Elementary Principles of Chemical Processes（化学プロセスの基礎原理）

引用

Felder, R. M., Rousseau, R. W., & Bullard, L. G. (2020). Elementary Principles of Chemical Processes (4th ed.). Wiley.

章の要約

第4版は三部10章からなり（第1部「工学的問題の解析」第1〜3章、第2部「物質収支」第4〜6章、第3部「エネルギー収支」第7〜10章）、そのあとに計算手法の付録、物性表の付録、「Test Yourself（理解度チェック）」の解答、問題の略解が続く。前付けには記号表と用語集がある。第2章以降の各章は学習目標で始まり、まとめと分量の多い問題集で終わる。出版社によれば、本書は化学プロセス系の物質収支とエネルギー収支を立てて解く力を養い、その後の科目の土台を築くものである。

第1章：化学技術者は何をして生計を立てているか

2ページの導入章で、化学工学を定義しようとはしない。その代わりに、ある卒業学年の学生たちが製造業、官庁やコンサルティング、大学院、医学、法律、ビジネスへと進む姿を追う。そして、これらすべての職業に共通する問題解決の技法があり、その技法こそが本書の主題だと述べて終わる。

第2章：工学計算入門

単位と次元、単位換算、単位系、力と重さ、数値計算と見積もり、次元の同次性と無次元量、そしてプロセスデータの表現と解析を扱う。

第3章：プロセスとプロセス変数

プロセスを記述するための変数、すなわち質量と体積、流量、化学組成、圧力、温度を扱う。

第4章：物質収支の基礎

最も長く最も重要な章。プロセスの分類、一般収支式、物質収支計算の手順、複数の単位からなるプロセス、リサイクルとバイパス、化学反応の量論、反応プロセスの収支、燃焼反応を扱い、化学プロセスについての補足的な考察で締めくくる。

第5章：単一相系

単一相の物性推算。液体と固体の密度、理想気体、非理想気体の状態方程式、圧縮係数を用いた状態方程式を扱う。

第6章：多相系

相平衡。単一成分の相平衡、ギブズの相律、凝縮成分が一つの気液系と複数の気液系、液体への固体の溶解、二液相間の平衡、固体表面への吸着を扱う。

第7章：エネルギーとエネルギー収支

エネルギーの形態と熱力学第一法則、運動エネルギーと位置エネルギー、閉じた系と定常状態の開いた系のエネルギー収支、熱力学データ表、エネルギー収支の手順、機械的エネルギー収支を扱う。

第8章：非反応プロセスの収支

圧力変化、温度変化、相変化、混合と溶解に対するエンタルピー計算を扱う。

第9章：反応プロセスの収支

反応熱、ヘスの法則、生成熱と燃焼熱、反応プロセスのエネルギー収支、燃料と燃焼を扱う。

第10章：非定常プロセスの収支

非定常操作のために一般収支式をもう一度取り上げる。非定常の物質収支、単一相の非反応プロセスのエネルギー収支、そして連立する非定常収支を扱う。

主要概念

第1部：工学的問題の解析

• 次元の同次性：正しい式では加算される各項がすべて同じ次元をもつ。どんな計算にも使える検算である。
• プロセス変数：流量、組成、圧力、温度など、プロセスの流れを特定する量。
• 見積もり：計算結果が妥当かどうかを確かめるための概算。

第2部：物質収支

• 一般収支式：流入＋生成−流出−消費＝蓄積。
• リサイクルとバイパス：プロセス単位に戻される流れや、単位を迂回する流れ。収支の立て方を変える。
• 化学反応の量論：釣り合った化学反応式の定量的な関係。反応プロセスの収支を立てるのに使う。
• ギブズの相律：平衡にある系で独立に指定できる示強変数の数。

第3部：エネルギー収支

• 開いた系の第一法則：エンタルピー、運動エネルギー、位置エネルギーの変化を熱と仕事に結びつける定常状態のエネルギー収支。
• 非反応プロセスのエンタルピー変化：圧力変化、温度変化、相変化、混合と溶解の効果。第8章が順に扱う。
• 反応熱とヘスの法則：既知の反応や生成熱を組み合わせて反応エンタルピーを求めること。
• 非定常収支：蓄積がゼロでない収支で、時間についての微分方程式になる。

批判的分析

長所

• 実績ある教育設計。 ワイリーは、リチャード・フェルダーが米国工学教育学会の最初の「工学教育生涯功労賞」を受賞したことを紹介し、本書を効果的な教授法についての長年の研究を体現したものと説明している。構成にもそれが表れており、各章は学習目標で始まり、まとめと問題で終わる。「Test Yourself」の問いには巻末に解答があり、記号表と用語集も備わっている。
• 現代の応用分野にわたる問題。 第4版では約350の章末問題が新たに加えられ、または改訂された。その多くは安全、環境、バイオ工学、代替エネルギー、材料といった新しい応用分野から取られており、「応用分野別問題索引」が教員がそれらを見つける助けになる。
• 体系的な方法。 第4章は、複数単位、リサイクル、反応に適用する前に、収支計算の一般的な手順を定める。同じ型が第7章でエネルギー収支について繰り返されるので、学生は特殊な場合の寄せ集めではなく、転用できる一つの方法を学ぶ。
• 教育用の資料。 ワイリーは第2〜9章について「Notes With Gaps」（学生が授業中に空欄を埋める講義用コースパック）と、型どおりの物性計算を省くExcelアドイン「APEx」を提供している。

短所

• 長く、密度が高い。 本文は約670ページあり、第4章だけで問題を含めて120ページを超える。一つの科目で10章すべてを深く扱うことはまれである。
• 意図的に範囲が狭い。 本書は物質・エネルギー収支と、それに必要な物性推算を扱う。速度、装置設計、プロセスの経済性は後の科目に任されているため、分野全体の姿を知りたい学生は概説書もあわせて読むべきである。
• 計算機の扱いは限られる。 計算は、最小二乗法、非線形方程式の反復解法、数値積分の付録と、APExアドインとして現れるだけで、計算機を用いた収支計算の章はない。フローシートシミュレーションを教える科目では別の資料が必要になる。

コースにおける位置づけ

本書は、化学プロセス工学の書目のなかで最初の中核科目の主教科書である。ワイリーは、米国の化学工学プログラムの5つに4つ以上で使われていると述べている。書目にあるもう一冊の入門書、モートン・デンの Chemical Engineering: An Introduction はずっと短く、膜分離、バイオリアクター、膜反応器といった液相プロセスの単純なモデルを組み立てて、化学技術者が何をするかを示す。視野を広げるためにフェルダーと並行して、あるいは方向づけのために先にデンを読み、体系的な方法と練習にはフェルダーを頼りにするとよい。

書目にある後の本は、それぞれフェルダーの一部分の上に積み上がる。第6章と第8章は、マッケイブ、スミス、ハリオットの Unit Operations of Chemical Engineering や、ギアンコプリス、ハーセル、レペックの Transport Processes and Separation Process Principles で扱う分離プロセスへの準備となる。第4章と第9章はフォグラーの Elements of Chemical Reaction Engineering へつながる。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 は、フローシートの収支を完全に取らなければならない場面で、この一連の内容全体を使う。

本書の使い方

本書は、通常1年次か2年次に受ける最初の化学工学の科目の学生向けに書かれている。1年次の微積分、一般化学、初歩の物理があれば十分であり、第10章の非定常収支は時間についての微分方程式につながる。

• 中核の流れ： 第2〜4章、続いて第5〜6章、そして第7〜9章。第4章が本書の心臓部であり、最も多くの時間をここにかけること。すべての問題でこの章の計算手順を省略せずにたどり、計算を始める前に問題を完全に設定する。
• 軽く扱ってよい部分： 単位に自信のある学生にとっての第2章、科目で必要がなければ第6章の吸着の節。
• 科目の終わりか第2学期に： 第10章の非定常収支。後のプロセス動特性と制御の科目につながる。
• 早めに一度読む： 第1章。方法がどこへ通じているかの感覚をつかめる。

多くの問題を解くこと。熟達は反復から生まれる。読解の確認には「Test Yourself」の解答を、数値の確認には問題の略解を使い、関心のある分野の問題を探すには応用分野別索引を使うとよい。付録Bにはエネルギー収支の章で必要な蒸気表、熱容量などの物性データがあるので、早いうちにその読み方を身につけておくこと。