JP5078027B2

JP5078027B2 - プロセス解析プログラムならびにプロセス解析装置およびそれを用いた運転シミュレータ装置

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Publication number: JP5078027B2
Application number: JP2008213976A
Authority: JP
Inventors: 直樹島田; 明男冨山
Original assignee: Kobe University NUC; Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Kobe University NUC; Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-08-22
Also published as: JP2010049542A

Description

この発明は、化学プラントなどに向けられたプロセス解析プログラムならびにプロセス解析装置およびそれを用いた運転シミュレータ装置に関し、特に混合・分離・物質移動・化学反応を含む単相流または単相流を内包したプラントの解析技術に関する。

このような混相流の解析では、流れの流構造が複雑であるので、実験的手法を用いて大規模な解析を行なうことは困難である。そのため、数値計算（シミュレーション）を用いて、気泡塔の解析を行なうことが注目されている。このようなシミュレーションにより気泡塔を解析する際には、対象の気泡塔についての計算モデルを高度化することが重要となっている。

このような状況下において、非特許文献１および非特許文献２などには、非圧縮性流れ解法の枠内で各相密度の温度・圧力依存性を解析する計算モデルが提案されている。
島田他、「気泡塔内気泡流数値予測に必要となる相関式の感度解析」、社団法人化学工学会、化学工学論文集、第２９巻、第６号、ｐｐ．７７８−７８５、２００３年島田他、「化学反応・ガス吸収・熱輸送を伴う気泡塔内気泡流の数値解析」、社団法人化学工学会、化学工学論文集、第３１巻、第６号、ｐｐ．３７７−３８７、２００５年

ところで、実際の化学プラントでは、多くの製品は複数の装置でのプロセスを経て生成される。そのため、複数のプロセスを含む化学プラント全体を解析したいというニーズが高い。

従来から、大規模な化学プラントを建設する際には、予めパイロットプラントと称される規模の小さなプラントを試験的に建設し、そのパイロットプラントでその製造能力などが評価される。

上述したような化学プラント全体の挙動を予めシミュレーションできれば、このようなパイロットプラントを建設する必要がなくなり、より安価かつ迅速に化学プラントを建設することができる。

しかしながら、上述したような先行技術には、化学プラントに含まれる１つの反応器内のプロセスを解析することを目的とするものであり、このような化学プラント全体での挙動をシミュレーションによって解析することを意図するものではない。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、複数の装置を含む系に対するプロセス解析が可能なプロセス解析プログラムならびにプロセス解析装置およびそれを用いた運転シミュレータ装置を提供することである。

この発明のある局面によれば、複数の装置を含む系に対してプロセス解析を実行するためのプロセス解析プログラムを提供する。プロセス解析プログラムは、コンピュータに、第１群の装置の内部の１〜３次元的な物質移動、化学変化、状態変化および相挙動の少なくとも１つを含む特性を示す計算モデルを受付けるステップと、第１群の装置の下流側に配置される第２群の装置の特性を示す計算モデルを受付けるステップと、第１群の装置と第２群の装置との間の接続関係を受付けるステップと、第１群の装置について、対応の計算モデルに基づいて出口側の状態値をそれぞれ計算するステップと、第１群の装置についての出口側のそれぞれの状態値を接続関係に基づいて補正することで、第２群の装置の入口側へ与えるそれぞれの状態値を計算するステップと、計算されたそれぞれの状態値を用いて、第２群の装置について、対応の計算モデルに基づいて出口側の状態値をそれぞれ計算するステップとを実行させる。

好ましくは、状態値は、各装置についての流量および圧力を含み、第１群の装置は、複数の装置を含み、第２群の装置は、複数の装置を含む。接続関係は、第１群の装置のそれぞれの出口側を１つにまとめた上で、第２群の装置のそれぞれに分配する構成を含む。第２群の装置の入口側へ与えるそれぞれの状態値を計算するステップでは、第２群の装置のそれぞれの入口側に与えられる流量の総和を第１群の装置のそれぞれの出口側における流量の総和に一致させ、第１群の装置の出口側における圧力から圧力損失を考慮して、第２群の装置の入口側に与えられる圧力を決定する。

また好ましくは、状態値は、各装置についての流量および圧力を含み、第１群の装置は、１つの装置からなり、第２群の装置は、１つの装置からなる。接続関係は、第１群の装置の出口側と第２群の装置の入口側とを直結する構成を含む。第２群の装置の入口側へ与えるそれぞれの状態値を計算するステップでは、第２群の装置の入口側に与えられる流量を第１群の装置の出口側における流量に一致させ、第１群の装置の出口側における圧力から圧力損失を考慮して、第２群の装置の入口側に与えられる圧力を決定する。

この発明の別の局面に従えば、複数の装置を含む系に対してプロセス解析を実行するためのプロセス解析装置を提供する。プロセス解析装置は、第１群の装置の内部の１〜３次元的な物質移動、化学変化、状態変化および相挙動の少なくとも１つを含む特性を示す計算モデルを受付ける手段と、第１群の装置の下流側に配置される第２群の装置の特性を示す計算モデルを受付ける手段と、第１群の装置と第２群の装置との間の接続関係を受付ける手段と、第１群の装置について、対応の計算モデルに基づいて出口側の状態値をそれぞれ計算する手段と、第１群の装置についての出口側のそれぞれの状態値を接続関係に基づいて補正することで、第２群の装置の入口側へ与えるそれぞれの状態値を計算する手段と、計算されたそれぞれの状態値を用いて、第２群の装置について、対応の計算モデルに基づいて出口側の状態値をそれぞれ計算する手段とを含む。

この発明のさらに別の局面に従えば、複数の装置を含むプラントを模擬する運転シミュレータ装置を提供する。運転シミュレータ装置は、表示装置と、第１群の装置の内部の１〜３次元的な物質移動、化学変化、状態変化および相挙動の少なくとも１つを含む特性を示す計算モデルを受付ける手段と、第１群の装置の下流側に配置される第２群の装置の特性を示す計算モデルを受付ける手段と、第１群の装置と第２群の装置との間の接続関係を受付ける手段と、第１群の装置について、対応の計算モデルに基づいて出口側の状態値をそれぞれ計算する手段と、第１群の装置についての出口側のそれぞれの状態値を接続関係に基づいて補正することで、第２群の装置の入口側へ与えるそれぞれの状態値を計算する手段と、計算されたそれぞれの状態値を用いて、第２群の装置について、対応の計算モデルに基づいて出口側の状態値をそれぞれ計算する手段と、第１群および第２群の装置の少なくとも一方について計算された状態値を表示装置に表示する手段とを含む。

この発明によれば、複数の装置を含む系に対するプロセス解析が可能である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。

＜解析対象＞
この発明の実施の形態に従うプロセス解析は、化学プラントなどの複数の装置を含む系を解析対象とする。

図１は、この発明の実施の形態に従うプロセス解析が解析対象とする系の一例を示す模式図である。

図１を参照して、解析対象の一例として、直列的に接続された２つの装置（反応工程および精製工程）を含む一般的な化学プラントである系ＳＹＳを考える。図１には、反応工程で用いられる装置１０の代表例として気泡塔を図示し、精製工程で用いられる装置２０の代表例として蒸留塔を図示する。

気泡塔には、液相の原料２が供給ライン１４を通じて供給されており、この液相の原料２の垂直下方側から気相の原料１が供給ライン１２を通じて供給される。この原料１が気泡流となって気泡塔内を流れることにより、原料１と原料２との化学反応が生じ、この結果生成された生成物が排出ライン１６を通じて、次工程へ送られる。このように装置１０では、少なくとも液相および気相を含む物質の流れが生じるとともに、液相と気相との間での物質移動および化学反応が生じている。このような装置内の流動状態は複雑であるために、従来採用されてきた、単純化された完全混合モデルや段数モデルでは、十分に精度の高い反応収率を推定することが難しい。

蒸留塔には、水平なトレイ２２が垂直方向に複数段配置されている。この蒸留塔では、上流工程から搬送された生成物に含まれる成分のうち、より沸点の低いもの（揮発性のより高いもの）は、上部方向に移動し、一方より沸点の高いもの（揮発性のより低いもの）は、下部方向に移動する。

蒸留塔の底部は、抽出ライン２４を通じて図示しない加熱器の入口側（低温側）と連通するとともに、蒸留塔の下部の側面は、戻りライン２６を通じて加熱器（高温側）の出口側と連通する。これにより、蒸留塔の底部に滞留する液相の成分が加熱される。

また、蒸留塔の頂点部は、抽出ライン２８通じて図示しない凝縮器の入口側（高温側）と連通するとともに、蒸留塔の上部の側面は、戻りライン３０を通じて凝縮器で凝縮された成分の一部が還流する。

このように装置２０では、少なくとも液相および気相を含む物質の流れが生じるとともに、液相と気相との間での物質移動が生じている。なお、装置２０では、化学反応を伴う反応蒸留を含んでもよい。

＜ハードウェア構成＞
本実施の形態に従うプロセス解析装置およびそれを用いた運転シミュレータ装置は、代表的にコンピュータによって実現される。

図２は、この発明の実施の形態に従うプロセス解析装置およびそれを用いた運転シミュレータ装置を実現するための代表的なハードウェア構成であるコンピュータ１００の概略構成図である。

図２を参照して、コンピュータ１００は、ＦＤ（Flexible Disk）駆動装置１１１およびＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk-Read Only Memory)駆動装置１１３を搭載したコンピュータ本体１０１と、モニタ１０２と、キーボード１０３と、マウス１０４とを含む。

コンピュータ本体１０１は、ＦＤ駆動装置１１１およびＣＤ−ＲＯＭ駆動装置１１３に加えて、相互にバスで接続された、演算装置であるＣＰＵ（Central Processing Unit）１０５と、メモリ１０６と、記憶装置である固定ディスク１０７と、通信インターフェース１０９とを含む。

本実施の形態に従うプロセス解析処理は、ＣＰＵ１０５がメモリ１０６などのコンピュータハードウェアを用いて、プログラムを実行することで実現される。一般的に、このようなプログラムは、ＦＤ１１２やＣＤ−ＲＯＭ１１４などの記録媒体に格納されて、またはネットワークなどを介して流通する。そして、このようなプログラムは、ＦＤ駆動装置１１１やＣＤ−ＲＯＭ駆動装置１１３などにより記録媒体から読取られて、または通信インターフェース１０９にて受信されて、固定ディスク１０７に格納される。さらに、このようなプログラムは、固定ディスク１０７からメモリ１０６に読出されて、ＣＰＵ１０５により実行される。

ＣＰＵ１０５は、様々な数値論理演算を行なう演算処理部であり、プログラムされた命令を順次実行することで、本実施の形態に従う制御機能を提供する。メモリ１０６は、ＣＰＵ１０５のプログラム実行に応じて各種の情報を記憶する。

モニタ１０２は、ＣＰＵ１０５が出力する情報を表示するための表示部であって、一例としてＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＣＲＴ（Cathode Ray Tube）などから構成される。すなわち、モニタ１０２には、プロセス制御の状態などが表示される。

マウス１０４は、クリックやスライドなどの動作に応じたユーザから指令を受付ける。キーボード１０３は、入力されるキーに応じたユーザから指令を受付ける。

通信インターフェース１０９は、コンピュータ１００と他の装置との間の通信を確立するための装置であり、各種データを外部から受付可能である。

なお、上述したようなコンピュータに代えて、その一部または全部を専用のハードウェアによって実現してもよい。

＜制御構造＞
図３は、この発明の実施の形態に従うプロセス解析装置およびそれを用いた運転シミュレータ装置を実現するための機能ブロック図である。図３に示す各機能ブロックは、上述したようなコンピュータ１００がプログラムを実行することで実現される。

図３を参照して、本実施の形態に従うプロセス解析装置は、その制御機能として、第１モデル計算部（モデル計算部１）１５１と、第２モデル計算部（モデル計算部２）１５２と、データ格納部１６４と、描画部１６０と、入力部１６２と、データ受渡部１７１とを含む。モデル計算部１５１および１５２、ならびにデータ格納部１６４が本実施の形態に従うプロセス解析装置を実現するための構成である。また、入力部１６２および描画部１６０は、本実施の形態に従う運転シミュレータ装置を実現するための構成である。

第１モデル計算部１５１は、入力部１６２を介して入力されるユーザ指示による各種設定、およびデータ格納部１６４に予め格納される初期値などを用いて、対応する装置（図１の示す例では、装置１０）で生じる化学反応をシミュレーションする。そして、第１モデル計算部１５１は、このシミュレーションによって得られたデータ（計算値）をデータ格納部１６４へ格納するとともに、その一部または全部をデータ受渡部１７１および描画部１６０へ出力する。

データ受渡部１７１は、図１に示す装置１０と装置２０との間の接続関係に応じた条件を提供する。すなわち、データ受渡部１７１は、第１モデル計算部１５１から出力されたデータ（計算値）を、接続関係に応じた条件に従って必要な補正をした上で、第２モデル計算部１５２に入力する。

第２モデル計算部１５２は、入力部１６２を介して入力されるユーザ指示による各種設定、およびデータ格納部１６４に予め格納される初期値に加えて、データ受渡部１７１から入力されるデータを用いて、対応する装置（図１の示す例では、装置２０）で生じる化学反応をシミュレーションする。そして、第２モデル計算部１５２は、このシミュレーションによって得られたデータ（計算値）をデータ格納部１６４へ格納するとともに、その一部または全部を描画部１６０へ出力する。

すなわち、第２モデル計算部１５２は、第１モデル計算部１５１によって計算されたデータを用いてシミュレーションを行い、装置２０についての解析を行なう。このように、上流側に配置された工程における結果を用いて、それに引き続く下流側の工程での挙動をシミュレーションするので、実際の系（化学プラント）全体の解析を精度よく行なうことができる。

データ格納部１６４は、上述したように、モデル計算部１５１および１５２のそれぞれで計算された計算値を格納するとともに、必要に応じて、格納された計算値を読み出して出力する。また、データ格納部１６４には、対象とする装置の特性を示す初期値（後述するシミュレーションを行なうためのパラメータを含む）が格納されている。

入力部１６２は、ユーザが操作して、解析対象の化学プラントを示す計算モデルの各種パラメータなどを入力する。また、後述するように、運転シミュレータ装置として機能する場合には、入力部１６２は、画面表示すべきデータを切換えなども入力する。

描画部１６０は、主として、運転シミュレータ装置として機能する場合に有効化され、後述するように、対象とする化学プラントの全体画面などを含む表示データをモニタ１０２（図２）などに出力する。この描画部１６０は、グラフィック用のメモリ１６０ａを含んでおり、このメモリ１６０ａには、運転シミュレータ装置として機能するための画面データなどが格納される。また、描画部１６０は、シミュレーション結果に基づいて、各装置における時間的および空間的な挙動を視覚化してもよい。

＜全体処理手順＞
図４は、本実施の形態に従うプロセス解析の全体処理手順を示すフローチャートである。

図４を参照して、ユーザは、解析対象とする化学プラントを構成する各装置の特性を示す計算モデルを設定する（ステップＳ２）。すなわち、プロセス解析装置は、各装置の特性を示す計算モデルを受付ける。なお、本実施の形態に従うプロセス解析装置をプログラムとして提供する場合には、各装置を解析する処理は独立したライブラリとして提供されることが好ましく、ユーザは、このライブラリを呼び出して、対象とする各装置をモデル化するためのパラメータを設定する。そして、ユーザは、解析対象とする化学プラントを構成するすべての装置の特性を示す計算モデルの設定が完了するまで（ステップＳ４においてＹＥＳとなるまで）、ステップＳ２の処理を繰返す。

さらに、各装置の特性を示す計算モデルの設定後、ユーザは、解析対象とする化学プラントに対応させて、装置間の接続関係を設定する（ステップＳ６）。すなわち、プロセス解析装置は、装置間の接続関係を受付ける。

続いて、各装置に対するシミュレーションが上流側から順次実行される。具体的には、まず、最上流側の装置の計算モデルが選択される（ステップＳ８）。また、対象の装置を空間的に所定単位のセルに分割する（ステップＳ１０）。

当該選択された装置について、最上流側のセルを選択し（ステップＳ１２）、選択されたセルに対して、後述する計算モデルを用いたシミュレーションを実行する（ステップＳ１４）。これにより、選択されたセルにおける時間的変化が計算される。

次に、選択された装置のすべてのセルについてシミュレーションが完了しているか否かが判断される（ステップＳ１６）。シミュレーションが完了していないセルが残っている場合（ステップＳ１６においてＮＯの場合）には、次のセルを選択し（ステップＳ１８）、ステップＳ１４以下の処理を再度実行する。

一方、選択された装置のすべてのセルについてシミュレーションが完了している場合（ステップＳ１６においてＹＥＳの場合）には、計算されたデータを格納する（ステップＳ２０）。

続いて、設定されたすべての装置についてシミュレーションが完了しているか否かが判断される（ステップＳ２２）。シミュレーションが完了していない装置が残っている場合（ステップＳ２２においてＮＯの場合）には、装置間の接続関係に基づいて、次の装置を選択し（ステップＳ２４）、ステップＳ６に入力された接続関係に応じて必要なデータ補正を実行する（ステップＳ２６）。このデータ補正によって得られるデータが、次の装置のシミュレーションにおける入力値として用いられる。さらに、ステップＳ１０以下の処理を再度実行する。

設定されたすべての装置についてシミュレーションが完了している場合（ステップＳ２２においてＹＥＳの場合）には、解析対象とする化学プラントの必要とする部位におけるプロセスの状態値（瞬間値、時間的変化、空間的変化など）を出力または表示する（ステップＳ２８）。そして、処理は終了する。

＜計算モデル＞
図４に示すフローチャートのステップＳ１４で実行される各装置のシミュレーションについては、任意の公知の方法を用いることができる。すなわち、装置に入力する物質を示すパラメータと装置から出力される物質を示すパラメータとの関係を数学的に算出できるものであればいずれのものであってもよい。

このようなシミュレーションに用いる方法として、たとえば装置内についての状態方程式を考えて、装置に入力される流量および圧力と装置から出力される流量および圧力との関係を算出するものであってもよい。

なお、このようなシミュレーションの方法としては、文献（保原充・大宮司久明編、「数値流体力学−基礎と応用−」、東京大学出版会、１９９２年１１月１０日３版）などに詳しいので、そちらを参照されたい。

あるいは、より詳細なシミュレーションを行なう必要がある場合には、非特許文献１および非特許文献２などに開示されている、非圧縮性流れ解法の枠内で各相密度の温度・圧力依存性を考慮した計算モデルを用いて、装置内の各セルにおける物質の挙動を数値計算により従来の手法に比べ効率的に算出することもできる。さらに、各相密度の化学種濃度依存性を考慮したモデルを用いて、装置内の物質移動および化学反応を数値計算により効率的に算出することもできる。

＜装置間のデータ補正・分配＞
図１に示すような２つの装置が直列的に接続された系では、上流側の装置１０で生成された生成物が排出ライン１６を通じて、下流側の装置２０へ供給される。そのため、排出ライン１６における圧力損失や熱放散を考慮して、上流側の装置１０についてのシミュレーションによって得られたデータを補正して、下流側の装置２０のシミュレーションの入力値が生成される。

同様にして、上流側に複数の装置が配置され、共通の排出ラインを介して、下流側に複数の装置が配置されたような系についても、その接続関係を考慮して、各装置についてのシミュレーションを連係させることができる。

図５は、この発明の実施の形態に従うプロセス解析が解析対象とする系の別の一例を示す模式図である。図６は、図５に示す系に対応する機能ブロック図である。

図５を参照して、上流側にｙ個の装置３０１，３０２，…，３０ｙが配置され、下流側にｘ個の装置３２１，３２２，…，３２２ｘが配置され、これらの装置間は、配管モジュール３１０を介して連結されているとする。なお、図５には、各装置の入口側と出口側のそれぞれにおける状態値を示す。具体的には、入口側を示す添え字ｉおよび出口側を示す添え字ｏ、ならびに上流側を示す添え字（１）および下流側を示す添え字（２）を用いて、流量Ｑ、圧力Ｐ、体積率α、温度Ｔ、組成Ｃを示す。流量Ｑは、たとえば流出部における速度分布を積分処理することにより算出できる。たとえば、流量Ｑ^（１） _ｉ１は、上流側の１番目の装置３０１についての、入口側の流量を表わし、流量Ｑ^（１） _ｏ１は、上流側の１番目の装置３０１についての、出口側の流量を表わす。

また、配管モジュール３１０では、上流側の装置群で生じた生成物は、共通の１つの配管ラインにまとめられる。さらに、この１つの配管ラインにまとめられた生成物は、下流側の装置群の各々に向けて分配される。

この上流側の装置群の出口側の状態値と、下流側の装置群の入口側の状態値との間には、以下のような関係式が成立する。但し、ｊ＝１，２，…，ｘ、またはｊ＝１，２，…，ｙである。

流量Ｑについて：ΣＱ^（１） _ｏｊ＝ΣＱ^（２） _ｏｊ
圧力Ｐについて：Ｐ^（１） _ｏ＝Ｐ^（２） _ｉ＋ΔＰ
体積率αについて：α^（２） _ｉ＝ｆ（α^（１） _ｏ）
温度Ｔについて：Σ（Ｔ^（１） _ｏｊ・Ｑ^（１） _ｏｊ）／ΣＱ^（１） _ｏｊ＝Ｔ^（２） _ｉ
組成Ｃについて：Σ（Ｃ^（１） _ｏｊ・Ｑ^（１） _ｏｊ）／ΣＱ^（１） _ｏｊ＝Ｃ^（２） _ｉ
なお、上式において、ΔＰは圧力損失を示し、図５に示す配管モジュール３１０では、装置３２１および３２２の入力側に流量コントローラＦＣが設けられているので、圧力損失ΔＰの値は流量コントローラＦＣなどの開度などに応じて定められる。

ｆは任意の関数を示し、関数ｆを構成する各項は配管モジュール３１０の配管径や流量コントローラＦＣの開度などに応じて定められる。

図３に示す機能ブロック図を図５に示す系に対応させると、図６に示すような機能ブロックのように変形することができる。図６に示す機能ブロックでは、モデル計算部１５１が、上流側のｙ個の装置３０１，３０２，…，３０ｙにそれぞれ対応するモデル１，２，…，ｙを含むとともに、モデル計算部１５２が、下流側のｘ個の装置３２１，３２２，…，３０ｙにそれぞれ対応するモデル１，２，…，ｙを含む。

上述のように、上流側の装置群３０１，３０２，…，３０ｙの出口側の状態値と、下流側の装置群３２１，３２２，…，３２ｘの入口側の状態値との間には、１対１の対応関係ではない対応関係が生じているので、データ受渡部１７１は、このような装置の間の接続関係に応じて、上流側の１つまたは複数の装置の出口側の状態値を所定の関数に従って補正および必要に応じて分配することで、下流側の１つまたは複数の装置の入口側の状態値を算出する。そして、この算出された状態値に基づいて、シミュレーションが実行される。

すなわち、モデル計算部１５１は、保有するモデルの各々について、独立してシミュレーションを実行し、それぞれのモデルについての結果をデータ受渡部１７１へ出力する。さらに、データ受渡部１７１は、各モデルについてのシミュレーション結果に対して補正を行なった上で、当該補正後のシミュレーション結果をモデル計算部１５２が保有するそれぞれのモデルについての入力値に分配する。

なお、図５に示す模式図は、複数の装置と複数の装置とが共通の配管ラインを介して接続されている場合を示すものであるが、図１に示すように、上流側と下流側の装置が１対１で対応する場合には、より簡素化したモデル（補正式）を用いることができる。

図７は、この発明の実施の形態に従うプロセス解析が解析対象とする系のさらに別の一例を示す模式図である。

図７を参照して、上流側に１個の装置３００Ａが配置され、下流側に１個の装置３２０Ａｘが配置され、流量コントローラＦＣなどの無い配管ラインからなる配管モジュール３１０Ａを介して両者が連結されているものとする。このような系においては、配管ライン３１０Ａにおける圧力損失のみを考慮すればよく、上流側の装置３００Ａの出口側の状態値と下流側の装置３２０Ａの入口側の状態値との間には、以下のような関係式を導出できる。

流量Ｑについて：Ｑ^（１） _ｏ＝Ｑ^（２） _ｉ
圧力Ｐについて：Ｐ^（１） _ｏ＝Ｐ^（２） _ｉ＋ΔＰ
体積率αについて：α^（２） _ｉ＝α^（１） _ｏ
温度Ｔについて：Ｔ^（１） _ｏ＝Ｔ^（２） _ｉ
組成Ｃについて：Ｃ^（１） _ｏ＝Ｃ^（２） _ｉ
すなわち、図７に示すモデルを用いた場合には、データ受渡部１７１（図６）は、上述のような変換式を用いて、上流側の装置３００Ａの出口側の状態値を補正することで、下流側の装置３２０Ａの入口側の状態値を算出する。そして、この算出された状態値に基づいて、シミュレーションが実行される。

さらに、図５に示す模式図は、各装置について、流量Ｑ、圧力Ｐ、体積率α、温度Ｔ、組成Ｃをパラメータとするシミュレーションを用いる場合を示すものであり、より少ないパラメータについてシミュレーションを行なう場合には、より簡素化した補正式を用いることができる。

図８は、この発明の実施の形態に従うプロセス解析が解析対象とする系のさらに別の一例を示す模式図である。

図８を参照して、上流側に１個の装置３００Ｂが配置され、下流側に１個の装置３２０Ｂが配置され、流量コントローラＦＣなどの無い配管ラインからなる配管モジュール３１０Ａを介して両者が連結されているものとする。図８に示すシミュレーションでは、体積率α＝１、温度Ｔ＝一定、組成Ｃ＝一定として、流量Ｑおよび圧力Ｐを解析対象とした場合を示す。そのため、上流側の装置３００Ｂの出口側の状態値（流量Ｑ^（１） _ｏおよび圧力Ｐ^（１） _ｏ）と、下流側の装置３２０Ｂの入口側の状態値（流量Ｑ^（２） _ｉおよび圧力Ｐ^（２） _ｉ）との関係のみを考えればよく、ここで図７と同様に、配管ライン３１０Ｂにおける圧力損失のみを考慮すれば、以下のような関係式を導出できる。

流量Ｑについて：Ｑ^（１） _ｏ＝Ｑ^（２） _ｉ
圧力Ｐについて：Ｐ^（１） _ｏ＝Ｐ^（２） _ｉ＋ΔＰ
＜変形例＞
図９は、この発明の実施の形態の変形例に従うプロセス解析装置を実現するための機能ブロック図である。図９に示す機能ブロック図は、図３に示す機能ブロックは、装置が２段接続された化学プロセスを解析対象とするものであったが、図９に示す機能ブロックは、装置がＮ段接続された化学プロセスを解析対象とするものである。

より具体的には、本実施の形態の変形例に従うプロセス解析装置は、その制御機能として、Ｎ個のモデル計算部（第１モデル計算部１５１，第２モデル計算部１５２，・・・，第Ｎモデル計算部１５Ｎ）と、隣接する２つのモデル計算部の間にそれぞれ配置されたＭ（＝Ｎ−１）個のデータ受渡部１７１，１７２，…，１７Ｍを含む。

これらのモデル計算部１５１〜１５Ｎの各々は、上流側に配置されたものから、対応する装置で生じる化学反応を順次シミュレーションする。このとき、モデル計算部１５１を除く他のモデル計算部１５２〜１５Ｎの各々は、各上流側に位置するモデル計算部によって計算されたデータを用いてシミュレーションを実行する。

また、データ受渡部１７１，１７２，…，１７Ｍの各々は、隣接する２つの装置の間の接続関係に応じた条件に従って、直近の上流側のモデル計算部から出力されたデータ（計算値）について必要な補正をした上で、直近の下流側のモデル計算部に入力する。

このように、実際の化学プラントにおける装置間の接続関係に従って、順次解析を行なう。このように、多くの装置を含む化学プラントであっても、前工程における結果を用いて、次工程での挙動をシミュレーションするので、実際の化学プラント全体の解析を精度よく行なうことができる。

＜運転シミュレータ装置＞
本実施の形態に従うプロセス解析装置を用いて、運転シミュレータ装置を実現することも可能である。この運転シミュレータ装置は、化学プラントのオペレータ（操作者）が、実際の化学プラントを稼動させてその操作技術を習得する方法に代えて、擬似的に化学プラントが稼動している状態を提供するものである。すなわち、運転シミュレータ装置は、化学プラントを模擬する。

このような運転シミュレータ装置を用いることで、化学プラントの設計に先だって、その操作技術を習得でき、その結果、新たに化学プラントが建設された場合などに、迅速に実操業に入ることができる。また、未経験のオペレータが運転シミュレータ装置を用いて、実操業を擬似的に体験し、その操作技術を習得することで、熟練したオペレータと同じようなレベルで、実際の化学プラントを操作することができる。さらに、本発明によれば、従来のシミュレータでは困難であった、より合理的な運転体験が可能となる。

図１０は、この発明の実施の形態に従う運転シミュレータ装置に表示される画面例を示す図である。

図１０を参照して、本実施の形態に従う運転シミュレータ装置では、対象とする化学プラントのイメージが表示されるとともに、プロセス上の各部における状態値（温度や収率など）を示すウィンドウ２０２，２０４，２０６，２０８，２１０が表示される。

この画面上では、混合器２３０のイメージがマウスなどで選択されると、混合器２３０内での混合状態を視覚化したアニメーションを表示するウィンドウ２２０が表示される。また、装置２３２のイメージがマウスなどで選択されると、装置２３２内での反応状態を視覚化したアニメーションを表示するウィンドウ２２２が表示される。また、分離器２２６のイメージがマウスなどで選択されると、分離器２２６内での分離状態を視覚化したアニメーションを表示するウィンドウ２２６が表示される。また、蒸留塔２３６のイメージがマウスなどで選択されると、蒸留塔２３６内での蒸留状態を視覚化したアニメーションを表示するウィンドウ２２８が表示される。

なお、これらの視覚化したアニメーションは、各装置についてシミュレーションを行なった結果得られる計算データに基づいて生成される。

また、状態値を示すウィンドウ２０４がマウスなどで選択されると、各状態値の時間的変化を示すグラフ２２４が表示される。

＜本実施の形態による効果＞
本実施の形態によれば、複数の相を含む流れが生じるとともに、相間の物質移動および化学反応が生じている装置を複数含む系（プラント）に対して、その全体プロセスを高精度で解析することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態に従うプロセス解析が解析対象とする系の一例を示す模式図である。この発明の実施の形態に従うプロセス解析装置およびそれを用いた運転シミュレータ装置を実現するための代表的なハードウェア構成であるコンピュータの概略構成図である。この発明の実施の形態に従うプロセス解析装置およびそれを用いた運転シミュレータ装置を実現するための機能ブロック図である。本実施の形態に従うプロセス解析の全体処理手順を示すフローチャートである。この発明の実施の形態に従うプロセス解析が解析対象とする系の別の一例を示す模式図である。図６に示す系に対応する機能ブロック図である。この発明の実施の形態に従うプロセス解析が解析対象とする系のさらに別の一例を示す模式図である。この発明の実施の形態に従うプロセス解析が解析対象とする系のさらに別の一例を示す模式図である。この発明の実施の形態の変形例に従うプロセス解析装置を実現するための機能ブロック図である。この発明の実施の形態に従う運転シミュレータ装置に表示される画面例を示す図である。

符号の説明

１０，２０装置、１２，１４供給ライン、１６排出ライン、２２トレイ、２４，２８抽出ライン、２６，３０戻りライン、１００コンピュータ、１０１コンピュータ本体、１０２モニタ、１０３キーボード、１０４マウス、１０６メモリ、１０７固定ディスク、１０９通信インターフェース、１１１ＦＤ駆動装置、１１３ＣＤ−ＲＯＭ駆動装置、１５１〜１５Ｎモデル計算部、１６０描画部、１６０ａメモリ、１６２入力部、１６４データ格納部、ＳＹＳ系。

Claims

複数の装置を含む系に対してプロセス解析を実行するためのプロセス解析プログラムであって、
前記プロセス解析プログラムは、コンピュータに、
第１群の装置の内部に対し空間的に所定単位のセルに分割し、選択されたセルにおける１〜３次元的な物質移動、化学変化、状態変化および相挙動の少なくとも１つを含む特性を示す計算モデルを各セルを対象に受付けるステップと、
前記第１群の装置の下流側に配置される第２群の装置の前記特性を示す計算モデルを受付けるステップと、
前記第１群の装置と前記第２群の装置との間の接続関係を受付けるステップと、
前記第１群の装置について、対応の計算モデルに基づいて出口側の状態値をそれぞれ計算するステップと、
前記第１群の装置についての前記出口側のそれぞれの状態値を前記接続関係に基づいて補正することで、前記第２群の装置の入口側へ与えるそれぞれの状態値を計算するステップと、
前記計算されたそれぞれの状態値を用いて、前記第２群の装置について、対応の計算モデルに基づいて出口側の状態値をそれぞれ計算するステップとを実行させる、プロセス解析プログラム。
前記状態値は、各装置についての流量および圧力を含み、
前記第１群の装置は、複数の装置を含み、
前記第２群の装置は、複数の装置を含み、
前記接続関係は、前記第１群の装置のそれぞれの出口側を１つにまとめた上で、前記第２群の装置のそれぞれに分配する構成を含み、
前記第２群の装置の入口側へ与えるそれぞれの状態値を計算するステップでは、
前記第２群の装置のそれぞれの入口側に与えられる流量の総和を前記第１群の装置のそれぞれの出口側における流量の総和に一致させ、
前記第１群の装置の出口側における圧力から圧力損失を考慮して、前記第２群の装置の入口側に与えられる圧力を決定する、請求項１に記載のプロセス解析プログラム。
前記状態値は、各装置についての流量および圧力を含み、
前記第１群の装置は、１つの装置からなり、
前記第２群の装置は、１つの装置からなり、
前記接続関係は、前記第１群の装置の出口側と前記第２群の装置の入口側とを直結する構成を含み、
前記第２群の装置の入口側へ与えるそれぞれの状態値を計算するステップでは、
前記第２群の装置の入口側に与えられる流量を前記第１群の装置の出口側における流量に一致させ、
前記第１群の装置の出口側における圧力から圧力損失を考慮して、前記第２群の装置の入口側に与えられる圧力を決定する、請求項１に記載のプロセス解析プログラム。
複数の装置を含む系に対してプロセス解析を実行するためのプロセス解析装置であって、
第１群の装置の内部に対し空間的に所定単位のセルに分割し、選択されたセルにおける１〜３次元的な物質移動、化学変化、状態変化および相挙動の少なくとも１つを含む特性を示す計算モデルを各セルを対象に受付ける手段と、
前記第１群の装置の下流側に配置される第２群の装置の前記特性を示す計算モデルを受付ける手段と、
前記第１群の装置と前記第２群の装置との間の接続関係を受付ける手段と、
前記第１群の装置について、対応の計算モデルに基づいて出口側の状態値をそれぞれ計算する手段と、
前記第１群の装置についての前記出口側のそれぞれの状態値を前記接続関係に基づいて補正することで、前記第２群の装置の入口側へ与えるそれぞれの状態値を計算する手段と、
前記計算されたそれぞれの状態値を用いて、前記第２群の装置について、対応の計算モデルに基づいて出口側の状態値をそれぞれ計算する手段とを備える、プロセス解析装置。
複数の装置を含むプラントを模擬する運転シミュレータ装置であって、
前記運転シミュレータ装置は、
表示装置と、
第１群の装置の内部に対し空間的に所定単位のセルに分割し、選択されたセルにおける１〜３次元的な物質移動、化学変化、状態変化および相挙動の少なくとも１つを含む特性を示す計算モデルを各セルを対象に受付ける手段と、
前記第１群の装置の下流側に配置される第２群の装置の前記特性を示す計算モデルを受付ける手段と、
前記第１群の装置と前記第２群の装置との間の接続関係を受付ける手段と、
前記第１群の装置について、対応の計算モデルに基づいて出口側の状態値をそれぞれ計算する手段と、
前記第１群の装置についての前記出口側のそれぞれの状態値を前記接続関係に基づいて補正することで、前記第２群の装置の入口側へ与えるそれぞれの状態値を計算する手段と、
前記計算されたそれぞれの状態値を用いて、前記第２群の装置について、対応の計算モデルに基づいて出口側の状態値をそれぞれ計算する手段と、
前記第１群および第２群の装置の少なくとも一方について計算された状態値を前記表示装置に表示する手段とを備える、運転シミュレータ装置。