、および D. Harell、(2003)「材料リサイクル/再利用ネットワークによる資源保全のための厳密なグラフィカルターゲティング」、Ind. Eng. Chem. Res.、42、4319-4328
• El-Halwagi, MM, Manousiouthakis, V. (1989). 質量交換ネットワークの合成. AIChE J. 35(8), 1233-1244.
• Hallale, Nick、(2001)、「Burning Bright: プロセス統合の動向」、Chemical Engineering Progress、2001 年 7 月
• Hallale、N. Ian Moore、Dennis Vauk、「最小限の投資で水素を最適化」、Petroleum Technology Quarterly (PTQ)、春 (2003)
• Kemp, IC (2006)。『ピンチ分析とプロセス統合：エネルギーの有効利用のためのプロセス統合に関するユーザー ガイド』第 2 版。Butterworth -Heinemann。ISBN 0-7506-8260-4。ダウンロード可能なスプレッドシート ソフトウェアが含まれています。 
• Kemp, IC および Lim, JS (2020)。エネルギーとカーボンフットプリント削減のためのピンチ分析: エネルギーの効率的な使用のためのプロセス統合に関するユーザーガイド、第 3 版。ダウンロード可能なスプレッドシートソフトウェアが含まれています。Butterworth-Heinemann。ISBN 978-0-08-102536-9。 
• Linnhoff, B.、DW Townsend、D. Boland、GF Hewitt、BEA Thomas、AR Guy、RH Marsland、(1982)「エネルギーの効率的な使用のためのプロセス統合に関するユーザー ガイド」、IChemE、英国。
• Shenoy, UV (1995)。「熱交換器ネットワーク合成: エネルギーとリソースの分析によるプロセス最適化」。2枚のコンピュータ ディスクを含む。Gulf Publishing Company、ヒューストン、テキサス州、米国。ISBN 0-88415-391-6。 
• スミス、R. (2005)。化学プロセスの設計と統合。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。ISBN 0-471-48680-9 

• Vauck, Dennis (2002 年 9 月)、「水素: 負債か資産か?」、Chemical Engineering Progress、2008 年 4 月 12 日のオリジナルからアーカイブ
• Wang, YP および R. Smith (1994)。廃水最小化。Chem. Eng. Sci.、49、981-1006