(57)【要約】【課題】  膜分離設備の挙動を精度よく予測することを可能とする。【解決手段】  未知パラメータを含む第１の膜分離プロセスモデルに対して、既存膜分離プロセスで実測された運転条件を適用して運転挙動を予測し、この予測された運転挙動と、前記既存膜分離プロセスで実測された運転挙動とから、前記第１の膜分離プロセスモデルの未知パラメータを最適化して算出し、この最適化されたパラメータを含む第２の膜分離プロセスモデルに対して、仮定した運転条件を適用して運転挙動を予測することを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
未知パラメータを含む第１の膜分離プロセスモデルに対して、既存膜分離プロセスで実測された運転条件を適用して運転挙動を予測する過程と、
この予測された運転挙動と、前記既存膜分離プロセスで実測された運転挙動とから、前記第１の膜分離プロセスモデルの未知パラメータを最適化して算出する過程と、
この最適化されたパラメータを含む第２の膜分離プロセスモデルに対して、仮定した運転条件を適用して運転挙動を予測する過程と、
を含むことを特徴とする膜分離プロセスシミュレーション方法。
【請求項２】
前記第２の膜分離プロセスモデルに対して、該第２の膜分離プロセスモデルに対応する膜分離プロセスで実測された運転条件を適用して運転挙動を予測する過程と、
この予測された運転挙動と、前記第２の膜分離プロセスモデルに対応する膜分離プロセスで実測された運転挙動とを比較して、前記第２の膜分離プロセスモデルの妥当性を検証する過程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の膜分離プロセスシミュレーション方法。
【請求項３】
未知パラメータを含む第１の膜分離プロセスモデルに対して、既存膜分離プロセスで実測された運転条件を適用して運転挙動を予測する第１の予測演算手段と、
この予測された運転挙動と、前記既存膜分離プロセスで実測された運転挙動とから、前記第１の膜分離プロセスモデルの未知パラメータを最適化して算出する最適化演算手段と、
この最適化されたパラメータを含む第２の膜分離プロセスモデルに対して、仮定した運転条件を適用して運転挙動を予測する第２の予測演算手段と、
を備えたことを特徴とする膜分離プロセスシミュレーション装置。
【請求項４】
前記第２の膜分離プロセスモデルに対して、該第２の膜分離プロセスモデルに対応する膜分離プロセスで実測された運転条件を適用して運転挙動を予測する第３の予測演算手段と、
この予測された運転挙動と、前記第２の膜分離プロセスモデルに対応する膜分離プロセスで実測された運転挙動とを比較して、前記第２の膜分離プロセスモデルの妥当性を検証する比較演算手段と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の膜分離プロセスシミュレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、逆浸透、ナノ濾過などの膜分離装置の運転性能を予測する膜分離プロセスシミュレーション方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、膜分離装置の運転条件のうち、膜分離装置の心臓部である膜モジュールの性能に影響を与えるものとしては、温度、圧力、供給液の濃度、供給流量、循環流量などが知られている。そして、温度の影響は膜メーカーの技術資料に掲載されていることが多い。また、圧力の影響は既に理論解析がなされている。供給液の濃度の影響は、濃度を浸透圧と見なすことにより既に理論解析がなされている。供給流量の影響は、物質収支関係により容易に定式化できることが知られている。循環流量の影響は実験的な検討により定式化できることが知られている。。このように膜モジュール単体の性能に対する個別の要素の影響は、既に公知であり、又は容易に定式化することが可能である。但し、各関係式に含まれる係数は、別途に求めなければならず、理論上と実際のものとが一致しない場合もある。
【非特許文献１】Jorgen Wagner、B.Sc.Chem.Eng，「Membrane Filtration Handbook Practical Tips and Hints」，Osmonics,Inc.，June 2000，Second Edition，revision 2，pp.88-89
【非特許文献２】中垣正幸監修，「膜処理技術大系  上巻（基礎・製品編）」，株式会社フジ・テクノシステム，１９９１年３月１５日，pp.168-169
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、多数の膜モジュールや複雑な構成の配管等からなる膜分離装置全体の挙動に対する各種運転条件の影響を包括的に扱う手法は、少なくとも食品プロセスに関する限り実現されていなかった。膜分離プロセスの挙動は、温度、圧力、濃度、流量などに応じて変動するが、それら各因子と運転状態との関係がきわめて複雑であるために、従来の技術では運転に関わる諸条件からどのような運転状態に至るのかを正確に予測することは困難であった。このため、膜分離設備の挙動を精度よく予測することが困難となっていた。
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、膜分離設備の挙動を精度よく予測することが可能な膜分離プロセスシミュレーション方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の課題を解決するために、本発明に係る膜分離プロセスシミュレーション方法は、未知パラメータを含む第１の膜分離プロセスモデルに対して、既存膜分離プロセスで実測された運転条件を適用して運転挙動を予測する過程と、この予測された運転挙動と、前記既存膜分離プロセスで実測された運転挙動とから、前記第１の膜分離プロセスモデルの未知パラメータを最適化して算出する過程と、この最適化されたパラメータを含む第２の膜分離プロセスモデルに対して、仮定した運転条件を適用して運転挙動を予測する過程とを含むことを特徴としている。
【０００５】
本発明に係る膜分離プロセスシミュレーション方法においては、前記第２の膜分離プロセスモデルに対して、該第２の膜分離プロセスモデルに対応する膜分離プロセスで仮定された運転条件を適用して運転挙動を予測する過程と、この予測された運転挙動と、前記第２の膜分離プロセスモデルに対応する膜分離プロセスで実測された運転挙動とを比較して、前記第２の膜分離プロセスモデルの妥当性を検証する過程とをさらに含むことを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る膜分離プロセスシミュレーション装置は、未知パラメータを含む第１の膜分離プロセスモデルに対して、既存膜分離プロセスで実測された運転条件を適用して運転挙動を予測する第１の予測演算手段と、この予測された運転挙動と、前記既存膜分離プロセスで実測された運転挙動とから、前記第１の膜分離プロセスモデルの未知パラメータを最適化して算出する最適化演算手段と、この最適化されたパラメータを含む第２の膜分離プロセスモデルに対して、仮定した運転条件を適用して運転挙動を予測する第２の予測演算手段とを備えたことを特徴としている。
【０００７】
本発明に係る膜分離プロセスシミュレーション装置においては、前記第２の膜分離プロセスモデルに対して、該第２の膜分離プロセスモデルに対応する膜分離プロセスで実測された運転条件を適用して運転挙動を予測する第３の予測演算手段と、この予測された運転挙動と、前記第２の膜分離プロセスモデルに対応する膜分離プロセスで実測された運転挙動とを比較して、前記第２の膜分離プロセスモデルの妥当性を検証する比較演算手段とをさらに備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、膜分離設備の挙動を精度よく予測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る膜分離プロセスシミュレーション方法、及び膜分離プロセスシミュレーション装置（膜分離プロセスシミュレータ）を説明するためのフローチャート図である。
【００１０】
以下の説明では、図１の既存プロセス２１として図４に示される２ステージ連続式膜分離設備を、また、図１の新規プロセス２２として図３に示される３ステージ連続式膜分離設備を、それぞれ例に挙げる。そして、増産に対応するために２ステージ連続式膜分離設備から３ステージ連続式膜分離設備に設備増強するときに、２ステージ連続式膜分離設備の運転実績から３ステージ連続式膜分離設備の運転挙動を事前に予測する場合について説明する。
【００１１】
図３及び図４の連続式膜分離設備では、バランスタンク２から供給液がポンプ３を通過して初段の膜モジュール１に流入する。そして、初段の膜モジュール１からの濃縮液はポンプ３を通過して次段の膜モジュール１へ流入する。そして、最終段の膜モジュール１からの濃縮液は流出口４から排出される。また、各段の膜モジュール１からの透過液は合流して排出される。
【００１２】
初めに、膜分離プロセスシミュレーションの準備段階として、図２に示されるように、膜モジュール単体の分離特性を、温度、圧力及び供給液濃度の関数として定式化する。また、既存プロセス２１及び新規プロセス２２について、それぞれの膜分離装置の構成から物質収支式を立ててモデリングする。例えば図３の３ステージ連続式膜分離設備の場合には１８元連立方程式となる。
【００１３】
図１の膜分離プロセスシミュレータ１００において、先ず、既存プロセス２１のモデル１（この段階では未知パラメータを含む）に対して既存プロセス２１の過去の運転実績データ（運転条件）を適用し、運転挙動を予測する（ステップ１０１）。次いで、この予測された運転挙動（予測データ）と、既存プロセス２１の実際の運転挙動（実測データ）とから、モデル１の未知パラメータを最適化して算出する（ステップ１０２）。これにより、膜モジュール単体の分離特性に関する図２の（１）式に含まれる定数τ，ａ，ｂ，ｎが、過去の運転実績データ（運転条件）に基づいて最適化される。
【００１４】
次いで、ステップ１０２で最適化されたパラメータを用いた新規プロセス２２のモデル２に対して、仮定した運転条件を適用して運転挙動を予測する（ステップ１０３）。作業者は、この予測された運転挙動について設備の仕様等に合致するか適否を判断する（ステップ２０１）。この判断が否ならば、新規プロセス２２を再検討する。一方、該判断が適ならば、新規プロセス２２を稼動させる（ステップ２０２）。
【００１５】
次いで、膜分離プロセスシミュレータ１００において、実際に稼動した新規プロセス２２の運転実績データ（運転条件）を、新規プロセス２２のモデル２（最適化パラメータを含む）に対して適用し、運転挙動を予測する（ステップ１０４）。次いで、この予測された運転挙動（予測データ）と、実際に稼動した新規プロセス２２の運転挙動（実測データ）とから当該モデル２の妥当性を検証する（ステップ１０５）。
【００１６】
上記した図１の膜分離プロセスシミュレータ１００は、パーソナルコンピュータ等の汎用コンピュータシステム及び汎用的な表計算ソフトウェア（例えばマイクロソフト社の表計算ソフトウェア「エクセル（登録商標）」を使用して実現することができる。
【実施例】
【００１７】
図４の２ステージ連続式膜分離設備の過去の運転実績データ（２３件分）をモデル１（未知パラメータを含む）に適用することにより、図２の（１）式の各定数を最適化し、
τ＝１．０３２、
ａ＝１４．５、
ｂ＝２２５、
ｎ＝０．５９、
と定めた。
この最適化された各定数τ，ａ，ｂ，ｎの値をモデル１に使用して、運転挙動を計算した結果が表１に示されている。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
表１には、運転条件である温度、圧力、供給液流量及び供給液濃度と、この運転条件における濃縮液流量の実績値及び本モデルによる計算値とが示されている。また、この実績値と計算値の比が示されている。この表１の結果に示されたように、実績値と計算値は良好に合致した。
【００２０】
次に、図４の２ステージ連続式膜分離設備を図３の３ステージ連続式膜分離設備へと改造した後での運転挙動を、上記２ステージ連続式膜分離設備により定めた各定数の値を使用して予測した。この予測結果と、モデルの妥当性検証結果とが表２に示されている。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
表２には、運転条件である温度、圧力、供給液流量及び供給液濃度と、この運転条件における濃縮液流量の実績値及び本モデルによる計算値とが示されている。また、この実績値と計算値の比（妥当性検証結果）が示されている。この表２の結果に示されたように、実績値と計算値は良好に合致している。すなわち、既存の２ステージ連続式膜分離設備での運転実績から、新規の３ステージ連続式膜分離設備の運転挙動を精度よく予測することができた。
【００２３】
図５は、本実施例に係る３ステージ連続式膜分離設備での濃縮液流量の実績値と計算値との比を運転データＮｏ．毎に示したグラフ図である。この図５では、２ステージ連続式膜分離設備と３ステージ連続式膜分離設備の双方の２７件の運転実績データに対して、濃縮液流量の実績値と計算値とを比較している。図５から明らかなように実績値と計算値は良好に合致した。
【００２４】
上述したように、本実施形態によれば、一つの計算モデルを構築して膜分離設備の運転挙動を予測する際に、広範囲な運転条件に対応するとともに精度良く予測することができる。さらに、設備構成を変更する場合には、変更後の設備構成における運転挙動を事前に精度良く予測することができる。これにより、膜濃縮装置を設計する場合や既存の膜分離装置で運転方法を変更する場合などにおいて、設備挙動を容易に予測することが可能となる。
【００２５】
例えば、既存の膜分離設備において、運転方法や設備構成を変更するときに膜分離プロセスの挙動を予測することにより、変更後の挙動を把握することができる。この結果、今後の運転計画や設備計画を立案する上で有用な検討材料を得ることができ、品質の良い計画立案に寄与することができる。また、新規設備を計画する上でも有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る膜分離プロセスシミュレーション方法、及び膜分離プロセスシミュレーション装置（膜分離プロセスシミュレータ）を説明するためのフローチャート図である。
【図２】膜モジュール単体での分離特性の定式化を示す図である。
【図３】３ステージ連続式膜分離設備のブロック図である。
【図４】２ステージ連続式膜分離設備のブロック図である。
【図５】本発明に係る膜分離プロセスシミュレーションの妥当性を表すグラフ図である。
【符号の説明】
【００２７】
１…膜モジュール、２１…既存プロセス、２２…新規プロセス、１００…膜分離プロセスシミュレータ（膜分離プロセスシミュレーション装置）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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