Süreç mühendisliği

Süreç mühendisliği (veya proses mühendisliği), insanların hammaddeleri ve enerjiyi endüstriyel düzeyde toplum için yararlı ürünlere dönüştürmesini sağlayan temel ilkelerin ve doğa kanunlarının anlaşılması ve uygulanmasıdır. Süreç mühendisleri, basınç, sıcaklık ve derişim gradyanları gibi doğadaki itici güçlerden ve kütlenin korunumu yasasından yararlanarak, istenilen kimyasal ürünleri büyük miktarlarda sentezlemek ve saflaştırmak için yöntemler geliştirebilirler. Süreç mühendisliği, kimyasal, fiziksel ve biyolojik süreçlerin tasarımı, işletimi, kontrolü, optimizasyonu ve yoğunlaştırılmasına odaklanır. Süreç mühendisliği, tarım, otomotiv, biyoteknik, kimya, gıda, malzeme geliştirme, madencilik, nükleer, petrokimya, ilaç ve yazılım geliştirme gibi çok çeşitli endüstrileri kapsamaktadır. Sistematik bilgisayar tabanlı yöntemlerin süreç mühendisliğine uygulanmasına "süreç sistemleri mühendisliği" adı verilir.
Genel bakış
Süreç mühendisliği, birden fazla araç ve yöntemin kullanılmasını kapsar. Sistemin tam yapısına bağlı olarak matematik ve bilgisayar bilimlerinin kullanılmasıyla süreçlerin modellenmesi ve simülasyonunun yapılması gerekir. Faz değişimi ve faz dengesiyle ilgili süreçler, enerji ve verimlilikteki değişikliklerin miktarının belirlenebilmesi için termodinamiğin ilke ve yasalarını kullanılarak analiz yapılmasını gerektirir. Buna karşın, madde ve enerji akışına odaklanan süreçler dengeye ulaştıkça en iyi akışkanlar mekaniği ve taşınım olayı disiplinleri kullanılarak analiz edilir. Akışkanların ya da gözenekli ve dağınık ortamların varlığında mekanik alanındaki disiplinlerin uygulanması gerekir. Gerektiğinde malzeme mühendisliği ilkelerinin de kullanılması gerekmektedir.
Süreç mühendisliği alanındaki imalatlarda süreç sentezi adımları uygulanır. Süreç mühendisliğiyle oluşturulan endüstriyel süreçler, madde akış yollarının, depolama ekipmanlarının, dönüşüm ekipmanlarının (distilasyon kolonları, dolum/tepe tankları, karıştırma tankı, ayırma işlemi, pompa vb.) ve debilerin yanı sıra boru ve konveyör listesi, taşınanların isimleri, yoğunluk, viskozite, tane büyüklüğü dağılımı, debiler, basınçlar, sıcaklıklar ve borulama ve süreçteki birim işlemlerin yapı malzemelerinin gösterildiği proses akış şeması (PFD) ile gösterilir.
Proses akış şeması hazırlandıktan sonra, gerçekleştirilen sürecin asıl halinin grafiksel olarak gösteren bir borulama ve enstrümantasyon şeması (P&ID) geliştirmek için kullanılır. P&ID, bir PFD'den daha karışık ve detaylıdır. Hazırlanan P&ID, teknik şartname ve tasarım kriteri dokümanlarının hazırlanması için bir temel tasarım belgesi olarak kullanılır. P&ID'ler ekipman ve borulama tasarımı, fiyat belirleme ve satın alma için kullanıldığı gibi, tesis inşaatının ilerleyişinin izlenmesi ve operatörlerin eğitimi için de kullanılır.
P&ID'deki bilgilerden, süreç için kuşbakışı (saha planı) ve yandan bir plan (genel yerleşim) hazırlanabilir. Saha işleri (toprak taşıma), temel tasarımı, beton plak tasarım işi, ekipmanı desteklemek için yapı çeliği vb. işler için inşaat mühendisleri ve diğer mühendislik disiplinleri dahil edilir. Tüm önceki çalışmalar, projenin kapsamını tanımlamaya ve ardından yapılan tasarımın sahada kurulmasını sağlamak için bir maliyet tahmini yapmaya, mühendislik, tedarik, imalat, kurulum, devreye alma, başlatma ve endüstriyel sürecin sürekli üretime geçmesi için gereken zamanlama çin bir çizelge geliştirmeye yöneliktir.
Maliyet tahmini için ihtiyaç duyulan kesinliğe ve zamanlama gerekliliklerine bağlı olarak genellikle gereksinimleri hakkında geri bildirim yapan müşterilere veya paydaşlara çeşitli tasarım tekrarları sağlanır. Süreç mühendisi, bu ek talimatları (diğer bir deyişle kapsam revizyonları) tüm tasarıma dahil eder ve bunun üzerinden finansman onayının alınması için ek maliyet tahminleri ve zaman çizelgeleri oluşturulur. Finansman onayını takiben proje, proje yönetim birimi üzerinden yürütülür.
Süreç mühendisliğindeki başlıca faaliyet alanları
Süreç mühendisliği faaliyetleri aşağıdaki disiplinlere ayrılabilir:
Proses tasarımı: Enerji geri kazanım ağlarının sentezi, damıtma sistemlerinin sentezi (azeotropik damıtma da olabilir), reaktör ağlarının sentezi, akış şemalarının hiyerarşik olarak birbirinden ayrılması, üstyapı optimizasyonu, birden fazla ürün üreten kesikli tesislerin tasarımı. Uç örnekler arasında plütonyum imalatı için üretim reaktörlerinin tasarımı ve nükleer denizaltıların tasarımı verilebilir.
Proses kontrol: Üç temel öğe olan ölçümler topluluğu, ölçüm yapma yöntemi ve istenilen ölçümü kontrol edebilmek için bir sistem ile ifade edilen model öngörülü kontrol, kontrol edilebilirlik ölçüleri, dayanıklı kontrol, doğrusal olmayan kontrol, istatistiksel proses kontrol, proses izleme, termodinamik tabanlı kontrol.
Proses operasyonları: Süreç ağlarının zamanlanması, çok dönemli planlama ve optimizasyon, veri mutabakatı, gerçek zamanlı optimizasyon, esneklik ölçümleri, arıza teşhisi.
Destekleyici araçlar: Sıralı modüler simülasyon, denklem tabanlı süreç simülasyonu, AI/uzman sistemler, büyük ölçekli doğrusal olmayan programlama (NLP), cebirsel diferansiyel denklemlerin optimizasyonu, karışık tam sayılı doğrusal olmayan programlama (MINLP), küresel optimizasyon, belirsizlik altında optimizasyon, ve kalite fonksiyon yayılımı (QFD).
Süreç ekonomisi: Tesisin ısı ve kütle aktarımının analizinden sonra başabaş noktasını, net bugünkü değerini, marjinal satışlarını, marjinal maliyetini, yatırım getirisini bulmak için Aspen, Super-Pro gibi simülasyon yazılımlarının kullanılmasını kapsar.
Süreç Veri Analizi: Süreçteki üretim sorunları için veri analizi ve makine öğrenimi yöntemlerinin uygulanması.
Süreç mühendisliğinin tarihi
Çok eski zamanlardan beri endüstriyel süreçlerde çeşitli kimyasal teknikler kullanılmıştır. Ancak 1780'lerde termodinamiğin ve kütlenin korunumu yasasının ortaya çıkışına kadar süreç mühendisliği düzgün bir şekilde geliştirilip kendi başına bir disiplin olarak uygulanmadı. Şimdi süreç mühendisliği olarak bilinen bilgi topluluğu, Sanayi Devrimi boyunca deneme yanılma yoluyla gelişti.
Sanayi ve üretim ile ilgili süreç (veya proses) teriminin kullanımı, 18. yüzyıla kadar uzanır. Bu süre zarfında, çeşitli ürünlere yönelik talepler büyük ölçüde arttı ve bu ürünlerin oluşturulduğu süreçleri optimize etmek için süreç mühendislerine ihtiyaç duyuldu.
1980 yılına gelindiğinde, süreç mühendisliği kavramı, kimya mühendisliği tekniklerinin ve uygulamalarının çeşitli endüstrilerde kullanılması gerçeğinden ortaya çıktı. Söz konusu zamana kadar süreç mühendisliği, "malzemenin değiştiği süreçleri en uygun şekilde tasarlamak, analiz etmek, geliştirmek, inşa etmek ve işletmek için gerekli bilgi topluluğu" olarak tanımlanıyordu. Süreç mühendisliği, 20. yüzyılın sonuna gelindiğinde, kimya mühendisliğine dayalı teknolojilerden, metalurji mühendisliği, ziraat mühendisliği ve ürün mühendisliği gibi diğer uygulamalara doğru genişledi.