JP3630376B2 - マイクロ・ケミカルプロセス・モジュール及び自律式分散型プロセス・プラント - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、マイクロ・ケミカルプロセス・モジュールと、マイクロ・ケミカルプロセス・モジュールの集合体で形成された自律式分散型プロセス・プラントに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本明細書で、プロセス・プラントとは、その取り扱う対象が主として流体を形成できる液体及び／又は気体（粉状体、粒状体を含む）であって、機械加工とは対立した概念である化学的なプロセッシングを行うプラントである。従って、プロセス・プラントは、化学工業、パルプ工業、セメント工業等を含む広い分野で使用されるプラントを言う。
ところで、概念的にもまた実体的にも、従来のプロセス・プラント（以下、簡単にプラントと言う）は、一つのプロセス・フローを想定し、そのプロセス・フローに基づいて、熱移動及び物質移動を対象とするユニット・オペレーション（単位操作）を行わせる、例えば熱交換器、蒸留塔、気液分離槽等の単一化学機器の組み合わせとして成立している。
【０００３】
プラントの設計、建設に当たっては、プロセス上及び経済上での最適化設計、社会の経済的変動に応じてプラントを経済的に運転するために必要なオペレーション・フレキシビリティ（プラントを運転する上での融通性及び多様性）、及び高いコスト競争力がプラントの重要な設計目標とされて来た。
そこで、従来のプラントの設計手法では、プラントを構成する単一化学機器の各々をプロセス的にかつ経済的に最適化すれば、それらを組み合わせたプラントの全体もプロセス的にかつ経済的に最適化できるとして、単一化学機器の最適化を図って来た。プラントのオペレーション・フレキシビリティを大きくするために、スループット、製品及び原料の仕様を変えた多数回のケース・スタディを行い、その結果から所謂設計マージンを決定し、最適化された各機器の仕様に設計マージンを加味してきた。また、高いコスト競争力を得るために、規模の利益を求めてプラントを大型化して来た。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、プロセス・フローに基づいて、必要なユニット・オペレーションを行う単一化学機器を採用し、各単一化学機器の最適化を行い、それらを組み合わせて一つのプラントを構成すると言う従来のプラント構成概念に従って構成されたプラントには、以下のような問題を包含している。
第１には、経済性を追求した結果としてプラントを大型化したが、現実には、需要と供給との関係から低いスループットで、しかも、設計時の予定限界を越えた低いスループットでその大型プラントを運転せざるを得ないことが多いと言うことである。これでは、プラントを大型化して経済性を求めた意味がない。
それは、一般に、プラントが、後続のプラントと連動して運転されているからである。例えば、そのプラントの都合だけでスループットを決めて、そのスループットでプラントを運転したり、逆にそのプラントの都合だけでプラントの運転を停止したりすることはできない。特に、この制約は、コンビナートを形成する場合に顕著である。
【０００５】
仮に、プラントの運転条件の変動を考慮して、各単一化学機器に設計マージンをそれぞれ加味していたとしても、その設計マージンの限界を越えて運転条件を変えざるを得ない場合には、この手法も効果が無い。例えば、運転時のスループットが設計スループットの５０％である場合には、その運転費用は設計スループットの７０％時の費用を要すると言われている。
以上のように、個々の単一化学機器が、プラント設計時に定められたユニット・オペレーションに基づいて最適な寸法、仕様に設計、製作されたものであったとしても、運転時ではもはや最適な設計でなくなり、従って、プラントがコスト競争力を失っている。
【０００６】
第２には、各単一化学機器の機能が固定されているために、単一化学機器同士間で機能を相互に交換したり、ユニット・オペレーションの順序を変えたりすることはできない。例えば、気液分離槽を熱交換器として使用することは現実にはできない。従って、プラントの構成が固定されているために、プロセッシングの順序、即ちプロセス・フローを自在に変更することが難しい。
換言すれば、オペレーション・フレキシビリティの程度が、その固定されたプロセス・フローと各単一化学機器の独立性により制限されている。これでは、原料及び製品が益々多様化しつつある現在、その多様化の状況に追随できないことを意味する。
【０００７】
第３には、プラントの運転制御の問題である。運転条件の変動が設計マージンの限界内であったとしても、変動した運転条件下でプラントを運転するためには、プラントを構成する全ての単一機器に対して或る運転条件、望ましくは最適な運転条件を決定することが必要である。そのためには、プロセス・コンピュータを備えて、複雑なプロセス計算を行い、プロセス計算の結果に基づいて、プロセス全体を監視し、かつ制御できる制御システムを構築することが必要である。
しかし、プロセス・コンピュータが著しく発展したとしても、プラント全体を監視し、制御する制御システムはそれが依拠する制御プログラムを必要とし、その制御プログラムはプロセスエンジニアとプラグラマの個人的能力と協同作業によって開発、維持されなければならない。従って、プラントを構成する機器毎に最適な運転条件を算出して各機器をその条件で制御することは、そのような広範囲の変数を制御できる能力を有する人間の介在が必要となる以上、実現不可能と言ってよいほどに実際には困難なことである。これでは、プラント設計に当たり、設計マージンを付与する意味が無くなる。
【０００８】
以上、説明したように、プロセス・フローを構成するユニット・オペレーション毎に単一化学機器を割当て、その機器を最適化することにより、プラント全体を最適化しようとする従来の手法では、高いフレキシビリティと高い経済性とは相互に二律背反の要求となり、双方を同時に満足させることはできない。従って、従来の手法が、高いフレキシビリティと高い経済性とを兼ね備えたプラント、即ち社会の急激な経済的発展に伴う様々な要求を満足できるプラントを提供し得ないと言うことが明確になりつつある。
しかも、プラントに付随する環境問題、エネルギー問題を考えると、良い環境を保全する上で、また使用エネルギーの削減化を図る上で、プラントのプロセス的かつ経済的最適化は、極めて重要なことである。
【０００９】
以上の状況に照らして、本発明の目的は、社会の経済的変動に追随できる高いフレキシビリティと高い運転効率とを兼ね備える新規なプロセス・プラントを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するためには、従来のプラントとは概念の異なる新規なプラントが必要であると考え、状況に応じて必要な機能を発揮できる多機能型のマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールを考案し、かかるマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールを構成単位としてそれを集合することによりプラントを構成できることに着目し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
上記目的を達成するために、この知見に基づき、本発明に係るマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールは、流体を受入れ、収容し、かつ払い出す少なくともの２個の収容手段と、系外から各収容手段に流体を流入させる流入手段と、各収容手段から流体を系外に流出させる流出手段と、輸送機能、開閉機能及びセンサ機能を有し、流入手段と流出手段とにそれぞれ設けられた流れ制御装置と、系外から到来するターゲット・トークンに対して応答し、流れ制御装置と協働して自律的に行動する応答機構とで構成され、
収容手段に受け入れた流体間での熱移動操作、収容手段に受け入れた流体間での物質移動操作、系外から流入する流体の収容手段間での分流操作、収容手段から流出する流体の合流操作のうちの少なくとも一つの操作を流入手段と流出手段とを介して２個の収容手段間で行うようにしたことを特徴としている。
【００１２】
本明細書で、ターゲット・トークンとは、機能及び条件に関する情報を携えて系外から到来して、マイクロ・ケミカルプロセス・モジュールにその情報を入力し、そのターゲット・トークンを得たマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールは、所定の操作に参加権を得ることができるものである。また、自律的とは、人間の指示によることなく、マイクロ・ケミカルプロセス・モジュール自身の規範、又は基準により行動することを言う。
本発明において、例えば、収容手段は容器であり、流入手段及び流出手段はパイプであり、輸送機能はマイクロ・ポンプであり、開閉機能は開閉弁であり、センサ機能は温度計、圧力計等のセンサである。
【００１３】
本発明の好適な実施態様は、２個の収容手段が、それぞれ、一方の端部に第１及び第２流入口を、一方の端部に対向して位置する他方の端部に第１及び第２流出口を有する第１及び第２チャンバの対で形成され、
流入手段が、外部から来る第１及び第２流入管に接続及び解除自在にそれぞれ設けられた第１及び第２分岐部と、第１分岐部と第１チャンバの第１流入口とを、及び第２分岐部と第２チャンバの第１流入口とをそれぞれ接続する第１及び第２入口管と、第１分岐部と第２チャンバの第２流入口とを、及び第２分岐部と第１チャンバの第２流入口とをそれぞれ接続する第１及び第２分流管とで形成され、
流出手段が、外部に出る第１及び第２の流出管に接続及び解除自在にそれぞれ設けられた第１及び第２合流部と、第１チャンバの第１流出口と第１合流部とを、及び第２チャンバの第１流出口と第２合流部とをそれぞれ接続する第１及び第２出口管と、第１チャンバの第２流出口と第２合流部とを、及び第２チャンバの第２流出口と第１合流部とをそれぞれ接続する第１及び第２合流管とで形成され、
更に、第１分岐部と第１合流部との間、及び第２分岐部と第２合流部との間には、第１バイパス管及び第２バイパス管が接続され、
第１及び第２入口管、第１及び第２分流管、第１及び第２出口管、第１及び第２合流管並びに第１及び第２バイパス管の各々に設けられた流れ制御装置は、それぞれ、管内を流れる流体の輸送手段と、管を開閉する開閉手段と、管内を流れる流体の温度及び圧力並びに性状を検出するセンサ手段と、輸送手段及び開閉手段を制御する制御手段とを有し、
応答機構が、ターゲット・トークンの情報及びセンサ手段の検出データに基づいて演算し、判断し、制御手段に指令を出し、更に系外にターゲット・トークンを発信する手段を備えていることを特徴としている。
【００１４】
本発明の更に好適な実施態様は、制御手段が、オン状態とオフ状態のいずれかの指令を輸送手段及び開閉手段に出力することを特徴としている。ここで、オン状態とは、動作状態にあることを言い、例えば輸送手段は流体を輸送できる状態にあり、開閉手段は開状態にあり、センサ手段は検出可能な状態にあることを言い、オフ状態とはそれぞれがオン状態とは逆の状態にあることを意味する。
【００１５】
本発明の更に好適な実施態様は、応答機構が、マイクロ・ケミカルプロセス・モジュールの進退目的地とその経路を自動案内車に指示し、指令に従って自動案内車により搬送され、かつ第１及び第２分岐部をそれぞれ第１及び第２流入管に、第１及び第２合流部をそれぞれ第１及び第２流出管に接続又は接続解除するようにしたことを特徴としている。
【００１６】
また、本発明に係る自律式分散型プラントは、請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の複数個のマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールが自律的にかつ個々的に集合し、相互に連結してモジュール集合体を形成し、モジュール集合体が所定のユニット・オペレーションを行うようにしたこと特徴としている。
ユニット・オペレーションとは、熱移動、物質移動を伴う単一の操作を言い、例えば、熱交換、分流、合流、吸収、混合、気液分離等のプロセス上の操作を言う。
【００１７】
更に、本発明に係る別の自律式分散型プラントは、請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の複数個のマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールが自律的にかつ個々的に集合し、相互に連結してなる複数個のモジュール集合体で構成され、各モジュール集合体が所定のプロセス・フローに基づくユニット・オペレーションをそれぞれ行い、それによって所定のプロセス・フローに基づく一連のプロセッシングを行うようにしたことを特徴としている。
【００１８】
【作用】
請求項１に記載の発明では、収容手段、流入手段、流出手段、流れ制御装置及び応答機構を備えて、独立的にかつ自律的に行動し、少なくとも一つのプロセス操作を行うことのできる単一化学機器としての構成単位を形成する。
【００１９】
請求項５及び６に記載の発明では、複数個のマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールが独立して自律的にかつ個々的に集合し、相互に連結して、集合体を形成し、その集合体がそれぞれ所定のユニット・オペレーションを行うことにより、自律式分散型プラントを構成する。
【００２０】
【実施例】
以下、添付図面を参照し、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。
実施例１
図１は、本発明に係るマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールの実施例１の構成を示す図である。
本実施例のマイクロ・ケミカルプロセス・モジュール（以下、簡単にモジュールと略称する）３０は、同じ構造の方形の箱体であって、相互に面同士で面接触している対の第１チャンバ３２と第２チャンバ３４とを備えている。
第１チャンバ３２は、入口端部に第１流入口３６及び第２流入口３８を、入口端部に対向して位置する出口端部に第１流出口４０及び第２流出口４２を備えている。第２チャンバ３４も同様に第３流入口４４、第４流入口４６、第３流出口４８及び第４流出口５０を備えている。
【００２１】
モジュール３０には、フロー１の流体及びフロー２の流体をそれぞれ流入させる第１流入管５２及び第２流入管５４が外部から入来し、かつ第１流入管５２及び第２流入管５４にそれぞれ第１分岐部５６及び第２分岐部５８が解除自在に接続している。また、モジュール３０からは、第１流出管６０及び第２流出管６２が外部に出ており、かつ第１流出管６０及び第２流出管６２には第１合流部６４及び第２合流部６６が解除自在に接続している。
【００２２】
第１入口管２及び第１分流管３が、第１分岐部５６と第１チャンバ３２の第１流入口３６とを及び第１分岐部５６と第２チャンバ３４の第４流入口４６とをそれぞれ接続している。同様に、第２入口管７及び第２分流管８が、第２分岐部５８と第２チャンバ３４の第３流入口４４とを及び第２分岐部５８と第１チャンバ３２の第２流入口３８とをそれぞれ接続している。
更に、第１出口管４及び第１合流管５が、第１チャンバ３２の第１流出口４０と第１合流部６４とを、及び第２チャンバ３４の第４流出口５０と第１合流部６４とをそれぞれ接続している。同様に、第２出口管９及び第２合流管１０が、第２チャンバ３４の第３流出口４８と第２合流部６６とを、及び第１チャンバ３２の第２流出口４２と第２合流部６６とをそれぞれ接続している。
また、第１バイパス管１及び第２バイパス管６が、それぞれ、第１分岐部５６と第１合流部６４とを、及び第２分岐部５８と第２合流部６６とを接続し、第１チャンバ３２及び第２チャンバ３４をバイパスしている。
【００２３】
第１及び第２入口管２、７、第１及び第２分流管３、８、第１及び第２出口管４、９、第１及び第２合流管５、１０、第１バイパス管１及び第２バイパス管６の各々には、それぞれ、流体を輸送する輸送手段（例えば、ポンプ）と、管を開閉する開閉手段（例えば、開閉弁）と、管内を流れる流体の温度及び圧力並びに性状を検出する検出手段（例えば、センサ）と、輸送手段及び開閉手段を制御する制御手段との集合からなる流れ制御装置（以下、ＦＣＵと表記する）が設けてある。
輸送手段等の各手段は、それぞれ、例えば、太陽電池、燃料電池等により自立的にエネルギーを調達して動作するようになっている。図１では、第１バイパス管１に設けられた流れ制御装置を▲１▼で表示している。以下、各管に設けられた流れ制御装置についても同様である。
【００２４】
更に、対のチャンバ３２、３４は、各手段から入力され、また各手段に出力するマイクロコンピュータを備え、検出手段の検出データに基づいて演算し、系外から到来するトークンに対して応答し、更に系外にトークンを発信する応答機構６８を備えている。マイクロコンピュータは、予めプログラムが入力されており、それに基づいて、演算動作、判断動作、指令の発信動作等を行う。
尚、本実施例では、応答機構６８は、各ＦＣＵと協働して後述のトークンに条件反射的に２値的判断を行い、２値的な応答を行うだけで複雑な判断を行わない。ここで、条件反射的に応答する（反射応答）とは、複雑な論理を思考することなく、オン状態又はオフ状態、有又は無等の２値状態で条件反射的に応答することである。また、制御手段は、応答機構６８より指令を受けて、オン状態とオフ状態のいずれかの指令を輸送手段及び開閉手段に出力するようになっている。図１では、自立機構６８から各手段への接続が模式的に表示されている。
【００２５】
以上のように構成されたモジュール３０は、任意の寸法で形成して良いが、モジュール３０を集合して一つの単一化学機器、更にはプラントを構成すると言う概念からはミニチュア化されるのが一般である。
【００２６】
反射応答の様式には、モジュール３０内で生じる内部的反射応答とモジュール３０から系外に発信される外部的反射応答とがあり、実施例１を例にしてそれぞれの典型的な反射応答を以下に挙げる。
内部的反射応答１
内部的反射応答１は、入口ＦＣＵに対する出口ＦＣＵの反射応答であって、流入するフローの閉塞を排除することであると規定される。よって、オン状態の入口ＦＣＵとオン状態の出口ＦＣＵとの次のような組み合わせがある。オン状態とは、動作状態にあることを言い、例えばＦＣＵのポンプは運転状態にあり、開閉弁は開状態にあり、センサは検出可能な状態にあることを言い、オフ状態とはポンプ、開閉弁及びセンサがそれぞれオン状態とは逆の状態にあることを意味する。
オン状態の入口ＦＣＵ オン状態の出口ＦＣＵ
２及び／又は８ ４及び／又は１０
３及び／又は７ ５及び／又は９
【００２７】
内部的反射応答２
内部的反射応答２は、入口ＦＣＵ及び出口ＦＣＵの排他的反射応答であって、流入するフローの分離を行わないし、また２個の流出フローの混合を行わないことであると規定される。よって、オン／オフ状態のＦＣＵに対応するオフ／オン状態とＦＣＵの次のような組み合わせがある。
オン／オフ状態のＦＣＵ オフ／オン状態のＦＣＵ
２ ３
４ ５
７ ８
９ １０
【００２８】
外部的反射応答１
外部的反射応答１は、近隣モジュールに対する反射応答であって、各モジュールはその出口条件を検知することによりその運転上の制約条件を維持できるかどうかを判断する。或るモジュールが、運転上の制約条件がその能力を越えていることを認識した時、そのモジュールは近隣モジュールに条件の逸脱を後述するトークンによりアナウンスする。これにより、近隣モジュール間で反射応答の一連の進行、即ち反射応答の伝播が引き起こされる。
反射応答を独立に引き起こすには次の２個の指定条件、即ち量的条件と質的条件があり、それに対して対応する反射応答の伝播がある。逸脱した条件の例は、逸脱した量的条件及び質的条件の例である。シードモジュールが同時に双方の条件を検出すると、直列、並列及び直列・並列増殖の３様の増殖様式の一つを不規則的に引き起こす。
指定条件 反射応答の伝播 逸脱した条件の例
量的条件 並列伝播 流量
質的条件 直列伝播 温度、組成
【００２９】
外部的反射応答２
外部的反射応答２は、モジュール機能に関する反射応答であって、増殖したモジュールの機能が、反射応答を引き渡すモジュールの機能を２重写しすることであると規定されている。モジュールの機能は、最初の反射応答前、即ち当初モジュールに設定された時点で、後述する表１に示すパイプライン１の機能であるが、本外部的反射応答２によって、要請された機能に変態する。
【００３０】
外部的反射応答３
外部的反射応答３は共通資源に関する反射応答であって、モジュールの各出口フロー及びユーティリティが、共通資源であると指定されている。第１のモジュールは全ての必要な資源を入手することができる。
【００３１】
表１は、上述の２種類の様式の内部的反射応答に基づくモジュールの機能チャートを示す。
【表１】
表１に示すモジュール３０は、熱移動、物質移動、分離、混合の機能を有している。表１によれば、ＦＣＵを組み合わせることにより、１個のモジュール３０から、１１種類の態様のパイプラインと、４種類の態様の混合器と、４種類の熱交換器と、４種類のフラッシュ・ドラムと、２種類の吸収器とが形成される。フラッシュ・ドラム機能を有する複数のモジュールを使用して通常の蒸留塔を容易に実現することができる。
【００３２】
図２は、境界における制約を検出したシードモジュールに対する反射応答の直列及び並列増殖を模式的に示している。この反射応答では、ターゲット・トークン（以下、簡単にトークンと略称する）がコミュニケーション・プロトコルとして伝播される。トークンは、シードモジュールによって発信された、モジュール機能と指定条件に関する情報を携えている。
モジュールがトークンを受け取った時、モジュールは、トークンに携えられた情報通りに、その機能及び条件を２重写しする。全ての条件が増殖したモジュールにより満足された時、トークンは停止し、反射応答の伝播が終了する。モジュール間での外部的反射応答のこのような伝播及び停止は、自律的組織構成機構を形成し、人の介在を必要とする集中制御システム無しに自律的にシステム構造を構築する。
尚、情報通信分野でトークンとは、トークンを捕獲した通信装置が、送信権を獲得すると言う意味で使用されているが、本明細書では、ターゲット・トークンとは、機能及び条件に関する情報を携え、そのターゲット・トークンを得たモジュールが参加権を得るようなものである。反射応答とは、複雑な判断を要することなく条件反射的に応答することを言う。
【００３３】
容量が小さく、効率が低いために、単一のモジュールだけでは与えられたプロセス上の要求を満足できなくても、増殖機構によって大群のモジュールを集めることにより、プロセス上の要求を満足させることができる。
モジュールの大多数は、増殖機構の下で最高の効率で運転されるので、自律式分散型プラントは、最適条件下で運転されていない従来型プラントより、常に、高い総合効率で運転されることができる。
【００３４】
モジュールは、自立的駆動装置、例えば太陽電池を動力源とする、ジェット噴射式駆動装置を備えて移動できるようにしても良い。また、モジュールを移動し、かつモジュール間でパイプラインを接続するロボットアームを有する自動案内車両（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＡＧＶ）をモジュールとは別に用意して、それでモジュールを移動させ、かつ流入管及び流出管に接続させるようにしても良い。図３は、コンピュータ・グラフィクス・システムで描いた自律式分散型プラントの概念図である。
【００３５】
以上の構成により、モジュール３０は、チャンバ３２とチャンバ３４により、それぞれ独立したパイプラインを構成してフロー１とフロー２とを輸送し、またフロー１及びフロー２との間の物質移動を行わせ、更にチャンバ３２及びチャンバ３４の間でフロー１とフロー２との間の熱移動を行わせることができる。物質移動は、例えばフロー１及びフロー２中の物質の混合、フロー１及びフロー２の物質の分離を含む、蒸留、吸収操作を意味する。
換言すれば、モジュール３０は、状況に応じて必要な物質移動機能及び／又は熱移動機能を果たす多機能型のモジュールであって、例えばパイプライン、混合槽、フラッシュドラム、吸収器、熱交換器の作用をそれぞれ行うことができ、更には、複数のモジュール３０が集合して自律的に組織を構成し、大型の単一化学機器を構成できる。また、モジュール３０が集合して、一つの別のユニット・オペレーション、例えばフラッシュ・ドラム態様のモジュール３０が連続して接続することにより蒸留塔の作用を行うことができる。
【００３６】
実施例２
本実施例は、モジュールが熱交換機能を発揮する、即ち熱交換器として機能する例である。図４は、モジュールＭが条件の変動に応じてシードモジュール（図４では、Ｓｅｅｄと表示されている）になる様子を説明する図である。
１個のモジュールＭの伝熱面積は０．３ｍ２ 、伝熱面の総括伝熱係数は８３７×１０３ Ｊ／ｍ２ｈｒ°Ｃ である。ユーティリティ熱源から供給された温度１００°Ｃ 、比熱０．８Ｊ／ｋｇ°Ｃ の高温側フロー１と、温度４０°Ｃ 、比熱０．８Ｊ／ｋｇ°Ｃ の低温側フロー２とが、モジュールＭに流入する。当初状態▲１▼では、フロー１及びフロー２の各流量は、同じ１００ｋｇ／ｈｒ とする。このような条件下で、フロー２の出口温度は６１．５°Ｃ となる。尚、モジュールＭ周りの条件は、図８に示す凡例に従って表示されている。
以上の事を整理すると、
条件番号 項目 指定条件
条件１ フロー１の流量 １００ｋｇ／ｈｒ
条件２ フロー２の流量 １００ｋｇ／ｈｒ
条件３ フロー２の出口温度 ６１．５°Ｃ
【００３７】
フロー２の流量が１４０ｋｇ／ｈｒ に増大して状態▲２▼になった時、フロー２の出口温度は６１．５°Ｃ から５６．１°Ｃ に低下する。この場合、モジュールＭは、はフロー２の流量が条件２より増大し、出口温度が条件３より低下した境界条件を検出する。条件２及び３を維持するために、モジュールＭは、シードモジュールとなり、当初の機能と指定条件、即ち熱交換機能と条件１から条件３までの情報を携えたトークンを発信する。この状態を▲３▼で表示する。
シードモジュールのトークンに対する反射応答は、直列反射増殖、並列反射増殖及び直列・並列反射増殖の３様の反射応答である。以下、順次、説明する。
【００３８】
直列反射増殖様式
直列反射増殖の進行は、図５に示されている。シードモジュールがトークンを発信し、Ｓ−１モジュールがトークンを受け取る。トークンを受けたＳ−１モジュールは、熱交換機能の遂行に参加するべく、シードモジュールの後に直列に接続する。しかし、Ｓ−１モジュールの接続だけでは、出口温度条件を満足できない（測定温度６０．３°Ｃ ＜目的温度６１．５°Ｃ ）ので、Ｓ−１モジュールはトークンを発信し、Ｓ−２モジュールがトークンを受け取り、熱交換機能の遂行に参加するべく、Ｓ−１モジュールの後に直列に接続する。このようにして、モジュールの直列反射増殖が進行し、Ｓ−３モジュールが熱交換機能の遂行に参加した段階で、条件３が満足されるので（測定温度６１．７°Ｃ ＞目的温度６１．５°Ｃ ）、モジュールの直列反射増殖が停止する。
【００３９】
並列反射増殖様式
並列反射増殖の進行は、図６に示されている。シードモジュールはトークンを発信する一方、シードモジュールはその能力を維持するためにフロー１の流量を１００ｋｇ／ｈｒ に保持している。Ｐ−１モジュールがそのトークンを受け取ると、シードモジュールはその当初状態▲１▼に立ち返り、状態▲２▼におけるフロー２の流量のうちシードモジュールに流入した残りの流量、４０ｋｇ／ｈｒ と条件１のフロー１の流量、１００ｋｇ／ｈｒ がＰ−１モジュールに流入する。従って、フロー１の全流量は、２００ｋｇ／ｈｒ になる。
この結果、Ｐ−１モジュールの出口温度は８１．４°Ｃ になり、シードモジュールの出口温度６１．５°Ｃ の流出体と混合すると、６７．２°Ｃ の温度になり条件３を満足する。よって、条件２及び３が解消され、モジュールの並列反射増殖はここで停止する。
【００４０】
直列・並列反射増殖様式
直列・並列反射増殖の進行は、図７に示されている。シードモジュールは２個のトークンを発信し、シードモジュールの近隣のＳ−１モジュールとＰ−１モジュールとがトークンを受け取る。多数の反射応答を禁止する通信手段がＳ−１モジュールとＰ−１モジュールとの間で規定されていないので、上述のトークンの授受は、不規則な反射応答メカニズムのもとで行われる。
Ｓ−１モジュールの運転条件は、並列反射増殖におけるシードモジュールにＳ−１モジュールが直列に接続した時の運転条件であり、Ｐ−１モジュールの運転条件は、並列増殖におけるＰ−１モジュールの運転条件と同じである。Ｓ−１モジュールの出口温度は６５．７°Ｃ になるから、Ｓ−１モジュールとＰ−１モジュールとからそれぞれ流出したフロー２を混合した後の温度は、７０．２°Ｃ になり、条件３を満足する。
このようにして、条件２及び条件３が解消される。反射増殖の後、シードモジュールは当初の状態▲１▼に戻って並列反射増殖の場合と同じ状態になり、Ｓ−１モジュールの熱交換機能を必要とすることなく条件２及び条件３が解消される。その結果、Ｓ−１モジュールは、付加的なモジュールになる。換言すれば、入口条件がトークンに携えられた条件に合致することを検出した時、Ｓ−１モジュールはそれ自身の機能をパイプラインに変更する。
【００４１】
この実施例では、出口境界で指定条件からの逸脱を解消するために、上述した３様の増殖様式が自律的に作り出される。システムは、個別的に不連続で成長するので、全ての解が全ての品質上の拘束条件に合致してそれを満足できるわけではない。例えば、上述の各解の出口温度は、６１．７°Ｃ 、６７．２°Ｃ 及び７０．２°Ｃ であって、当初条件の出口温度、６１．５°Ｃ に等しくない。
経済的には、直列増殖又は並列増殖を選択する上でモジュールの数とユーティリティの消費量との間でトレード・オフの関係を考慮することが必要である。運転上の観点からは、直列・並列増殖が最大のマージンを有している。従って、局所的及び静的にはいずれの増殖様式が最良のシステムであるか決めるのは難しい。
【００４２】
実施例３
実施例３は、自律式分散型プラントの設計思想を説明する例である。先ず、従来のユニット・オペレーションの設計手法を使用して、所定の原料、製品の仕様、運転条件に基づき、図９（ａ）に示すような基本的なプロセス・フローを規定する。
本プロセス・フロー８０は、熱交換器８２、フラッシュ・ドラム８４、蒸留塔８６、凝縮器８８、溜め槽９０、及び再沸器９２を備えている。本プロセス・フロー８０では、原料を熱交換器８２で昇温した後、フラッシュ・ドラム８４でフラッシュさせて気体状の塔頂成分と液体状の塔底成分とに分離し、双方を蒸留塔８６に供給する。蒸留塔８６では、塔頂留分を凝縮器８８で凝縮させた後、溜め槽９０に受け、その一部を蒸留塔８６に還流し、その残りを系外に送出する。蒸留塔８６の塔底では、塔底留分の一部を再沸器９２で気化させて、還流作用と協動して供給された原料の蒸留を行う。
【００４３】
上述の熱交換器８２等のユニット・オペレーション用の各機器及びそれを接続すう各配管は、それぞれ実施例１に示すモジュール３０と同じ構成を備えた一組のマイクロ・ケミカルプロセス・モジュール（以下、モジュールと略称する）の集合として図９（ｂ）に示すように分解できる。図９（ｂ）では、各モジュールは、各ます目１個が１個のモジュールと同じ大きさの格子状の目盛線で描かれた２次元平面に配置されている。
【００４４】
上述のようにしてモジュールを集合、配列した後、原料の流量が設計時の所定流量より増加した場合には、シードモジュールの周りの近隣モジュールは、実施例２で説明した増殖様式に従って、図９（ｃ）に示すように増殖し、制限を解消して、指定条件を満足するように自律的に行動して組織を再構築する。
これにより、自律式分散型プラントは、集中制御システムを必要とすることなく、全ての外的な条件の変化に応答して、その内部的システム構造を自律的に構築する能力を得ることができる。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、各モジュールに等しく収容手段、流入手段、流出手段、流れ制御装置及び応答機構を備えることにより、状況に応じて必要な物質移動機能及び／又は熱移動機能を果たす多機能型であってかつ自律的に集合、増殖できるマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールを実現している。マイクロ・ケミカルプロセス・モジュールが自律的に増殖、集合して大型化することにより、任意の状況下で必要な処理量を所定通り処理できるケミカルプロセス用単位機器が実現される。
請求項５及び６の発明によれば、マイクロ・ケミカルプロセス・モジュールを集合させたモジュール集合体を構成することにより、社会の経済的変動に追随できるフレキシビリティの高いプロセス・プラントであって、しかも経済性の高いプラント、換言すれば設計条件下ではなく、その時に与えられた任意の条件の下で常に最高効率で運転できる自律式分散型プラントを実現している。よって、本発明に係る自律式分散型プラントは、原料及び製品の性状が変動し、かつスループットも変動する場合の生産プラントとして最適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールの実施例１の構成を示す図である。
【図２】限界を検出したシードモジュールに対する反射応答の直列及び並列増殖を模式的に示している。
【図３】コンピュータ・グラフィクス・システムで描いた自律式分散型プラントの概念図である。
【図４】モジュールＭが条件の変動に応じてシードモジュールになる様子を説明する図である。
【図５】直列反射増殖の進行を示す図である。
【図６】並列反射増殖の進行を示す図である。
【図７】直列・並列反射増殖の進行を示す図である。
【図８】図４から図８に関する凡例を示した図である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ自律式分散型プラントの設計思想を説明する図である。
【符号の説明】
１ 第１バイパス管
２ 第１入口管
３ 第１分流管
４ 第１出口管
５ 第１合流管
６ 第２バイパス管
７ 第２入口管
８ 第２分流管
９ 第２出口管
１０ 第２合流管
３０ マイクロ・ケミカルプロセス・モジュール
３２ 第１チャンバ
３４ 第２チャンバ
３６ 第１流入口
３８ 第２流入口
４０ 第１流出口
４２ 第２流出口
４４ 第３流入口
４６ 第４流入口
４８ 第３流出口
５０ 第４流出口
５２ 第１流入管
５４ 第２流入管
５６ 第１分岐部
５８ 第２分岐部
６０ 第１流出管
６２ 第２流出管
６４ 第１合流部
６６ 第２合流部
８０ プロセス・フローの一例
８２ 熱交換器
８４ フラッシュ・ドラム
８６ 蒸留塔
８８ 凝縮器
９０ 溜め槽
９２ 再沸器
【産業上の利用分野】
本発明は、マイクロ・ケミカルプロセス・モジュールと、マイクロ・ケミカルプロセス・モジュールの集合体で形成された自律式分散型プロセス・プラントに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本明細書で、プロセス・プラントとは、その取り扱う対象が主として流体を形成できる液体及び／又は気体（粉状体、粒状体を含む）であって、機械加工とは対立した概念である化学的なプロセッシングを行うプラントである。従って、プロセス・プラントは、化学工業、パルプ工業、セメント工業等を含む広い分野で使用されるプラントを言う。
ところで、概念的にもまた実体的にも、従来のプロセス・プラント（以下、簡単にプラントと言う）は、一つのプロセス・フローを想定し、そのプロセス・フローに基づいて、熱移動及び物質移動を対象とするユニット・オペレーション（単位操作）を行わせる、例えば熱交換器、蒸留塔、気液分離槽等の単一化学機器の組み合わせとして成立している。
【０００３】
プラントの設計、建設に当たっては、プロセス上及び経済上での最適化設計、社会の経済的変動に応じてプラントを経済的に運転するために必要なオペレーション・フレキシビリティ（プラントを運転する上での融通性及び多様性）、及び高いコスト競争力がプラントの重要な設計目標とされて来た。
そこで、従来のプラントの設計手法では、プラントを構成する単一化学機器の各々をプロセス的にかつ経済的に最適化すれば、それらを組み合わせたプラントの全体もプロセス的にかつ経済的に最適化できるとして、単一化学機器の最適化を図って来た。プラントのオペレーション・フレキシビリティを大きくするために、スループット、製品及び原料の仕様を変えた多数回のケース・スタディを行い、その結果から所謂設計マージンを決定し、最適化された各機器の仕様に設計マージンを加味してきた。また、高いコスト競争力を得るために、規模の利益を求めてプラントを大型化して来た。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、プロセス・フローに基づいて、必要なユニット・オペレーションを行う単一化学機器を採用し、各単一化学機器の最適化を行い、それらを組み合わせて一つのプラントを構成すると言う従来のプラント構成概念に従って構成されたプラントには、以下のような問題を包含している。
第１には、経済性を追求した結果としてプラントを大型化したが、現実には、需要と供給との関係から低いスループットで、しかも、設計時の予定限界を越えた低いスループットでその大型プラントを運転せざるを得ないことが多いと言うことである。これでは、プラントを大型化して経済性を求めた意味がない。
それは、一般に、プラントが、後続のプラントと連動して運転されているからである。例えば、そのプラントの都合だけでスループットを決めて、そのスループットでプラントを運転したり、逆にそのプラントの都合だけでプラントの運転を停止したりすることはできない。特に、この制約は、コンビナートを形成する場合に顕著である。
【０００５】
仮に、プラントの運転条件の変動を考慮して、各単一化学機器に設計マージンをそれぞれ加味していたとしても、その設計マージンの限界を越えて運転条件を変えざるを得ない場合には、この手法も効果が無い。例えば、運転時のスループットが設計スループットの５０％である場合には、その運転費用は設計スループットの７０％時の費用を要すると言われている。
以上のように、個々の単一化学機器が、プラント設計時に定められたユニット・オペレーションに基づいて最適な寸法、仕様に設計、製作されたものであったとしても、運転時ではもはや最適な設計でなくなり、従って、プラントがコスト競争力を失っている。
【０００６】
第２には、各単一化学機器の機能が固定されているために、単一化学機器同士間で機能を相互に交換したり、ユニット・オペレーションの順序を変えたりすることはできない。例えば、気液分離槽を熱交換器として使用することは現実にはできない。従って、プラントの構成が固定されているために、プロセッシングの順序、即ちプロセス・フローを自在に変更することが難しい。
換言すれば、オペレーション・フレキシビリティの程度が、その固定されたプロセス・フローと各単一化学機器の独立性により制限されている。これでは、原料及び製品が益々多様化しつつある現在、その多様化の状況に追随できないことを意味する。
【０００７】
第３には、プラントの運転制御の問題である。運転条件の変動が設計マージンの限界内であったとしても、変動した運転条件下でプラントを運転するためには、プラントを構成する全ての単一機器に対して或る運転条件、望ましくは最適な運転条件を決定することが必要である。そのためには、プロセス・コンピュータを備えて、複雑なプロセス計算を行い、プロセス計算の結果に基づいて、プロセス全体を監視し、かつ制御できる制御システムを構築することが必要である。
しかし、プロセス・コンピュータが著しく発展したとしても、プラント全体を監視し、制御する制御システムはそれが依拠する制御プログラムを必要とし、その制御プログラムはプロセスエンジニアとプラグラマの個人的能力と協同作業によって開発、維持されなければならない。従って、プラントを構成する機器毎に最適な運転条件を算出して各機器をその条件で制御することは、そのような広範囲の変数を制御できる能力を有する人間の介在が必要となる以上、実現不可能と言ってよいほどに実際には困難なことである。これでは、プラント設計に当たり、設計マージンを付与する意味が無くなる。
【０００８】
以上、説明したように、プロセス・フローを構成するユニット・オペレーション毎に単一化学機器を割当て、その機器を最適化することにより、プラント全体を最適化しようとする従来の手法では、高いフレキシビリティと高い経済性とは相互に二律背反の要求となり、双方を同時に満足させることはできない。従って、従来の手法が、高いフレキシビリティと高い経済性とを兼ね備えたプラント、即ち社会の急激な経済的発展に伴う様々な要求を満足できるプラントを提供し得ないと言うことが明確になりつつある。
しかも、プラントに付随する環境問題、エネルギー問題を考えると、良い環境を保全する上で、また使用エネルギーの削減化を図る上で、プラントのプロセス的かつ経済的最適化は、極めて重要なことである。
【０００９】
以上の状況に照らして、本発明の目的は、社会の経済的変動に追随できる高いフレキシビリティと高い運転効率とを兼ね備える新規なプロセス・プラントを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するためには、従来のプラントとは概念の異なる新規なプラントが必要であると考え、状況に応じて必要な機能を発揮できる多機能型のマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールを考案し、かかるマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールを構成単位としてそれを集合することによりプラントを構成できることに着目し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
上記目的を達成するために、この知見に基づき、本発明に係るマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールは、流体を受入れ、収容し、かつ払い出す少なくともの２個の収容手段と、系外から各収容手段に流体を流入させる流入手段と、各収容手段から流体を系外に流出させる流出手段と、輸送機能、開閉機能及びセンサ機能を有し、流入手段と流出手段とにそれぞれ設けられた流れ制御装置と、系外から到来するターゲット・トークンに対して応答し、流れ制御装置と協働して自律的に行動する応答機構とで構成され、
収容手段に受け入れた流体間での熱移動操作、収容手段に受け入れた流体間での物質移動操作、系外から流入する流体の収容手段間での分流操作、収容手段から流出する流体の合流操作のうちの少なくとも一つの操作を流入手段と流出手段とを介して２個の収容手段間で行うようにしたことを特徴としている。
【００１２】
本明細書で、ターゲット・トークンとは、機能及び条件に関する情報を携えて系外から到来して、マイクロ・ケミカルプロセス・モジュールにその情報を入力し、そのターゲット・トークンを得たマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールは、所定の操作に参加権を得ることができるものである。また、自律的とは、人間の指示によることなく、マイクロ・ケミカルプロセス・モジュール自身の規範、又は基準により行動することを言う。
本発明において、例えば、収容手段は容器であり、流入手段及び流出手段はパイプであり、輸送機能はマイクロ・ポンプであり、開閉機能は開閉弁であり、センサ機能は温度計、圧力計等のセンサである。
【００１３】
本発明の好適な実施態様は、２個の収容手段が、それぞれ、一方の端部に第１及び第２流入口を、一方の端部に対向して位置する他方の端部に第１及び第２流出口を有する第１及び第２チャンバの対で形成され、
流入手段が、外部から来る第１及び第２流入管に接続及び解除自在にそれぞれ設けられた第１及び第２分岐部と、第１分岐部と第１チャンバの第１流入口とを、及び第２分岐部と第２チャンバの第１流入口とをそれぞれ接続する第１及び第２入口管と、第１分岐部と第２チャンバの第２流入口とを、及び第２分岐部と第１チャンバの第２流入口とをそれぞれ接続する第１及び第２分流管とで形成され、
流出手段が、外部に出る第１及び第２の流出管に接続及び解除自在にそれぞれ設けられた第１及び第２合流部と、第１チャンバの第１流出口と第１合流部とを、及び第２チャンバの第１流出口と第２合流部とをそれぞれ接続する第１及び第２出口管と、第１チャンバの第２流出口と第２合流部とを、及び第２チャンバの第２流出口と第１合流部とをそれぞれ接続する第１及び第２合流管とで形成され、
更に、第１分岐部と第１合流部との間、及び第２分岐部と第２合流部との間には、第１バイパス管及び第２バイパス管が接続され、
第１及び第２入口管、第１及び第２分流管、第１及び第２出口管、第１及び第２合流管並びに第１及び第２バイパス管の各々に設けられた流れ制御装置は、それぞれ、管内を流れる流体の輸送手段と、管を開閉する開閉手段と、管内を流れる流体の温度及び圧力並びに性状を検出するセンサ手段と、輸送手段及び開閉手段を制御する制御手段とを有し、
応答機構が、ターゲット・トークンの情報及びセンサ手段の検出データに基づいて演算し、判断し、制御手段に指令を出し、更に系外にターゲット・トークンを発信する手段を備えていることを特徴としている。
【００１４】
本発明の更に好適な実施態様は、制御手段が、オン状態とオフ状態のいずれかの指令を輸送手段及び開閉手段に出力することを特徴としている。ここで、オン状態とは、動作状態にあることを言い、例えば輸送手段は流体を輸送できる状態にあり、開閉手段は開状態にあり、センサ手段は検出可能な状態にあることを言い、オフ状態とはそれぞれがオン状態とは逆の状態にあることを意味する。
【００１５】
本発明の更に好適な実施態様は、応答機構が、マイクロ・ケミカルプロセス・モジュールの進退目的地とその経路を自動案内車に指示し、指令に従って自動案内車により搬送され、かつ第１及び第２分岐部をそれぞれ第１及び第２流入管に、第１及び第２合流部をそれぞれ第１及び第２流出管に接続又は接続解除するようにしたことを特徴としている。
【００１６】
また、本発明に係る自律式分散型プラントは、請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の複数個のマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールが自律的にかつ個々的に集合し、相互に連結してモジュール集合体を形成し、モジュール集合体が所定のユニット・オペレーションを行うようにしたこと特徴としている。
ユニット・オペレーションとは、熱移動、物質移動を伴う単一の操作を言い、例えば、熱交換、分流、合流、吸収、混合、気液分離等のプロセス上の操作を言う。
【００１７】
更に、本発明に係る別の自律式分散型プラントは、請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の複数個のマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールが自律的にかつ個々的に集合し、相互に連結してなる複数個のモジュール集合体で構成され、各モジュール集合体が所定のプロセス・フローに基づくユニット・オペレーションをそれぞれ行い、それによって所定のプロセス・フローに基づく一連のプロセッシングを行うようにしたことを特徴としている。
【００１８】
【作用】
請求項１に記載の発明では、収容手段、流入手段、流出手段、流れ制御装置及び応答機構を備えて、独立的にかつ自律的に行動し、少なくとも一つのプロセス操作を行うことのできる単一化学機器としての構成単位を形成する。
【００１９】
請求項５及び６に記載の発明では、複数個のマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールが独立して自律的にかつ個々的に集合し、相互に連結して、集合体を形成し、その集合体がそれぞれ所定のユニット・オペレーションを行うことにより、自律式分散型プラントを構成する。
【００２０】
【実施例】
以下、添付図面を参照し、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。
実施例１
図１は、本発明に係るマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールの実施例１の構成を示す図である。
本実施例のマイクロ・ケミカルプロセス・モジュール（以下、簡単にモジュールと略称する）３０は、同じ構造の方形の箱体であって、相互に面同士で面接触している対の第１チャンバ３２と第２チャンバ３４とを備えている。
第１チャンバ３２は、入口端部に第１流入口３６及び第２流入口３８を、入口端部に対向して位置する出口端部に第１流出口４０及び第２流出口４２を備えている。第２チャンバ３４も同様に第３流入口４４、第４流入口４６、第３流出口４８及び第４流出口５０を備えている。
【００２１】
モジュール３０には、フロー１の流体及びフロー２の流体をそれぞれ流入させる第１流入管５２及び第２流入管５４が外部から入来し、かつ第１流入管５２及び第２流入管５４にそれぞれ第１分岐部５６及び第２分岐部５８が解除自在に接続している。また、モジュール３０からは、第１流出管６０及び第２流出管６２が外部に出ており、かつ第１流出管６０及び第２流出管６２には第１合流部６４及び第２合流部６６が解除自在に接続している。
【００２２】
第１入口管２及び第１分流管３が、第１分岐部５６と第１チャンバ３２の第１流入口３６とを及び第１分岐部５６と第２チャンバ３４の第４流入口４６とをそれぞれ接続している。同様に、第２入口管７及び第２分流管８が、第２分岐部５８と第２チャンバ３４の第３流入口４４とを及び第２分岐部５８と第１チャンバ３２の第２流入口３８とをそれぞれ接続している。
更に、第１出口管４及び第１合流管５が、第１チャンバ３２の第１流出口４０と第１合流部６４とを、及び第２チャンバ３４の第４流出口５０と第１合流部６４とをそれぞれ接続している。同様に、第２出口管９及び第２合流管１０が、第２チャンバ３４の第３流出口４８と第２合流部６６とを、及び第１チャンバ３２の第２流出口４２と第２合流部６６とをそれぞれ接続している。
また、第１バイパス管１及び第２バイパス管６が、それぞれ、第１分岐部５６と第１合流部６４とを、及び第２分岐部５８と第２合流部６６とを接続し、第１チャンバ３２及び第２チャンバ３４をバイパスしている。
【００２３】
第１及び第２入口管２、７、第１及び第２分流管３、８、第１及び第２出口管４、９、第１及び第２合流管５、１０、第１バイパス管１及び第２バイパス管６の各々には、それぞれ、流体を輸送する輸送手段（例えば、ポンプ）と、管を開閉する開閉手段（例えば、開閉弁）と、管内を流れる流体の温度及び圧力並びに性状を検出する検出手段（例えば、センサ）と、輸送手段及び開閉手段を制御する制御手段との集合からなる流れ制御装置（以下、ＦＣＵと表記する）が設けてある。
輸送手段等の各手段は、それぞれ、例えば、太陽電池、燃料電池等により自立的にエネルギーを調達して動作するようになっている。図１では、第１バイパス管１に設けられた流れ制御装置を▲１▼で表示している。以下、各管に設けられた流れ制御装置についても同様である。
【００２４】
更に、対のチャンバ３２、３４は、各手段から入力され、また各手段に出力するマイクロコンピュータを備え、検出手段の検出データに基づいて演算し、系外から到来するトークンに対して応答し、更に系外にトークンを発信する応答機構６８を備えている。マイクロコンピュータは、予めプログラムが入力されており、それに基づいて、演算動作、判断動作、指令の発信動作等を行う。
尚、本実施例では、応答機構６８は、各ＦＣＵと協働して後述のトークンに条件反射的に２値的判断を行い、２値的な応答を行うだけで複雑な判断を行わない。ここで、条件反射的に応答する（反射応答）とは、複雑な論理を思考することなく、オン状態又はオフ状態、有又は無等の２値状態で条件反射的に応答することである。また、制御手段は、応答機構６８より指令を受けて、オン状態とオフ状態のいずれかの指令を輸送手段及び開閉手段に出力するようになっている。図１では、自立機構６８から各手段への接続が模式的に表示されている。
【００２５】
以上のように構成されたモジュール３０は、任意の寸法で形成して良いが、モジュール３０を集合して一つの単一化学機器、更にはプラントを構成すると言う概念からはミニチュア化されるのが一般である。
【００２６】
反射応答の様式には、モジュール３０内で生じる内部的反射応答とモジュール３０から系外に発信される外部的反射応答とがあり、実施例１を例にしてそれぞれの典型的な反射応答を以下に挙げる。
内部的反射応答１
内部的反射応答１は、入口ＦＣＵに対する出口ＦＣＵの反射応答であって、流入するフローの閉塞を排除することであると規定される。よって、オン状態の入口ＦＣＵとオン状態の出口ＦＣＵとの次のような組み合わせがある。オン状態とは、動作状態にあることを言い、例えばＦＣＵのポンプは運転状態にあり、開閉弁は開状態にあり、センサは検出可能な状態にあることを言い、オフ状態とはポンプ、開閉弁及びセンサがそれぞれオン状態とは逆の状態にあることを意味する。
オン状態の入口ＦＣＵ オン状態の出口ＦＣＵ
２及び／又は８ ４及び／又は１０
３及び／又は７ ５及び／又は９
【００２７】
内部的反射応答２
内部的反射応答２は、入口ＦＣＵ及び出口ＦＣＵの排他的反射応答であって、流入するフローの分離を行わないし、また２個の流出フローの混合を行わないことであると規定される。よって、オン／オフ状態のＦＣＵに対応するオフ／オン状態とＦＣＵの次のような組み合わせがある。
オン／オフ状態のＦＣＵ オフ／オン状態のＦＣＵ
２ ３
４ ５
７ ８
９ １０
【００２８】
外部的反射応答１
外部的反射応答１は、近隣モジュールに対する反射応答であって、各モジュールはその出口条件を検知することによりその運転上の制約条件を維持できるかどうかを判断する。或るモジュールが、運転上の制約条件がその能力を越えていることを認識した時、そのモジュールは近隣モジュールに条件の逸脱を後述するトークンによりアナウンスする。これにより、近隣モジュール間で反射応答の一連の進行、即ち反射応答の伝播が引き起こされる。
反射応答を独立に引き起こすには次の２個の指定条件、即ち量的条件と質的条件があり、それに対して対応する反射応答の伝播がある。逸脱した条件の例は、逸脱した量的条件及び質的条件の例である。シードモジュールが同時に双方の条件を検出すると、直列、並列及び直列・並列増殖の３様の増殖様式の一つを不規則的に引き起こす。
指定条件 反射応答の伝播 逸脱した条件の例
量的条件 並列伝播 流量
質的条件 直列伝播 温度、組成
【００２９】
外部的反射応答２
外部的反射応答２は、モジュール機能に関する反射応答であって、増殖したモジュールの機能が、反射応答を引き渡すモジュールの機能を２重写しすることであると規定されている。モジュールの機能は、最初の反射応答前、即ち当初モジュールに設定された時点で、後述する表１に示すパイプライン１の機能であるが、本外部的反射応答２によって、要請された機能に変態する。
【００３０】
外部的反射応答３
外部的反射応答３は共通資源に関する反射応答であって、モジュールの各出口フロー及びユーティリティが、共通資源であると指定されている。第１のモジュールは全ての必要な資源を入手することができる。
【００３１】
表１は、上述の２種類の様式の内部的反射応答に基づくモジュールの機能チャートを示す。
【表１】
【００３２】
図２は、境界における制約を検出したシードモジュールに対する反射応答の直列及び並列増殖を模式的に示している。この反射応答では、ターゲット・トークン（以下、簡単にトークンと略称する）がコミュニケーション・プロトコルとして伝播される。トークンは、シードモジュールによって発信された、モジュール機能と指定条件に関する情報を携えている。
モジュールがトークンを受け取った時、モジュールは、トークンに携えられた情報通りに、その機能及び条件を２重写しする。全ての条件が増殖したモジュールにより満足された時、トークンは停止し、反射応答の伝播が終了する。モジュール間での外部的反射応答のこのような伝播及び停止は、自律的組織構成機構を形成し、人の介在を必要とする集中制御システム無しに自律的にシステム構造を構築する。
尚、情報通信分野でトークンとは、トークンを捕獲した通信装置が、送信権を獲得すると言う意味で使用されているが、本明細書では、ターゲット・トークンとは、機能及び条件に関する情報を携え、そのターゲット・トークンを得たモジュールが参加権を得るようなものである。反射応答とは、複雑な判断を要することなく条件反射的に応答することを言う。
【００３３】
容量が小さく、効率が低いために、単一のモジュールだけでは与えられたプロセス上の要求を満足できなくても、増殖機構によって大群のモジュールを集めることにより、プロセス上の要求を満足させることができる。
モジュールの大多数は、増殖機構の下で最高の効率で運転されるので、自律式分散型プラントは、最適条件下で運転されていない従来型プラントより、常に、高い総合効率で運転されることができる。
【００３４】
モジュールは、自立的駆動装置、例えば太陽電池を動力源とする、ジェット噴射式駆動装置を備えて移動できるようにしても良い。また、モジュールを移動し、かつモジュール間でパイプラインを接続するロボットアームを有する自動案内車両（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＡＧＶ）をモジュールとは別に用意して、それでモジュールを移動させ、かつ流入管及び流出管に接続させるようにしても良い。図３は、コンピュータ・グラフィクス・システムで描いた自律式分散型プラントの概念図である。
【００３５】
以上の構成により、モジュール３０は、チャンバ３２とチャンバ３４により、それぞれ独立したパイプラインを構成してフロー１とフロー２とを輸送し、またフロー１及びフロー２との間の物質移動を行わせ、更にチャンバ３２及びチャンバ３４の間でフロー１とフロー２との間の熱移動を行わせることができる。物質移動は、例えばフロー１及びフロー２中の物質の混合、フロー１及びフロー２の物質の分離を含む、蒸留、吸収操作を意味する。
換言すれば、モジュール３０は、状況に応じて必要な物質移動機能及び／又は熱移動機能を果たす多機能型のモジュールであって、例えばパイプライン、混合槽、フラッシュドラム、吸収器、熱交換器の作用をそれぞれ行うことができ、更には、複数のモジュール３０が集合して自律的に組織を構成し、大型の単一化学機器を構成できる。また、モジュール３０が集合して、一つの別のユニット・オペレーション、例えばフラッシュ・ドラム態様のモジュール３０が連続して接続することにより蒸留塔の作用を行うことができる。
【００３６】
実施例２
本実施例は、モジュールが熱交換機能を発揮する、即ち熱交換器として機能する例である。図４は、モジュールＭが条件の変動に応じてシードモジュール（図４では、Ｓｅｅｄと表示されている）になる様子を説明する図である。
１個のモジュールＭの伝熱面積は０．３ｍ２ 、伝熱面の総括伝熱係数は８３７×１０３ Ｊ／ｍ２ｈｒ°Ｃ である。ユーティリティ熱源から供給された温度１００°Ｃ 、比熱０．８Ｊ／ｋｇ°Ｃ の高温側フロー１と、温度４０°Ｃ 、比熱０．８Ｊ／ｋｇ°Ｃ の低温側フロー２とが、モジュールＭに流入する。当初状態▲１▼では、フロー１及びフロー２の各流量は、同じ１００ｋｇ／ｈｒ とする。このような条件下で、フロー２の出口温度は６１．５°Ｃ となる。尚、モジュールＭ周りの条件は、図８に示す凡例に従って表示されている。
以上の事を整理すると、
条件番号 項目 指定条件
条件１ フロー１の流量 １００ｋｇ／ｈｒ
条件２ フロー２の流量 １００ｋｇ／ｈｒ
条件３ フロー２の出口温度 ６１．５°Ｃ
【００３７】
フロー２の流量が１４０ｋｇ／ｈｒ に増大して状態▲２▼になった時、フロー２の出口温度は６１．５°Ｃ から５６．１°Ｃ に低下する。この場合、モジュールＭは、はフロー２の流量が条件２より増大し、出口温度が条件３より低下した境界条件を検出する。条件２及び３を維持するために、モジュールＭは、シードモジュールとなり、当初の機能と指定条件、即ち熱交換機能と条件１から条件３までの情報を携えたトークンを発信する。この状態を▲３▼で表示する。
シードモジュールのトークンに対する反射応答は、直列反射増殖、並列反射増殖及び直列・並列反射増殖の３様の反射応答である。以下、順次、説明する。
【００３８】
直列反射増殖様式
直列反射増殖の進行は、図５に示されている。シードモジュールがトークンを発信し、Ｓ−１モジュールがトークンを受け取る。トークンを受けたＳ−１モジュールは、熱交換機能の遂行に参加するべく、シードモジュールの後に直列に接続する。しかし、Ｓ−１モジュールの接続だけでは、出口温度条件を満足できない（測定温度６０．３°Ｃ ＜目的温度６１．５°Ｃ ）ので、Ｓ−１モジュールはトークンを発信し、Ｓ−２モジュールがトークンを受け取り、熱交換機能の遂行に参加するべく、Ｓ−１モジュールの後に直列に接続する。このようにして、モジュールの直列反射増殖が進行し、Ｓ−３モジュールが熱交換機能の遂行に参加した段階で、条件３が満足されるので（測定温度６１．７°Ｃ ＞目的温度６１．５°Ｃ ）、モジュールの直列反射増殖が停止する。
【００３９】
並列反射増殖様式
並列反射増殖の進行は、図６に示されている。シードモジュールはトークンを発信する一方、シードモジュールはその能力を維持するためにフロー１の流量を１００ｋｇ／ｈｒ に保持している。Ｐ−１モジュールがそのトークンを受け取ると、シードモジュールはその当初状態▲１▼に立ち返り、状態▲２▼におけるフロー２の流量のうちシードモジュールに流入した残りの流量、４０ｋｇ／ｈｒ と条件１のフロー１の流量、１００ｋｇ／ｈｒ がＰ−１モジュールに流入する。従って、フロー１の全流量は、２００ｋｇ／ｈｒ になる。
この結果、Ｐ−１モジュールの出口温度は８１．４°Ｃ になり、シードモジュールの出口温度６１．５°Ｃ の流出体と混合すると、６７．２°Ｃ の温度になり条件３を満足する。よって、条件２及び３が解消され、モジュールの並列反射増殖はここで停止する。
【００４０】
直列・並列反射増殖様式
直列・並列反射増殖の進行は、図７に示されている。シードモジュールは２個のトークンを発信し、シードモジュールの近隣のＳ−１モジュールとＰ−１モジュールとがトークンを受け取る。多数の反射応答を禁止する通信手段がＳ−１モジュールとＰ−１モジュールとの間で規定されていないので、上述のトークンの授受は、不規則な反射応答メカニズムのもとで行われる。
Ｓ−１モジュールの運転条件は、並列反射増殖におけるシードモジュールにＳ−１モジュールが直列に接続した時の運転条件であり、Ｐ−１モジュールの運転条件は、並列増殖におけるＰ−１モジュールの運転条件と同じである。Ｓ−１モジュールの出口温度は６５．７°Ｃ になるから、Ｓ−１モジュールとＰ−１モジュールとからそれぞれ流出したフロー２を混合した後の温度は、７０．２°Ｃ になり、条件３を満足する。
このようにして、条件２及び条件３が解消される。反射増殖の後、シードモジュールは当初の状態▲１▼に戻って並列反射増殖の場合と同じ状態になり、Ｓ−１モジュールの熱交換機能を必要とすることなく条件２及び条件３が解消される。その結果、Ｓ−１モジュールは、付加的なモジュールになる。換言すれば、入口条件がトークンに携えられた条件に合致することを検出した時、Ｓ−１モジュールはそれ自身の機能をパイプラインに変更する。
【００４１】
この実施例では、出口境界で指定条件からの逸脱を解消するために、上述した３様の増殖様式が自律的に作り出される。システムは、個別的に不連続で成長するので、全ての解が全ての品質上の拘束条件に合致してそれを満足できるわけではない。例えば、上述の各解の出口温度は、６１．７°Ｃ 、６７．２°Ｃ 及び７０．２°Ｃ であって、当初条件の出口温度、６１．５°Ｃ に等しくない。
経済的には、直列増殖又は並列増殖を選択する上でモジュールの数とユーティリティの消費量との間でトレード・オフの関係を考慮することが必要である。運転上の観点からは、直列・並列増殖が最大のマージンを有している。従って、局所的及び静的にはいずれの増殖様式が最良のシステムであるか決めるのは難しい。
【００４２】
実施例３
実施例３は、自律式分散型プラントの設計思想を説明する例である。先ず、従来のユニット・オペレーションの設計手法を使用して、所定の原料、製品の仕様、運転条件に基づき、図９（ａ）に示すような基本的なプロセス・フローを規定する。
本プロセス・フロー８０は、熱交換器８２、フラッシュ・ドラム８４、蒸留塔８６、凝縮器８８、溜め槽９０、及び再沸器９２を備えている。本プロセス・フロー８０では、原料を熱交換器８２で昇温した後、フラッシュ・ドラム８４でフラッシュさせて気体状の塔頂成分と液体状の塔底成分とに分離し、双方を蒸留塔８６に供給する。蒸留塔８６では、塔頂留分を凝縮器８８で凝縮させた後、溜め槽９０に受け、その一部を蒸留塔８６に還流し、その残りを系外に送出する。蒸留塔８６の塔底では、塔底留分の一部を再沸器９２で気化させて、還流作用と協動して供給された原料の蒸留を行う。
【００４３】
上述の熱交換器８２等のユニット・オペレーション用の各機器及びそれを接続すう各配管は、それぞれ実施例１に示すモジュール３０と同じ構成を備えた一組のマイクロ・ケミカルプロセス・モジュール（以下、モジュールと略称する）の集合として図９（ｂ）に示すように分解できる。図９（ｂ）では、各モジュールは、各ます目１個が１個のモジュールと同じ大きさの格子状の目盛線で描かれた２次元平面に配置されている。
【００４４】
上述のようにしてモジュールを集合、配列した後、原料の流量が設計時の所定流量より増加した場合には、シードモジュールの周りの近隣モジュールは、実施例２で説明した増殖様式に従って、図９（ｃ）に示すように増殖し、制限を解消して、指定条件を満足するように自律的に行動して組織を再構築する。
これにより、自律式分散型プラントは、集中制御システムを必要とすることなく、全ての外的な条件の変化に応答して、その内部的システム構造を自律的に構築する能力を得ることができる。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、各モジュールに等しく収容手段、流入手段、流出手段、流れ制御装置及び応答機構を備えることにより、状況に応じて必要な物質移動機能及び／又は熱移動機能を果たす多機能型であってかつ自律的に集合、増殖できるマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールを実現している。マイクロ・ケミカルプロセス・モジュールが自律的に増殖、集合して大型化することにより、任意の状況下で必要な処理量を所定通り処理できるケミカルプロセス用単位機器が実現される。
請求項５及び６の発明によれば、マイクロ・ケミカルプロセス・モジュールを集合させたモジュール集合体を構成することにより、社会の経済的変動に追随できるフレキシビリティの高いプロセス・プラントであって、しかも経済性の高いプラント、換言すれば設計条件下ではなく、その時に与えられた任意の条件の下で常に最高効率で運転できる自律式分散型プラントを実現している。よって、本発明に係る自律式分散型プラントは、原料及び製品の性状が変動し、かつスループットも変動する場合の生産プラントとして最適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールの実施例１の構成を示す図である。
【図２】限界を検出したシードモジュールに対する反射応答の直列及び並列増殖を模式的に示している。
【図３】コンピュータ・グラフィクス・システムで描いた自律式分散型プラントの概念図である。
【図４】モジュールＭが条件の変動に応じてシードモジュールになる様子を説明する図である。
【図５】直列反射増殖の進行を示す図である。
【図６】並列反射増殖の進行を示す図である。
【図７】直列・並列反射増殖の進行を示す図である。
【図８】図４から図８に関する凡例を示した図である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ自律式分散型プラントの設計思想を説明する図である。
【符号の説明】
１ 第１バイパス管
２ 第１入口管
３ 第１分流管
４ 第１出口管
５ 第１合流管
６ 第２バイパス管
７ 第２入口管
８ 第２分流管
９ 第２出口管
１０ 第２合流管
３０ マイクロ・ケミカルプロセス・モジュール
３２ 第１チャンバ
３４ 第２チャンバ
３６ 第１流入口
３８ 第２流入口
４０ 第１流出口
４２ 第２流出口
４４ 第３流入口
４６ 第４流入口
４８ 第３流出口
５０ 第４流出口
５２ 第１流入管
５４ 第２流入管
５６ 第１分岐部
５８ 第２分岐部
６０ 第１流出管
６２ 第２流出管
６４ 第１合流部
６６ 第２合流部
８０ プロセス・フローの一例
８２ 熱交換器
８４ フラッシュ・ドラム
８６ 蒸留塔
８８ 凝縮器
９０ 溜め槽
９２ 再沸器
Claims (6)
- 流体を受入れ、収容し、かつ払い出す少なくともの２個の収容手段と、系外から各収容手段に流体を流入させる流入手段と、各収容手段から流体を系外に流出させる流出手段と、輸送機能、開閉機能及びセンサ機能を有し、流入手段と流出手段とにそれぞれ設けられた流れ制御装置と、系外から到来するターゲット・トークンに対して応答し、流れ制御装置と協働して自律的に行動する応答機構とで構成され、
収容手段に受け入れた流体間での熱移動操作、収容手段に受け入れた流体間での物質移動操作、系外から流入する流体の収容手段間での分流操作、収容手段から流出する流体の合流操作のうちの少なくとも一つの操作を流入手段と流出手段とを介して２個の収容手段間で行うようにしたことを特徴とするマイクロ・ケミカルプロセス・モジュール。 - ２個の収容手段が、それぞれ、一方の端部に第１及び第２流入口を、一方の端部に対向して位置する他方の端部に第１及び第２流出口を有する第１及び第２チャンバの対で形成され、
流入手段が、外部から来る第１及び第２流入管に接続及び解除自在にそれぞれ設けられた第１及び第２分岐部と、第１分岐部と第１チャンバの第１流入口とを、及び第２分岐部と第２チャンバの第１流入口とをそれぞれ接続する第１及び第２入口管と、第１分岐部と第２チャンバの第２流入口とを、及び第２分岐部と第１チャンバの第２流入口とをそれぞれ接続する第１及び第２分流管とで形成され、
流出手段が、外部に出る第１及び第２の流出管に接続及び解除自在にそれぞれ設けられた第１及び第２合流部と、第１チャンバの第１流出口と第１合流部とを、及び第２チャンバの第１流出口と第２合流部とをそれぞれ接続する第１及び第２出口管と、第１チャンバの第２流出口と第２合流部とを、及び第２チャンバの第２流出口と第１合流部とをそれぞれ接続する第１及び第２合流管とで形成され、
更に、第１分岐部と第１合流部との間、及び第２分岐部と第２合流部との間には、第１バイパス管及び第２バイパス管が接続され、
第１及び第２入口管、第１及び第２分流管、第１及び第２出口管、第１及び第２合流管並びに第１及び第２バイパス管の各々に設けられた流れ制御装置は、それぞれ、管内を流れる流体の輸送手段と、管を開閉する開閉手段と、管内を流れる流体の温度及び圧力並びに性状を検出するセンサ手段と、輸送手段及び開閉手段を制御する制御手段とを有し、
応答機構が、ターゲット・トークンの情報及びセンサ手段の検出データに基づいて演算し、判断し、制御手段に指令を出し、更に系外にターゲット・トークンを発信する手段を備えていることを特徴とするマイクロ・ケミカルプロセス・モジュール。 - 制御手段が、オン状態とオフ状態のいずれかの指令を輸送手段及び開閉手段に出力することを特徴とする請求項２に記載のマイクロ・ケミカルプロセス・モジュール。
- 応答機構が、マイクロ・ケミカルプロセス・モジュールの進退目的地とその経路を自動案内車に指示し、指令に従って自動案内車により搬送され、かつ第１及び第２分岐部をそれぞれ第１及び第２流入管に、第１及び第２合流部をそれぞれ第１及び第２流出管に接続又は接続解除するようにしたことを特徴とする請求項２又は３に記載のマイクロ・ケミカルプロセス・モジュール。
- 請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の複数個のマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールが自律的にかつ個々的に集合し、相互に連結してモジュール集合体を形成し、モジュール集合体が所定のユニット・オペレーションを行うようにしたことを特徴とする自律式分散型プロセスプラント。
- 請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の複数個のマイクロ・ケミカルプロセス・モジュールが自律的にかつ個々的に集合し、相互に連結してなる複数個のモジュール集合体で構成され、各モジュール集合体が所定のプロセス・フローに基づくユニット・オペレーションをそれぞれ行い、それによって所定のプロセス・フローに基づく一連のプロセッシングを行うようにしたことを特徴とする自律式分散型プロセスプラント。
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