منشأة كيميائية

بوجه عام، تنتج المصانع الكيميائية المواد الكيميائية عن طريق عمليات كيميائية هي عبارة عن طرق صناعية تفصيلية. وقد تستخدم الطريقة الكيميائية نفسها في أكثر من مصنع كيميائي ولكن ربما تختلف طاقتها من منشأة لأخرى. أضف إلى ذلك أنه قد يتم إنشاء مصنع كيميائي للإفادة من عملية كيميائية وحيدة.

يتكون المصنع الكيميائي عمومًا من حاويات أو أقسام كبيرة تسمى وحدات يصل بينها مواسير أو أي معدات نقل أخرى يمكنها نقل سيل من المواد. وقد يشمل هذا السيل من المواد موائع (غاز أو سائل منقول في مواسير) وأحيانًا مواد صلبة أو خليط مثل السوائل ذات العوالق الصلبة. وتتألف العملية الكيميائية الكاملة عمومًا من خطوات تسمى تشغيل الوحدة وهي التي تجرى في الوحدات الفردية. والمادة الخام الداخلة في عملية كيميائية أو مصنع كيميائي وتحويلها إلى منتج نهائي يطلق عليها اسم مادة تغذية أو تغذية. وإضافة إلى مواد التغذية في المصنع بأكمله، فبالمثل يمكن تسمية سيل المواد الداخلة إلى وحدة ما لمعالجتها تغذية لهذه الوحدة. والتدفقات الخارجة من مصنع بأكمله هي المنتج النهائي، أما تدفق الإنتاج من وحدة قائمة بذاتها فإنه يكون مثل منتج وسيط بالنسبة لتلك الوحدة. وليس الأمر على إطلاقه، فمع مزيد من المعالجة قد يستخدم منتج نهائي من مصنع ما ككيماويات وسيطة في مصنع آخر تكون بالنسبة له مواد تغذية. خذ على سبيل المثال بعض منتجات معامل التكرير التي ربما تستخدم كمواد تغذية في المصانع البتروكيميائية.

ومن هناك، تتحول مواد التغذية أو المنتجات أو كليهما إلى مركبات مستقلة أو مخاليط. وبناء على متطلبات الإنتاج واقتصاديات السوق، فإن فصل مكونات هذه الخلائط تمامًا أمر لا يستحق العناء.

يتم إجراء أنواع عدة من عمليات الوحدات في أنواع مختلفة من الوحدات. ومع أن بعض الوحدات يمكن أن تعمل في درجة الحرارة العادية والضغط الجوي المعتاد، إلا أن العديد منها يعمل في درجة حرارة وضغط جوي مرتفعين. وفي معظم الأحيان تكون المصانع الكيميائية أسطوانية الشكل بنهايات مستديرة، وهو الشكل الذي يتحمل كلا من الضغط العالي أو التخلية. وفي التفاعلات الكيميائية، يمكن تحويل أنواع من المركبات إلى مركبات أخرى وذلك في المفاعلات الكيميائية. وقد تكون المفاعلات الكيميائية عبارة عن طبقات معبأة وقد تحتوي على مواد حفازة صلبة وغير متجانسة لتبقى في المفاعل أثناء مرور الموائع من خلاله. وحيث إن سطح المواد الحفازة الصلبة وغير المتجانسة قد يتسمم من ترسيبات مثل الكوك، فإنه من الضروري تجديدها. وقد تستخدم الطبقات المميعة في بعض الأحيان. كذلك، قد توجد وحدات (أو وحدات فرعية) لـ الخلط (بما في ذلك الإذابة) أوالفصل أوالتسخين أوالتبريد أو مزيج من هذه العمليات. على سبيل المثال، تحتوي المفاعلات الكيمائية على محفزات لعمليات الخلط والتسخين والتبريد التي تجري بداخلها. وعند تصميم المصانع الكيميائية واسعة النطاق، ينبغي مراعاة الحرارة الناتجة عن التفاعلات الكيميائية أو الممتصة بداخلها. وتحتوي بعض المصانع على وحدات قادرة على الاستنبات اللازم في العمليات البيوكيميائية مثل التخمر أو إنتاج الإنزيمات.

مصنع

تقطير في إيطاليا

تشمل عمليات الفصل عملية الترشيح والترسب والاستخلاص والتصفية والتقطير وإعادة التبلور والترسيب (الذي يليه الترشيح أو التركيز) والتناضح العكسي والتجفيف والامتصاص. ويكثر استخدام المبادل الحراري في التسخين أو التبريد بما في ذلك الغليان أو التكثيف، وغالبًا ما يكون ذلك بالاشتراك مع وحدات أخرى مثل أبراج التقطير. وقد يكون هناك صهاريج لتخزين المواد الخام والوسيطة والنهائية أو حتى الفضلات. وتحتوي صهاريج التخزين هذه على مؤشر للمنسوب ليبين حجم امتلائها. وقد تحمل بعض الأساسات أو تدعم وحدات عملاقة إضافة إلى التجهيزات المرافقة لها. فهناك السلالم والدرج وغيرها من الوسائل التي يستخدمها الموظفون للوصول إلى نقاط في الوحدة لأخذ العينات أوالمعاينة أوالصيانة. وأحيانًا ما يطلق على أي جزء من المنشأة أو المصنع المليء بالعديد من صهاريج التخزين اسم حقل الصهاريج خصوصًا في مستودعات الزيوت.

تحتوي أنظمة الموائع المستخدمة في نقل السوائل والغازات على مواسير وأنابيب مختلفة الأقطار، إضافة إلى أنواع عديدة من الصمامات للتحكم في التدفقات أو إيقافها ومضخات لنقل أو ضغط السوائل وضواغط لضغط الغاز ونقله. وتغطى الأواني والمواسير والأنابيب وغيرها من التجهيزات في درجات الحرارة العالية أو المنخفضة جدًا بـ عوازل للحفاظ على أمن الموظفين والاحتفاظ بدرجة الحرارة الداخلية. وتشترك أنظمة الموائع ووحداتها جميعًا في أجهزة القياس مثل مستشعر درجة الحرارة والضغط الجوي وأجهزة قياس التدفق التي توجد في مواقع محددة من أي مصنع أو معمل. ولقد أصبح شائعًا استخدام المحلل الإلكتروني في تحليل الخصائص الكيميائية والفيزيائية. وفي بعض الأحيان، تستخدم المذيبات في إذابة الكواشف الكيمائية أو مواد مثل الجوامد للاستخلاص أو التصفية، أو لتوفير وسيط مناسب لإجراء تفاعلات كيميائية بعينها أو لتسهيل معالجتها كموائع.

مخطط عمليات التدفق لنموذج معمل تكرير بترول

في أيامنا هذه، تعتمد الجوانب الرئيسية في تصميم المصانع الكيميائية على المهندسين الكيميائيين رغم أنه تاريخيًا لم يكن يتم الأمر بهذا الشكل باستمرار وكان يتم تشييد المصانع الكيميائية بطريقة عشوائية قبل وضع قواعد سلوك الهندسة الكيميائية. بوجه عام، يعتمد تصميم المصنع في أقل من 1% على الأفكار التصميمية الجديدة قبل أن يتم تحويله إلى عمل تجاري. وأثناء عملية الحل، يجب أن تستغل دراسات التكلفة كفحص مبدئي للتخلص من أي تصميمات غير مربحة. فإذا تحققت مكاسب من وراء عملية ما، فهناك جوانب أخرى ينبغي مراعاتها ومنها الأمان والقيود البيئية وإمكانية التحكم، إلخ.[1] ويتمثل الهدف العام من تصميم المصانع في إنشاء أو اصطناع «تصميمات مثلى» مع توخي القيود المحددة لذلك.

وفي أحيان كثيرة يبحث الكيميائيون في المختبرات عن تفاعلات كيميائية أو أسس كيميائية أخرى، تتم على نطاق ضيق في التجارب التي تتم بنظام «الدفعات». وهذه المعلومات الكيميائية الناتجة يستخدمها المهندسون الكيميائيون جنبًا إلى جنب مع خبراتهم الخاصة للتحول إلى عملية كيميائية وزيادة حجم التشغيل بالدفعات وسعته. وبوجه عام، هناك مصنع كيميائي صغير يسمى مصنع تجريبي صمم ليوفر معلومات عن التصميم والتشغيل قبل إنشاء المصانع الكبيرة. وانطلاقًا من الخبرة البيانية والتشغيلية المستمدة من المصنع لمعمل التجريبي، يمكن تصميم مصانع موسعة لتوفير قدرة تشغيلية كاملة أو أعلى. وبعد وضوح معالم الأوجه الرئيسية لتصميم المصنع، ربما يكون لـ الميكانيكي أو المهندس الكهربائي دور في التفاصيل الميكانيكية أو الكهربائية كل في مجاله. وربما يتدخل مهندس الإنشاءات في تصميم المصنع ليتأكد من أن الأساسات يمكنها تحمل وزن الوحدات والمواسير وغيرها من التجهيزات.

ومن الممكن تمثيل أنظمة الوحدات والتيارات والموائع الخاصة بالمصانع الكيميائية باستخدام مخطط إجمالي؛ حيث إنها عبارة عن مخططات مبسطة للغاية أو مخططات لعمليات التدفق التي تحتوي على المزيد من التفاصيل إلى حد ما. وتظهر التيارات وغيرها من الأنابيب على شكل خطوط ذات رؤوس سهمية لتُظهر الاتجاه المعتاد لتدفق المواد. وعادة ما تظهر الوحدات في المخطط الإجمالي على شكل كتل ومجموعات. وقد تستخدم مخططات التدفق المزيد من الرموز التفصيلية وتوضح المضخات والمكابس والصمامات الكبيرة. وتتحدد القيم المحتملة أو معدلات تدفق المواد للتيارات المتنوعة بناءً على طاقة المعمل أو المصنع المطلوب لاستخدام حسابات موازنة المواد. وتعتمد أيضًا عمليات موازنة الطاقة على حرارة التفاعل والسعات الحرارية ودرجات الحرارة المتوقعة والضغوط في أماكن مختلفة لحساب كميات التسخين والتبريد المطلوبة في الأماكن المختلفة وقياس حجم التغيرات الحرارية. ومن الممكن عرض تصميم المصنع الكيميائي بالبيانات الكاملة له في الرسم البياني لمجموعة الأنابيب وأجهزة القياس (P&ID) التي توضح جميع شبكات المواسير والأنابيب والصمامات وأجهزة القياس، وذلك وفقاً للرموز النموذجية المخصصة لذلك. إن عرض المصنع في صورة كاملة على الرسم البياني لمجموعة الأنابيب وأجهزة القياس عادةً ما يكون متشابكًا، لذا، عادة ما تعرض الوحدات الفردية أو أنظمة السوائل المحددة فقط في عرض منفرد من عروض الرسم البياني لمجموعة الأنابيب وأجهزة القياس.

وفي تصميم المصنع، يتم ترتيب الوحدات حسب حجم الطاقة القصوى لكل منها وحسب طريقة التعامل معها. وبالمثل، يكون اختيار أحجام المواسير والمضخات والمكابس والمعدات تبعًا لقدرة التدفق المراد التعامل معها. ويجب أيضًا أن يحتوي المصنع في تصميمه على أنظمة الأدوات المساعدة مثل الطاقة الكهربائية وإمداد المياه. وقد يلزم إضافة خطوط شبكة أنابيب إضافية من أجل إجراءات التشغيل غير الروتينية أو البديلة مثل توفير مصنع بديل أو وحدات تشغيل وإغلاق بديلة. بشكل عام، يحتوي تصميم أنظمة الموائع على صمامات عزل حول الوحدات المختلفة أو حول أجزاء من المعمل بحيث يمكن فصل قطاع من المصنع في حالة وجود مشكلة مثل وجود تسرب في وحدة ما. وإذا استخدمت صمامات تعمل بالهواء المضغوط أو الطاقة الهيدروليكية، فتكون المحركات بحاجة لنظام من خطوط الضغط. ويجب أن يشتمل التصميم التفصيلي على عينات تشغيلية من خطوط الأنابيب والصمامات التي ينبغي أخذها للوصول إليهم عند أي نقطة من نقاط عملية أخذ العينات. وإذا كان الأمر ضروريًا، فيجب توفير كل التجهيزات اللازمة لتقليل الضغط أو درجة الحرارة المرتفعة لعينة التيار، مثل تلك التي تحتوي على صمام تقليل الضغط أو عينة مبردة.

يجب أن تحتوي الوحدات وأنظمة الموائع في المعمل على جميع الأوعية وشبكات الأنابيب والأنابيب والصمامات والمضخات والمكابس وغيرها من المعدات التي يجب تقييمها وتصميمها للتمكن من مقاومة المجموعة الكاملة للضعوط ودرجات الحرارة وغيرها من الظروف التي من الممكن مقاومتها بأي حال من الأحوال والتي تحتوي على أي من العوامل الأمنية المناسبة. ويجب فحص جميع الوحدات والمعدات الخاصة بمواد ملائمة المواد للتأكيد على أنها يمكنها على المدى الطويل التصدي للمواد الكيميائية التي يتم التعامل معها. فيجب على أي نظام مغلق في المصنع أن يحتوي على وسائل ضغط محتملة لتقييم معداتها مثل توليد الحرارة أو التفاعل الطارد للحرارة أو مضخات محددة أو المكابس، ويجب أن يكون حجم الضغط مناسب لـ صمام التصريف الذي يجب أن يحتوي علية النظام المغلق لضمان منع تسرب الضغط الزائد. فكثيرًا ما يكون تحليل هذه المعاملات (درجات الحرارة والضغوط والتدفق وغيرها) بالتحديد عبر مجموعة تشمل دراسة المخاطر وقابلية التشغيل أو التحليل الشجري للأعطال، لضمان أن المصنع لا يحتوي على أي عملية تقود لخطر جسيم.

وفي حالة وجود أي قيود داخلية، فيجب على المصنع الالتزام بتصميم المعايير وهي تحسين الأداء الاقتصادي الجيد من خلال التأكيد على الأمان ورفاهية الأشخاص والمجتمع المحيط به. ولضمان المزيد من المرونة، فمن الممكن تصميم المصنع بحيث يتم تشغيله من خلال سلسلة لبعض معايير التصميم المثلى وذلك في حالة تغيير المادة الخام أو الظروف الاقتصادية وإعادة عملية التحسين المطلوبة. وفي العصر الحديث، من الممكن استخدام المحاكاة بالحاسوب وغيرها من طرق الحساب الحاسوبية للمساعدة في تصميم المعامل الكيميائية أو تحسينها.

قد تكون منشآت الإنتاج الفعلي أو عمليات الإنتاج بعيدًا عن المصنع، سواء كانت في مناطق مغلقة أو مفتوحة أو تجمع بين الاثنين. وعادة ما يظهر قسم الإنتاج الفعلي للمنشآة كبيئة صناعية. وعادة ما يرتدي العمال الخوذ والأحذية الخاصة بالأعمال الشاقة. وعادة ما تكون الأرضيات والسلالم مصنوعة من المعادن الشبكية دون وجود أي زخارف على الإطلاق. ومن الممكن أن يكون هناك أيضًا منشآت أو معدات لـ مكافحة التلوث أو معالجة النفايات. وفي بعض الأحيان يمكن توسيع المصانع القائمة أو تحديثها بناء على أساس الاقتصاديات المتغيرة أو المواد الخام أو احتياجات الإنتاج. وكما هو الحال في المنشآت الإنتاجية الأخرى، فمن الممكن القيام بعمليات الشحن والاستلام والتخزين في منشآت التخزين إضافة إلى أن هناك بعض المرافق الأخرى، خاصة في الداخل، عادة ما تستخدم لدعم العملية الإنتاجية في الموقع.

على الرغم من أنه يمكن تنفيذ بعض النماذج التحليلية البسيطة بواسطة فنيي العمليات التشغيلية في مقر المصنع، فإن المصنع الكيميائي يحتوي عادة على مختبر لتحليل العينات الكيميائية التي تؤخذ من المصنع. ومن الممكن أن تحتوي تلك التحليلات على التحليل الكيميائي أو تحديد الخواص المادية. وقد يشتمل تحليل العينة على مراقبة الجودة الروتينية للمواد الخام التي يستوردها المصنع والمواد المتوسطة والكاملة التصنيع وذلك للتأكيد على جودة المواصفات المتفق عليها. ومن الممكن أخذ عينات غير تقليدية وتحليلها للتحقق من مشاكل إنتاج المصنع. وغالبًا ما يكون لدى أكبر الشركات الكيميائية مختبر أبحاث لتطوير واختبار المنتجات والنواتج ومن الممكن أيضًا أن يكون هناك منشآت تجريبية، ولكن مثل هذه المختبرات قد تكون موجودة في مواقع منفصلة عن مصانع الإنتاج.

ومن الممكن أن يوجد بالمصنع ورشة أو منشآت صيانة لإصلاح أو صيانة معدات الصيانة. وعادة ما يكون هناك أيضًا أماكن لمكاتب المهندسين أو الشئون الإدارية أو الإدارة وربما تستخدم لاستقبال الزوار. ويعد الذوق من سمات المظهر العام لبيئة المصنع.

إن التآكل في مصانع العمليات الكيميائية يمثل مشكلة كبرى تستهلك مليارات الدولارات سنويًا. ويتضح التآكل الكيميائي الكهربائي للمعادن بشكل كبير في مصانع العمليات الكيميائية نتيجة لوجود الأبخرة الحامضية والتفاعلات الإلكترولية الأخرى. واستخدمت حديثًا لدائن مدعمة بألياف (FRP) كمواد لبناء المصنع. واستخدمت المواصفات القياسية البريطانية بي إس 4994 بشكل كبير في تصميم وبناء الحاويات والخزانات وغيرها

• الصناعة الكيميائية
• مشعلة الغاز

• مركز تصميم المعدات الكيميائية المصنوعة من ألياف البلاستيك المقوى

• بوابة هندسة
• بوابة الكيمياء