プロセスシミュレーションとは？基礎知識やできること、選び方までをわかりやすく解説！

プロセスシミュレーションは、原料が製品になるまでの化学プロセスを計算で再現する技術です。ここでは、何を計算する技術か、どう解くのか、なぜプロセス産業で重視されるのかを押さえます。

工程をモデルで再現し、状態量を計算する技術

反応・蒸留・熱交換といった一連の工程をモデル化し、温度・圧力・流量・組成を計算します。英語表記はProcess Simulationです。計算を行うソフトは、プロセスシミュレーターと呼ばれます。

主な利用先は、化学・石油精製・天然ガス処理・石油化学などのプロセス産業です。実際に設備を動かす前に、装置の仕様や運転条件を検討できます。設計の精度を上げながら、試作や試運転のコストを抑える目的で使われます。

物質収支と熱収支を解く仕組み

蒸留塔・反応器・熱交換器といった装置ごとの計算モデルを、配管でつなぐように接続します。こうして組んだ計算モデルは、フローシートと呼ばれます。

中心になるのは、各装置を出入りする物質量とエネルギー量を矛盾なく解く計算です。反応器でどれだけ反応が進むか、蒸留塔で何%まで分離できるかに数値で答えます。その分離に必要な熱量も、同じ計算で求められます。これらの計算には、成分の物性値と、気液平衡を記述する熱力学モデルが欠かせません。

プロセス産業で重視される理由

化学・石油精製などの設備は大型で投資額が大きく、建設後に簡単には作り直せません。そのため、設計段階で挙動を見通しておく価値が特に高くなります。

こうした検討を表計算や手計算で行うと、物性の非線形性や気液平衡の扱いが煩雑になります。精度の確保も難しくなるでしょう。プロセスシミュレーターは、この物性計算と収束計算を内部で処理してくれます。ただし計算の信頼性は、使う物性データと熱力学モデルの適合に左右されます。

編集部メモ：プロセスシミュレーションは、導入すれば誰でも設計できる道具ではありません。扱う流体に合った物性手法を選び、実機データでモデルを検証できる人材があって初めて効果が出ます。

プロセスシミュレーションの利点は、実機を動かさずに計算で確かめられることから生まれます。設計・改造・省エネ・技術継承の各場面で効果が表れます。

• 実機を作る前に挙動を見通せる
• ボトルネックを事前に特定できる
• 省エネ効果を数値で示せる
• 設計の知見を組織に残せる

実機を作る前に挙動を見通せる

装置の仕様を計算で詰められるため、過大設計や能力不足を避けやすくなります。建設してから想定との違いに気づく事態を減らせるのが利点です。

試作や試運転のやり直しが減り、その分の費用と期間を抑えられます。複数の運転条件や装置構成も、画面上で並べて比較できます。案を物理的に試すよりはるかに速く、安く検討を回せるでしょう。

ボトルネックを事前に特定できる

生産量を上げたときに、どの装置が先に限界に達するかを事前に確認できます。配管や塔がボトルネックにならないかも、改造前に確かめられます。

限られた投資を、効果の大きい改造に集中させやすくなるのが利点です。原料の切り替えや製品規格の変更でも、変更後の収支や分離性能を先に試算できます。現場で試してから直す手戻りを減らせます。

省エネ効果を数値で示せる

プラント全体の熱の流れをモデル化すれば、排熱を別の工程で再利用する熱回収の効果を評価できます。ピンチ解析と組み合わせる使い方が代表的です。

ユーティリティ消費の削減効果も数値で示せるため、省エネ投資の判断根拠になります。感覚ではなく計算で効果を説明できるので、社内の合意も取りやすくなるでしょう。

設計の知見を組織に残せる

ベテランの経験則に頼っていた設計判断を、モデルとして残せます。担当者が変わっても、検討の前提を引き継ぎやすくなるのが利点です。

どの物性手法を選び、どんな仮定を置いたかもモデルと一緒に残ります。後任者は過去の検討を開き直し、条件を変えて再計算するところから始められます。設計の属人化を避けたい企業ほど、効果を実感しやすいでしょう。

プロセスシミュレーションは、入力と仮定が実態に合っているときに初めて役立つ道具です。いずれも事前に手を打てるので、対処法とあわせて押さえておきましょう。

• 物性データが合わないと結果が外れる
• モデルを検証しないと誤った判断を招く
• ライセンス費用と人材育成の負荷が大きい
• 動的モデルは構築の難易度が高い

物性データが合わないと結果が外れる

装置モデルがどれだけ精緻でも、気液平衡や物性値が実態とずれていれば計算は外れます。データベースに、すべての物質や条件が網羅されているわけではありません。物性の整備は手間がかかり、導入後に想定外の負荷になりやすい部分です。

対処法：自社が扱う流体の物性が候補製品でカバーされるかを、最初に確かめてください。新規化合物や特殊な混合系では、文献値や実測値で補います。そのうえで、パラメータ回帰で自社の系に合わせましょう。

モデルを検証しないと誤った判断を招く

シミュレーションは、あくまでモデルにすぎません。入力した物性や反応条件、仮定が実態とずれていれば、結果も外れます。実機データで検証しないまま結果を鵜呑みにすると、かえって誤った判断を招きます。

対処法：モデルは実機の運転データと突き合わせ、バリデーションしてから使うのが前提です。検討対象を絞って小さく始め、実機との照合を重ねて精度を上げていきましょう。

ライセンス費用と人材育成の負荷が大きい

ソフトのライセンス費用に加え、使いこなす人材の育成と物性整備に相応の時間がかかります。導入してすぐに、全社で使いこなせるわけではありません。フル機能の構成では、ライセンス費用が高額になる製品もあります。

対処法：導入前に教育計画を立て、担当者と検討対象を絞って始めてください。必要なモジュールだけを追加できる製品や、年単位のレンタルで予算化しやすい製品もあります。

動的モデルは構築の難易度が高い

動的モデルは、定常モデルより構築や収束の難易度が上がります。多くの場合は定常モデルを土台に組むため、その完成が前提です。機器の容量や制御パラメータといった入力も増え、準備に手間がかかります。

対処法：まず定常で設計を固め、必要に応じて動的へ拡張する流れが一般的です。目的が運転・制御の検証に明確に向いているときに取り組んでください。定常と動的を同じ環境で扱える製品もあります。

プロセスシミュレーターの計算を支えているのは、次の4つの機能です。製品を比べるときも、この4つの範囲と厚みが判断材料になります。

• 単位操作モデル：蒸留塔・反応器・熱交換器などの計算モデルをつなぎ、フローシートを組む
• 物性データベースと熱力学モデル：成分の物性値と、混合物の気液平衡を計算する
• 定常解析：入出力が時間的に変化しない、安定運転の状態を計算する
• 動的解析：起動・停止や外乱に対して、時間とともに変わる挙動を計算する

それぞれの中身を見ていきましょう。

単位操作モデル

蒸留塔・反応器・熱交換器・ポンプ・圧縮機などの単位操作ごとに用意された計算モデルです。単位操作は、ユニットオペレーションとも呼ばれます。これらを接続し、プロセスフロー図に対応するフローシートを組み立てていきます。

どの系に強いかは、製品ごとの差が大きい部分です。電解質・ポリマー・固体ハンドリングへの対応を強みとする製品があります。原油アセイなど、油ガス系の機能が厚い製品もあります。熱交換器の厳密設計では、外部ソフトとの連携が前提の製品もある点に注意してください。

物性データベースと熱力学モデル

各成分の沸点・蒸気圧・密度・比熱・粘度などの物性値を、データベースとして内蔵する機能です。混合物の気液平衡や活量は、状態方程式や活量係数モデルで計算します。

同じプラントでも、選ぶモデルによって計算結果が変わる点が重要です。炭化水素のように理想に近い系には、状態方程式系のモデルが適しています。極性の強い溶液や電解質を含む系には、活量係数系や電解質対応のモデルが向きます。扱える成分と物性データの範囲も、製品を比べる際の軸です。

定常解析

プラントが安定して運転を続けている状態、つまり装置の入出力が時間的に変化しない状態を計算します。新設の基本設計や能力検討の大半は、定常解析で行うのが一般的です。

原料を入れ続けたとき、どんな組成・流量・温度の製品が得られるかを求めます。必要なエネルギー量も、同じ計算のなかで求まる仕組みです。代表的な製品では、Aspen Plusが化学プロセスの精緻なモデリングで知られています。石油・ガス分野では、Aspen HYSYSが広く使われています。

動的解析

時間とともに状態が変わる、過渡的な挙動を計算する機能です。プラントの起動・停止、原料組成の急変、機器のトリップといった変化の過程を扱います。

操作量を変えたとき、塔内の温度や圧力がどう応答し、何分で落ち着くかを調べられます。安全弁が作動するかの確認も、動的解析の対象です。Aspen Plusで動的解析を行う場合は、Aspen Plus Dynamicsを追加します。Aspen HYSYS Dynamicsのように、制御系のモデル化を備えた機能もあります。

プロセスシミュレーションは、プラントの設計から運転まで、ライフサイクル全体で使われます。担当する立場によって、求める計算が変わります。代表的な4つの場面を見ていきましょう。

新設プラントの基本設計

プロセス設計の担当者が、原料と目標製品から逆算して装置仕様を決める場面です。EPCやプロセス開発部門にとって、中核となる用途にあたります。

蒸留塔の段数や還流比、反応器の容量、熱交換器の伝熱面積を決める根拠になります。まず定常解析で物質・熱収支を固めるのが基本です。扱う流体に合う物性手法を選べるかが、結果の信頼性を左右します。

既存プラントの能力増強と運転条件の見直し

生産技術やプラント技術の担当者が、既存設備の改造や運転変更を検討する場面です。能力増強（デボトルネッキング）では、限界となる装置を先に探します。

原料の切り替えや製品規格の変更でも、変更後の収支や分離性能を試算する手段になります。現行の運転データでモデルを検証しておけば、改造案をそのまま比べられるでしょう。

省エネ・脱炭素と新しいプロセスの検討

研究開発や省エネ推進の担当者が、熱回収やユーティリティ削減の効果を試算する場面です。二酸化炭素回収や、アンモニア・水素関連のプロセス設計でも使われています。

新しいプロセスの成立性を、実機を作る前に検討する場面が増えています。表計算では扱いにくい非線形な物性計算を伴うため、シミュレーターの出番となる領域です。

起動停止手順・制御系の検証と運転員訓練

運転や制御の担当者が、時間応答を確かめる場面です。制御ループの設計、起動停止手順の検証、リリーフ系の安全性評価に動的解析を使います。

オペレータ訓練用シミュレーターの構築も、動的解析の用途の1つです。設計で作った動的モデルを、運転員訓練システムへ転用できる製品もあります。設計と訓練で同じモデルを使えば、構築の手間を抑えられるでしょう。

プロセスシミュレーションの費用は、ソフトのライセンス費用が中心です。主要製品の多くは価格を公開しておらず、構成と利用人数に応じた見積もりで決まります。契約形態も、包括契約やトークン制、年単位のレンタル、月単位の契約に分かれます。導入後の人材育成や物性整備にかかる時間も、見込んでおきましょう。

製品ごとの契約形態は、プロセス解析ソフト（プロセスシミュレーター）カテゴリで比較できます。主要製品の特徴は、プロセス解析ソフトの比較記事で整理しています。

プロセスシミュレーションと混同しやすいのが、CFD（数値流体力学）です。どちらも計算で設備の挙動を見る技術ですが、対象とするスケールと目的が異なります。

設備内部の局所現象を見たいなら、CFDが向いています。プラント全体の能力や運転条件を見たいなら、プロセスシミュレーションが適した選択です。

両者は優劣ではなく、補完的に使われる関係です。CFDで得た知見を、プロセスシミュレーションの装置モデルに反映する使い方もあります。

プロセスシミュレーションが効くかは、検討の頻度とプロセスの複雑さで決まります。ライセンス費用と人材育成の負荷に見合うかが分かれ目です。自社がどちらに当てはまるかを確かめてください。

プロセスシミュレーションの導入が向いている企業

化学・石油精製・ガス処理・石油化学などで、新設や能力増強を自社で検討する企業です。蒸留や反応を含む多段のプロセスを扱うほど、シミュレーターの効果は大きくなります。

省エネ・脱炭素や新規プロセスの成立性検討に取り組む企業も向いています。表計算では扱いにくい非線形な物性計算を伴うためです。設計知見を組織に蓄積し、属人化を避けたい企業にも適しています。複数拠点で設計手法を標準化したい大規模なオペレーターも、候補になるでしょう。

プロセスシミュレーションの導入が向いていない企業

扱うプロセスが単純な物質収支で済み、蒸留や反応の精緻な計算が要らない企業です。高機能なシミュレーターはオーバースペックになりやすく、表計算や用途を絞った計算ツールで足ります。

検討の頻度が年に数回程度で、設計を外部のエンジニアリング会社に委託している企業も同様です。自社で常設するより、委託先の検討結果を活用するほうが現実的でしょう。専任のプロセスエンジニアを置けない場合も、使いこなすまでの負荷が重くなります。

プロセスシミュレーションとは、化学プラントの工程をモデル化し、物質収支と熱収支を解く技術です。実機を作る前に挙動を見通せるため、設計精度の向上と試作・試運転の削減に効果があります。

最初に確かめるのは、自社が扱う流体の物性を候補製品でカバーできるかです。そのうえで、定常解析だけでよいか、起動停止や制御の検証に動的解析まで要るかを決めます。

モデルの検証や人材育成には相応の手間がかかるため、対象を絞って小さく始めてください。製品ごとの得意領域はプロセス解析ソフト（プロセスシミュレーター）カテゴリで比較できます。