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◇第１章 化学工学の基本◇
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１節 化学プロセスデータの単位、次元と次元解析
１．基本単位と単位系
1.1 単位と次元の基本的な考え方
1.2 SI単位系の構成
1.3 実務で用いられる慣用単位と単位系混在のリスク
２．単位換算
2.1 単位換算の基本原理と換算係数
2.2 圧力・流量・エネルギー・濃度の代表的な換算
３．次元解析と無次元数
3.1 次元と次元整合性の原理
3.2 次元解析
3.3 無次元化の考え方と物理的意味
２節 化学プロセスにおける伝熱原理と伝熱量算出
１．伝熱の3形態
２．伝熱（熱伝導：Thermal conduction）
2.1 化学プロセス内での熱伝導
３．対流伝熱（熱伝達：Thermal convection）
3.1 伝導伝熱と対流伝熱の連成問題
3.2 熱通過の例題
４．放射伝熱（熱放射：Thermal radiation）
4.1 平行な2面間の放射伝熱
4.1 放射伝熱の断熱法（シールド断熱）
５．伝熱量計算の色々
5.1 流体の顕熱量変化からの伝熱量推算
5.2 熱伝達係数を予測して熱量を計算する方法
5.3 潜熱量を利用した伝熱量の計算
5.4 伝熱量計算のまとめ
３節 プロセスの物質収支、エネルギー収支計算の基礎
１．収支計算の準備
1.1 物質収支計算（Mass Balance）
1.2 エネルギー収支（Energy Balance）
1.3 エンタルピー収支
1.4 ギブズエネルギー・平衡定数
1.5 液体輸送の機械的エネルギー収支
２．計算の階層構造と実務的アプローチ
2.1 計算境界の考え方
2.2 大規模な領域（プラント全体）の検討
2.3 中規模な領域の検討（単位操作）
４節 流体輸送の基本と所要動力の推算
１．はじめに ― 化学工学における流体輸送の位置づけ
２．流体輸送の基礎概念
３．エネルギー収支とベルヌーイの定理
４．管内流れとレイノルズ数
５．管摩擦による圧力損失
６．局所損失
７．配管系全体の圧力損失計算
８．ポンプの基礎
９．所要動力の推算
１０．計算例 ― 配管系と所要動力の算定
１１．応用および発展的話題
５節 装置内の運動量，熱，物質の移動現象の基礎
１．一般的な物理量の移動速度を表す方法
1.1 分子効果に基づく拡散による移動
1.2 流れに基づく対流による移動
２．一般的な物理量の移動現象に関する基礎方程式
３．流体の質量の収支式:連続の式
４．運動量移動の基礎式:流体の運動方程式
５．熱移動の基礎式
６．物質移動の基礎式
７．流体のエネルギー収支
８．移動現象の基礎式の利用例
8.1 運動量移動の式の利用例
8.2 熱移動の式の利用例
8.3 物質移動の式の利用例 |
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◇第２章 物性の推算◇
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１節 物性推算の基本と深層学習の活用
１．蒸気圧
２．沸点データのみからの蒸気圧の推算法
３．従来の推算法
４．沸点データから推算する方法
4.1 クラウジウス・クラペィロン式を利用する方法
4.2 アントワン式を利用する方法
５．推算結果
６．深層学習の活用
6.1 人工知能AIとは
6.2 人工知能AIの働き
6.3 深層学習の基本：誤差逆伝播学習（バックプロパゲーション）
6.4 誤差逆伝播学習（バックプロパゲーション）の計算手順
6.5 バックプロパゲション法の留意点
6.6 深層学習の物性推算への応用
２節 相平衡の測定、推算
１．気液平衡測定法
２．相平衡の推算
2.1 理想溶液
2.2 非理想溶液
2.3 活量係数式
2.4 ウィルソン定数の温度依存性
2.5 気液平衡における多成分系への拡張
2.6 NRTL式
2.7 理想溶液と非理想溶液との関係
2.8 気液平衡における塩効果
2.9 塩効果の原因(蒸気圧降下）
2.10 塩濃度と塩効果との相関関係
2.11 気液平衡における選択的溶媒和モデル
2.12 気液平衡における溶媒和モデル(大江モデル）
2.13 電解質NRTL式の問題点
2.14 不溶解系の気液平衡
2.15 気液平衡測定値の熱力学的健全性の検討法
2.16 高圧における気液平衡
2.17 フガシティ係数
2.18 SRK式による高圧気液平衡の計算
2.19 ペン・ロビンソン式による高圧気液平衡の計算
2.20 気液平衡計算式選定の基準
３節 QM/PCM法を用いた液相中化学種の熱力学データ推算
１．量子化学計算による熱力学データ推算の基本的な考え方
２．原子化熱法
３．QM/PCM法を用いた液体の熱力学データ推算
４．標準状態
５．PCM法と理想気体モデルを用いた標準熱力学データの推算
６．QM/PCM法の課題
７．実在気体モデル
４節 表面張力の高精度計算
１．支配方程式
２．数値計算手法
2.1 フラクショナルステップ法
2.2 運動量保存スキーム
2.3 VOFの移流方程式の解法
2.4 S-CLSVOF法
2.5 CSFモデル
2.6 全体のアルゴリズム
３．数値計算例 |
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◇第３章 撹拌・混合、反応プロセス、装置設計に向けた推算、シミュレーション◇
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１節 撹拌所要動力，混合とスケールアップ
１．撹拌所要動力
1.1 動力数と相関式
1.2 数値流体力学（CFD）による動力推算
２．混合の評価
３．スケールアップ
3.1 スケールアップの基準
3.2 異相系撹拌のスケールアップ
２節 撹拌容器内流れの数値シミュレーション
１．解析対象と撹拌システムの概要
２．数値解析手法
３．数値解析条件
４．数値解析結果
4.1 撹拌容器内における乱流場の特性
4.2 乱流生成の時間発展シナリオ
4.3 インペラ配置およびサイズが乱流化におよぼす影響
３節 気液撹拌の物質移動計算と装置設計、スケールアップ
１．装置構造の計算
２．駆動部の計算
３．物質移動特性の計算
４．スケールアップの計算
４節 分散系におけるハマカー定数，ゼータ電位の計算法
１．はじめに：ハマカー定数（表集促進因子）とゼータ電位（分散促進因子）
２．ハマカー定数：凝集促進因子
2.1 分子間ファンデルワールス引力と粒子間ファンデルワールス引力
2.2 分子と線状高分子間のファンデルワールス相互作用
2.3 孤立分子と円柱間のファンデルワールス相互作用
2.4 2枚の平行な同種の半無限平板間のファンデルワールス相互作用
2.5 デルヤーギン近似
2.6 媒質の効果
2.7 リフシッツ理論によるハマカー定数の厳密式
３．ゼータ電位：分散促進因子
3.1 球状粒子の電気泳動移動度とゼータ電位
3.2 ゼータ電位が高い場合の電気泳動移動度の式
3.3 円柱状粒子の電気泳動移動度
４．ポテンシャル曲線と分散系の安定性
4.1 2個の粒子間の静電相互作用エネルギー
4.2 2個の粒子間の全相互作用エネルギーとポテンシャル曲線
５節 触媒反応プロセスの実験データの解析方法
１．反応速度式構築法の概要
２．簡単な１次反応での微分法、積分法の適用
３．平衡を考慮する必要のある２次反応
４．初速度法によるPFRの解析
５．初速度法による解析 ラングミュアー・ヒンシェルウッド（LH）機構
６．反応温度の影響
７．非等温型PFR反応データの解析
８．複合反応の解析
９．触媒有効係数
１０．触媒反応器設計の基礎式
６節 Pythonによる反応プロセスの計算
１．Pythonの反応プロセスにおける活用
1.1 ライブラリの活用
２．反応プロセスの計算
2.1 1次逐次反応プロセスデータの相関：物理モデルとデータ駆動モデルの比較
2.2 反応プロセスのシミュレーション：モノクローナル抗体産生プロセス
３．反応プロセスのソフトセンサー
４．反応プロセスにおけるデジタルツイン |
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◇第４章 分離プロセス、装置設計に向けた推算、シミュレーション◇
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１節 蒸留塔の設計、操作とその計算
１．蒸留塔の設計
２．FRIにおけるアングルトレイの工業化試験
３．蒸留塔の種類
４．棚段塔の構造
５．蒸留塔の挙動
６．操作限界：フラッディング
７．気液の接触状態
８．飛沫同伴
９・ウィーピング
１０．蒸留塔の効率
１１．性能向上策
１２．充填塔
１３．充填塔のフラッディング
１４．圧力損失
１５．充填塔の効率：HETP
１６．充填塔の性能向上策
１７．蒸留塔の選定基準
１８．蒸留塔の計装制御
２節 McCabe-Thieleの作図法
１．用途
２．モデル
2.1 操作線の式
2.2 q線
３．McCabe-Thieleの作図方法
3.1 インプット条件
3.2 作図手順
４．最小理論段数
５．最小還流比
３節 純成分系における飽和蒸気圧と気液平衡下にある諸物性の理論推算法
１．純成分飽和蒸気圧の理論推算法の紹介
２．飽和液相密度の理論推算法
３．溶解度パラメータの計算方法
４節 多段2相分配平衡に基づくクロマトグラムの予測モデル
１．熱力化学工学に基づく新しいクロマトグラフィー計算モデルの紹介
２．移流－平衡段モデルの計算例
３．クロマトグラムの完全予測に向けてのアプローチ
４．ガスクロマトグラフィークロマトグラムの予測に向けてのアプローチ
５節 吸収操作のモデル化と充填塔設計の計算
１．吸収装置の種類と選定
1.1 充填塔
1.2 棚段塔
1.3 スプレー塔
1.4 濡れ壁塔
1.5 気泡塔
２．吸収塔の設計と基本指針
３．装置設計に必要な物性と基礎式
3.1 気液平衡関係
3.2 拡散方程式
3.3 二重境膜モデル
3.4 物質収支式（操作線の方程式）
3.5 充填塔の塔高を求める設計方程式
3.6 移動単位の概念
６節 吸収塔設計のための計算と設計の注意点
１．ガス吸収 概要
２．気液平衡～吸収の設計にて必要な物性と関係式～
３．装置基本設計
3.1 吸収計算 基礎式
3.2 吸収塔 運転操作範囲
3.3 吸収塔 塔径の算出
3.4 吸収塔 圧力損失
3.5 吸収塔 高さの算出
４．演習問題
4.1 演習問題１ ～吸収ガスー水 溶解度曲線～
4.2 演習問題２ ～吸収塔 必要吸収液量の算出～
4.3 演習問題３ ～吸収塔 塔径，圧力損失の算出～
５．装置構造設計
5.1 吸収装置の選定
5.2 吸収装置の構造設計 注意点
5.3 装置構造設計
６．装置の実際
6.1 充填塔設計手順充填塔設計は下記の手順で進める．
6.2 充填塔 内部写真
6.3 設計上の注意点
７節 細孔分布測定による吸着材及び分離膜の性能評価
１．ガス吸着による細孔分布測定
1.1 ガス吸着法の原理、特徴および適用細孔径範囲
1.2 ガス吸着法における測定分子の選択
1.3 細孔径分布解析法
1.4 NLDFT法によるゼオライトの細孔解析
1.5 QSDFT法による炭素材料の細孔径分布解析
２． 水銀圧入法
2.1 水銀圧入法の原理、特徴および適用細孔径範囲
2.2 水銀使用上の安全管理
2.3 水銀圧入法の原理に基づく水銀フリー細孔径測定法
2.4 水銀圧入法によるマクロ孔分析
３．ガス透過法
3.1 ガス透過法の原理、特徴および適用細孔径範囲
3.2 ガス透過法によるトラックエッチングメンブレンの細孔径分析
８節 晶析プロセスの数値計算と操作設計
１．晶析操作の目的とその応用
1.1 特性の作り込み
1.2 非平衡分離操作
２．結晶化の推進力と相平衡
2.1 結晶化の推進力
2.2 核発生速度
2.3 成長速度
３．結晶粒子群の取り扱い
3.1 母集団
3.2 結晶粒子群の粒径分布
3.3 槽型晶析装置の定常特性
４．連続フロー晶析への展開
９節 計算化学を用いたシリカスケール生成量予測
１．なぜシリカスケールは予測できなかったのか
1.1 従来の評価手法が抱えていた問題
1.2 シリカスケールを連続的な反応過程として捉える必要性
２．シリカスケールはどのように生まれるのか
2.1 溶液中におけるシリカの存在状態
2.2 重合の進行と析出への移行
３．反応はどこで止まるのか ― 自由エネルギーと平衡が決めていること
3.1 反応の到達点を決める自由エネルギー評価の枠組み
3.2 三段階重合モデルと反応経路の支配段階
４．温度とpHは反応のどこに効いているのか
4.1 温度が自由エネルギー制約に与える影響
4.2 pHが反応経路を変化させる仕組み
５．理論は実験とどこまで一致するのか
5.1 時間挙動と平衡到達量の再現性
5.2 平衡到達量と温度条件の関係
６．現場でどう判断するか ― 設計と運転を分けて考える
6.1 設計段階で決め切るべき条件
6.2 運転条件変動を前提とした判断と管理
１０節 固液分離操作の濾過速度、分離効率の計算
１．濾過の理論
２．定圧濾過(1)
３．定圧濾過(2)
４．連続式定圧濾過
５．定速濾過
１１節 濾過ケーク特性値の算出法
１．濾過速度変化に基づくケーク特性の評価
1.1 定圧濾過試験
1.2 濾過面積急縮小定圧濾過試験
1.3 圧力ステップ状濾過試験
２．濾過圧力変化に基づく濾過特性の評価
2.1 定速濾過試験
2.2 変圧変速濾過試験
2.3 濾過面積急縮小変圧変速濾過試験
３．高濾過抵抗濾材を用いた濾過特性の評価
3.1 シングル定圧濾過試験
3.2 シングル圧力ステップ状濾過試験
3.3 濾過面積急縮小シングル圧力ステップ状濾過試験
3.4 濃度差を利用したケーク空隙率評価試験
１２節 計算化学による分離膜の耐ファウリング性能予測
１．膜モジュールの評価に必要な各種変数
２．膜モジュールの種類
2.1 完全混合槽モジュール
2.2 微分モジュール
３．検討条件
４．検討結果
4.1 CO2/CH4選択性とCO2純度の関係
4.2 CO2/CH4選択性と所要膜面積の関係
4.3 CO2透過率と所要膜面積の関係
4.4 膜分離プロセスにおける所要動力の推算
4.5 分離膜の性能がプロセスの指標に与える影響 |
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◇第５章 乾燥プロセス、装置設計に向けた推算、シミュレーション◇
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１節 乾燥装置の種類，特徴と乾燥装置の推算
１．乾燥の基礎知識
1.1 乾燥の３期間
1.2 材料予熱期間
1.3 定率乾燥期間
1.4 減率乾燥期間
1.5 平衡含水率（We）
1.6 限界含水率（Wc）
1.7 乾燥特性曲線
２．乾燥装置の分類
2.1 熱風受熱式乾燥装置
2.2 伝導受熱乾燥機
2.3 その他の乾燥装置
３．各種伝熱方式による乾燥装置の選定，スケールアップ
3.1 選定前の検討事項
3.2 乾燥装置の選定
3.3 スケールアップ
２節 スプレードライヤーによる乾燥のモデリングと推算
１．粉体プロセスシミュレーションソフト開発の背景
1.1 gPROMS (general PROcess Modeling System)
1.2 gPROMS FormulatedProducts
２．粉体プロセスシミュレーションソフトの原理
2.1 第一原理モデルベース
2.2 計算エンジン
2.3 物性推算エンジン
３．粉体プロセスシミュレーションソフトの適用事例
3.1 製薬業界 ユーザー事例紹介
3.2 応用事例
３節 粒子懸濁液の乾燥過程シミュレーション
１．微視的な固気液三相流シミュレーション
1.1 Navier?Stokes方程式の直接数値計算に基づく手法
1.2 格子ボルツマン法に基づく手法
1.3 粒子懸濁液の乾燥シミュレーションへの適用
２．固気液三相流シミュレーション手法の一例
2.1 気液二相系モデル
2.2 気液二相系LBMとSmoothed Profile法の連成
2.3 粒子のぬれ性の表現
３．ぬれ性基板上における粒子懸濁液の乾燥シミュレーション
3.1 ぬれ性基板上の乾燥液膜中における二粒子の運動
3.2 粒子懸濁液の乾燥に伴う粒子配列形成
４節 塗布膜の乾燥速度、拡散係数の計算
１．塗布膜の拡散係数の計算
1.1 Gibbsの自由エネルギーについての変分原理の不等式
1.2 平衡状態の溶液の化学ポテンシャルの導出
1.3 非平衡状態の溶液の化学ポテンシャルの導出
1.4 非平衡状態における化学ポテンシャルからの拡散係数の見積もり
1.5 濃度の拡散係数が濃度に依存する場合の考察
２．乾燥速度の計算
2.1 蒸発速度の式
2.2 溶液の濃度と蒸発速度の関係
３．溶媒の蒸発に伴う拡散係数、乾燥速度の変化
3.1 溶媒の蒸発による溶媒の蒸気圧の低下
3.2 溶媒の蒸気圧の低下による蒸発速度の低下
3.3 溶媒の蒸発による濃度の拡散係数の低下 |
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◇第６章 粉粒体プロセス、装置設計に向けた推算、シミュレーション◇
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１節 離散要素法による粉体プロセスの挙動解析
１．粉体シミュレーションの手法
２．DEM(離散要素法)による粉体プロセスの計算例
2.1 粉体の貯蔵
2.2 粉体の供給・搬送
2.3 粉体の混合、混錬
2.4 粒子径調整(破砕、造粒)
３．DEMシミュレーションの実施準備
3.1 再現が必要な現象の予想
3.2 計算時間の見積もり
3.3 シミュレーションに必要な情報の取得
４．シミュレーションの現在の課題と今後
２節 ボールミルのシミュレーションによる設計および解析
１．ボールミルのシミュレーション
２．ボール挙動のシミュレーションによるボールミルの設計
2.1 粉砕速度定数の予測
2.2 摩耗速度定数の予測
2.3 有効所要動力の予測
2.4 工学的指標の組合せによる設計
３．ボールミル中の砕料粒子破壊挙動のシミュレーション
3.1 湿式ボールミル中で起こる粒子凝集メカニズムの解析
3.2 粒子破壊挙動のモデリング
３節 シミュレーションによる湿式ビーズミルの粉砕性能評価
１．ビーズミルとシミュレーション
２．湿式ビーズミルの稼働条件と評価指標
３．衝突エネルギーによる粉砕性能の評価
４．粒子衝突シミュレーションを用いたビーズ挙動の計算
4.1 粒子の運動方程式と数値計算
4.2 DEMによる衝突の表現
4.3 大きな時間ステップ幅を用いることが可能なIB-DEM
4.4 DEMの補足
５．流体解析モデルのシミュレーションを用いたビーズと流体の相互作用の計算
5.1 簡易流体モデル
5.2 非解像型流体モデル
5.3 解像型流体モデル
5.4 半解像型流体モデル
６．形状の異なる湿式ビーズミルの粉砕性能を評価した事例
７．装置部品の摩耗に関するシミュレーションの紹介
４節 粉体分離プロセスのシミュレーション
１．数値解析手法
1.1 固体粒子のモデリング
1.2 流体のモデリング
1.3 粒子?流体相互作用
1.4 壁面境界のモデリング
２．解析事例
2.1 揺動テーブルにおける粒子偏析過程のシミュレーション
2.2 水流選別装置における粒子分離過程のシミュレーション
５節 粉粒体の混合、成形シミュレーション
１．従来の理解とその限界
２．構造という視点
2.1 混合プロセスにおける構造の視点
2.2 圧縮成形における構造の視点
３．解析事例
3.1 混合プロセスへの適用
3.2 圧縮成形への適用
５節 X線CTを用いたエアフィルター実微細構造の数値シミュレーションと機械学習による性能
１．X線CTを連携したエアフィルター内透過挙動の数値シミュレーション
２．フィルター微細構造内部の流れ場予測のためのサロゲートモデル
３．機械学習によるフィルター微細構造の最適設計 |
