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ピリカで化学工学

2020.2.1改訂

非常勤講師:山本博志 講義補助資料

化学工学関連のページ

自分は博士号を日大の栃木先生の所(化学工学)から頂きました(2007.3)。
その際には、蒸気圧、気液平衡を結構まじめに勉強しました。
このページはその時の研究のまとめです。

その後、縁があって横浜国大の非常勤講師として、「化学プロセス・シミュレーション」を2011年から教えてきました。
様々なプロセスやシミュレーションを自分で学びながら教えています。

ここでは、化学工学を利用した、基礎的な事を学んでいきます。

AIを利用した素材開発、プロセス開発などは、情報化学+教育で取り上げます。
特に、大学での授業の内容は、MOOCMassive Open Online Course)(世界中の大勢の人々が参加できるオンラインのオープン授業)で公開しています。

蒸気圧

蒸気圧データのアントワン定数へのフィッティング 

ある化合物の蒸気圧の実験データがあった場合、自分が知りたい任意の温度での蒸気圧はどうやったら求まるでしょうか?
片対数のグラフに実験値をプロットして、グラフから読み取ることを、昔はやりました。

今であれば、
logP(圧力) = f(T:温度)
という関数にフィティングして、任意の温度での圧力を求めます。

ここで紹介するプログラムは蒸気圧のデータからAntoine定数をフィティングします。
今までの方法(マルカート法)と比べ、実験値の異常データに対する耐性が高く、解の安定性が高まります。

また、このプログラムによって算出されたアントワン定数を使うと、原子団寄与法で分子の構造のみからアントワン定数を推算することが可能になります。

原理についてはこちらのページにまとめたので参照してください。
使い方の説明が必要ならこちらのページをお読み下さい。

Cox-Antoine線図についてはこちらを参照してください。

構造のみからAntoine定数を推算したい場合には、こちらを参照してください。

状態図

化合物のPVT線図を計算します。 PVTというのは、Pressure(圧力)、Volume(体積)、Temperature(温度)の事です。
化合物を、低い温度から徐々に温度を高くしていくと、固体から液体、気体へと状態が変化します。
固体、液体では影響が少ないですが、液体から気体に変化する際には、圧力の影響は非常に大きくなります。

化学工学で、圧力容器などを扱う際には大事な情報となります。

PVT線図の作図プログラム (99.1)[2018.11改訂]

気液平衡、活量係数

2種類(他成分)の液体を混合した場合、液体の組成と、気体の組成は多くの場合、同じになりません。
基本的には、似ていない相手を系外に追い出す作用が働きます。
また、追い出される力の分、沸騰する温度も低くなることが多くなります。

そうした、任意の液相組成、気相組成、温度を推算することが重要になります。
それが、気液平衡の推算です。

ポイントは、理想溶液からのズレを活量係数で補正することによって、理想液体と同じように扱うということです。

ASOG法気液平衡推算 HTML5バージョン1999.2(2011.4.19改訂)

ASOGと言うのは、Analytical Solution of Groups の略で、簡単にいえば分子をそれを構成する原子団に分割して、原子団ごとの相互作用のトータルで活量係数を見積もり、2分子系の気液平衡を推算する方法です。
ASOG法の基礎の解説は、こちらのページを参照ください。
プログラムの使い方はこちらの説明をお読みください。

ASOGにiを入れよう。(2019.8.18)

今年(2019年)はASOG(Analytical Solutions of Groups)の50周年の記念の年になります。
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周年の年にもなります。
何か記念事業をとも考えているが、まずは自分の出来ることから。

化学工学と物性推算 (2013.4.5) 

化学工学では多種多様な化学品を取り扱います。
しかしそれらの物性が全て既知かと言ったらそんな事はありません。
そこで物性推算が重要になります。
それは業界の誰もが認めていることでしょう。
だけれど、それではどう動いたらいいのかとなると、色々難しい問題があり、日本特有の意思決定のスピード欠如に陥っているように思えます。
HSPiPチームがどのようにやっているのかを参考までに示しましょう。
ここでの例題は拡張正則溶液理論を用いて、分子構造だけから気液平衡を推算してしまおうというものです。

ハンセンの溶解度パラメータを用いた気液平衡推算 (2013.4.5) 2015.1.6改訂

「化学工学と物性推算」で示したシミュレーション構築例、Y-VLEを実際に使ってみるページです。
分子のお絵かきを2つするだけで、WilsonパラメータとAntoine定数を構造のみから推算し、気液平衡を計算するプログラムです。
通常のプロセスシミュレータやCOSMO-RSなどでは蒸気圧式を入力する必要がありますが、構造のみしか必要としないので便利です。

古いJAVAのプログラム

Wilson Large Rammda (2000.8.13)

実験値の気液平衡のデータから、ウイルソン係数(ラージλ)を計算するJAVAのプログラムです。(JAVAが動作するようにブラウザーを設定してください)

ウイルソンパラメータは2種類のもので混乱しています。このサイトでは次の定義を使います。

Wilson Equation

D GmE /RT=-x1*ln(x1+Large Rammda12*x2)-x2*ln(Large Rammda21*x1+x2)

Large Rammda 12=V2/V1exp(-(rammda12-rammda11)/RT)

Large Rammda 21=V1/V2exp(-(rammda12-rammda22)/RT)

(rammda12-rammda11), (rammda12-rammda22) のことを一般的にはWilson Parameterと呼びます。

Wilson (99.11.6)

ウイルソン係数( Large rammda12, rammda21)を分子の構造式から推算するJAVAのプログラムです。(JAVAが動作するようにブラウザーを設定してください)

Margules Parameter (2000.8.13)

実験値の気液平衡のデータからマーギュラス・パラメータを算出するJAVAのプログラムです。(JAVAが動作するようにブラウザーを設定してください)

VLE, activities coefficient, (2000.8.13)

ウイルソン係数(ラージλ)から気液平衡、活量係数を計算するJAVAのプログラムです。(JAVAが動作するようにブラウザーを設定してください)

自分でできるようにしよう(MOOC)活量係数の記事をアップしました。2012.1.12

液液抽出

ある物質を液液抽出したいという事は化学工学ではよくあると思います。
ところが、”ExcelでXXXX"とかいう化学工学の本を見ても「データに対してタイラインを引いて、うんたらかんたら」と説明があるだけで、どんな抽出溶媒を選んだらいいか?という疑問に答えるものはあまり見かけません。また、例題も、30年前から相変わらず、酢酸ーベンゼン系が使われています。

単純に考えると、2つの溶媒に対する分配係数がわかれば、液液抽出はわかります。
例えばオクタノール/水分配比率(logP, logKow)は世の中に膨大なデータがあり、推算式も多く開発されています。

(pirikaのlogPに関する記事はこちらを参照) してください。

この値がわかればオクタノールを抽出溶媒に使った場合どのくらい抽出できるかはわかります。

それではそれ以外の溶媒を使った場合にはどうなるのでしょうか? 
それを予測する方法としてハンセンの溶解度パラメータ(HSP)を使う方法があります。
(HSPについてはこちらを参照
3次元のSP値が似たものは似たものを溶かすという理論が分配係数とどういう関係にあるか解析した例を紹介します。

自分でやってみよう(DIY)抽出,抽出蒸留の溶媒選定の記事をアップしました。2012.1.12

溶解

溶解に関しては,ハンセンの溶解度パラメータを中心に膨大な例があるので,そちらを参照してください。

吸着、吸収

自分でやってみよう(DIY)に活性炭による吸着の記事をアップしました。2012.1.12

ヘンリー定数

除外塔の設計などでは化合物のヘンリー定数が重要になる。当然水への溶解度なども必要だ。そうしたデータを分子の構造のみから推算するにはpirikaの物性化学のページを参照して欲しい。

自分でできるようにしよう(MOOC)にシックハウス化合物を除外する為のヘンリー定数の利用の記事ををアップしました。2012.1.12

化学工学用物性定数

熱物性推算

化学工学上必要な物性値の推算は物性化学のページを御覧ください。

ハンセンの溶解度パラメータ(HSP)と化学工学 2012.7.27

今年の3月の初め、ある学会から化学工学の領域の読者相手に、化学工学の中でのデータ処理、統計解析の必要性について、記事を書いてくれないか依頼を受けました。
すぐに了承しましたが、学会から正式に依頼があるとされた4月の終わりになっても、なんの音沙汰もありません。6月になっても何もないのでこちらから問い合わせた所、遅れているといいます。
もう8月になるのに何の音沙汰もありません。
他にも執筆者の候補が色々おられるらしいので、今回は漏れたのでしょう。
途中まで書いたものはもったいないのでPirikaで公開します。

データベースの構築を例に,

情報学の4大要素を解説します

超臨界2酸化炭素の密度の推算 (2004.5.10)(2018.11改訂)

超臨界炭酸ガスの密度のデータをニューラルネットワークで学習させ、密度を推算するJavaScriptのプログラムです。

超臨界二酸化炭素の溶解度パラメータ

ScCO2がどんなものを溶かし、どんなものを溶かさないか? 
Try&Errorでやるのも良いですが、ハンセンの溶解度パラメータ(HSP)と関連付けて整理しておくと、実験条件の最適化には非常に役に立ちます。
(HSPについてはこちらを参照)してください。 同じScCO2でも温度、圧力によってHSPが変わってきます。
溶かしたい溶質のHSPと似た領域が温度-圧力のどこらへんにあるかを見てから実験をスタートすれば良いのです。

超臨界炭酸ガスへの溶解現象(2013.8.1)

ある温度、圧力で、ある有機物がどれだけ超臨界炭酸ガスへ溶解するのでしょうか? 
一体どのような分子特性が溶解性を決めているのでしょうか? 
化学工学的に考えてみました。

古いJAVAのプログラム

超臨界2酸化炭素の熱伝導度の推算 (2004.4.28)

超臨界炭酸ガスの熱伝導度のデータをニューラルネットワークで学習させ、熱伝導度を推算するJAVAのプログラムです。(JAVAが動作するようにブラウザーを設定してください)

攪拌

フルゾーンの攪拌翼のレイノルズーNp線図をニューラルネットワークに学習させて、攪拌動力を予測するJavaScriptのプログラムです。

攪拌動力の計算 (2004.5.10)(2018.11改訂)

反応工学

最も簡単な逐次反応は, A→B,  r1=k1Ca B→C,  r2=k2Cb と書くことができます。
これをオイラー法で解く例題だ。JAVAScript とCanvasを使った初めてのプログラムです。

逐次回分反応の濃度変化。(2008.Feb.)

無次元数

化学工学では、フラスコレベルから工場での実機生産まで、スケールが非常に幅広く変わります。
そこで、スケールに依存しない値で現象を整理するということをよく行います。
最近のナノテクノロジー、インクジェット技術を含むマイクロリアクターなどでは、逆にもっと小さいスケールへ展開を図るため、無次元数の高度利用はますます重要になってきています。

無次元数の推算 (2013.4.17)

Pirikaでは、2005年頃まではJAVAのプログラムを使ったプログラムを開発してきました。
最近はiOSやAndroidでも動くようにHTML5+CSS+JavaScriptでプログラムを書くことが多くなってきました。
JAVAのプログラムはサポート外にしました。

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