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ピリカで化学工学

2019.8.18

非常勤講師:山本博志 講義補助資料

AiSOGによる気液平衡推算。

今年(2019年)はASOG(Analytical Solutions of Groups)の50周年の記念の年になる。(E. L. Derr and C. H. Deal, Ind. Chem. Eng. Symp. Ser. Lond., 3(32), 40 (1969))

また、小島先生と栃木先生が「ASOGによる気液平衡推算法」という著書を講談社サイエンテイフイクから出版されてから40周年の年になる。

何か記念事業(講演会?)をとも考えているが、まずは自分のできることから考えてみた。

自分は、博士号を栃木先生のところで修得しているので、ASOG法とは少なからず縁があった。

そこでPirikaのページでも、

ASOG (Analytical Solutions of Groups)法による活量係数推算 2011.4.15

ASOG法による気液平衡推算(HTML5版) 2011.4.11

など色々紹介をして来た。
実はPirikaは今年(2019年)20周年記念になる。
その最初の最初から、JAVA版のASOG法を公開して来たことになる。

気液平衡の推算という意味では、ハンセンの溶解度パラメータ(HSP)を使って新しいWilson定数推算式を作ったりもして来た。

そうこうしているうちに、栃木先生も来年、大学を完全に引退されるとお聞きし、しかも、現状ASOGの最新パラメータで動作するASOGのソフトは存在しないともお聞きした。

ましてや、ASOGのパラメータを決定する過程は非常に難しく、新たに系統的にパラメータ決定は誰にもできない状況になってしまっていた。
(まー、先生の著書に記載されているASOGのプログラムはFortranやN88-Basicなので更新は難しいだろうが)

まず最初に行ったのは、ASOG法で気液平衡を計算するプログラムをHTML5+JavaScriptで書き直してブラウザー上で動作させることだ。
これは2011年に作ったものを流用して作り上げた。

溶媒ペアを入力して、Search Pairボタンを押すとASOGを計算するのに必要なパラメータを内臓データベース(DB)から検索してくる。

また実験値などがあればそれも検索してくる。

そして、Calc. AiSOGボタンを押すと気液平衡を計算する。

計算結果はReportに出力される。

また、Chartタブを選択すると、計算結果が表示される。
実験値がある場合には緑色の丸で表示される。

データベースには800以上の溶媒が登録されているので、800*799種類の2成分系の気液平衡が計算できることになる。

このAiSOGのプログラムと復刻版の「ASOGと気液平衡推算法」の書籍を合わせて、e-Bookにしようと計画している
(iPad用なら簡単なのだのが、Androidは?)(そんなもの欲しがる人がいるかは疑問という声はよく聞く。環境関連や医薬関係に絡めれば欲しい人は一杯いるとも聞く。コメントを送っていただければと思います。)

AiSOG: Artificial Intelligence for Solution of Groups

ここまでは、実はiは入っていない。iを入れなくてはならないのは、ASOGのパラメータを決定する過程だ。
ASOGでは溶液を構成するすべてのグループ(原子団)の局所活量係数を計算する必要がある。

この局所活量係数を計算するには、例えば、CCl3とC=Oのグループ・ペアに対して、4つのパラメータを決める必要がある。
このパラメータを決めるためには精度の高い気液平衡の実測値が必要で、古くはシンプレックス法、新しくはマルカート法で決定されて来た。

しかも、新しいペア用の4つのパラメータを決めるためには、他のグループ対のパラメータは先に求まっている必要がある。

そこで、パラメータ決定は遅々として進まなかった。

1979年の著書では、31グループ種(31:30=930種)に対して283種決定(30%)されていた。

Classical Thermodynamics of Fluid System(2016) では、520種(56%)決定されている。
1年で10種類も増えないスピードでしか決定されない。

そこで、ASOGのパラメータ決定にAIの方法を導入することを考える。

簡単に言ってしまえば、将棋や囲碁を強くするのと同じ、自己対戦法を取る。
(この自己対戦法を取るには、ある程度高い能力まで持っていく必要がある。)

実験値に対して誤差の大きなグループ対を特定する。
自己対戦により、より良いグループ対を選ぶ。
(ところが、あるパラメータを変更すると、そのパラメータを使っている溶媒ペア全体が影響を受けてしまうこともある。人間がやろうとすると気が狂う。)

それを延々と繰り返す。

新しいグループ対のパラメータを決めるためには、本来は精度の非常に高い気液平衡の実測値が必要になる。
そうしたデータはなかなか出てこない。

そこで、実測値、書籍等に記載のWilsonパラメータ、共沸のデータまで含めたデータセットを準備する。
特に共沸のデータは気液平衡の実測値に比べ10倍以上のデータが存在する。
しかし、気液平衡という意味では必ずしも精度の高いデータとは言えない。

そして、実測値とWilsonパラメータ、共沸データをある比率で評価しグループ対パラメータを決めていく。
(例えば、共沸データは1/10の重みでしか評価しない)

ΔY (X-Y線図のY誤差のトータル

こうして、AIに助けてもらい、31グループ種(31:30=930種)に対して720種決定(77%)したパラメータがAiSOG2019に搭載されている。

このAiSOG2019を用いて、234組のアルコール系共沸点の推算を行ってみた。
アルコール:25種類、パラフィン系炭化水素、芳香族炭化水素、シクロパラフィン系炭化水素、2重結合、3重結合含む:58種類

誤差の大きな系を特定してみると、を含むものが悪い。

ASOGのグループ定義では、CyCH:2個、C=C:4個となっているが、CyC=C(環に含まれる2重結合)を定義する必要が示唆される。
もしこの官能基を定義すると、自己対戦の際には、パラメータの精度が悪いのでCyC=Cが含まれるグループ対のみがなんども選ばれてどんどん修正されていくことになる。
(現在のバージョンではCyC=Cはまだ入っていない)

2019.8.18現在、グループ種は55種類に拡張され、決定率は1539種(51.8%)となっている。

グループ対決定用の機能や様々なレポート機能を搭載したプロ版は別途開発が進んでいる。
そちらは、ユーザーがユーザー独自の実験データを増やすとそれらのデータを再現できるように進化していく機能を搭載する。
(まだ完全ではなく、一部のユーザーにテスト的に使ってもらいフィードバックを受けている状態)

結局、AIにやらせる。と言っても、AIやり方を教えるのは人間であって、自分がわかっている以上には中々教えられない。
でもより強くなるように自己対戦レベルになると、ずいぶん楽になる。(ただ、この暑い時期はお休みさせているが。)

890種類の溶媒、6132実験データで最新のMac Mini (3.2GHz, 6コア、第8世代Core i7、16Gメモリー)で1539種決定できてしまうので、すごい時代になったと思う。

大学とかで気液平衡を測定したら、AiSOGでパラメータ化まで行い、類縁化合物は皆計算で出せるようにすれば、社会のニーズに答える事ができるのではないかと思う。
精度の高い実験結果しか使わず(共沸データは除いて)使える範囲は狭いけど、精度の高い計算をアピールする。
企業からの委託研究で気液平衡を測定したら、AiSOG化まで行なってフィードバックするとか。

会社とかでは、自社が使う化合物ばかり教え込んで、他の化合物はともかく自分のよく使うものに関して強いとか。
片っ端から共沸を推算して特許を書いてしまうとか。

AiSOGの大事なポイントは、使う人に合わせて進化、成長していく機構をASOGに持たせる。あたりだろうか。

こうした形で、ASOGが再びメジャーになる事を願って。

AiSOGを使った解析例などを順次公開していきます。
AiSOG2019はHTML5版なのでHPに置けばすぐ動くのだけれど、もう少し整備してから置こうと思います。
(全く反応がなければ置かないかもしれませんし)

ASOGの書籍を電子書籍にして、AiSOGの計算ルーチンを電子書籍に載せてしまおうと格闘してきた。やり方を忘れる前にPirikaに載せておこう


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