Химический завод — это промышленный технологический завод , который производит (или иным образом перерабатывает) химикаты , как правило, в больших масштабах. [1] Общей целью химического завода является создание нового материального богатства посредством химического или биологического преобразования и/или разделения материалов. [2] Химические заводы используют специализированное оборудование, агрегаты и технологии в процессе производства. Другие виды заводов, такие как полимерные, фармацевтические, пищевые и некоторые производственные мощности по производству напитков, электростанции , нефтеперерабатывающие заводы или другие нефтеперерабатывающие заводы , перерабатывающие природный газ и биохимические заводы, очистка воды и сточных вод , а также оборудование для контроля загрязнения , используют многие технологии, которые имеют сходство с технологией химического завода, такие как жидкостные системы и системы химических реакторов. Некоторые посчитали бы нефтеперерабатывающий завод или производителя фармацевтической продукции или полимеров фактически химическим заводом.
Нефтехимические заводы (заводы, использующие химикаты из нефти в качестве сырья или сырья ) обычно располагаются рядом с нефтеперерабатывающим заводом, чтобы минимизировать транспортные расходы на сырье, производимое на нефтеперерабатывающем заводе. Специализированные химические [3] и тонкие химические заводы обычно намного меньше и не так чувствительны к местоположению. Были разработаны инструменты для преобразования базовой стоимости проекта из одного географического местоположения в другое. [4]
Химические заводы используют химические процессы , которые являются подробными методами промышленного масштаба, для преобразования исходных химикатов в продукты. Один и тот же химический процесс может использоваться на нескольких химических заводах, возможно, с разными масштабами мощностей на каждом заводе. Кроме того, химический завод на участке может быть построен для использования более одного химического процесса, например, для производства нескольких продуктов.
Химический завод обычно имеет обычно большие сосуды или секции, называемые блоками или линиями , которые соединены между собой трубопроводом или другим оборудованием для перемещения материалов, которое может переносить потоки материалов. Такие потоки материалов могут включать жидкости ( газ или жидкость, транспортируемые по трубопроводу) или иногда твердые вещества или смеси, такие как шламы . Общий химический процесс обычно состоит из шагов, называемых единичными операциями , которые происходят в отдельных блоках. Сырье, поступающее в химический процесс или на завод в качестве входного материала для преобразования в продукт, обычно называется исходным сырьем или просто сырьем . В дополнение к исходному сырью для завода в целом, входной поток материала, который должен быть обработан в определенном блоке, может аналогичным образом считаться сырьем для этого блока. Выходные потоки с завода в целом являются конечными продуктами, а иногда выходные потоки с отдельных блоков могут считаться промежуточными продуктами для их блоков. Однако конечные продукты с одного завода могут быть промежуточными химикатами, используемыми в качестве исходного сырья на другом заводе для дальнейшей обработки. Например, некоторые продукты нефтеперерабатывающего завода могут использоваться в качестве сырья на нефтехимических заводах, которые, в свою очередь, могут производить сырье для фармацевтических заводов.
Либо исходное сырье, либо продукт(ы), либо оба могут быть отдельными соединениями или смесями. Часто нецелесообразно полностью разделять компоненты в этих смесях; конкретные уровни чистоты зависят от требований к продукту и экономики процесса.
Химические процессы могут осуществляться непрерывно или периодически .
При пакетном производстве производство происходит последовательными шагами в дискретных партиях. Партия исходного сырья подается (или загружается ) в процесс или установку, затем происходит химический процесс, затем продукт (продукты) и любые другие продукты удаляются. Такое пакетное производство может повторяться снова и снова с новыми партиями исходного сырья. Пакетное производство обычно используется на небольших заводах, таких как производство фармацевтических или специальных химикатов, в целях улучшения прослеживаемости, а также гибкости. Непрерывные заводы обычно используются для производства товаров или нефтехимии , в то время как пакетные заводы более распространены в специализированном и тонком химическом производстве, а также в производстве активных фармацевтических ингредиентов (API).
При непрерывной работе все этапы происходят непрерывно во времени. [5] При обычной непрерывной работе подача и удаление продукта представляют собой непрерывные потоки движущегося материала, которые вместе с самим процессом происходят одновременно и непрерывно. Химические заводы или установки при непрерывной работе обычно находятся в устойчивом состоянии или приблизительно в устойчивом состоянии. Установившееся состояние означает, что величины, связанные с процессом, не изменяются с течением времени во время работы. К таким постоянным величинам относятся скорости потока , скорости нагрева или охлаждения, температуры , давления и химические составы в любой заданной точке (местоположении). Непрерывная работа более эффективна во многих крупномасштабных операциях, таких как нефтеперерабатывающие заводы. Некоторые установки могут работать непрерывно, а другие — в периодическом режиме на химическом заводе; например, см. Непрерывная перегонка и Периодическая перегонка . Количество первичного сырья или продукта за единицу времени, которое может переработать завод или установка, называется производительностью этого завода или установки. Например: производительность нефтеперерабатывающего завода может быть указана в баррелях сырой нефти, перерабатываемой в день; альтернативно мощность химического завода может быть указана в тоннах продукции, произведенной в день. В реальной ежедневной работе завод (или установка) будет работать на процент от своей полной мощности. Инженеры обычно предполагают 90% рабочего времени для заводов, которые работают в основном с жидкостями, и 80% времени безотказной работы для заводов, которые работают в основном с твердыми веществами.
Конкретные операции выполняются в определенных типах установок. Хотя некоторые установки могут работать при температуре или давлении окружающей среды, многие установки работают при более высоких или более низких температурах или давлениях. Сосуды на химических заводах часто имеют цилиндрическую форму с закругленными концами, форма которой может быть подходящей для удержания как высокого давления, так и вакуума . Химические реакции могут преобразовывать определенные виды соединений в другие соединения в химических реакторах . Химические реакторы могут быть набитыми слоями и могут иметь твердые гетерогенные катализаторы , которые остаются в реакторах по мере перемещения жидкостей, или могут быть просто перемешиваемыми сосудами, в которых происходят реакции. Поскольку поверхность твердых гетерогенных катализаторов иногда может «отравляться» отложениями, такими как кокс , может потребоваться регенерация катализаторов. В некоторых случаях для обеспечения хорошего смешивания также могут использоваться псевдоожиженные слои . Также могут быть блоки (или субблоки) для смешивания (включая растворение), разделения , нагрева, охлаждения или некоторой их комбинации. Например, химические реакторы часто имеют перемешивание для смешивания и нагрева или охлаждения для поддержания температуры. При проектировании установок в больших масштабах необходимо учитывать тепло, производимое или поглощаемое химическими реакциями . На некоторых заводах могут быть установки с культурами организмов для биохимических процессов, таких как ферментация или производство ферментов .
Процессы разделения включают фильтрацию , отстаивание (седиментацию), экстракцию или выщелачивание, дистилляцию , перекристаллизацию или осаждение (с последующей фильтрацией или отстаиванием), обратный осмос , сушку и адсорбцию . Теплообменники часто используются для нагрева или охлаждения, включая кипячение или конденсацию , часто в сочетании с другими агрегатами, такими как дистилляционные башни. Также могут быть резервуары для хранения сырья, промежуточных или конечных продуктов или отходов. Резервуары для хранения обычно имеют индикаторы уровня, показывающие, насколько они заполнены. Могут быть конструкции, удерживающие или поддерживающие иногда массивные агрегаты и их связанное оборудование. Часто имеются лестницы, стремянки или другие ступени для персонала, чтобы добраться до точек в агрегатах для отбора проб, проверки или обслуживания. Зона завода или объекта с многочисленными резервуарами для хранения иногда называется резервуарным парком , особенно на нефтебазе .
Жидкостные системы для транспортировки жидкостей и газов включают трубопроводы и трубки различных диаметров, различные типы клапанов для управления или остановки потока, насосы для перемещения или нагнетания давления жидкости и компрессоры для нагнетания давления или перемещения газов. Сосуды, трубопроводы, трубки и иногда другое оборудование при высоких или очень низких температурах обычно покрываются изоляцией для безопасности персонала и поддержания температуры внутри. Жидкостные системы и блоки обычно имеют приборы, такие как датчики температуры и давления, а также устройства для измерения расхода в определенных местах на заводе. Онлайн- анализаторы для анализа химических или физических свойств стали более распространенными. Растворители иногда могут использоваться для растворения реагентов или материалов, таких как твердые вещества для экстракции или выщелачивания, чтобы обеспечить подходящую среду для протекания определенных химических реакций или чтобы их можно было иным образом рассматривать как жидкости.
Сегодня фундаментальные аспекты проектирования химических заводов выполняются инженерами-химиками . Исторически так было не всегда, и многие химические заводы строились хаотично, прежде чем была создана дисциплина химического машиностроения . Химическое машиностроение впервые было установлено как профессия в Соединенном Королевстве, когда первый курс по химическому машиностроению был прочитан в Манчестерском университете в 1887 году Джорджем Э. Дэвисом в форме двенадцати лекций, охватывающих различные аспекты промышленной химической практики. [6] Как следствие, Джордж Э. Дэвис считается первым в мире инженером-химиком. Сегодня химическое машиностроение является профессией, и профессиональные инженеры-химики с опытом работы могут получить статус «дипломированного» инженера через Институт инженеров-химиков .
В проектировании завода обычно менее 1 процента идей новых проектов когда-либо становятся коммерциализированными. В ходе этого процесса решения, как правило, исследования затрат используются в качестве первоначального отбора для исключения нерентабельных проектов. Если процесс кажется прибыльным, то учитываются другие факторы, такие как безопасность, экологические ограничения, управляемость и т. д. [2] Общая цель в проектировании завода — построить или синтезировать «оптимальные проекты» в непосредственной близости от желаемых ограничений. [7]
Химики часто исследуют химические реакции или другие химические принципы в лаборатории , обычно в небольших масштабах в эксперименте «типа партии». Полученная химическая информация затем используется инженерами-химиками вместе с их собственным опытом для преобразования в химический процесс и масштабирования размера партии или мощности. Обычно строится небольшой химический завод, называемый пилотным заводом , для предоставления проектной и эксплуатационной информации перед строительством большого завода. На основе данных и опыта эксплуатации, полученных на пилотном заводе, может быть спроектирован увеличенный завод для более высокой или полной мощности. После того, как определены основные аспекты проекта завода, инженеры- механики или электрики могут быть вовлечены в механические или электрические детали соответственно. Инженеры-конструкторы могут быть вовлечены в проектирование завода, чтобы гарантировать, что конструкции могут выдерживать вес агрегатов, трубопроводов и другого оборудования.
Блоки, потоки и системы жидкостей химических заводов или процессов могут быть представлены блок-схемами потоков , которые являются очень упрощенными схемами, или схемами потоков процессов , которые несколько более подробны. Потоки и другие трубопроводы показаны в виде линий со стрелками, показывающими обычное направление потока материалов. На блок-схемах блоки часто просто показаны в виде блоков. Схемы потоков процессов могут использовать более подробные символы и показывать насосы, компрессоры и основные клапаны. Вероятные значения или диапазоны расходов материалов для различных потоков определяются на основе желаемой производительности завода с использованием расчетов материального баланса. Энергетические балансы также выполняются на основе теплоты реакции , теплоемкости , ожидаемых температур и давлений в различных точках для расчета количества нагрева и охлаждения, необходимого в различных местах, и для определения размеров теплообменников. Проектирование химического завода может быть показано более подробно на схеме трубопроводов и приборов (P&ID), которая показывает все трубопроводы, трубки, клапаны и приборы, как правило, со специальными символами. Отображение всего завода в схеме трубопроводов и КИП часто бывает сложным, поэтому зачастую в одной схеме трубопроводов и КИП показаны только отдельные агрегаты или конкретные жидкостные системы.
В проекте завода размеры агрегатов определяются с учетом максимальной мощности, которую каждый из них может иметь. Аналогичным образом, размеры труб, насосов, компрессоров и сопутствующего оборудования выбираются с учетом пропускной способности потока, которую они должны иметь. В проект завода также должны быть включены такие коммунальные системы, как электроснабжение и водоснабжение . Возможно, придется включить дополнительные трубопроводные линии для нестандартных или альтернативных рабочих процедур, таких как запуски и остановки завода или агрегата. Проектирование жидкостных систем обычно включает в себя запорные клапаны вокруг различных агрегатов или частей завода, чтобы можно было изолировать секцию завода в случае возникновения проблемы, такой как утечка в агрегате. Если используются клапаны с пневматическим или гидравлическим приводом, необходима система линий нагнетания давления к приводам. Любые точки, где могут потребоваться отбор проб процесса, должны иметь линии отбора проб, клапаны и доступ к ним, включенные в детальный проект. При необходимости следует предусмотреть меры для снижения высокого давления или температуры потока отбора проб, например, включая редукционный клапан или охладитель образцов.
Агрегаты и жидкостные системы на заводе, включая все сосуды, трубопроводы, трубки, клапаны, насосы, компрессоры и другое оборудование, должны быть рассчитаны или спроектированы так, чтобы выдерживать весь диапазон давлений, температур и других условий, с которыми они могут столкнуться, включая любые соответствующие факторы безопасности . Все такие агрегаты и оборудование также должны быть проверены на совместимость материалов , чтобы убедиться, что они могут выдерживать долгосрочное воздействие химикатов, с которыми они будут контактировать. Любая закрытая система на заводе, которая имеет средства повышения давления, возможно, превышающие номинальные характеристики ее оборудования, такие как нагрев, экзотермические реакции или определенные насосы или компрессоры, должна иметь предохранительный клапан соответствующего размера, чтобы предотвратить избыточное давление в целях безопасности. Часто все эти параметры (температуры, давления, расход и т. д.) тщательно анализируются в сочетании с помощью анализа Hazop или дерева неисправностей , чтобы гарантировать, что на заводе нет известного риска серьезной опасности.
В пределах любых ограничений, которым подвергается завод, параметры проектирования оптимизируются для хороших экономических показателей, обеспечивая при этом безопасность и благополучие персонала и окружающего сообщества. Для гибкости завод может быть спроектирован для работы в диапазоне около некоторых оптимальных параметров проектирования в случае изменения исходного сырья или экономических условий и желательности повторной оптимизации. В более современные времена компьютерное моделирование или другие компьютерные расчеты использовались для помощи в проектировании или оптимизации химического завода.
В управлении процессами информация, автоматически собранная с различных датчиков или других устройств на заводе, используется для управления различным оборудованием для работы завода, тем самым управляя работой завода. Приборы, получающие такие информационные сигналы и отправляющие сигналы управления для автоматического выполнения этой функции, являются контроллерами процессов . Раньше иногда использовались пневматические элементы управления. Теперь распространены электрические элементы управления. На заводе часто есть диспетчерская с дисплеями таких параметров, как ключевые температуры, давления, скорости и уровни потока жидкости, рабочие положения ключевых клапанов, насосов и другого оборудования и т. д. Кроме того, операторы в диспетчерской могут управлять различными аспектами работы завода, часто включая переопределение автоматического управления. Управление процессом с помощью компьютера представляет собой более современную технологию. На основе возможного изменения состава сырья, изменения требований к продуктам или экономики или других изменений ограничений рабочие условия могут быть повторно оптимизированы для максимизации прибыли.
Как и в любой промышленной среде, на химическом заводе работают самые разные рабочие, часто организованные в отделы, секции или другие рабочие группы. К таким работникам обычно относятся инженеры , операторы установок и специалисты по техническому обслуживанию. Другой персонал на объекте может включать химиков, руководителей/администраторов и офисных работников. Типы инженеров, участвующих в эксплуатации или обслуживании, могут включать инженеров-химиков, инженеров-механиков по обслуживанию механического оборудования и инженеров-электриков/компьютерщиков для электрического или компьютерного оборудования.
Большие объемы жидкого сырья или продукта могут поступать на завод или покидать его по трубопроводу , железнодорожной цистерне или автоцистерне . Например, нефть обычно поступает на нефтеперерабатывающий завод по трубопроводу. Трубопроводы также могут транспортировать нефтехимическое сырье с нефтеперерабатывающего завода на близлежащий нефтехимический завод. Природный газ — это продукт, который поступает с завода по переработке природного газа к конечным потребителям по трубопроводу или трубам. Большие объемы жидкого сырья обычно закачиваются в технологические установки. Меньшие объемы сырья или продукта могут отправляться на завод или с него в бочках . Использование бочек емкостью около 55 галлонов является обычным для упаковки промышленных объемов химикатов. Меньшие партии сырья могут добавляться из бочек или других контейнеров в технологические установки рабочими.
Помимо подачи и эксплуатации завода, а также упаковки или подготовки продукта к отправке, рабочие завода требуются для отбора проб для планового и диагностического анализа, а также для выполнения планового и внепланового обслуживания. Плановое обслуживание может включать периодические проверки и замену изношенного катализатора, реагентов анализатора, различных датчиков или механических деталей. Внеплановое обслуживание может включать исследование проблем и их последующее устранение, например, утечек, несоответствия спецификации подачи или продукта, механических неисправностей клапанов, насосов, компрессоров, датчиков и т. д.
При работе с химикатами безопасность является проблемой, чтобы избежать таких проблем, как химические аварии . В Соединенных Штатах закон требует, чтобы работодатели предоставляли работникам, работающим с химикатами, доступ к паспорту безопасности материала (MSDS) для каждого вида химиката, с которым они работают. MSDS для определенного химиката подготавливается и предоставляется поставщиком тому, кто покупает химикат. Другие законы, охватывающие химическую безопасность, опасные отходы и загрязнение, должны соблюдаться, включая такие законы, как Закон о сохранении и восстановлении ресурсов (RCRA) и Закон о контроле за токсичными веществами (TSCA), а также такие правила, как Стандарты по борьбе с терроризмом на химических предприятиях в Соединенных Штатах. Группы по работе с опасными материалами ( Hazmat ) обучаются справляться с утечками или разливами химикатов. Анализ опасностей процесса (PHA) используется для оценки потенциальных опасностей на химических заводах. В 1998 году начал работу Совет США по расследованию химической безопасности и опасностей .
Химические заводы, используемые, в частности, для производства товарной химии и нефтехимии , расположены в относительно небольшом количестве производственных площадок по всему миру, в основном из-за инфраструктурных потребностей. Это менее важно для заводов по производству специальных или тонких химических веществ . Не все товарные/нефтехимические продукты производятся в одном месте, но группы связанных материалов часто производятся в одном месте, чтобы вызвать промышленный симбиоз, а также эффективность материалов, энергии и коммунальных услуг и другие виды экономии масштаба . Эти производственные площадки часто имеют бизнес-кластеры подразделений, называемых химическими заводами, которые совместно используют коммунальные услуги и крупномасштабную инфраструктуру, такую как электростанции, портовые сооружения, автомобильные и железнодорожные терминалы. Например, в Соединенном Королевстве есть четыре основных места для производства товарной химии: около реки Мерси на северо-западе Англии, на Хамбере на восточном побережье Йоркшира, в Грейнджмуте около залива Ферт-оф-Форт в Шотландии и на Тиссайде как часть Северо-восточного кластера перерабатывающей промышленности Англии (NEPIC). [8] Около 50% нефтехимической продукции Великобритании, которая также является товарной химией, производится компаниями промышленного кластера в Тиссайде в устье реки Тис на трех крупных химических парках в Уилтоне , [9] Биллингеме и Сил-Сэндс .
Коррозия на химических заводах является серьезной проблемой, которая ежегодно потребляет миллиарды долларов. Электрохимическая коррозия металлов ярко выражена на химических заводах из-за присутствия кислотных паров и других электролитических взаимодействий. В последнее время в качестве конструкционного материала используется FRP ( Fibre-reinforced plastic ). Британский стандарт BS4994 широко используется для проектирования и строительства сосудов, резервуаров и т. д.