مصنع كيميائي

المصنع الكيميائي هو منشأة صناعية تُصنّع (أو تُعالج) المواد الكيميائية ، عادةً على نطاق واسع. ^{[ 1 ]} الهدف العام للمصنع الكيميائي هو إنتاج موارد جديدة من خلال التحويل الكيميائي أو البيولوجي للمواد أو فصلها. ^{[ 2 ]} تستخدم المصانع الكيميائية معدات ووحدات وتقنيات متخصصة في عملية التصنيع. أما أنواع المصانع الأخرى، مثل مصانع البوليمرات والأدوية والأغذية وبعض المشروبات، ومحطات توليد الطاقة ، ومصافي النفط ، ومصانع معالجة الغاز الطبيعي والكيميائية الحيوية، ومحطات معالجة المياه والصرف الصحي ، ومعدات مكافحة التلوث ، فتستخدم العديد من التقنيات المشابهة لتقنيات المصانع الكيميائية، مثل أنظمة السوائل وأنظمة المفاعلات الكيميائية. وقد يعتبر البعض مصفاة النفط أو مصنع الأدوية أو البوليمرات مصنعًا كيميائيًا.

تُقام مصانع البتروكيماويات (المصانع التي تستخدم المواد الكيميائية المشتقة من البترول كمادة خام ) عادةً بجوار مصافي النفط لتقليل تكاليف نقل المواد الخام المنتجة من المصفاة. أما مصانع الكيماويات المتخصصة ^{[ 3 ]} ومصانع الكيماويات الدقيقة ، فهي عادةً أصغر حجمًا وأقل تأثرًا بالموقع. وقد طُوّرت أدوات لتحويل تكلفة المشروع الأساسية من موقع جغرافي إلى آخر. ^{[ 4 ]}

تستخدم المصانع الكيميائية عمليات كيميائية ، وهي أساليب تفصيلية تُنفذ على نطاق صناعي واسع، لتحويل المواد الكيميائية الأولية إلى منتجات. ويمكن استخدام العملية الكيميائية نفسها في أكثر من مصنع، مع اختلاف محتمل في القدرات الإنتاجية لكل مصنع. كما يمكن تصميم المصنع الكيميائي في موقع واحد بحيث يستخدم أكثر من عملية كيميائية، على سبيل المثال لإنتاج منتجات متعددة.

عادةً ما تحتوي المصانع الكيميائية على أوعية أو أقسام كبيرة تُسمى وحدات أو خطوط ، متصلة ببعضها البعض بواسطة أنابيب أو معدات أخرى لنقل المواد، والتي بدورها تنقل تيارات من المواد. قد تشمل هذه التيارات سوائل ( غازات أو سوائل تُنقل عبر الأنابيب) أو مواد صلبة أو مخاليط مثل الملاط . تتكون العملية الكيميائية الشاملة عادةً من خطوات تُسمى عمليات الوحدة ، والتي تحدث في الوحدات الفردية. تُسمى المادة الخام التي تدخل إلى عملية كيميائية أو مصنع كمدخل لتحويلها إلى منتج، عادةً بالمواد الأولية ، أو ببساطة العلف . بالإضافة إلى المواد الأولية للمصنع ككل، يمكن اعتبار تيار المواد الداخلة للمعالجة في وحدة معينة بمثابة علف لتلك الوحدة. تُعد تيارات المخرجات من المصنع ككل منتجات نهائية، وفي بعض الأحيان قد تُعتبر تيارات المخرجات من وحدات فردية منتجات وسيطة لتلك الوحدات. مع ذلك، قد تكون المنتجات النهائية من مصنع ما مواد كيميائية وسيطة تُستخدم كمواد أولية في مصنع آخر لمزيد من المعالجة. على سبيل المثال، قد تُستخدم بعض منتجات مصفاة نفط كمواد أولية في مصانع البتروكيماويات، والتي بدورها قد تُنتج مواد أولية لمصانع الأدوية.

قد تكون المواد الخام أو المنتجات أو كلاهما مركبات منفردة أو مخاليط. وغالبًا ما لا يكون من المجدي فصل مكونات هذه المخاليط بشكل كامل؛ إذ تعتمد مستويات النقاء المطلوبة على متطلبات المنتج وجدوى العملية الاقتصادية.

تُجرى عمليات محددة في وحدات خاصة. ورغم أن بعض الوحدات قد تعمل عند درجة حرارة أو ضغط الغرفة، فإن العديد منها يعمل عند درجات حرارة أو ضغوط أعلى أو أقل. غالبًا ما تكون الأوعية في المصانع الكيميائية أسطوانية الشكل ذات نهايات مستديرة، وهو شكل مناسب لتحمل الضغط العالي أو الفراغ . يمكن للتفاعلات الكيميائية تحويل أنواع معينة من المركبات إلى مركبات أخرى في المفاعلات الكيميائية . قد تكون المفاعلات الكيميائية ذات طبقات معبأة ، وقد تحتوي على محفزات صلبة غير متجانسة تبقى داخل المفاعلات أثناء مرور السوائل، أو قد تكون ببساطة أوعية مُحَرَّكة تحدث فيها التفاعلات. نظرًا لأن سطح المحفزات الصلبة غير المتجانسة قد يتعرض أحيانًا للتلوث بسبب رواسب مثل فحم الكوك ، فقد يكون من الضروري تجديد المحفزات. كما يمكن استخدام الطبقات المميعة في بعض الحالات لضمان خلط جيد. قد توجد أيضًا وحدات (أو وحدات فرعية) للخلط (بما في ذلك الإذابة)، والفصل ، والتسخين، والتبريد، أو مزيج من هذه العمليات. على سبيل المثال، غالبًا ما تحتوي المفاعلات الكيميائية على نظام تقليب للخلط، وأنظمة تسخين أو تبريد للحفاظ على درجة الحرارة. عند تصميم المصانع على نطاق واسع، يجب مراعاة الحرارة الناتجة أو الممتصة من التفاعلات الكيميائية . قد تحتوي بعض المصانع على وحدات مزودة بمزارع كائنات حية لإجراء عمليات كيميائية حيوية مثل التخمر أو إنتاج الإنزيمات .

تشمل عمليات الفصل الترشيح ، والترسيب ، والاستخلاص أو الترشيح، والتقطير ، وإعادة التبلور أو الترسيب (متبوعًا بالترشيح أو الترسيب)، والتناضح العكسي ، والتجفيف ، والامتزاز . تُستخدم المبادلات الحرارية غالبًا للتسخين أو التبريد، بما في ذلك الغليان أو التكثيف ، وغالبًا ما تُستخدم بالتزامن مع وحدات أخرى مثل أبراج التقطير. قد توجد أيضًا خزانات تخزين لحفظ المواد الخام، أو المنتجات الوسيطة أو النهائية، أو النفايات. تحتوي خزانات التخزين عادةً على مؤشرات مستوى لإظهار مدى امتلائها. قد توجد هياكل تحمل أو تدعم وحدات ضخمة أحيانًا ومعداتها المرتبطة بها. غالبًا ما توجد سلالم أو درجات أخرى ليتمكن الموظفون من الوصول إلى نقاط في الوحدات لأخذ العينات أو الفحص أو الصيانة. تُسمى منطقة في مصنع أو منشأة بها العديد من خزانات التخزين أحيانًا بمزرعة خزانات ، خاصة في مستودعات النفط .

تشمل أنظمة نقل السوائل والغازات أنابيب ذات أقطار مختلفة، وأنواعًا متعددة من الصمامات للتحكم في التدفق أو إيقافه، ومضخات لنقل السوائل أو ضغطها، وضواغط لنقل الغازات أو ضغطها. تُغطى الأوعية والأنابيب، وأحيانًا المعدات الأخرى في درجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة جدًا، عادةً بعوازل لحماية الأفراد والحفاظ على درجة الحرارة الداخلية. تحتوي أنظمة ووحدات السوائل عادةً على أجهزة قياس ، مثل مجسات درجة الحرارة والضغط وأجهزة قياس التدفق ، في مواقع محددة داخل المصنع. وقد شاع استخدام أجهزة التحليل المتصلة بالإنترنت لتحليل الخصائص الكيميائية أو الفيزيائية. يمكن استخدام المذيبات أحيانًا لإذابة المواد المتفاعلة أو المواد الصلبة لاستخلاصها أو ترشيحها، لتوفير وسط مناسب لإجراء تفاعلات كيميائية معينة، أو لمعاملتها كسوائل.

اليوم، يتولى مهندسو الكيمياء الجوانب الأساسية لتصميم المصانع الكيميائية . تاريخيًا، لم يكن هذا هو الحال دائمًا، فقد شُيِّدت العديد من المصانع الكيميائية بشكل عشوائي قبل أن يترسخ تخصص الهندسة الكيميائية . تأسست الهندسة الكيميائية كمهنة في المملكة المتحدة عندما قُدِّم أول مقرر دراسي في الهندسة الكيميائية بجامعة مانشستر عام ١٨٨٧ على يد جورج إي. ديفيس، وكان عبارة عن اثنتي عشرة محاضرة غطت جوانب مختلفة من الممارسات الكيميائية الصناعية. ^{[ ٥ ]} ونتيجة لذلك، يُعتبر جورج إي. ديفيس أول مهندس كيميائي في العالم. واليوم، تُعد الهندسة الكيميائية مهنة، ويمكن لمهندسي الكيمياء المحترفين ذوي الخبرة الحصول على لقب "مهندس معتمد" من خلال معهد المهندسين الكيميائيين .

في تصميم المصانع، عادةً ما تقل نسبة الأفكار التي تُطرح للتسويق عن 1%. خلال عملية الحل هذه، تُستخدم دراسات التكلفة عادةً كفحص أولي لاستبعاد التصاميم غير المربحة. إذا بدت عملية ما مربحة، تُؤخذ عوامل أخرى في الاعتبار، مثل السلامة، والقيود البيئية، وإمكانية التحكم، وما إلى ذلك. ^{[ 2 ]} الهدف العام في تصميم المصانع هو بناء أو توليف "تصاميم مثالية" ضمن نطاق القيود المطلوبة. ^{[ 6 ]}

في كثير من الأحيان، يُجري الكيميائيون أبحاثًا حول التفاعلات الكيميائية أو المبادئ الكيميائية الأخرى في المختبر ، عادةً على نطاق صغير ضمن تجربة تُجرى على دفعات. ثم يستخدم مهندسو الكيمياء المعلومات الكيميائية المُستقاة، إلى جانب خبراتهم، لتحويلها إلى عملية كيميائية وتوسيع نطاق حجم الدفعة أو الطاقة الإنتاجية. عادةً، يُبنى مصنع كيميائي صغير يُسمى المصنع التجريبي لتوفير معلومات التصميم والتشغيل قبل إنشاء مصنع كبير. وبناءً على البيانات وخبرة التشغيل المُستقاة من المصنع التجريبي، يُمكن تصميم مصنع مُوسّع بطاقة إنتاجية أعلى أو بكامل طاقته. بعد تحديد الجوانب الأساسية لتصميم المصنع، قد يُشارك مهندسو الميكانيكا أو الكهرباء في التفاصيل الميكانيكية أو الكهربائية، على التوالي. وقد يُشارك مهندسو الإنشاءات في تصميم المصنع لضمان قدرة الهياكل على تحمل وزن الوحدات والأنابيب والمعدات الأخرى.

يمكن تمثيل وحدات وتدفقات وأنظمة السوائل في المصانع أو العمليات الكيميائية باستخدام مخططات التدفق الكتلية ، وهي مخططات مبسطة للغاية، أو مخططات تدفق العمليات ، وهي أكثر تفصيلاً. تُعرض التدفقات والأنابيب الأخرى كخطوط برؤوس أسهم تُشير إلى الاتجاه المعتاد لتدفق المواد. في المخططات الكتلية، تُعرض الوحدات عادةً على شكل كتل. قد تستخدم مخططات تدفق العمليات رموزًا أكثر تفصيلاً، وتُظهر المضخات والضواغط والصمامات الرئيسية. تُحدد القيم أو النطاقات المحتملة لمعدلات تدفق المواد للتدفقات المختلفة بناءً على سعة المصنع المطلوبة باستخدام حسابات موازنة المواد. كما تُجرى موازنات الطاقة بناءً على حرارة التفاعل ، والسعات الحرارية ، ودرجات الحرارة والضغوط المتوقعة عند نقاط مختلفة لحساب كميات التسخين والتبريد اللازمة في أماكن مختلفة، ولتحديد حجم المبادلات الحرارية. يمكن عرض تصميم المصنع الكيميائي بتفصيل أكبر في مخطط الأنابيب والأجهزة (P&ID)، الذي يُظهر جميع الأنابيب والصمامات وأجهزة القياس، عادةً برموز خاصة. غالباً ما يكون عرض المصنع بأكمله أمراً معقداً في مخططات الأنابيب والأجهزة (P&ID)، لذلك غالباً ما يتم عرض الوحدات الفردية أو أنظمة السوائل المحددة فقط في مخطط واحد للأنابيب والأجهزة.

في تصميم المصنع، تُحدد أحجام الوحدات وفقًا لأقصى سعة قد تحتاج كل منها إلى التعامل معها. وبالمثل، تُختار أحجام الأنابيب والمضخات والضواغط والمعدات المرتبطة بها بناءً على سعة التدفق التي يجب أن تتعامل معها. كما يجب تضمين أنظمة المرافق، مثل الطاقة الكهربائية وإمدادات المياه ، في تصميم المصنع. وقد يلزم إضافة خطوط أنابيب إضافية لإجراءات التشغيل غير الروتينية أو البديلة، مثل بدء تشغيل المصنع أو الوحدات وإيقافها. يتضمن تصميم أنظمة السوائل عادةً صمامات عزل حول مختلف الوحدات أو أجزاء المصنع، بحيث يمكن عزل قسم من المصنع في حالة حدوث مشكلة، مثل تسرب في إحدى الوحدات. في حال استخدام صمامات تعمل بالهواء المضغوط أو الهيدروليكي، يلزم وجود نظام خطوط ضغط للمشغلات. يجب أن تتضمن أي نقاط قد يلزم فيها أخذ عينات من العملية خطوط أخذ العينات والصمامات وإمكانية الوصول إليها في التصميم التفصيلي. عند الضرورة، يجب اتخاذ تدابير لخفض الضغط أو درجة الحرارة العالية لتيار أخذ العينات، مثل تضمين صمام تخفيض الضغط أو مبرد للعينات.

يجب أن تكون الوحدات وأنظمة السوائل في المصنع، بما في ذلك جميع الأوعية والأنابيب والصمامات والمضخات والضواغط وغيرها من المعدات، مصممة أو مُصنفة لتحمل كامل نطاق الضغوط ودرجات الحرارة والظروف الأخرى التي قد تواجهها، مع مراعاة عوامل الأمان المناسبة . كما يجب فحص جميع هذه الوحدات والمعدات للتأكد من توافق المواد المستخدمة فيها ، لضمان قدرتها على تحمل التعرض طويل الأمد للمواد الكيميائية التي ستتلامس معها. أي نظام مغلق في المصنع مزود بوسائل ضغط قد تتجاوز قدرة معداته، مثل التسخين أو التفاعلات الطاردة للحرارة أو بعض المضخات أو الضواغط، يجب أن يحتوي على صمام تخفيف ضغط مناسب الحجم لمنع زيادة الضغط حفاظًا على السلامة. غالبًا ما تُحلل جميع هذه المعايير (درجات الحرارة، والضغوط، والتدفق، إلخ) بشكل شامل ومتكامل من خلال تحليل المخاطر التشغيلية (HAZOP) أو تحليل شجرة الأعطال ، لضمان خلو المصنع من أي مخاطر جسيمة معروفة.

في ظل أي قيود تخضع لها المنشأة، تُحسَّن معايير التصميم لتحقيق أداء اقتصادي جيد مع ضمان سلامة ورفاهية العاملين والمجتمع المحيط. ولزيادة المرونة، قد تُصمَّم المنشأة للعمل ضمن نطاق محدد حول معايير التصميم المثلى في حال تغير المواد الخام أو الظروف الاقتصادية، مما يستدعي إعادة التحسين. وفي العصر الحديث، تُستخدم المحاكاة الحاسوبية أو غيرها من الحسابات الحاسوبية للمساعدة في تصميم أو تحسين المنشآت الكيميائية.

تتمركز مصانع الكيماويات، وخاصةً تلك المستخدمة في تصنيع المواد الكيميائية والبتروكيماوية الأساسية ، في عدد قليل نسبيًا من مواقع التصنيع حول العالم، ويعود ذلك في الغالب إلى متطلبات البنية التحتية. ويُعدّ هذا الأمر أقل أهمية بالنسبة لمصانع الكيماويات المتخصصة أو الدقيقة . لا تُنتج جميع المواد الكيميائية الأساسية/البتروكيماوية في موقع واحد، ولكن غالبًا ما تُنتج مجموعات من المواد ذات الصلة في مواقع محددة، وذلك لتحقيق التكامل الصناعي، فضلًا عن كفاءة استخدام المواد والطاقة والمرافق، وغيرها من وفورات الحجم . غالبًا ما تضم ​​هذه المواقع الصناعية تجمعات من الوحدات تُسمى مصانع الكيماويات، والتي تتشارك في المرافق والبنية التحتية واسعة النطاق، مثل محطات توليد الطاقة، ومرافق الموانئ، ومحطات الطرق والسكك الحديدية. في المملكة المتحدة، على سبيل المثال، توجد أربعة مواقع رئيسية لتصنيع المواد الكيميائية الأساسية: بالقرب من نهر ميرسي في شمال غرب إنجلترا، وعلى نهر هامبر على الساحل الشرقي ليوركشاير، وفي غرانجماوث بالقرب من خور فورث في اسكتلندا، وفي تيسسايد كجزء من تجمع صناعات المعالجة في شمال شرق إنجلترا (NEPIC). ^{[ 7 ]} يتم إنتاج ما يقرب من 50٪ من البتروكيماويات في المملكة المتحدة، والتي تعتبر أيضًا مواد كيميائية أساسية، من قبل شركات التجمع الصناعي في تيسايد عند مصب نهر تيز في ثلاث حدائق كيميائية كبيرة في ويلتون ، ^{[ 8 ]} بيلينجهام وسيل ساندز .

يُعدّ التآكل في مصانع العمليات الكيميائية مشكلة رئيسية تُكلّف مليارات الدولارات سنويًا. ويُلاحظ التآكل الكهروكيميائي للمعادن بشكلٍ واضح في هذه المصانع نتيجةً لوجود الأبخرة الحمضية والتفاعلات الكهروكيميائية الأخرى. ومؤخرًا، بدأ استخدام البلاستيك المُقوّى بالألياف (FRP ) كمادة بناء. ويُستخدم المعيار البريطاني BS4994 على نطاق واسع في تصميم وبناء الأوعية والخزانات وغيرها.

• الصناعات الكيميائية
• نمذجة العمليات الكيميائية
• خزانات وأوعية من الألياف الزجاجية المقواة بالبلاستيك - معدات مصانع المعالجة الكيميائية المصنوعة من الألياف الزجاجية المقواة بالبلاستيك
• BS4994
• المعدات الكهربائية في المناطق الخطرة
• الأجهزة في الصناعات البتروكيماوية
• حادث كيميائي
• مؤشرات تكلفة المصانع الكيميائية
• المواد الكيميائية الدقيقة
• المواد الكيميائية المتخصصة
• البتروكيماويات
• تجمع الصناعات التحويلية في شمال شرق إنجلترا
• معهد المهندسين الكيميائيين
• الرسم البياني S
• عمليات الوحدة

• لجنة معايير ASME B73، مضخات المعايير الكيميائية
• هيلموس، فرانك ب. (2008). تصميم مصانع المعالجة  : إدارة المشاريع من الاستفسار إلى القبول . فاينهايم: وايلي-في سي إتش. رقم ISBN 978-3527313136.
• كليتز، تريفور (2010). مصانع المعالجة  : دليل للتصميم الآمن بطبيعته (  الطبعة الثانية). بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي/تايلور وفرانسيس. رقم ISBN 978-1439804551.
• تاولر، جافين؛ راي سينوت (2013). تصميم الهندسة الكيميائية: مبادئ وممارسات واقتصاديات تصميم المصانع والعمليات (  الطبعة الثانية). أكسفورد: باتروورث-هاينمان. ISBN 9780080966595.
• فوغل، جي. هربرت (2005). تطوير العمليات  : من الفكرة الأولية إلى مصنع الإنتاج الكيميائي (الطبعة الأولى، طبعة مُعاد  طباعتها). فاينهايم: وايلي-في سي إتش. رقم ISBN 978-3527310890.
• ماكس ستون بيترز؛ كلاوس ديتر تيمرهاوس؛ رونالد إيميت ويست (2003). تصميم المصانع واقتصادياتها لمهندسي الكيمياء (  الطبعة الخامسة). نيويورك: ماكجرو هيل. ISBN 978-0072392661.
• مصنع كيميائي