Chemical Engineering: An Introduction（化学工学入門）

引用

Denn, M. M. (2011). Chemical Engineering: An Introduction. Cambridge University Press (Cambridge Series in Chemical Engineering).

章の要約

本書は短く、約255ページに15の章を収め、序文と2ページの後書き（Postface）がそれを挟む。デンは序文で入門科目の役割を示している。学生を基礎科学と数学から、化学工学の学位の中核をなす工学科学の科目へと導き、同時に職業の全体像を与えることであり、そのために実務に近い状況での速度過程を軸に構成すべきだという。本書はおもに液相のプロセスに対象を限り、出版社の言葉では数学を「最も初歩的なレベルの言語として」用いる。

第1章：化学工学

冒頭の章は、化学工学を「物理的・化学的・生化学的な速度過程を人類のよりよい生活のために用いる応用科学の分野」と定義し、その定義の両面を解きほぐす。速度過程の最初の例は経口薬で、消化から血流、代謝、排泄までを追う。化学技術者が石油化学製品をつくるという一般的なイメージは、現代の職業のごく一部しか表していないと論じる。

第2章：解析の基本概念

モデル化を中心的な活動として導入する章である。系を方程式で記述し、予測し、現実と比較し、修正し、そのうえでモデルを設計に使う。この方法を、全体の物質収支を用いた単純なプロセス単位ひとつで示す。

第3〜4章：収支式／成分の物質収支

第3章は収支式を、体内で代謝される薬のように保存されない量にまで一般化する。その応用例は経済的なもので、正味現在価値をお金の収支として扱い、将来の支出の本当のコストを求める。第4章は物質収支を、よくかき混ぜられた単一相で反応しない複数成分の系へと広げ、食塩と水を例とする。

第5章：膜分離

本書で最初に扱う分離プロセス。肺や腎臓から、エタノールの回収や酸素の製造まで、生理学と産業における分離の位置づけを示し、そのうえで膜プロセスを解析する。膜プロセスでは薄い膜が二つの流れを隔てつつ、特定の化学種だけを通す。出版社は本書の問題のひとつとして血液透析を挙げている。

第6〜7章：化学反応系／反応器の設計

第6章は単純な形状の単一相反応器で反応速度論を展開する。第7章は「設計」をプロセスの意味で用い、どんな装置がどれだけの大きさで必要かを決めるもので、第6章の速度論から反応器の大きさと流量を求める。デンは、本格的なプロセス設計は通常最終学年のキャップストーン科目で扱われると述べており、本書ではそれを簡略化した形で早い段階に、設備費と運転費のトレードオフとともに導入している。

第8〜9章：バイオリアクターと非線形系／平衡を超える

第8章は排水処理の活性汚泥法を枠組みとして、バイオリアクターの設計とその非線形なふるまいを扱う。出版社が取り上げる問題のひとつに微生物のウォッシュアウトがある。第9章はわずか4ページで、膜反応器が生成物を生じたそばから取り除くことで平衡の限界を超える転化率を達成するしくみを示す。反応蒸留にも触れるが、気液平衡が必要なため後の科目に回している。

第10〜11章：二相系と界面物質移動／平衡段プロセス

第10章は二相系を分類し、混合物を一つの連続相として扱える場合と扱えない場合を説明し、相間の物質移動と平衡段を展開する。第11章は平衡段を互いに混ざらない溶媒による液液抽出に適用し、所定の分離に必要な段数を計算する。接触装置の機械的な設計は扱わない。

第12〜15章：エネルギー収支／熱交換／多成分系のエネルギー収支／反応系のエネルギー収支

本書の最後の3分の1では、エネルギーを変数として加える。第12章はエネルギー収支を導入し、第13章は熱交換を、第14章は混合物を扱う。デンはそこで、公表されているエネルギー収支にはしばしば誤りがあると警告し、誤りのせいでホットスポットを必ず誤って計算してしまう市販の反応器モデルの例を挙げている。第15章は、よく混合された液相反応器について反応速度の温度依存性を導入する。

後書き

化学工学の学位で続く科目と、学部生の研究経験の価値についての短い結びである。

主要概念

第1〜4章：基礎

• 速度過程：有限の速さで進む物理的・化学的・生化学的過程。デンはこれを学問分野を定める枠組みとみなす。
• モデル化：物理的状況を方程式に置き換え、予測を現実と照らして検証し、修正してから設計に使うこと。
• 収支式：蓄積＝流入−流出＋正味の生成。保存量にも非保存量にも適用できる。
• 正味現在価値：異なる時点で生じる費用を比較するために、収支式をお金に適用したもの。

第5〜9章：分離と反応器

• 膜分離：二つの流体の流れを隔てる薄い障壁を通した選択的な輸送。
• 反応器の大きさの決定：速度論を用いて、必要な転化率に対する反応器の容積と流量を決めること。
• ウォッシュアウト：連続式バイオリアクターで、微生物が増殖より速く希釈されて系から失われること。
• 平衡を超える：膜反応器のように反応中に生成物を取り除き、逆反応を進ませないこと。

第10〜15章：多相系とエネルギー

• 界面物質移動：成分が相の間を平衡分布に向かって移動すること。
• 平衡段：出口の流れが互いに平衡にある理想化された接触装置。分離に必要な段数を数えるのに使う。
• エネルギー収支：混合や反応の効果を含めて、プロセス単位に熱力学第一法則を適用すること。
• 温度に依存する速度論：反応速度に対する温度の強い影響。反応器設計の重要な操作変数である。

批判的分析

長所

• 分野が何をするのかを示す。 序文は科目を現実的な状況での速度過程を軸に組み立てており、出版社は設計・解析の問題を形式も規模も現実的だと説明している。ジョン・H・サインフェルドは『AIChE Journal』で、本書を物質・エネルギー収支へのコンパクトな入門であり、化学技術者が取り組む問題の雰囲気を伝えるものと評した。
• 現代的な例。 薬の代謝、血液透析、排水処理のバイオリアクター、膜反応器が、反応器や抽出と並んで登場する。『Chemistry World』の書評は、膜分離のような比較的新しい単位操作を使って伝統的な概念を説明している点を魅力的とし、本書を現代的で簡潔だと評価した。
• 早い段階での設計。 コストのトレードオフを含む反応器の大きさの決定（第7章）や段数の計算（第11章）によって、著者が通常はキャップストーン科目まで先送りされると述べる設計上の判断を、最初の科目に持ち込んでいる。
• エネルギー収支への慎重さ。 第14章は、多成分系のエネルギー収支を誤らせる近道をはっきり戒めている。そこで述べられる誤りは公表された資料にも現れるため、この慎重さは役に立つ。

短所

• 準備の整った学生を前提とする。 デイヴィッド・L・シルバースタインは『Chemical Engineering Education』の書評で、賞賛に「学生の準備が十分であれば」という条件をつけた。微積分や化学に不安のある学生には、モデル化の章の進み方がきつく感じられるかもしれない。
• 液相と単純化された物理。 本書は意図的におもに液体とよく混合された容器に対象を限り、気液平衡や反応蒸留は扱わない。標準的な物質・エネルギー収支の科目で扱われるような気相の量論、状態方程式、相平衡は本書の焦点ではない。
• 章の長さのばらつき。 ごく短い章（第9章は4ページ、第3章は6ページ）がある一方、解析の章は40ページ近くある。短い章については教員が問題を補う必要があるかもしれない。

コースにおける位置づけ

デンとフェルダー、ルソー、ブラードの Elementary Principles of Chemical Processes は、化学プロセス工学の書目にある二冊の入門書であり、目的が異なる。フェルダーは体系的な物質・エネルギー収支の科目のための本格的な教科書で、単位、プロセス変数、気体と相平衡のふるまい、多くの問題を備えている。デンはモデル化と職業の広がりについてのコンパクトな本である。収支を中心とする最初の科目では、フェルダーを主教科書とし、視野を広げるためにデンを並行して読むとよい。分野全体の概観から始める科目では、デンを中心に据え、練習用にフェルダーを加えることができる。

デンの各部分は、書目にある後の科目の予習になる。分離の章はマッケイブ、スミス、ハリオットの Unit Operations of Chemical Engineering と、ギアンコプリス、ハーセル、レペックの Transport Processes and Separation Process Principles へ、反応器の章はフォグラーの Elements of Chemical Reaction Engineering へ、設計とコストの流れは高学年の設計のために書かれたタウラーとシノットの Chemical Engineering Design へとつながる。

本書の使い方

本書は化学工学・生化学工学の1学期目の学生を対象としている。化学技術者と協働する科学者や技術者にも向いており、『Chemistry World』の書評もそうした読者に本書を勧めている。1年次の微積分と一般化学が実際に必要な背景知識である。

• 中核： 第1〜4章はモデル化の方法と収支式を確立する。後のすべての章がこれに依存するので、解析の章は丁寧に取り組むこと。
• 物質収支の応用： 第5〜9章は、分離、反応器、バイオリアクター、膜反応器という一連の設計研究として読める。短い科目ではその中から2〜3章を選べばよい。
• 多相系とエネルギー： 第10〜11章は分離の科目へ、第12〜15章はエネルギー収支への導入となる。時間がなければ、誤った近道についての警告を念頭に置いて第12章と第14章を一緒に読む。
• 後書き： 最後に読むこと。残りのカリキュラムがこれらの章の上にどう積み上がるかを説明している。

それぞれのモデルについて、解く前に仮定（完全混合、単一相、密度一定など）を書き出すこと。そのうえで、実際のプラントではどの仮定が最初に崩れるかを考える。これこそ解析の章が身につけさせようとしている習慣である。標準的な収支計算の練習がもっと必要な学生は、本書をフェルダーと組み合わせるとよい。