Химический завод — это промышленное технологическое предприятие , которое производит (или иным образом перерабатывает) химические вещества , обычно в больших масштабах. [1] Основная цель химического завода — создание новых материальных благ посредством химического или биологического преобразования и/или разделения материалов. [2] Химические заводы используют в производственном процессе специализированное оборудование, агрегаты и технологии. Другие виды заводов, такие как заводы по производству полимеров, фармацевтических препаратов, продуктов питания и некоторых напитков, электростанции , нефтеперерабатывающие заводы или другие нефтеперерабатывающие заводы , заводы по переработке природного газа и биохимические заводы, предприятия по очистке воды и сточных вод , а также оборудование для борьбы с загрязнением , используют множество технологий, имеющих сходство. к технологиям химических заводов, таким как жидкостные системы и системы химических реакторов. Некоторые считают нефтеперерабатывающий завод , фармацевтическую или полимерную компанию фактически химическим заводом.
Нефтехимические заводы (заводы, использующие химические вещества из нефти в качестве сырья или сырья ) обычно располагаются рядом с нефтеперерабатывающим заводом , чтобы минимизировать затраты на транспортировку сырья, производимого нефтеперерабатывающим заводом. Заводы специализированной химии [3] и тонкой химии обычно намного меньше по размеру 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 представляют собой подробные методы промышленного масштаба, для преобразования химического сырья в продукты. Один и тот же химический процесс может использоваться на нескольких химических заводах, возможно, с разной производительностью на каждом заводе. Кроме того, химический завод на объекте может быть построен для использования более чем одного химического процесса, например, для производства нескольких продуктов.
Химический завод обычно имеет большие резервуары или секции, называемые агрегатами или линиями , которые соединены между собой трубопроводами или другим оборудованием для перемещения материалов, которое может переносить потоки материала. Такие потоки материалов могут включать жидкости ( газ или жидкость, переносимые по трубопроводам) или иногда твердые вещества или смеси, такие как суспензии . Общий химический процесс обычно состоит из этапов, называемых единичными операциями , которые происходят в отдельных агрегатах. Сырье, поступающее в химический процесс или на завод в качестве сырья для преобразования в продукт, обычно называется сырьем или просто кормом . В дополнение к сырью для завода в целом, входной поток материала, подлежащего переработке на конкретном агрегате, также может считаться сырьем для этого агрегата. Выходные потоки завода в целом являются конечной продукцией, а иногда выходные потоки отдельных подразделений могут рассматриваться как промежуточные продукты для их подразделений. Однако конечная продукция одного завода может представлять собой промежуточные химикаты, используемые в качестве сырья на другом заводе для дальнейшей переработки. Например, некоторые продукты нефтеперерабатывающего завода могут использоваться в качестве сырья на нефтехимических заводах, которые, в свою очередь, могут производить сырье для фармацевтических заводов.
Исходное сырье, продукт(ы) или оба могут представлять собой отдельные соединения или смеси. Полностью разделять компоненты этих смесей часто нецелесообразно; конкретные уровни чистоты зависят от требований к продукту и экономики процесса.
Химические процессы могут осуществляться в непрерывном или периодическом режиме.
При серийном производстве производство происходит последовательными во времени шагами дискретными партиями. Партия сырья(ов) подается (или загружается ) в процесс или установку, затем происходит химический процесс, затем продукт(ы) и любые другие продукты удаляются. Такое серийное производство может повторяться снова и снова с новыми партиями сырья. Периодический режим обычно используется на небольших предприятиях, таких как производство фармацевтических препаратов или специальных химикатов, в целях улучшения отслеживаемости, а также гибкости. Установки непрерывного действия обычно используются для производства товарных или нефтехимических продуктов , тогда как установки периодического действия более распространены в производстве специальных и тонких химических веществ , а также в производстве активных фармацевтических ингредиентов (API).
При непрерывной работе все этапы выполняются 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, работающие в непрерывном режиме, обычно находятся в устойчивом или приблизительно устойчивом состоянии. Устойчивое состояние означает, что величины, связанные с процессом, не изменяются с течением времени во время работы. Такие постоянные величины включают скорость потока , скорость нагрева или охлаждения, температуру , давление и химический состав в любой заданной точке (месте). Непрерывная работа более эффективна на многих крупномасштабных предприятиях, таких как нефтеперерабатывающие заводы. На химическом заводе некоторые агрегаты могут работать непрерывно, а другие - периодически; например, см. Непрерывную дистилляцию и Периодическую дистилляцию . Количество первичного сырья или продукта в единицу времени, которое может переработать завод или установка, называется мощностью этого завода или установки. Например: мощность нефтеперерабатывающего завода может быть выражена в баррелях сырой нефти , перерабатываемой в день; альтернативно мощность химического завода может быть указана в тоннах продукции, производимой в день. В реальной ежедневной работе завод (или установка) будет работать на определенный процент своей полной мощности. Инженеры обычно принимают 90% времени работы для установок, которые работают в основном с жидкостями, и 80% времени безотказной работы для установок, которые в основном работают с твердыми веществами.
Конкретные операции выполняются в подразделениях определенного типа. Хотя некоторые агрегаты могут работать при температуре или давлении окружающей среды, многие агрегаты работают при более высоких или более низких температурах или давлениях. Сосуды на химических заводах часто имеют цилиндрическую форму с закругленными концами, форма которых позволяет выдерживать высокое давление или вакуум . Химические реакции могут превращать определенные виды соединений в другие соединения в химических реакторах . Химические реакторы могут представлять собой насадочные слои и могут иметь твердые гетерогенные катализаторы , которые остаются в реакторах при движении жидкостей, или могут просто представлять собой сосуды с перемешиванием, в которых происходят реакции. Поскольку поверхность твердых гетерогенных катализаторов иногда может «отравляться» такими отложениями, как кокс , может потребоваться регенерация катализаторов. В некоторых случаях для обеспечения хорошего перемешивания также можно использовать псевдоожиженный слой . Также могут существовать блоки (или субблоки) для смешивания (включая растворение), разделения , нагревания, охлаждения или некоторой их комбинации. Например, химические реакторы часто оснащены мешалкой для смешивания и нагреванием или охлаждением для поддержания температуры. При проектировании крупномасштабных установок необходимо учитывать тепло, выделяемое или поглощаемое в результате химических реакций . На некоторых заводах могут быть отделения с культурами организмов для биохимических процессов, таких как ферментация или производство ферментов .
Процессы разделения включают фильтрацию , отстаивание (осаждение), 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 кипение или конденсацию , часто в сочетании с другими агрегатами, такими как дистилляционные колонны. 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 существовать структуры, удерживающие или поддерживающие иногда массивные подразделения и связанное с ними оборудование. Часто в подразделениях имеются лестницы, стремянки или другие ступеньки, по которым персонал может добраться до точек отбора проб, проверки или технического обслуживания. Участок завода или объекта с многочисленными резервуарами для хранения иногда называют нефтебазой , особенно на нефтебазе .
Жидкостные системы для транспортировки жидкостей и газов включают трубопроводы и трубки различного диаметра, различные типы клапанов для регулирования или остановки потока, насосы для перемещения или повышения давления жидкости и компрессоры для повышения давления или перемещения газов. Сосуды, трубопроводы, трубки, а иногда и другое оборудование, работающее при высоких или очень низких температурах, обычно покрываются изоляцией в целях безопасности персонала и поддержания температуры внутри. Жидкостные системы и агрегаты обычно имеют такие приборы , как датчики температуры и давления и устройства измерения расхода , в определенных местах завода. Онлайн- анализаторы для анализа химических или физических свойств стали более распространенными. Растворители иногда можно использовать для растворения реагентов или материалов, таких как твердые вещества, для экстракции или выщелачивания, чтобы обеспечить подходящую среду для проведения определенных химических реакций или чтобы с ними можно было иным образом обращаться как с жидкостями.
Сегодня фундаментальные аспекты проектирования химических предприятий выполняются инженерами-химиками . Исторически так было не всегда, и многие химические заводы строились бессистемно до того, как утвердилась дисциплина химического машиностроения . Химическая инженерия как профессия впервые возникла в Соединенном Королевстве, когда в 1887 году в Манчестерском университете Джордж Э. Дэвис прочитал первый курс химической инженерии в форме двенадцати лекций, охватывающих различные аспекты промышленной химической практики. [6] Как следствие , Джордж Э. Дэвис считается первым в мире инженером-химиком. Сегодня химическая инженерия — это профессия, и профессиональные инженеры-химики с опытом могут получить статус «дипломированного» инженера через Институт инженеров-химиков .
В проектировании предприятий обычно менее 1 процента новых идей когда-либо становятся коммерциализированными. В процессе принятия решения, как правило, исследования затрат используются в качестве первоначальной проверки для исключения нерентабельных проектов. Если процесс кажется прибыльным, тогда учитываются другие факторы, такие как безопасность, экологические ограничения, управляемость и т. д. [2] Общая цель проектирования электростанции состоит в том, чтобы построить или синтезировать «оптимальные проекты» вблизи желаемых ограничений. [7]
Часто химики исследуют химические реакции или другие химические принципы в лаборатории , обычно в небольших масштабах, в экспериментах «периодического типа». Полученная химическая информация затем используется инженерами-химиками вместе с их собственным опытом для преобразования в химический процесс и увеличения размера партии или мощности. Обычно небольшой химический завод, называемый пилотным заводом , строится для предоставления проектной и эксплуатационной информации перед строительством большого завода. На основе данных и опыта эксплуатации, полученных на пилотной установке, можно спроектировать увеличенную установку на более высокую или полную мощность. После того как определены фундаментальные аспекты проекта установки, инженеры -механики или электрики могут заняться механическими или электрическими деталями соответственно. Инженеры-строители могут участвовать в проектировании завода, чтобы гарантировать, что конструкции смогут выдержать вес агрегатов , трубопроводов и другого оборудования.
Агрегаты, потоки и жидкостные системы химических заводов или процессов могут быть представлены блок-схемами , которые представляют собой очень упрощенные диаграммы, или схемами технологических процессов , которые несколько более подробны. Потоки и другие трубопроводы показаны в виде линий со стрелками, показывающими обычное направление потока материала. На блок-схемах блоки часто изображаются просто как блоки. На схемах технологических процессов могут использоваться более подробные символы и показаны насосы, компрессоры и основные клапаны. Вероятные значения или диапазоны скоростей потока материала для различных потоков определяются на основе желаемой мощности завода с использованием расчетов материального баланса. Энергетические балансы также составляются на основе теплоты реакции , теплоемкости , ожидаемых температур и давлений в различных точках для расчета количества тепла и охлаждения, необходимого в различных местах, а также для определения размеров теплообменников. Более подробно проект химического завода можно отобразить на схеме трубопроводов и приборов (P&ID), на которой показаны все трубопроводы, трубки, клапаны и приборы, обычно со специальными символами. Отображение всей установки в P&ID часто бывает сложным, поэтому часто в одной P&ID отображаются только отдельные агрегаты или конкретные жидкостные системы.
В проекте завода размеры агрегатов рассчитаны на максимальную производительность, которую может иметь каждый из них. Аналогичным образом размеры труб, насосов, компрессоров и сопутствующего оборудования выбираются с учетом пропускной способности, с которой они должны работать. В проект станции также должны быть включены инженерные системы, такие как электроэнергия и водоснабжение . Возможно, потребуется предусмотреть дополнительные трубопроводные линии для нестандартных или альтернативных рабочих процедур, таких как запуск и остановка установки или агрегата. Конструкция жидкостных систем обычно включает в себя запорные клапаны вокруг различных агрегатов или частей установки, чтобы можно было изолировать секцию установки в случае возникновения такой проблемы, как утечка в установке. Если используются клапаны с пневматическим или гидравлическим приводом, необходима система линий подачи давления к приводам. Любые точки, где может потребоваться отбор технологических проб, должны иметь линии отбора проб, клапаны и доступ к ним, включенные в детальное проектирование. При необходимости следует предусмотреть меры по снижению высокого давления или температуры потока проб, например, установить редукционный клапан или охладитель проб.
Агрегаты и жидкостные системы на предприятии, включая все сосуды, трубопроводы, трубопроводы, 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 следует проверять на совместимость материалов , чтобы убедиться, что они могут выдерживать длительное воздействие химических веществ, с которыми они вступают в контакт. Любая закрытая система на предприятии, имеющая средства создания давления, которое может превышать номинальное значение ее оборудования, например, отопление, экзотермические реакции или некоторые насосы или компрессоры, должна иметь предохранительный клапан соответствующего размера , чтобы предотвратить создание избыточного давления в целях безопасности. Часто все эти параметры (температура, давление, расход и т. д.) тщательно анализируются в сочетании с помощью анализа Hazop или дерева отказов , чтобы гарантировать, что на предприятии нет известного риска серьезной опасности.
Несмотря на любые ограничения, которым подвергается станция, проектные параметры оптимизируются для достижения хороших экономических показателей, обеспечивая при этом безопасность и благополучие персонала и окружающего населения. Для обеспечения гибкости установка может быть спроектирована так, чтобы работать в диапазоне некоторых оптимальных проектных параметров в случае изменения сырья или экономических условий и желательной повторной оптимизации. В более современные времена компьютерное моделирование или другие компьютерные расчеты использовались для помощи в проектировании или оптимизации химического завода.
При управлении технологическим процессом информация, автоматически собираемая с различных датчиков или других устройств на предприятии, используется для управления различным оборудованием для работы предприятия, тем самым контролируя работу предприятия. Приборы, получающие такие информационные сигналы и отправляющие управляющие сигналы для автоматического выполнения этой функции, являются контроллерами процесса . Раньше иногда применяли пневматическое управление. Электрическое управление теперь широко распространено. На заводе часто имеется диспетчерская с отображением таких параметров, как основные температуры, давления, скорости и уровни потока жидкости, рабочие положения основных клапанов, насосов и другого оборудования и т. д. Кроме того, операторы в диспетчерской могут контролировать различные аспекты. работы установки, часто включая автоматическое управление. Управление процессом с помощью компьютера представляет собой более современную технологию. На основании возможного изменения состава сырья, изменения требований к продукции или экономики или других изменений в ограничениях условия эксплуатации могут быть повторно оптимизированы для максимизации прибыли.
Как и в любом промышленном предприятии, на химическом заводе работают самые разные рабочие, часто организованные в отделы, секции или другие рабочие группы. К таким работникам обычно относятся инженеры , операторы предприятий и специалисты по техническому обслуживанию. Другой персонал на объекте может включать химиков, руководство/администрацию и офисных работников. Типы инженеров, участвующих в эксплуатации или техническом обслуживании, могут включать инженеров-химиков-технологов, инженеров-механиков по обслуживанию механического оборудования и инженеров-электриков/компьютерщиков по электрическому или компьютерному оборудованию.
Большие количества жидкого сырья или продукта могут поступать на завод или покидать его по трубопроводу , железнодорожным цистернам или автоцистернам . 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 проходит путь от завода по переработке природного газа до конечных потребителей по трубопроводам или трубам. В технологические установки обычно закачивают большие количества жидкого сырья. Небольшие количества сырья или продукции могут отправляться на завод или с завода в бочках . Для упаковки промышленных количеств химикатов обычно используются бочки емкостью около 55 галлонов . Небольшие партии сырья могут добавляться из бочек или других контейнеров в технологические установки работниками.
Помимо питания и эксплуатации установки, а также упаковки или подготовки продукции к отправке, работники предприятия необходимы для отбора проб для планового анализа и устранения неполадок, а также для выполнения планового и внепланового технического обслуживания. Плановое техническое обслуживание может включать периодические проверки и замену изношенного катализатора, реагентов анализатора, различных датчиков или механических деталей. Внеплановое техническое обслуживание может включать исследование и последующее устранение проблем, таких как утечки, несоответствие спецификациям сырья или продукта, механические неисправности клапанов, насосов, компрессоров, датчиков и т. д.
При работе с химикатами необходимо уделять особое внимание безопасности , чтобы избежать таких проблем, как химические аварии . В Соединенных Штатах закон требует, чтобы работодатели предоставляли работникам, работающим с химикатами, доступ к паспортам безопасности материалов (MSDS) для каждого вида химикатов, с которыми они работают. Паспорт безопасности для определенного химического вещества подготавливается и предоставляется поставщиком тому, кто покупает это химическое вещество. Необходимо соблюдать и другие законы, касающиеся химической безопасности, опасных отходов и загрязнения, в том числе такие законы, как Закон об охране и восстановлении ресурсов (RCRA) и Закон о контроле за токсичными веществами (TSCA), а также такие нормативные акты, как Стандарты борьбы с терроризмом на химических объектах в Соединенные Штаты. Команды по работе с опасными материалами обучены бороться с утечками или разливами химических веществ. Анализ технологических рисков (PHA) используется для оценки потенциальных опасностей на химических предприятиях. В 1998 году начал работу Совет по расследованию химической безопасности и опасностей США .
Химические заводы, используемые, в частности, для производства химической и нефтехимической продукции , расположены в относительно небольшом количестве производственных мест по всему миру, во многом из-за инфраструктурных потребностей. Это менее важно для заводов по производству специальных химикатов или мелкодисперсных химикатов . Не все товары/нефтехимические продукты производятся в каком-то одном месте, но часто производятся группы родственных материалов, чтобы вызвать промышленный симбиоз, а также эффективность использования материалов, энергии и коммунальных услуг, а также другую экономию за счет масштаба . Эти производственные предприятия часто имеют бизнес-кластеры , состоящие из предприятий, 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 производства товарной химической продукции: возле реки Мерси на северо-западе Англии, на реке Хамбер на восточном побережье Йоркшира, в Грейнджмуте недалеко от Ферт-оф-Форт в Шотландии и на Тиссайде как часть Кластер перерабатывающей промышленности северо-востока Англии (NEPIC). [8] Примерно 50% нефтехимической продукции Великобритании, которая также является товарной химической продукцией, производится промышленными кластерными компаниями на Тиссайде в устье реки Тис на трех крупных химических парках в Уилтоне , [9] Биллингеме и Сил-Сэндс .
Коррозия на химических заводах является серьезной проблемой, на которую ежегодно тратятся миллиарды долларов. Электрохимическая коррозия металлов ярко выражена на химических предприятиях из-за присутствия паров кислот и других электролитических взаимодействий. В последнее время в качестве строительного материала используется FRP ( армированный волокном пластик ). Британская стандартная спецификация BS4994 широко используется при проектировании и строительстве сосудов, резервуаров и т. д.