創立30周年｢記念講演会+抄録

プロセスシステムエ学の現状と将来の展望‑
The

PresentofS†cIILIS Clnd

ProcessFuture

Systems

Prospe亡†sEngineering

講師

京都大学工学密教扱
高松
武一:那Prof.

Dr.
Takeichiroat

抄録

is a summaryThisthe30tblectureof theanniversaryofourbyspoken
Hefoundation.

Dr.

Prof.
emphasised

T.

TAKAMATSU

asfollows:

field related
to methodologies
and techonologicalacademic
to the direction
it should
be madeprogressof seeking
andSystems
Engineerlng
areりSyntbesis''. In this article, Process
referedlng

anlS

decisions,structuregeneralandfuture

Kyoto

策Univ.

SystemsatEngineer‑for 'themicalthe tru也byengineeringmeans

its definition,

toTakamatsu
Univ.

技術開発本部
平尾俊ofProcessI(yotoofhistory,prospects.

1984年8月1日,当社の創立30周年記念行事の一環とし

2.化学工学とプロセスシステムエ学て,大阪日本生命中之島研修所忙て,約300名のユーザー各位を迎え,記念講演会を開催いたしました｡本講演会にらは反応操作,炉過操作等のある限られた数の単位操作よ

化学製品を生産する化学プロセスは無数V‑あるが,それおいて,プロセスシステム工学の世界的権威であります京都大学工学部高松武一郎教授より,首言己演題ケこてご講演頂

OA軸からOB*‑L帥こ示すように,単位操作の結合系であり構成されている｡つまり,全ての化学プロセス埠第1図きました｡本文は,このご講演内容の要旨をまとめたもの.り,化学プロセスを合理的に設計,運転するため忙は,単位操作としての工学的確立が必要であった｡これが化学工です｡

1.

学という学問分野の出発点である｡ところが,単位操作のプロセスシステムエ学の定義'82年京都で,化学工学協会主催FLて,｢プロセスシステ改良,新しい単位操作の開発のためFLは,第1図OB軸からO C軸に示す単位操作を構成する基礎現象の解析が必要

ム工学+忙関する国際シンポジウムが開催され,続いて'85年,英国での開催が予定されているように,プロセスとなり,化学工学の分野において移動現象論,流体力学等の現象解析が, 1950年代より重視されるようむこなったoシステム工学(以下PSEと略す)は,化学工学という学問分野における一つの核として発展してきた｡技術用語のこ

こで,基礎現象の解析知識のみで,単位操作,ひいては,意味内容は,時代やその用語の用いられる分野の状況により変化するがPSEという用語は,1963年,

AICHE(栄UNITOPERATIONS

国化学=学協会)のシンポジウムS/リーズの中で,単位操作の動特性の解析分野の総称として初めて用いられた｡シ′ミ見方モ
ステムとは,一つの具体的な物ではなく,一つのであり,多くの部分より構成され,全体として何らかの目的条件を達成するものをいう｡従って,システム工学とし,これら対象物に蓄えられた解析情報を効率的に,一般的方法論と結びつけることが重要となる｡従って,Complexes＼蓋式＼ーPSEとは,エネルギー,物質の変化全般を対象とする広義の化学プロセスにおいて,その計画,設計,運転,制御の工学

第1図的意思決定を行うための方法論と定義できる｡

Fig･No.

8(1984/10)

Factories=l'遥1‑￣'汀一言￣￣喜

おいては,単位操作,化学プロセス等の明確な対象を有Vol. 28

Oc

き･喜･賀ぷg.
PSEに思決定を行う方法論であると表現できる.一方,^3≠苧ブギ宰l器芸DNAoMM宝器

A‑岩浅もbは,このS/ステムの目的,条件を達成させるべく=学的意

Re9L'onall'Ey
EILVilLOnmenl
Energypolicy

D四プロセスシステム工学と化学エ学
1

神鋼ファウドラー技報

ProcessSystems

Engineeringand ChemicalEngineeringesELe771eal

3図VLIP SEの一般的な方法論の構造を示す｡シ′ステムのITZIlniniLe

I7Z(tnE( ;ma I

曲エロユ+勝一‑㌃e‑一鉢‑‑DecompostlL

Eonく旨==コ選定することが第一段階となる｡例えば,収率に着目する

UnL'rtcal z‑OTI⊂=‑宅:>S YNTHES[SANALYSIS

第2図

意思決定を行なうにあたって,まず関連する現象,事象を定常反応条件と,異常反応防止に着目する反応条件とは,解析と合成
Syllthesis

おそらく,その状態や変数の種類も異なるようvL,合成の化学プロセスの正当な工学的決定が可能かという疑問がお対象の目的,条件を満足させるための必要かつ十分な現象,事象を取り上げねばならないが,先見的にこの選定をFig.

2Ana】ysisandきる.工学分野において,現象を敵密に解析していくこと行なう方法は,今後の研究の進歩にゆだねざるを得ない｡
次忙,その選定された現象,事象の因果関係構造を仮定は重要なことである｡しかし,化学工学の最終目的が化学プロセスの設計,運転にあるとすれば,基礎魂象の合成とし,これを定量的に表現するにあたって,欠けている事項を観察,実験で補うという方法をとる｡ここまでゐステッしての単位換作,単位操作の合成としての化学プロセスを合理的Rl作り出す学問分野が必要となる｡この合成のため

プは,対象紅対するモデl)ングと呼ばれる｡次に,この定の学問分野こそPSEであり,PSEは第1国の全象限を回転するものであり,OC軸からOB軸,OB軸からOA量的表現を用いて,工学的意思決定を行なう｡ところが,この定量的表現の中には,不確定性を含むので,意思決定軸をとりつぐ重要な役割を果たす｡新しい化学工学の展開した結果への,その不確定性の影響を考察するこ辛が重要のためVLは,現在までバ)t'クとしてとらえていた基礎現象
杏,よりミクロな分子レベルVL着目した現象解析と同時である｡この不確定性のバックアップを,設計余裕とか制御系かこ頼るだけでなく,対象の目的,条件ほ本質的さこ多くに,より大規模なシステムへの着目が必要とされている｡の不確定性を持つものであり,バックアップの考察で満足すべき結果が得られない場合は,再度,対象の目的,条件つまり,全ての化学プロセスは,経済性のみならず,工堤,地域社会というようなより大きいシステムに対して合および関連する現象,事象を吟味することが必要となる｡

理的であることが要求される｡また,

PSEは第1図OD
軸に示すプロセスを越えた地域,国家t/ベルで,環境問つまり,モデl)ングと合硬の思考,検討段階を分嘩するこ

題,エネ/レギ一間題等のより広範な問題における工学的決イン十である｡

定の上でも寄与していくことが期待される｡

4.プロセスシステムエ学の従来の成果となく,繰り返しフィードバックしながら行なうことがボ

PSEは合成のための学問分野であると述べたが,第11)プロセスシステムエ学の誕生

図に示すよう忙合成と解析は,経路として逆方向であるも化学工学の分野でほ,昔から最適経済設計の理念は存在のの,合成のためには解析情報が必要である.第2国㌢こ合成と解析の概念を示す｡解析とほ対象せいくつかの部分にしていたので,あり,流体輸送における最経済的流速の存分解し,その間の因果関係および部分の機能,特性を把達

荏,蒸留塔における最適環流比の問題等が,化学工学の教育の中に取り上げられていた｡しかし,これらの最適性のすることである｡無限′J＼の要素に分解された無限大の情報多くは,数値計算や経験から得られたものであった｡

を得ること,つまり,完全な解析的情報を得ることは現実年代になって,ダイナミックプログラミングやPontrya‑的ケこは不可能である｡一方,合成とは計画,運転,設計,1950

ginの最大原理などの最適化の数理的手法が開発され,これらの数理的手法を単位操作の最適設計に応用することに制御の工学的意思決定を意味するが,合成しようとするシより,ステムは,そのシステムを包含するより大きいシステムの部分であり,その必然性により,合成しようとするシステ1960年EB,PSEの一部が誕生したといえる｡

一方,プロセス制御という流れとして,単位換作に対するPIDフィ‑ドパック制御が,ほぼ同年代に誕生した.

ムの目的,条件が決定される｡ところが,無限大のS/ステムからの必然性を把達することは事実上不可能である｡従2)不確定性の考察
数理的手法により得られた結果は,用いた数式モデルのって,解析的情報,合成の目的,条件には,必ず不確定性が存在しているという認識が大切である｡そこで,構造やモデルの持つ不確定性に依存するところが多く,ある平均値を用いた結果を現実の単位操作にそのまま適用し1)できるだけ詳細な解析情報と,2)できるだけ大きなシステムからの必然性
L4nalyE3)できるだけ早く意思決定する

Application

inChemical

icaL

informalion

ことが理想的であるが,どれを優先させるかという検討も必要となる.このためには,多大な情報量を取扱う必要がある｡欧釆ではCompu‑ter(2)
Selection(1)を把達して,related
are/aledor

to(3) Assumpliono[phenomenaevents

sysEe7nlo(4)QuanloF(6)
Engtlneer ing
decisiozl(OpElma/desi.'JtL)

silal Eve

expression.orionsht'psrelal(7) Esh'nalion
uncerlaintics￠uanl iEal ice
relal ionships

発展が電算機の発展,活用とともに歩んだことを示している｡

通のアプローチの仕方ができることにあり,第e顎)eri211enl

besynlhest‑zed

PSEのPSEの意義はどのような対象に対しても共ionandevents

Processという分野があるが,内容的にほ,ここで述べ

3.プロセスシステムエ学の方法論

orphenomena

Engineerlng

るPSEと同じものである｡これは,(5)Observalo/ aoil col
betweenrcLalionships
structure(10)Back‑up
Realization

errects
uncerlainl

第3国Fig･(8) Analysis

for lbeneastLreS

errects o/1ies

oF
tlcs

lheon

I‑n

LheoF

u乃Ceriain‑
resultsynthesized(9)
Conditz'oTZS andobjcctzll,eS lobe
sat tlsried

プロセスS/ステム工学の方法論
3Methodology.

神鋼ファウドラー技報of process

Systems

Engineerirlg

Vol.

28

No.

8 (1984/10)

かねるという評価があった.そこで,用いた数式モデ)I,の不確定性を全てパラメータの値の変動に集約したとき,そのパラメータの値の変化が得られた結果忙どのような影響を与えるかといった研究が活発に行なわれるようになったoProcess1

Process2

また,プロセス制御の流れでは,不確定性のバックアップとしての制御系FLおける必要制御精度について論じられた｡

p‑cess3)システム境界の拡大
単位操作の最適な入出力条件の決定や評価は,単位操作

lpR;ELF‑Lナ1L‑6 J
ヨTF,eeeadlmenl→

oduct●

Time

独自の立場からはなされ得ず,単位操作の結合系であるプ■■ Discharge.

ロセスの立場からなされるべきものである｡また,この発展として,単位操作からプロセスヘ,ひいては単一プロセスからより大きいプロセスの結合系へと,次第により大きなシステムの計画,設計を合理的に行なうべくPSEは,第4囲

非重複運転計画

Fig･. 4

Non･overlapping

Operation

Schedule

展開されてきた｡このプロセス忙おける物質収支,エネ/レ
ギ‑収支,単位操作の決定変数などの関係をジミュレーTl

鮎‑するというようなPSEの展開を可能にしたのは,電算磯の著しい発展であり,数多い変数に関する膨大な計算処理が極めて短時間で行なえるようVLなったことR:よる.従って, PSEの内容の中で,CAD(Co耶puter
Aided
Design),CAO(ComputerAided

ProcessRawOperation)等のプログラム開発

materiallおよびその基礎となる論理の研究も,極めて重要な位置を占める｡

Process114)単一目的から多目的に牛

process2

従来PSEは,プロセスS'ステムの計画,設計問題を経済的評価のもとで解決する分野を中心紅展開してきたoEj

1Producl

1…Fj

F石;讃しかし,対象とするプロセスが大規模になるVLつれ,単なる第5図

経済評価のみならず,環境への影響,安全性,柔軟性など

Fig.

VL一対する評価も加えた,いわゆる,多目的評価のもとでのプロセスS/ステムの合成が社会的に要求されるようになった｡ここで,安全性,柔軟性等に関しては,計画,設計の問題より,運転,制御に関する意思決定の問題が大きく浮かびあがってくる｡従って,現在PSEは従来,設計を中心VL考えられてきた方法論から,設計,計画問題と運転,制御問題とを一体化して解決しうる合成の有効な方法論に重複運転計画
50verlapping

Operation

Schedule

は,流入,処理,流出という操作を繰り返し運転されるもの
として,最も単純なバッチプロセスを第4図vL示す.このプロセスでは,工程2から製品の流出が終わるまで工程1の装置への原料の流入は行なわないとする｡このようなバッチプロセスでは,ポンプのようなエ程間移動を目的とする間欠的連続装置の能力を適当に調節したとしても,バッチャレンジしていく段階にある｡

チ装置からみるとかなり長い遊休時間を持つ生産周期となるoいいかえると,生産効率は悪いが,変動VL対して柔軟

5.バッチプロセスシステムエ学へのアプローチ性があるプロセスといえる｡次に,このプロセスの生産周近年,多品種少量生産の観点からバッチプロセスの利点期を短くする方法を考える｡第5図に示すように=程1のが見直されてきている.これはプロセスむこ対する生産量や装置の処理時間に比べ,工程2の処理時間が短いと仮定す

品質の変更などの要求紅対する柔軟性,一つのプラントを多目的に利用できることなどによるo多人数複雑換作といると,工程1に並列VL装置を設置し,等間隔に位相をずらった感のある従来のパッチプロセスカiら,最近急速に進歩しているマイコン,ロボッ†を利用しながら,理論的操作さなバッチサイズで生産要求を潰たすことができるよう紅なるoバッチ装置の遊休時間を減らすもうーつの方法は,に基いた少人数自動化による新しいバッチプロセスが期待されている時代ともいえる｡従来,化学工学では,連続プ第6図に示す=寝間忙中間タンクを設置することであるoして運転することにより生産周期が短縮でき,その結果小中間タンクの設置により,ロセスを設計することに比重が置かれていたが,バッチプ=程1からの出力は,直接工程2の入力とならない｡従って,両工程のバッチサイズ,潤ロセスは,連続プロセス以上に,自由度が大きく,先に述べた設計問題と運転問題を一体化して解決していかねばな期を等しく選ぶ必要がなくなり,生産要求に見合う処理能力を持つ装置を各工程に設置することが可能となるo以上

らないo
これらの点から,PSEの一部として,スイス
E･T･HのRippin教授ら忙よっても,その研究が展開されのような生産周期,設備費,変動R:対する柔軟性,操作性つつあることは喜ばしいことである｡

チS'ステムを合理的に設計,運転することが期待されるoバッチプロセスシステム工学の必要性を,2工程よりなる簡単なプロセスを例にとって説明する｡各バッチ装置

ここでは,バッチプロセス=学の必要性ケこついての概念を述べたが,この方面の研究は,まだその数が少なく,今後Vol.

28 No.

3 (1984/10)などの数多くの情報を合成することにより,より良いバッ

神鋼ファウドラー技報

1

Personal

Capacity
Discoveryt≡Lトー一宮￣十Process

RaJm#Td:
ProcessI

Storage1;↓Fj‑♯

Crealivily

2

虹̲＋＋Resll･ainl=刀J
2岳一‑虹｢良一7Invention'′process

第6国Fig.

Needs.

中闇タンクを持つプロセスの運家計画
60peration
mediateSchedule
StorageaofTanks,

Batch

Processwith

Tnter‑

R

第7囲の展開が期待される｡

6.

Re For nlalion

SocialProductFig.

&D

R&Dの構造7Structureof R&D

おわりにかえて昨今R&D(Research&Development)の方法論について,様々な論義がされているが,生産性,タイムリー性等の各方面からみた最終ゴ+ルの選定,つまり対象の目的を不確定性を含みながらも決定する

R&Dの道具として,プロセスシステムエ学的アブロ‑チについて若干の考察を加える｡ R&Dを論じる場合,一般的に個人の創造性がクロ‑ズアップされがちであるが,第7国に示すように,&Dの本質は,社会の要求という束縛の中で創造性VL端をことが最も大切であり,良R&Dとは,この最終ゴールまでの経路であり,情報,デ‑クの製造プロセスといえる.
よく,学問とほ真理の追求であるといわれるように,プロセスシステム工学とは,合成のための真理の追求である発した発見,発明を社会の中に具現化するためのプロセスと表現でき,今後とも健壷な発展により,社会に貢献してと考えることができる｡技術的可能性,経済性,市場性,いくことが期待される｡

神鋼ファウドラー技報

Vol.

28 No.

8 (1984/10)