منشأة كيميائية
تصميم المصنع الكيميائي

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. 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.