Kimyasal tesisi
Kimyasal tesisi tasarımı

Günümüzde kimyasal tesislerin tasarımı kimya mühendisleri tarafından yapılmaktadır. Tarihsel olarak bu durum her zaman bu şekilde olmamakla beraber kimya mühendisliği bir disiplin olarak kurulmadan önce birçok kimyasal tesisi gelişigüzel bir şekilde inşa edilmiştir. Kimya mühendisliği ilk kez 1887 yılında, Manchester Üniversitesi'nde George E. Davis tarafından endüstriyel kimya uygulamalarının çeşitli yönlerini kapsayan ve on iki dersten oluşan kimya mühendisliği kursunun verilmesi ile bir meslek olarak kurulmuştur. Bunun sonucu olarak George E. Davis günümüzde dünyanın ilk kimya mühendisi olarak kabul edilmektedir. Günümüzde de kimya mühendisliği bir meslektir ve tecrübeli kimya mühendisleri Kimya Mühendisleri Enstitüsü aracılığıyla "yetkili" mühendis statüsü kazanabilmektedirler. Türkiye'de 6235 Sayılı Türk Mühendis ve Mimar Odaları Birliği Kanunu'nun 33. maddesi gereğince Türkiye'de mühendislik ve mimarlık mesleklerini icra etmek isteyen her kişi uygun bir odaya kaydolmak ve üyeliğini korumak zorundadır. Buna bağlı olarak kimya mühendisleri Türkiye'de Kimya Mühendisleri Odası'na üye olup odanın sağladığı çeşitli imkânlardan faydalanabilirler.
Tesis tasarımında yeni tasarım fikirlerinin ortalama olarak yalnızca yüzde 1'inden azı ticari hâle gelir. Maliyet çalışmaları tasarım sürecinde kârlı olmayacak tasarımların elenmesinde kullanılan bir ön inceleme yöntemidir. Bir prosesin kârlı olduğu ortadaysa, güvenlik, çevresel kısıtlamalar, kontrol edilebilirlik vb. diğer faktörler göz önünde bulundurulur. Tesis tasarımındaki genel amaç, istenen kısıtlamalar dahilinde “optimum tasarımlar” oluşturmak veya sentezlemektir.
Çoğu zaman kimyagerler laboratuvarda kimyasal reaksiyonları veya diğer kimyasal ilkeleri, genellikle “kesikli tipte”, küçük ölçekli deneylerle araştırırlar. Elde edilen bu kimyasal bilgiler kimya mühendisleri tarafından kendi uzmanlıklarıyla kimyasal bir proses oluşturmak ve laboratuvardaki kesikli işlemin boyutunu veya kapasitesini artırmak için kullanılır. Genellikle büyük bir tesisin inşasından önce çeşitli tasarım ve işletme bilgileri edinmek için pilot tesis adı verilen küçük bir kimyasal tesis inşa edilir. Pilot tesisten elde edilen veriler ve işletme deneyimi ile daha yüksek veya tam kapasitede çalışmak için büyük ölçekli bir tesisin tasarımına girişilebilir. Bir tesis tasarımının temel yönleri belirlendikten sonra makine ve elektrik mühendisleri tesisin mekanik ve elektrik ile ilgili detaylarıyla ilgilenebilirler. İnşaat mühendisleri, tesisteki yapıların üniteleri, boru hatlarını ve diğer ekipmanların ağırlığını taşıyabilmesini sağlamak için tesis tasarımına dahil olabilirler.
Kimyasal tesislerin veya proseslerin üniteleri, akımları ve akışkan sistemleri çok basitleştirilmiş diyagramlar olan blok akış şemaları veya daha ayrıntılı olan proses akış şemaları ile gösterilebilir. Akımlar ve diğer boru hatları, ok başlarının akış yönünü gösterdiği çizgilerle gösterilir. Blok şemalarda, birimler genellikle basit dörtgen bloklar ile gösterilir. Proses akış şemaları ise daha detaylı semboller kullanır ve pompaları, kompresörleri ve ana vanaları da gösterebilir. Çeşitli akımlar için akış debilerinin muhtemel değerleri veya aralıkları, istenen tesis kapasitesine göre gerekli kütle dengelerinin kurulup hesaplanmasıyla belirlenir. Çeşitli yerlerde ihtiyaç duyulan ısıtma ve soğutma miktarlarını hesaplamak ve ısı değiştiricilerini boyutlandırmak için reaksiyon ısılarının, ısı kapasitelerinin, beklenen sıcaklıkların ve çeşitli noktalardaki basınçların esas alınmasıyla da enerji dengeleri kurulur. Kimyasal tesisinin tasarımı, tüm boru tesisatını, vanaları ve ölçüm cihazlarını özel sembollerle gösteren bir borulandırma ve enstrümantasyon şemasında (P&ID) daha ayrıntılı olarak gösterilebilir. Bir tesisin tamamının bir borulandırma ve enstrümantasyon şemasında gösterilmesi genellikle zor ve karmaşıktır, bu nedenle çoğu zaman sadece tek bir ünite veya akış sistemi bu şema çeşidi ile gösterilir.
Tesis tasarımında ünitelerin her biri sahip olmaları gereken maksimum kapasite için boyutlandırılır. Benzer şekilde borular, pompalar, kompresörler ve ilgili ekipmanların boyutları, sağlamakta zorunlu oldukları akış kapasitelerine göre seçilir. Elektrik ve su temini gibi servis akımları da tesis tasarımına dahil edilmelidir. Tesisin veya ünitenin başlatılması ve kapatılması gibi rutin veya alternatif işletme prosedürleri için de tesise ek boru hatlarının dahil edilmesi gerekebilir. Akışkan sistemlerinin tasarımında genellikle bir tesisin çeşitli ünitelerinin veya bölümlerinin etrafına izolasyon vanaları kullanılır. Böylece bir ünitede sızıntı gibi bir sorun olması durumunda tesisin istenilen kısmı izole edilebilir. Pnömatik veya hidrolik olarak çalıştırılan vanalar kullanıldığında sürücü sistemlere bir basınç hatlarının eklenmesi gereklidir. Tesis boyunca numune alınması gereken noktalardaki vanalar ve numune alma hatları ayrıntılı tasarıma dahil edilmelidir. Gerektiği durumlarda numune alma hattının basıncını ve sıcaklığını düşürecek basınç düşürme vanası ve numune soğutucu gibi ekipmanlar konulmalıdır.
Tesisteki tüm tanklar, borular hatları, vanalar, pompalar, kompresörler ve diğer tüm ünite ve akışkan sistemleri, karşılaşabilecekleri bütün sıcaklık, basınç ve diğer koşullara dayanabilecek şekilde derecelendirilmeli veya tasarlanmalıdır. Buna uygun tüm güvenlik faktörleri de bu duruma dahildir. Tüm bu üniteler ve ekipmanlar, temas edecekleri kimyasallara uzun süre maruz kalmaya dayanabilmelerini sağlamak için malzeme uyumluluğu açısından da kontrol edilmelidir. Isıtma, ekzotermik reaksiyonlar veya bazı pompalar ve kompresörler gibi derecelendirmesinin muhtemelen ötesinde bir basınçla çalışacak kapalı sistemlerde, güvenliği sağlamak ve aşırı basınç oluşmasını önlemek için uygun boyutta bir basınç tahliye vanası bulunmalıdır. Genelde bu parametrelerin tümü (sıcaklıklar, basınçlar, akış vb.) tesisin bilinen bir ciddi tehlike riski içermemesinden emin olmak amacıyla, Hazop veya hata ağacı analizi ile birlikte kapsamlı bir şekilde analiz edilir.
Tesisin tabi olduğu tüm kısıtlamalar dahilinde, tasarım parametreleri, bir yandan çalışanların ve etraftaki halkın güvenliği ve refahını sağlarken bir yandan da iyi bir ekonomik performans göstermek için optimize edilir. Bir tesis, ham madde veya ekonomik koşulların değişebileceği ve yeniden optimizasyonun gerekli olabileceği durumlar göz önünde bulundurularak esnekliği sağlamak için uygun tasarım parametreleri aralığında çalışacak şekilde tasarlanabilir. Günümüzde kimyasal tesisi tasarımı ve optimizasyonuna yardımcı olmak için bilgisayar simülasyonları veya diğer benzeri bilgisayar hesaplamaları kullanılmaktadır.