بخشی از مقاله
چگونگی و روش فرایند طراحی و کاربرد آن برای طراحی فرایندهای تولید شیمیایی
1.1 مقدمه
این فصل مقدمه ای است برای چگونگی و روش فرایند طراحی و کاربرد آن برای طراحی فرایندهای تولید شیمیایی.
1.2 چگونگی طراحی Nature of design
در این بخش مبحثی کلی از فرایند طرلحی ارائه میشود.موضوع این کتاب طراحی مهندسی شیمی است،اما روش توصیف شده در این بخش میتواند برای سایر شاخه های مهندسی کاربرد بیابد.
مهندسی شیمی،بطور مستمر یکی از حرفه های مهندسی بسیار مورد توجه بوده است در قسمت های مختلف صنعت،همچون صنایع......فرآوری همچون:مواد شیمیایی،پلیمرها،سوختها،مواد غذایی،داروسازی،کاغذ سازی و نیز بخش های دیگری همچون مواد و لوازم الکترونیکی،محصولات مصرفی،استخراج معادن و فلزات،القاو بیو درمانی و تولید برق همیشه مهتدسان شیمی مورد نیاز بوده است.
دلیل اینکه شرکتهای موجود در چنین دامنه ی گسترده ای از صنعت،اینچنین نیازمند به مهندسین شیمی هستند،چنین است:
مهندسین شیمی با پرداختن به مسائلی که دقیقاً تفهیم نشده اند،همچون نیاز مصرف کننده یا مجموعه ای از نتایج آزمایشی،قادر به دستیابی به ادراکی از علوم فیزیکی زیربنایی مهم مربوط به مسئله و استفاده از این ادراک برای طراحی برنامه عمل و مجموعه ای کامل از شرایط میشوند که در صورت اجراء منتهی به نتایج مالی پیش بینی شده ای میشوند.
طراحی و خلق برنامه ها و شرایط و پیش بینی نتایج مالی،در ضورت اجرای برنامه،فعالییت و عمل طراحی مهندسی شیمی میباشد.
طراحی،یک فعالییت خلاق است و میتوان از یکی از فعالییتهای باشد که بیشترین پاداش و رضایت را برای مهندس به دنبال می آورد.
این طراحی در آغاز پروژه وجود ندارد.طراح با در نظر گرفتن هدف یا یک نیاز ویژه خریدار شروع به کار میکند و با طراحی و ارزیابی طرحهای احتمالی به بهترین شیوه دستیابب به آن هدف دست میابد-چه این هدف،صندلی ای بهتر،پلی جدید یا یک محصول جدید شیمیایی یا یک فرایند جدید تولید باشد.
به هنگام در نظر گرفتن راههای احتمالی دستیابی به هدف،طراح به توسط عوامل مختلفی محدود میشود.
که این امر تعداد طرحهای احتمالی را کاهش میدهد.
به ندرت فقط یک راه حل ممکن برای یک مسئله وجود دارد،معمولاً راههای متعدد و متفاوتی برای دستیابی به هدف وجود دارد،حتی گاهی چند طرخ خوب،بسته به چگونگی محدودیتها وجود دارند.
این محدودیت ها در زمینه راه حلهای احتمالی یک مسئله در طراحی با شیوه های مختلفی ظاهر میشوند.
برخی از محدودیتها ثابت و نامتغیر میباشد،همچون موارد حاصل از قوانین فیزیکی،قوانین و استانداردهای دولتی.
موارد دیگر کمتر انعطاف ناپذیر هستند و به عنوان بخشی از استراتژی کلی برای دستیابی به هبهترین محدودیتهای طراحی که توسط مهندس تعدیل میشود.
این موارد حاشیه و مرز خارجی طرحهای احتمالی نشان داده شده در شکل 1.1 را تشکیل میدهد.
در میان این مرزها تعدادی از طرحهای محتمل محدود شده به توسط سایر محدودیتها،محدودیتهای درونی که طراح کنترل اندکی بر آنها دارد،همچون انتخاب فرایند،انتخاب شرایط،مواد و لوازم فرایند وجود دارند.
شرایط اقتصادی،آشکارا محدودیتی عمده در هر طرح مهندسی هستند:کارخانه ها باید سودآور باشند.
هزینه های مربوط به فرایند و بعلاوه ی مقرون به صرفه بودن آن در فصل 6 بررسی شده اند.
زمان هم یک عامل محدود کننده است.زمان موجود برای تکمیل یک طرح اغلب تعداد طرحهایی را که میتواند مورد توجه قرار بگیرد محدود میکند.
مراحل موجود در ابداع یک طرح،از تشخیص اوله هدف تا طرح نهایی در قالب نمودار در شکل 1.2 نشادن داده شده اند.
هر مرحله در بخشهای زیر بررسی میشود.
شکل 1.2 طرح را به عنوان فرایندی تکراری نشان میدهد،با ایجاد طرح،طراح از احتمالات و محدودیتهای بیشتری آگاه میشود و دائماً در پی اطلاعات و ایده هایی جدید است و به ارزیابی راه حلهای احتمالی طرح میپردازد
1.2.1 هدف طراحی و نیاز
کل طرح با یک نیاز ادراک شده آغاز میشود.
در طراحیه یک فرایند شیمیایی،نیاز عمومی برای محصول خلق یک فرصت تجاری،پیش بینی شده از طریق فروش و سازمان فروشنده است.
در میان این هدف کلی طراح اهداف فرعی نیاز به واحدهای مختلفی که فرایند کلی را شامبل میشوند را مشخص میکند.
طراح پیش از آغاز به کار باید تا حد امکان به بیان کامل و واضح از شرایط دست یابد.اگر شرایط و الزامات(نیاز)از خارج از گروه طراح باید از طریق بحث و بررسی و الزامات واقعی را تعدیل نماید.
تمایز میان نیازهای که کاملاً الزامی هستند و انهایی که تا حدود الزامی میبشاند،بخشهایی از الزامات اولیه ای هستند که ممکن است دلخواه و مطلوب دانسته شود،اما در صورت نیاز با انجام یک طراحی میتوان آنها را تعدیل نمود.
به عنوان مثال خصوصیات و الزامات ویژه یک محصول را میتوان از طریق بخش و حوزه فروش دلخواه دانست اما ممکن است دستیابب بدان دشوار و پرهزینه باشد،و تعدیل این ویؤگی برای تولید یک محصول ارزانتر و قابل فروش،ممکن است امکان پذیر باشد.
در صورت امکان،طراح همیشه باید در مورد شرایط مربوط به طراحی(خصوصیات پروژه و لوازم)تجسس کنند و با پیشرفت طرح به بررسی مجدد بپردازد.
رابطه کاری تر و یک میان مهندس طراح با بخش فروس یا با خریدار،برای دستیابی به ....آشکار از نیازهای خریداران از اهمیت زیادی برخوردار است.
مهندس طراح هنگام نوشتن خصوصیات و الزامات برای سایرین،همچون طراح مکانیکی و یا خرید قطعه ای از لوازم باید از محدودیتهای مربوط به طراحان دیگر آگاه کرد.خصوصیات جامع و کامل مربوط به قطعه ای از لوازم محدودیتهای خارجی را که سایر طراحان در حوزه آنها کار کند مشخص میکند.
1.2.2 تعیین پایه و اساس طراحی
مهمترین مرحله در آغاز یک طراحی فرایند،تبدیل نیاز خریدار و مصرف کننده به پایه و اساس برای طراحی میباشد.
پایه و اساس طراحی،بیاندقیقتر مسئله ای است که قرار است حل شود و معمولاً شامل خصوصیات خلوص و میزان محصول اصلی همراه با اطلاعات مربوط به محدودیتهای تاثیر گزار بر طرح همچون موارد زیر میشود:
1.سیستم واحدهای مورد استفاده.
2.رمزهای طراحی ملی،محلی شرکت که باید مورد پیروی قرار بگیرند.
3.جزئیات مواد خام موجود.
4.اطلاعات در زمینه محلهایی که کارخانه را میتوان در آنجها بنا نمود،شامل اطلاعات مربوط به آب و هوا،شرایط مربوط به زلزله،امکان زیر ساختار،طراحی محل با ذکر جزئیات در فصل 14 بررسی میشود.
5.اطلاعات در زمینه شرایط امکان و قیمت وهزینه خدمات رفاهی همچون سوخت و گاز،بخار،آب خنک کننده،هوای فرایند،ۀب فرایند و برق مورد نیاز برای راه اندازی فرایند.
پایه و اساس طراحی باید پیش از آغاز به کار به وضوح مشخص و معیین شود.
اگر طراحی برای یک مشتری انجام شود،پایه و اساس طرح باید با وی در آغاز پروژه بررسی شود.
بیشتر شرکتها فرمها یا پرسشنامه هایی استاندارد برای دستیابب به اطلاعات اساسی طراحی استفاده میکنند.
یک جزوه نمونه در پیوست G داده شده و میتوان آن را در فرمت ms excel از اطلاعات درون خطی خطی online دریافت نمود.
خلق و ایجاد مفاهیم احتمالی طراحی
بخش خلاق فرایند طراحی خلق و تولید راه حلهای احتمالی برای مسائل به منظور تجزیه و تحلیل،ارزیابی و انتخاب میباشد.
در این فعالیت بیشتر طراحان عمدتاً متکی بر تجربه پیشین تجربه شخصی آنها و تجربه سایرین هستند.
در این که طراحی کاملاً جدید باشد،هیچ اطمینانی نیست.
موارد مقدماتی بیشتر طرحها را میتوان به آنی ردیابی نمود.اولین اتومبیل های موتوری در واقع کالسکه های بدون اسب بودند و پیشرفت و توسعه طراحی اتومبیل مدرن را میتوان مرحله به مرحله از این نمونه های اولیه ردیابی نمود.
در صنایع شیمیایی،فرایند های مدرن تقطیر از توسعه فولادهای قدیمی مورد استفاده برای تصفیه مشروبات الکلی و ستونهای دسته ای مورد استفاده برای جذب گاز از مومهای دسته ای سر شاخه ای((Brush wood اولیه ساخته شدند.
بنابراین اغلب یک طراح با امر تولید طرحی برای یک فرایند یا قطعه ای از لوازم کاملاً جدید روبرو میشود.
مهندسین با تجربه اغلب روشهای با تست و آزموده شده را بجای طرحهای جالبتر اما جدید و نا آزموده ترجیح میدهند.
کار مورد نیاز برای طراحی یک فرایند جدید و هزینه های مربوطه اغلب کمتر از میزان واقعی براورد میشود.
تجاری سازی تکنولوژی جدید دشوار و پرهزینه است و شرکتهای کمی مایل به سرمایه گزاری چندین میلیون دلاری در تکنولوژی هستند که کاملا تایید نشده اند(این امر معروف است به سندرم Me third).
با این حال مطمئناً پیشرفت در مراحل کوچک انجام میپذیرد.
هنگامی که خواستار نواوری میشویم،تجربه قبلی از طریق تعصب میتواند مانع از تولید و پذیرش ایده جدید بشود(معروف است به سندرم Not invented here).
میزان کار و شیوه کار و شیوه انجام آن بستگی به درجه نوآوری در پروژه یک فرایند دارد.
ابداء فرایند های جدید به شکل اجتناب ناپذیری نیازمند فعل و انفعال بیشتر با محققین و مجموعه اطلاعات لابراتورهای و طرحهای آزمایشی است.
پروژه های مهندسی شیمی را میتوان بسته به نوآوری موجود در آنها به 3 نوع تقسیم نمود:
A.انجام اصلاحات و افزودن مواردی به کارخانه ی موجود،که اغلب توسط گروه طراح کارخانه انجام میشود.
B.ظرفیت جدید تولید برای رفع نیازهای مربوط به روش و فروش فرایندهای تثبیت شده توسط کنتاکتورها.
تکرار طرحهای موجود،فقط با تغییراتی جزئی در طراحی شامل طراحی فرایندهای خرده فروشی و یا رقابتی میشود که برای دانستن هزینه بهتر تولید اجرا میشوند.
C.فرایندهای جدید،طراحی شده از طریق تحقیق آزمایشگاهیی از طریق کارخانه های آزمایشی برای یک فرایند شیمیایی.حتی در اینجا،بیشتر فعالییت واحد و لوازم،فرایند طرحها را تثبیت میکنند.
اکثر طراحی های فرایند،بر اساس طرحهایی هستند که از قبل موجود بوده اند.مهندس طراح بسیار به ندرت یک ورقه سفید را برای انجام یک طراحی جدید از نوار مغناطیسی(Scratch) در مقابل خود قرارمیدهد،فعالیتی که گاهی"ترکیب فرایند" نامیده میشود.
حتی در صنایعی همچون صنایع داروسازی که تحقیق و تولید محصول جدید از اهمیت بسیاری برخوردار میباشد،انواع فرایندهای استفاده شده،اغلب بر اساس طرحهای قبلی برلی محصولات مشابه میباشد و از لوازم شناخته شده و فرایند انعطاف پذیر برای کسب تایید قانونی برای کارخانه ی جدید استفاده میکنند.
مرحله اول در ابداع یک طرح فرایند جدید،طراحی یک نمودار غالب ناصاف(Rough block) است که نشان دهنده ی مراحل اصلی در فرایند و به منظور فهرست نمودن عملکرد اصلی و هدف او محدودیتهای عمده برای هر مرحله میباشد.
پس تجربه نشان میدهد کدام نوع از فرایندها و لوازم واحد باید در نظر گرفته شود.
مراحل مربوط به تعیین ترتیب فرایندهای واحد که شامل یک نمودار فرایند میشوند در فصل 4 توصیف شده اند.
خلق ایده ایی برای براه حلهای احتمالی بری یک مسئله طراحی را نمیتوان از مرحله انتخاب فرایند طراحی جدا نمود،برخی از ایده ها به محض خلق شدن به دلیل یر عملی بودن مورد امتناء قرار میگیرند.
1.2.4 تست قابلیت سازگاری (Fitness)
هنگامی که چندین طرح پیشنهاد میشوند باید به لحاظ مناسبت مقصود و هدف تست شوند.
به عبارت دیگر مهندس طراح باید این را مشخص کند که ایده هر طرح چه هماهنگی ای با نیاز مشخص شده دارد.
در حوزه مهندسی شیمی،پیریزی طرحهای مختلف برای دانستن اینکه کدامیک بهتر جواب میدهند،به طور بازدارنده ای پر هزینه است(عملی که معرف است به تهیه نمونه ای اولیه و در سایر رشته ای مهندسی متداول میباشد).
بجای آن،مهندس طراح یک طراح یک الگو ریاضیاتی از فرایند را،اغلب به شکل شبیه سازیهای کامپیوتری از فرایند،راکتورها و سابر لوزام کلیدی تهیه میکند.
در برخی از موارد ممکن است الگوی عملکرد شامل یک کارخانه ی آزمایشی یا سایر تاسیسات برای پیش بینی عملکرد کارخانه و جمع آوری اطلاعات ضروری طراحی باشد.
در سایر موارد اطلاعات طراحی را میتوان از یک مورد از تاسیسات در مقیاس وسیع موجود جمع آوری نمود یا از طریق متون مهندسی شیمی بدست آورد.
مهندس شیمی باید تمامیه اطلاعات لازم برای الگو سازی فرایند را برای پیش بینی عملکرد آن در برابر اهداف مشخص شده جمع آوری نماید.
برای طراحی فرایند این مورد شامل اطلاعات در زمینه فرایندهای احتمالی،کار لوازم و اطلاعات مربوط به مایملک فیزیکی میشود.
منابع اطلاعات فرایند و ویژگیهای فیزیکی در فصل 8 بررسی میشود.
بسیاری از سازمانهای طراحی،یک راهنمای اطلاعات را شامل تمامیه چگونگیهای مربوط به فرایند که طراحی بر پایه آن است ،تهیه میکنند.
بیشتر سازمانها دارای راهنماهای طراحی شامل روشها و اطلاعات ترجیح داده شده برای فرایند های طراحی متداول تر میباشند.
استانداردهای ملی هم منابع روشها و اطلاعات طراحی هستند.
آنها اغلب محدودیتهای طراحی نیز هستند،چرا که کارخانه ای جدید باید مطابق با استانداردهای ملی طراحی شوند.
اگر اطلاعات و روشهای ضروری طراحی وجود نداشته باشند نیاز به کار تحقیقاتی و پیشرفت و توسعه آن برای جمع آوری اطلاعات و تهیه الگوهای جدید خواهد بود.
هنگامی که اطلاعات جمع آوری شد و یک الگوی کاری از فرایند تثبیت شد،مهندس طراح میتواند شروع به تعیین اندازه ی لوازم و هزینه ها کند.
در این مرحله،مشخص میشود کمه برخی از طرحهای غیر اقتصادی هستند و بدون نیاز به تجزیه و تحلیل بیشتر میتوان آنها را حذف نمود.
اطمینان از اینکه تمایه طرحهای مورد نیاز برای خدمات مورد نظر مناسب هستند،یعنی مطابق با نیاز خریدار میباشند،اهمییت دارد.
در بیشتر مسائل مربوط به طراحی مهندسی شیمی،این امر منتهی به تولید محصولاتی میشود که مطابق با شریط و ویژگیهای مورد نیاز میباشند.
طرحی را که با هدف خریدار مطابقت ندارد میتوان اصلاح نمود، تا زمانی که چنین میباشد،اما این امر همیشه هزینه هایی اضافی را نیز به دنبال دارد.
1.2.5 ارزیابی اقتصادی،بهینه سازی و انتخاب
هنگامی که طاح چند طرح نمونه را مطابق با هدف خریدار اعلام نماید،فرایند انتخاب طرح میتواند آغاز بشود.
حوزه ی عمده برای انتخاب طرح اغلب عملکرد اقتصادی است،اگر چه عواملی چون ایمنی و تاثیر محیطی هم میتواند نقش عمده ای را ایفا کند.ارزیابی اقتصادی اغلب شامل تجزیه و تحلیل هزینه های سریامه گزاری و عمل فرایند برای تعیین بازگشت سریامه مطابق با توصیف فصل 6 میباشد.
تجزیه و تحلیل اقتصادی محصول یا فرایند را هم میتوان برای بهینه سازی طرح مورد استفاده قرار داد.
هر طرح،تنوعهای احتمالی متعددی داراست که فضای اقتصادی را تحت شرایط خاصی قرار میدهد.
به عنوان مثال میزان بازیابی گرمای فرایند،موازنه میان هزینه ی مزبوط به انرژی و هزینه مبدلهای گرمایی(اغلب محدوده مبدل گرمایی دانسته میشود)میباشد.
در مناطقی که هزینه ای مربوط به انرژی بالا هستند،طرحهایی که از مقدار زیادی مبادله گرمایی سعی بالایی برای به حداکثر رساندن بازیابی گرمای هدر رفته برای استفاده مجدد در فرایند استفاده میکنند،جالب توجه میباشند.
در مناطقی که هزینه های مربوط به انرژی پایین هستند ممکن است استفاده از سوخت بیشتر و کاهش دادن هزینه سرمایه گزاری کارخانه مقرون به صرفه تر باشد.
تکنیکهای ریاضیاتی که برای کمک به بهینه سازی طرح و عملکرد کارخانه طراحی شده اند در بخش 1.9 بطور خلاصه بررسی میشوند.
هنگامی که تمامی طرحهای مورد نظر بهینه سازی شده باشند،میتوان بهترین طرح را انتخاب نمود.اغلب واقع مهندس طراح در میابد طرحهای مختلفی دارای عملکرد اقتصادی بسیار نزدیک به هم هستند در ان موارد،ایمن ترین طرح یا موردی را که بهترین پیشینه تجاری را داشته اند انتخاب میکنند.
در مرحله انتخاب،یک مهندس با تجربه در طرحههای مورد نظر برای اطمینان از ایمن عملی و مطمئن بودن و اطمینان از اینکه هیجچ هزینه ی قابل توجهی پیش از حد واقعی براورد نشده،دقت مینماید.
1.2.6 جزییات مربوط به طراحی و انتخاب لوازم
پس از انتخاب مفاهیم فرایند و محصول،پروژه در جهت جزیات طراحی پیش میرود.
در اینجا ویژگیهای کامل لوازم همچون ظروف،مبدلها،پمپها و لوازم مشخص میشوند.
مهندس طراح ممکن است با سایر رشته های مهندسی همچون مهندسین شهری برای آماده سازی محل،مهندسین مکانیک برای طراحی ظروف و سازه ها،مهندسین برق برای لوازم و کنترل کار کند.
شرکتهای بسیاری از شرکتهای مهندسین متخصص،تهیه و تدارک،ساختمان(Epc)استفاده میکنند که در مرحله طراحی کامل معروفند به پیمان کار شرکتهای Epc دارای کارکنان طراحی زیادی هستند که قادر به اجرای سریع و کامل پروژه ها با هزینه ی نسبتاً پایین هستند.
طی مرحله طراحی کامل،ممکن است تغییراتی در طرح داده شود و مطمئناً بهینه سازی به عنوان ایده بهتری از ساختار هزینه ی پروژه پس از آن انجام میپذیرد.
تصمیمات مربوط به طراحی عمدتاً معطوف به انتخاب لوازم میشود تا تغییراتی در طرح فرایند بعنوان مثال ممکن است مهندس طراح نیاز به تصمیم گیری درباره ی استفاده از یک لوله ی U یا یک مبدل گرمایی شناور،انطور که در فصل 12 بررسی شد،یا استفاده از سینی یا وضیعت دسته ای برای یک ستون تقطیر آنطور که در فصل 11 توصیف شده داشته باشد.
1.2.7 Procurement ،Construction،Operation (تهیه و تدارک،ساختمان،بهره برداری)
هنگامی که جزئیات طرح براورد مالی شد،میتوان لوازم را خریداری کرد و کارخانه را بنا نمود.
تهیه و تدارک و کار ساختمان اغلب از طریق یک شرکت Epc انجام میشود،مگر آنکه پروژه بسیار کوچک باشد.
بدلیل اینکه شرکتهای Epc سالیانه بر روی پروژه های متفاوت بسیاری کار میکنند،قادر به انجام سفارشهای کلی برای لوازمی چون لوله،سیم،سوپاپ و غیره بوده میتوانند از قدرت خرید خود برای گرفتن تخفیف برای بیشتر لوازم استفاده کنند.
شرکتهای Epc همچنین دارای تجزیه ی زیادی بر ساخت و یاز،نظارت،تست و تاسیس و نصب لوازم هستند.
بنابراین انها معممولاً بایستی قرار داد ساخت یک کارخانه برای مشتری میتوانند ارزان تر از خود مشتری و سریعتر از کارخانه را احداث و آماده کنند.
در نهایت،هنگامی که کارخانه ساخته و آماده ی شروع به کارها شد میتواند شروع به فعالیت نماید.
سپس اغلب از مهندس طراح خواسته میشود تا به حل مسائل شروع و به کار و شناخت مسائل کارخانه ی جدید کمک کند.
1.3 آناتومی یک فرایند تولید شیمیایی
اجزاء اصلی یک فرایند شیمیایی معمول در شکل 1.3 نشان داده شده اند.شکل 1.3 یک فرایند تعمیم داده شده را نشان میدهد،نیاز به تمامی مراحل برای هر فرایند مجزا است و پیچیدگی هر مرحله بستگی به طبیعت فرایند دارد.
طراحی مهنسی شیمی،مربوط به انتخاب و آرایش مراحل و انتخاب،تعیین ویژگی و طراحی لوازم مورد نیاز برای انجام عملکرد هر مرحله است.
مرحله 1.نگهداری مواد خام:باید اقداماتی صورت بپذیرد تا بتوان مواد را چندین روز یا هفته ذخیره نمود تا مشکل نوسان قیمت و وقفه در تهیه انجام نپذیرد مگر اینکه مواد خام(که خوراک یا مواد اولیه هم نامیده میشوند).
به عنوان محصولات میانجی از یک کارخانه در مجاورت تهیه شوند.
حتی زمانی که مواد از یک کارخانه در مهاجرت تهیه میشوند،اغلب باید به گونه ای باشند که بتوان آنها را چند ساعتی یا حتی چند روزی پیش از استفاده برای فرایند نگهداری نمود.
عمل نگهداری بستگی به طبیعت و چگونگی مواد خام،روش ارسال و اطمینان و تضمین تداوم عرضه دارد.
اگر مواد با کشتی ارسال شوند(در تانکر یا شرکتهای حملو نقل)نیاز به چندین هفته ذخیره سازی است،در حالی که اگر انقال از طریق جاده یا خطوط آهن در مقادیر کمتر صورت پذیرد نیتز به نگهداری کمتری است.
مرحله 2. آمداه سازی خوراک:
اغلب نیاز به مقداری تصفیه و آماده سازی مواد خام پیش از خلوص و مناسب شدن مواد برای ورود به مرحله ی واکنش است.
به عنوان مثال استیلن تولید شده از طریق فرایند کاربید،حاوی ارکیبات آرسنیک و سولفور و سایر ناخالصی ها است که پیش از خراشیدن با اسید سولفوریک غلیظ شده(یا سایر فرایندها)پیش از اینکه به حد کافی برای واکنش با اسید هیدروکلرویک به منظور تولید دی کلرو اتان خالص شود،باید مورد بازیابی قرار بگیرد.
آلاینده های خوراک که قادر به مسموم سازی کاتالیزورهای فرایند،یا آنزیمها و میگرو ارگانیزم ها هستند باید بازیابی شوند.
خوراک های مایع باید پیش از اینکه وارد راکتورهای فاز گاز شوند تبخیر شوند و ممکن است نیاز به خرد کردن،آسیاب کردن و غربال کردن و جامدات باشد.
مرحله3. واکنش: مرحله واکنش،قلب ک فرایند تولید شیمیایی.در راکتور،مواد خام تحت شرایطی بهم میرسند که تولید محصول دلخواه را افزایش میدهد،معمولاً برخی از محصولات فرعی نیز از طریق استوکیومتری واکنش توسط واکنشهای جانبی یا از طریق واکنش ناخالصی های موجود در خوراک تولید میشوند.
مرحله 4. جداسازی محصول:پس از راکتورها محصولات اصلی و فرعی از هر ماده واکنش نداده جداسازی میشوند.در صورتی که در مقدار کافی باشند،این مواد را به مرحله واکنش یا برای مرحله تصفیه خوراک و آماده سازی برگشت میدهند.
همچنین میتوان محصولات فرعی را از محصولات در این مرحله جداسازی نمود.در فرایند های شیمیایی ظریف اغلب چندین مرحله واکنش وجود دارد که از طریق یک یا چند مرحله جداسازی دنبال میشوند.
مرحله 5.تصفیه:
پیش از فروش محصولات اصلی اغلب نیاز به تصفیه دارند تا با ویژگیهای مورد نظر محصول مطابقت بیابد.در صورتی که محصولات فرعی در مقادیری قابل توجه تولید شوند،ممکن است آنها را نیز برای فروش تصفیه کنند.
مرحله 6.نگهداری محصول:
فهرست موجودی محصول نهایی باید برای مطابقت با فروش نگهداری میشود.همچنین نیاز به اقداماتی برای بسته بندی و انتقال محصول،بسته به طبیعت و چگونگی محصول است.مایه ها معمولا در شبکه ها و تانکرهای نگهداری و جاده ای،راه آهن و دریایی.
جامدات در کیسه،کارتن یا عدلهایی بسته بندی میشوند.
مقدار موادی که نگهداری میشوند بستگی به چگونگی محصول و فروش دارند.
فرایندهای فرعی
علاوه بر مراحل عمده فرایند نشان داده شده در شکل 1.3 برای عرضه خدمات و امکانات مورد نیاز همچون آب فرایند،آب سرد کننده هوای فشرده و بخار تسهیلاتی باید صورت بپذیرد.
همچنین امکاناتی برای تعمیرات،اطفا حریق دفاتر و سایر موارد و لابراتور لازم میباشند،به فصل 14 مراجعه کنید.
1.3.1 فرایندهای پیوسته و بچ
فرایندهای پیوسته برای کار در 24 ساعت 7 روز در هفته در طول سال طراحی میشوند.
زمانی نیز برای تعمیر و برخی از فرایندها،احیاء کاتالیزور در نظر گرفته میشوند.
موفقیت کارخانه و میزان فعالیت درصد ساعات ممکن در یک سال است که کارخانه کاری کند و اغلب بین 95 و 90 درصد است.
فرایندهای بچ به منظور کار به طور منقطع طراحی شده اند و برخی یا همه ی واحدهای فرایند اغلب روشن و خاموش میشوند.استفاده از ترکیبی از فرایندهای پیوسته و بچ کاملاً متداول است.
بعنوان مثال ممکن است یک راتور بچ برای یک ستون تقطیر استفاده بشود.
فرایندهای پیوسته برای تولید در مقیاس بالا بیشتر مقرون به صرفه میباشند،فرایندهای بچ زمانی استفاده میشوند که نیاز به مقدری انعطاف پذیری در میزان تولید یا خصوصیات محصول است.
مزایای فرایند بچ چنین میباشد:
A.فرایند بچ تولید محصولات مختلف یا تولید درجات مختلف یک محصول را در یک سری لوازم ممکن میسازد.
B.در یک کارخانه ی بچ،تمامیت یک بچ با رفتن از فرایندی به فرایند دیگر حفظ میشود.
این مورد میتواند برای اهداف کنترل کیفی بسیار مفید باشد.
C.میزان تولید کارخانه های بچ بسیار انعطاف پذیر است،چرا که هنگام کار با محصول کم،هیچ گونه مسئله ی به برگشت وجود ندارد.
D.تمیز سازی کارخانه های بچ و استریل نگه داشتن فرایند آسانتر میباشد.
E.افرایش مقیاس فرایندهای بچ از دستور العمل شیمی دان آسان تر میباشند.
F.کارخانه های بچ دارای سرمایه پایین تری حجمهای تولید پایین میباشند.قطعه ی مشابهب از لوازم اغلب برای چندین فرایند واحد میتواند مورد استفاده قرار بگیرد.
معایب فرایند بچ چنین هستند:
A.مقیاس تولید محدود میشود.
B.دستیابی به مقرون به صرفه بودن مقیاس،از طریق رفتن به سرعتهای بالای تولید دشوار است.
C.کیفیت بچ-به-بچ میتواند تفاوت کندمنتهی به تولید بالای محصولات سپاپ یا محصول مضر میشود.
D.احیای گرما سریعتر میباشد و این امر کارخانه ای بچ را به لحاظ انرژی نا کارامد میکند و بیشتر احتمال تولید محصولات سپاپ وجود دارد.
E.در کارخانه های بچ بهره برداری از دارایی کمتر است،به دلیل اینکه در مقاطعی از زمان کارخانه تقریباً غیر فعال است.
F.هزینه های ثابت تولید برای کارخانه های بچ در یک جرم واحد/دلار اساس محصول بیشتر است.
انتخاب تولید پیوسته در برابر بچ
با وجود هزینه ای ثابت بیشتر و اسفاده کمتر از فرایندهای بچ،فرآوری بچ اغلب فقط برای محصولاتی معنا میدهد که دارای ارزش بالایی بوده در مقادیر اندک تولید میشوند.
کارخانه های بچ اغلب برای موارد زیر استفاده میشود:محصولات غذایی محصولات دارویی،واکسنها و هورمونها محصولات مراقبت فرد،موادی شیمیایی تخصصی حتی در این بخشها تولید پیوسته مطلوب نظر می باشد. اگر فرایند به خوبی شناخته شده باشد حجم تولید بالاست و بازا رقابتی باشد.
1.4سازمان یک پروزه مهندسی شیمی
کار تحقیقاتی لازم در مهندسی یک فرایند تولید شیمیایی را میتوان به دو فاز گسترده تقسیم نمود.
فاز یک: طراحی فرایند شامل مراحل ازانتخاب اولیه فرایند مورد استفاده تا تعیین طرحهای فرایندمیشود و در بر گیرنده انتخاب تعیین ویژگی و طراحی مهندسی شیمی لازم می شود. در یک سازمان نیرو، این فاز مسئول گروه طراحی فرایند است.و کار عمدت توسط مهندسین شیمی انجام می شود. گروه طراحی فرایند هم ممکن است مسئول آماده سازی لوله کشی و نمودارهای تاسیسات باشد.
فاز 2: طراحی کارخانه شامل طراحی کامل مکانیکی لوازم ، طراحی ساختمانی، شهری و الکتریکی و تعیین ویژگی و طراحی خدمات فرعی می شود.
این فعالیت ها مسئول گروههای طراحی ویژه با با تخصص در دامنه کامل از رشته های مهندسی خواهد بود.
سایر گروه های متخصص مسول بر آورد هزینه و خرید و تهییه و آماده سازی لوازم و مواد خواهند بود.ترتییب مراحل ر طراحی،ساخت و ساز و شروع به کار کارخانه فرایند شیمییایی نمونه به شکل نموداری در شکل 1.4 نشان داده شده و سازمان یک گروه پروژه نمونه در شکل 1.5 نشان داده شده است. هر مرحله در فرایند طراحی به وضوح از سایر موارد آن طور که در شکل 1.4 نشان داده شده جدتسازی نمی شود و ترتیب وقایع به وضوح معین نمی شود.
مبدله داعمی اطلاعات میان بخشهای مختلف طراحی با ابداع طرح ها صورت می پذیرد، اما آشکارا مراحتی در یک طراحی وجود دارند که باید به طور کامل پیش از آغاز به کار سایر موارد کامل شود.
یک مدیر پروژه ،اغلب یک مهندس شیمیایی از طریق آموزش اغلب مسول هماهنگی پروژه آن طور که در شکل 1.5 نشان داده شده است .
آن طور که در بخش 1.2.1 عنوان شد، طراحی پروژه باید با ویژگی واضحی برای تعیین فرایند ، مئاد خام، ضرفیت فرایند و محل ساختمان آغاز می شود. اگر پروژه بر ااس یک فرایند و محصول تعیین شده باشد، می توان در آغاز پروژه به طور کامل تعیین ویژهگی نمود.
برای یک محصول جدید ، تعیین ویژگی از طریق یک ارزیابی اقتصادی از فرایندهای احتمالی ، بر اساس تحقیقات آزمایشگاهی ، قسمت های کارخانه آزمایشگاهی ، تحقیق دز بازار محصول صورت می پذیرد .
برخ از شرکتها ی تولیدی شیمییایی بزرگتر دارای سازمانهای طراحی پروژه شخصی هستند و کل طراحی پروژه و مهندسی و ساخت احتمالی درون سازمان آنها را انجام میدهند.
اغلب اوقات،طراحی و ساخت و احتمالاً همکاران در شروع به کار بر عهده یکی از مهندسین بین المللی آماده سازی و ساخت قرار داده میشود.
"Know-how" فنی برای فرایند از شرکت فعال بدست می آید و می تواند توسط کنستانتور یا یک خرده فروش تکنولوژی مجوز داده شود.شرکت فعال،تهیه کننده تکنولوژی و کنتراتور در تمامی مراحل پروؤه بطور نزدیکی با یکدیگر کار میکنند.
در پروژه های مدرن بسیاری ممکن است شرکت فعال یک فعالیت اقتصادی مشترک میان چندین شرکت باشد.این پروژه ممکن است میان شرکتهایی بر اساس بخشهای مختلفی کاربر یابد.
بعنوان مثال جریان های میانگین بخار فرایند محاسبه شده از موازنه مواد اغلب از طریق یک عامل،معمولاً تا 10 درصد افزایش میابد تا موجب انعطاف پذیری در عمل فرایند بشود این عامل جریانهای حداکثر را برای طراحی لوازم تاسیسات و لوله کشی تعیین میکند هنگامی که عوامل طراحی به منظور احتمال در یک طراحی فرایند ارائه میشوند،باید با سازمان پروژه مطابقت داشته باشند و به وضوح در اسناد پروژه عنوان شوند.
(طرحهای محاسبه و راهنما)در غیر این صورت،خطر این وجود دارد هرگروه طراحی متخصص،(عامل ایمنی)خود را اضافه کند که منتهی به ناخالصی و طراحی بیش از حد غیر صروری میشود.شرکتها اغلب عوامل طراحی را در راهنمای طراحی خود مشخص میکنند.
هنگام انتخاب عامل طراحی،باید تعادلی میان تمایل به مناسب بودن طراحی و نیاز به طراحی در حدود و مرزهای دقیق برای رقابتی باقی ماندن برقرار شود
.ابهام بیشتر در روشها و اطلاعات طراحی نیازمند استفاده از عوامل طراحی بزرگتر است.بیشتر مثالها و معادلات در این کتاب از واحدهای SI استفاده میکنند با این حال در عمل،روشها،اطلاعات و استانداردهای طراحی که طراح استفاده میکند اغلب فقط در واحدهای سنتی،علمی و مهندسی موجود میباشد.
مهندسی شیمی همیشه از واحدهای مختلفی استفاده کرده که شامل استفاده از سیستهای علمیcgs و mhsو سیستم های مهندسی آمریکایی و بریتانیایی میشود.
مهندسین صنایع قدیمی تر هم مجبور به پرداختن به برخی از واحدهای سنتی عجیب همچون درجات twaddle یا درجات API برای چگالی و شبکه های با کمییت مورد نظر خواهند شد،اگر چه تقریباً تمامی جوامع مهندسی به حمایت از واحدهای SI پرداخته اند احتمال نمی رود تا سالها بطور جهانی استفاده بشوند.
علاوه بر این با بیشتر اطلاعات مفید تاریخی همیشه در واحدهای سنتی خواهند بود و مهندس طراح باید بداند که چطور این اطلاعات دریابد و ابدیل کند.در یک اقتصاد جهانی،انتظار میرود که مهندسین از سیستم های متفاوتی از واحدها حتی در یک شرکت استفاده کنند،خصوصاً در بخش منعقد کننده قرار داد که انتخاب واحدها به صلاح دید مشتری است.
بنا براین مهندسین طراح باید با SI متریک و واحدهای مرسوم آشنایی داشته باشند.
چند مثال و چندین تمرین در واحدهای مرسوم ارائه شده اند.اغلب بهترین عمل برای کار از طریق محاسبات طراحی در واحدهایی است که در آن نتایج قرار است ارائه بشود،اما اگر کار در واحدهای SI تولید و دامنه ی محدودی از اندازه های استاندارد بجای پرداختن به هر اندازه بعنوان یک کار ویژه انجام پذیرد اشکارا،مقرون به صرفه تر میباشد.
برای طراح،استفاده از یک اندازه جزء استاندارد امکان ادغام آسان یک قطعه از لوازم را در غالب بقیه کارخانه میدهد.بعنوان مثال،اگر دامنه ی استانداردی از پمپ های سانتریوفاژی مشخص شود،ابعاد پمپ مشحص میشود و این امر طراحی صفحات فنداسیون،اتصالات لوله و ناتخاب موتورهای محرک:موتورهای الکتریکی استاندارد مورد استفاده را آسان میکند.
برای یک شرکت فعال،استاندارد سازی طراحی و اندازه لوازم امکان مبادله را افزایش داده،زمانی را که باید صرف نگهداری در فروشگاهای تعمیراتی شود کاهش میدهد.اگر چه مزایای قابل توجهی در نتیجه استفاده از استانداردها در طراحی بدست می اید،معایبی نیز در این رابطه وجود
دارند.استانداردها موجب اعمال محدودیتهایی برای طراح میشوند.نزدیکترین اندازه استاندارد معمولا در تکمیل یک محاسبه طراحی انتخاب میشود،اما این مورد لزوماً اندازه مطلوب نمیباشد.
اگر چه اندازه استاندارد ارزان تر از از یک اندازه خالص است،اغلب بهترین انتخاب از منظر هزینه اولیه سرمایه گزاری میباشد.روشهای طراحی داده شده در کدها و استانداردها ذاتا تاریخی هستند و لزوما آخرین تکنیکها را ادغام می کنند .
استفاده از استانداردها در طراحی در مبحث طراحی ظروف فشار در فصل 13 ارائه شده است .کدها و استانداردهای مربوطه در تمام کتاب ذکر شده است. 1.7 عوامل طراحی (مرزهای طراحی) طراحی یک هنر غیر دقیق است ،
خطاها و موارد عدم اطمینان در نتیجه ابهامات در اطلاعات طراحی موجود و در تقریب های ضروری در محاسبات طراحی حادث می شود .طراحان با تجربه درجه ای از وقت بیشتر را در طراحی به عنوان یک ( عامل طراحی) (مرز و حاشیه طراحی) یا (عامل ایمنی) برای اطمینان از اینکه طراحی انجام شده مطابق با ویژگی های محصول بوده ، به شکل مطمئن و ایمنی کار می کند ، به کار می گیرند.
در طراحی مکانیکی و ساختاری ،عوامل طراحی مورد استفاده موجب ابهاماتی در ویژگی های مواد، روشهای طراحی، تولید می شوند. به عنوان مثال ، یک عامل حدود 4 برابر قدرت قابل انبساط یا حدود 2.5 بر 0/1% فشار خلوص ، معمولا در طراحی ساختاری کلی استفاده می شود. عوامل طراحی تولید شده در کدها و استانداردها تعیین می شود. انتخاب عوامل طراحی در طراحی مهندسی مکانیک در مبحث طراحی ظروف فشار در فصل 13 تشریح شده است.
عوامل طراحی ،همچنین در طراحی فرایند به منظور انعطاف پذیری در طراحی از جهان انجام می پذیرد . بنابراین گروه کاری خوب ، ارتباطات و مدیریت پروژه بسیار در تضمین اینکه پروژه به طور موفقیت آیزی اجرا می شود اهمیت دارد.
1.5اسناد پروژه : آن طور که در شکل 1.5 نشان داده شده و در بخش 1.4 توصیف شده، طراحی و مهندسی یک فرایند شیمیایی نیازمند مشارکت گروه های متخصص بسیاری است . مشارکت کار آمد بستگی به فعل و انفعالات موثر دارد و تمامی سازمانهای طراحی دارای فرایندهای رسمی برای تهیه اطلاعات و اسناد مربوط به پروژه هستند .
اسناد پروژه چنین می باشد:
1- ارتباط با گروه طراحی و با بخشهای دولتی ، خرده فروشان لوازم ، پرسنل در محل ، مشتری .
2- طرحای محاسباتی: محاسبات طراحی : محاسبات طراحی ، محاسبات هزینه، موازنه های مواد و انرژی .
3- طرح ها: طرحای جریان فرایند ، نمودارهای لوله کشی ، و تاسیسات ،نمودارهای طراحی ، برنامه های محل و طرح ، جزئیات لوازم ، نمودارهای لوله کشی ، (ائزومتریک) ، طراحی معماری 4- طرح های تعیین ویژگی: پایه و اساس طراحی ، تعیین ویژگی خوراک و محصول ، فهرست لوازم، همچون مبدلهای گرمایی ، پمپ ها هیتر ها ، و غیره.
5- اطلاعات بهداشتی ، ایمنی و محیطی: طرحای اطلاعاتی ایمنی ( فرم های (msds اسناد hazopیا hazan (به فصل 9 مراجه کنید) ، ارزیابی آلاینده ها و مجوزها
6- سفارشهای خرید: نقل قولها ، فاکتور ها( صورت حسابها)
به منظور سهولت ارجاع ، فایل بندی و باز یابی به تمامی اسناد یک شماره کد داده می شود.
طرح های محاسباتی : مهندس طراح به گونهای اقدام به انجام محاسباتمی نمایند که این محاسبات به آسانی توسط سایرین ادراک و کنترل بشود. شمول طرح های محاسباتی ، اساس محاسبات و هر گونه فرضیات و تریب های انجام شده ، با جزئیات کامل برای روشها ، و وضعیت ریاضیاتی برای کنترل ، ضرورت دارد.
محاسبات طراحی معمولا بر اساس طرح های استاندارد فرایند می باشد. عنوان بالای هر طرح شامل عنوان پروزه و تعداد شناسایی عدد و اطلاعات بازبینی ، مهمتر از آن امضای شخصی که محاسبات را کنترل نموده می باشد. یک طراح محاسبه الگو در پیوست g داده شده و می تواند در فرمت ms exel از اطلاعات در خط در http.......... دریافت شود.
تمامی طرح های پروژه معمولا بر طرح هایی با چاپ ویژه ، همراه با نام شرکت ، عنوان پروژه و نام ، عنوان طرح، و شماره شناسایی ، نام نویسنده و شخصی که طرح ها را کنترل می کند. به وضوح در گوشه سمت راست پایین جعبه رسم می شود . تمهیداتی باید برای ذکر تغییرات در این طرح ها صورت پذیرد .
این طرح ها باید با موارد پیش از این پذیرفته شده ،ترجیحا مواردی که توسط استانداردهای ملی وضع شده مطابقت داشته باشد. علائم استفاده شده برای طرح های فرایند و لوله کشی و نمئدارهای لوازم در فصل 4 و 5 بررسی شده اند. در بیشتر دفاتر طراحی ،روش های طراحی کامپیونری ( cad) امروزه برای تولید طراحی استفاده می شوند که برای تمامی جنبه های یک پروژه لازم می باشد: طراحی فرایند ، لوله کشی و تاسیسات ،
کار مکانیکی و شهری . در حالیکه نمونه های انتشار یافته از طراحی ها اغلب توسط یک متخصص ترسیم می شود ، مهندس طراح اغلب لازم است تغییراتی به طراحی یا اصطلاحاتی جزئی به طرح های فرایند بدهد. بنابراین داشتن مهارتهایی در ارتباط با نرم افزاز نویسنده مفید می باشد.
طرح های تعیین ویژگی فرایند: طرح های تعیین ویژگی استانداردها معمولا برای انتقال اطلاعات لازم برای طراحی کامل، یا خرید لوازم، همچون مبدل های گرمایی ، پمپها، ستونها ، ظروف فشار و غیره استفاده می شوند.طرح های ویژگی استاندارد علاوه بر تضمیت اینکه اطلاعات به طور کامل و آشکار ارائه شده ، به منظور کنترل فهرست ها برای تضمین این هستند که تمامی اطلاعات لازم ذکر شده باشد.
