化学プラント

化学プラントは、原料化学品を製品へと転換するため、工業規模で精緻化されたケミカルプロセスを用いる。同一のケミカルプロセスが複数の化学プラントで用いられ、規模のみが異なる場合や、同一敷地の化学プラントが複数のケミカルプロセスを利用して複数の製品を生産することもある。

化学プラントには、ユニットまたはラインと呼ばれる比較的大型の容器や区画があり、それらは配管やその他の搬送設備で相互に接続され、物質流（ストリーム）を輸送する。この物質流には、配管内を移動する流体（気体または液体）のほか、固体、あるいはスラリーのような混合物が含まれ得る。

全体としてのケミカルプロセスは、各ユニットで行われる単位操作と呼ばれるステップから構成されるのが通例である。製品に転換するためにケミカルプロセスまたはプラントに投入される原料は、一般にフィードストック（フィード）と呼ばれる。プラント全体に対するフィードストックとは別に、特定のユニットに投入される処理対象の物質流も、そのユニットにとってのフィードと見なされる。プラント全体からの出力は最終製品であり、個々のユニットからの出力は当該ユニットにおける中間製品である。

あるプラントの最終製品が、別のプラントにおいてフィードストックとして用いられる中間化学品である場合もある。たとえば、石油精製所の一部製品は石油化学プラントのフィードストックとして用いられ、さらにそれが製薬プラントのフィードストックを生産するために用いられることがある。

フィードストック、製品、あるいはその双方は、単一化合物である場合もあれば、混合物である場合もある。これらの混合物の成分を完全に分離することは、費用対効果の観点から得策でないことが多い。要求される純度は製品の要件とプロセスの経済性に依存する。

特定の単位操作はそれぞれ対応する種類のユニットで実施される。常温・常圧で運転されるユニットもあるが、多くは高温または低温、高圧または減圧（参考：減圧蒸留装置）で運転される。化学プラントの容器は、両端が丸い円筒形（鏡板付き）であることが多く、高圧や真空に適した形状である。

化学反応器では、特定の化合物を別の化合物へと変換する化学反応が行われる。化学反応器には、流体が通過する間も固体不均一系触媒が器内に留まる充填層（英語版）型のもの、あるいは単純な撹拌槽型のものがある。固体不均一系触媒の表面は、コークス等の堆積により触媒毒の影響を受けることがあり、触媒の再生が必要となる場合がある。良好な混合を確保するため、流動層が用いられる場合もある。混合（溶解を含む）、分離、加熱、冷却、またはそれらの組合せを行うユニット（またはサブユニット）も存在する。例えば、化学反応器にはしばしば撹拌装置が備えられ、温度維持のための加熱または冷却が行われる。大規模プラント設計では、化学反応により発生または吸収される熱の考慮が必須である。発酵や酵素生産などの生化学的プロセスのために、微生物培養ユニットを備えるプラントもある。

分離操作には、ろ過、沈殿、抽出または浸出、蒸留、再結晶または析出（後段のろ過または沈降を伴う）、逆浸透、乾燥、吸着などがある。沸騰や凝縮を含む加熱・冷却には熱交換器がしばしば用いられ、蒸留塔など他のユニットと組み合わせて使用されることが多い。原料、中間製品、最終製品、廃棄物を貯蔵するための貯槽も設けられる。貯槽には、充填量を示すレベル計が備わっているのが一般的である。大型ユニットおよび関連機器を支える支持構造物が設けられる場合もある。サンプリング、点検のためにユニット各所へアクセスできるよう、階段、はしご、足場などが設けられていることが多い。多数の貯槽が集積する区域は、特に油槽所において、タンクファーム・タンクヤードと呼ばれることがある。

液体および気体を輸送する流体システムには、各種径の配管・チュービング、流量の制御や遮断に用いる各種バルブ、液体を移送または加圧するポンプ、気体を加圧または移送する圧縮機などが含まれる。高温または極低温で運転される容器、配管、チューブ、その他の機器には、作業者の安全確保および内部温度の維持のため、断熱材が施されるのが一般的である。流体システムや各ユニットには、工場内の適所に温度・圧力センサや流量計などの測定装置が設置されているのが通例である。化学的・物性的特性を解析するオンライン分析計の導入も一般化している。溶媒は、反応物や固体などの材料を抽出・浸出のために溶解する、特定の化学反応のために適切な媒体を提供する、あるいはそれらを流体として取り扱えるようにする、といった目的で用いられることがある。

今日では、化学プラントの設計の根幹は化学工学者によって担われている。歴史的には必ずしもそうではなく、化学工学という学問分野が確立する以前には、多くの化学プラントが無計画に建設された。化学工学が専門職として最初に確立したのは英国であり、マンチェスター大学においてジョージ・E・デイヴィス（英語版）が1887年に、産業化学の実務各分野を扱う12回の講義として初の化学工学課程を提供したことに始まる^[6]。このため、ジョージ・E・デイヴィスは世界初の化学工学者と見なされる。今日、化学工学は専門職であり、経験を有する専門の化学工学者は、英国化学工学会（英語版）を通じてチャータードエンジニア（英語版）（CEng）の資格を得ることができる。

プラント設計において、新規設計アイデアのうち商業化に至るものは通常1%未満である。設計の探索過程では、一般に、費用対効果の検討が初期スクリーニングとして用いられ、採算性の低い設計が除外される。採算性が見込まれる場合には、安全性、環境制約、可制御性など、他の要因が検討される^[2]。プラント設計の一般的目標は、所与の制約条件の近傍において最適設計を構築することにある^[7]。

多くの場合、化学者は研究室で化学反応またはその他の化学原理を、一般に小規模のバッチ型実験で研究する。得られた化学情報は、化学工学者の専門知と併せて、ケミカルプロセスへと転換され、バッチサイズや処理能力がスケールアップされる。しばしば、設計および運転情報を得るためにパイロットプラントと呼ばれる小規模化学プラントが建設され、そのデータと運転経験に基づいて、より大きな能力を持つプラントが設計される。プラント設計の基本面が定まった後は、機械的詳細については機械系の、電気的詳細については電気系の技術者が、それぞれ関与する。ユニット、配管、その他機器の重量を支持できるよう、構造技術者が設計に関与することもある。

化学プラントまたはケミカルプロセスのユニット、ストリーム、流体システムは、きわめて簡略化されたブロック図（BFD）や、より詳細なプロセスフロー図（英語版）（PFD）で表現され得る。ストリームやその他の配管は、物質の通常の流れ方向を示す矢印付きの線で表される。ブロック図ではユニットは単にブロックとして示されることが多い。プロセスフロー図では、ポンプ、圧縮機、主要バルブなどをより詳細な記号で示す。各ストリームの物質流量の想定値または範囲は、所望のプラント能力に基づき物質収支計算によって決定される。また、各点の反応熱、熱容量、想定温度・圧力に基づいてエネルギー収支が行われ、各所で必要となる加熱・冷却量の算定や熱交換器の容量設計がなされる。配管計装図（英語版）（P&ID）は、全配管、チューブ、バルブ、計装を特有の記号で示し、化学プラント設計をより完全に表す。プラント全体を1枚のP&IDに示すのは複雑であるため、通常は個々のユニットまたは特定の流体システムごとにP&IDが作成される。

プラント設計においては、各ユニットは処理し得る最大能力に合わせてサイジングされる。同様に、配管、ポンプ、圧縮機、関連機器のサイズは、それらが処理すべき流量能力に応じて選定される。電力や用水などのユーティリティ系統も、プラント設計に含められるべきである。プラントやユニットの起動・停止といった非定常または代替運転手順のために、追加配管が必要となる場合がある。流体システムの設計では、漏えい等の問題発生時に区画を隔離できるよう、各ユニットまたはプラントの一部を囲むアイソレーションバルブが一般に配置される。

空気圧または油圧で作動するバルブを用いる場合、アクチュエータへの加圧供給ライン系が必要である。プロセスサンプルを採取する可能性のある地点には、詳細設計の段階でサンプリングライン、バルブ、アクセス経路を含めておくべきである。必要に応じ、サンプリング流の高圧・高温を低減するため、減圧弁やサンプルクーラ（試料冷却器）などの設備を設ける。

プラント内のユニットおよび流体システム（全ての容器、配管、チューブ、バルブ、ポンプ、圧縮機、その他の機器）は、安全率を含め、遭遇し得る全範囲の圧力、温度、その他条件に耐えうる定格または設計でなければならない。これらすべてのユニットと機器について、接触する化学物質への長期曝露に耐えうる化学的適合性（英語版）の確認も必要である。加熱、発熱反応、特定のポンプや圧縮機など、機器の定格を超える加圧が生じ得る手段を備えたプラント内の任意の密閉系には、過圧防止のため、適切にサイジングされた安全弁を設けるべきである。これらのパラメータ（温度、圧力、流量等）は、重大な危険の既知リスクがないことを確認するため、HAZOP（危険と運転解析）やフォールトツリー解析（FTA）等により総合的に精査されるのが通例である。

課せられた制約条件の範囲内で、経済性を確保しつつ人員と周辺地域の安全・福祉を担保するよう、設計パラメータが最適化される。柔軟性のため、フィードストックや経済条件の変化に応じて再最適化が望ましい場合に備え、ある最適設計パラメータの周囲の範囲で運転できるよう設計されることもある。近年では、コンピュータシミュレーションその他の計算手法が、化学プラントの設計や最適化の支援に用いられている。

とりわけ汎用化学品や石油化学品の製造に用いられる化学プラントは、インフラ需要のため、世界の比較的少数の製造拠点に集積している。これは、特殊化学品またはファインケミカルのバッチプラントと異なる。すべての汎用・石油化学品が同一地点で生産されるわけではないが、産業共生を促し、物質・エネルギー・ユーティリティの効率化や規模の経済を得るため、関連する材料群が同じ場所に集まることが多い。こうした製造拠点には、ユーティリティや大規模インフラ（発電所、港湾施設、道路・鉄道ターミナル）を共有する化学プラント群からなる産業集積（英語版）地が形成される。英国では、汎用化学品製造の主要拠点が4か所あり、イングランド北西部のマージー川流域、ヨークシャー東岸のハンバー川流域、スコットランドのフォース湾近郊のグランジマウス（英語版）、イングランド北東部プロセス工業地域（英語版）（NEPIC）の一部であるティーサイド（英語版）が挙げられる^[8]。

英国の石油化学品（汎用化学品でもある）の約50%は、ティーズ川河口の地域にあるウィルトン（英語版）^[9]、ビリンガム（英語版）、シールサンズ（英語版）3つの大規模化学工業地域（ティーサイド）で生産されている。

化学プロセスプラントにおける腐食は重大な課題であり、毎年数十億ドル規模のコストを要している。酸性粉塵の存在やその他の電解作用により、金属の腐食は化学プロセスプラントで顕著である。近年では、構造材料として繊維強化プラスチック（FRP）が用いられている。英国規格BS4994（英語版）は、容器やタンク等の設計・製作に広く用いられている。

• 化学品の商業的分類