22/02/2017

Каково это быть химиком-инженером?

Адаптированный перевод статьи С. Дороудиани и С. Мерза
Если материал оказался для вас полезным - поддержите проект и поделитесь записью!
Что такое химическая технология? Можно было бы подумать, что я знаю это спустя 8 лет…
Написано Саиидом Дороудиани (Saeed Doroudiani) доктором наук по химической технологии (PhD In the Chemical Engineering) и Стивеном Мерзом (Steven Merz) кандидатом наук по химической технологии (PhD Candidate Chemical Engineering).

Перевод: Анастасия Салищева
Редактура: Дмитрий Решетников
Это на самом деле большой вопрос!
Позвольте мне уточнить мои представления о профессии инженера-химика через эту историю. Хоть она и довольно длинная, но надеюсь, что будет информативна и интересна Вам!
Некто X - инженер-химик, по крайней мере, большую часть времени.
В один прекрасный день его вызывает Шеф и дает новое серьезное задание. Химики компании обнаружили, что ценный продукт P может быть получен при смешении реагентов A и B. Шеф требует от X разработать процесс по этой реакции, но так чтобы его можно было осуществить. Итак, X принимается за работу!

1. Термодинамика и кинетика

Будучи здоровым скептиком, Х полностью не доверяет результатам и расчетам химиков. Поэтому, вначале он сам изучает термодинамику процесса, чтобы понять условия, при которых целесообразно проводить реакцию. Температура, давление, состав смеси, растворяющая природа веществ… все те переменные, которые Х может изменять и настраивать для управления процессом. Он также исследует факторы, влияющие на скорость реакции чтобы благоприятно повлиять на процесс.

Помимо быстрых и осуществимых реакций в процессе, он помнит о побочных реакциях, стабильности всей системы в целом и фазовых равновесиях
. Это сложный расчет, и Х использует современные вычислительные методы и программное обеспечение, что помогает ему в принятии дальнейших решений. Также, при необходимости, Х просит химиков перепроверить свои результаты с помощью ряда лабораторных экспериментов.
МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС СОБАКИ
МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС СОБАКИ

3. Конструкция реактора

Теперь Х обращается к сердцу процесса – химическому реактору. Изучая кинетику процесса, он кратко изучил возможные катализаторы, но в этот раз Х идет дальше. При помощи ряда инструментов молекулярного моделирования, он пытается выяснить, какой катализатор будет самым эффективным по конверсии, выходу иселективности. Х также закладывает в свои вычисления факторы стабильности катализатора. Как только работа на этом фронте становится выполненной, Х задается вопросом, какую конструкцию реактора применить. Со стационарным слоем катализатора? С псевдоожиженным? Реактор с мешалкой? Мембранный реактор? Выгодно ли использовать каскад из реакторов? Насколько они должны быть велики? Из какого материала они должны быть сделаны? Х уделяет особое внимание взаимодействующим фазам и химической природе реагирующих веществ, принимая решения по выбору конструкции реактора. Когда спрашивают, он показывает схематические конструкции реакторов, имеющих типичные сокращения в химической технологии:
схематические конструкции реакторов

4. Подбор оборудования

Х понимает с самого начала, что одного реактора для получения продукта Р не достаточно. К сожалению, сырьевые реагенты А и В могут быть не в самом чистом виде, поэтому для них необходим «предпроцессинг» (очистка сырья). Для этого Храссматривает различные методы: промывка с растворителем, селективные химические взаимодействия, фильтрация, кристаллизация, перегонка… и выбирает один, наиболее подходящий ему, метод. Все эти процессы требуют специального оборудования и Х занимается их проектированием.

«Постпроцессинг» (выделение целевого продукта из реакционной массы) также необходим, потому что в ходе химической реакции P является не единственным полученным продуктом. Поэтому, в зависимости от конкретных требований, он устанавливает оборудование, такое как абсорберы, адсорберы, сепараторы и прочее. Чтобы упростить свою задачу Х использует компьютерный расчет, который определяет ему конструкцию аппаратов, как только Х определяется с применяемым по схеме оборудованием. Выбранные им дистилляционные колонны скрубберы для отмывки газа часто похожи на то, что приведено на картинках:
дистилляционные колонны

5. Тепловой баланс

«Ничего не приходит бесплатно» — одна из любимых фраз Х. Для эффективной работы он должен подводить энергию к одному оборудованию и отводить её от другого. Он также узнает, что протекающая реакция экзотермическая и поэтому хочет убедиться, что не возникнет ситуации формирования «горячих точек» в реакторе. Ему придется решить, предпочтет ли он подачу жидкости в трубки или кожух (межтрубное пространство), или будет использовать ''электрообогрев, или воспользуется химическими теплоносителями (ВОТ, ионные жидкости, соляные расплавы)… а также как гарантировать эффективную теплопередачу между всеми этими устройствами и оборудованием.

'''Рекуперация'' тепла между потоками — наиболее подходящее решение для Х, поэтому он разрабатывает сеточную диаграмму (элемент пинч-анализа). Также Х должен помнить о снижении эффективности теплообмена с течением времени из-за загрязнений или износамеханических частей. Вследствие наличия большого числа переменных в расчетах,Х''' зависит от современных вычислительных инструментов, отдельные аспекты работы с которыми он совершенствует по мере осуществления расчетов. Его сеточная диаграмма теплообменников выглядит, как правило, как показано ниже, и обозначается небольшими символами (картинками) и мелким шрифтом:
дистилляционные колонны

6. Трубопроводы и измерительные приборы

Чтобы избежать большого количества непревращенных или неизрасходованных реагентов, Х рассматривает возможность многократной рециркуляции потоков. Сдувки также необходимы, чтобы избежать накопления инертных веществ и примесей. Х изучает методы транспортировки реакционной массы от одной единицы оборудования к другой. Транспортировку можно осуществлять самотеком, либо с помощью насосов (для жидкостей) или даже конвеерной ленты (при перемещении твердых субстанций). Он проектирует и оптимизирует торсировку трубопроводов на основе перепада давления и геометрического расположения апаратов. Х устанавливает измерительные приборы для контроля важных технологических параметров, таких как температура, давление, расход и состав для контроля процесса, в разработке которого он сам принимал участие. Все они компилируются в технологическую схему и схему контроля и автоматики (P&ID), и Х всегда этим гордится! Посмотрите на него и на одну из его диаграмм:
дистилляционные колонны

7. Контроль и автоматизация

Для стабильной работы оборудования важно, чтобы условия системы оставались в определенных пределах. Поэтому Х предусматривает установку множествадатчиков и исполнительных механизмов, которые позволят ему контролировать процесс. Он имеет большое количество вариантов для выбора типов и механизмовуправления (ПИД, адаптивные, с нечеткой логикой и т. д.), а также разнообразныхклапанов с различными конфигурациями. Кроме того, Х решает, сколько точек контроля будет автоматизировано, а сколько должно быть на ручном управлении. Во время этого процесса он держит в уме девиз: «Безопасность превыше всего», ибо лучше перестраховаться, чем потом сожалеть. Вот одна из фотографий диспетчерской нефтеперерабатывающего завода, где работал Х:
дистилляционные колонны

8. Экологическая безопасность

Х — инженер, который заботится об экологии. Поэтому он удостоверяется, что никакие потенциально опасные вещества не попадут в окружающую среду. Это требует специального оборудования или разработке мер по утилизации — Х может использовать методы химической обработки, электростатического осаждения (используя электростатические фильтры — пылеуловители), сжигание с впрыском топлива или контролируемые сбросы. Х по возможности пытается найти применение любым токсичным продуктам в пределах своей технологии. Вот некоторые изображения, которые наглядно описывают предпринятые меры по утилизации потенциально опасных веществ:
дистилляционные колонны

9. Альтернативные источники энергии

Шеф часто говорит Х, что у них скоро закончится нефть. Х не верит ему, потому что он знает о неиспользованных запасах тяжелой нефти, но соглашается с тем, что они представляют угрозу для окружающей среды. Поэтому он часто находится в поисках альтернативных источников энергии, которые могут быть использованы в процессе. Работая с закрытыми средами, он не может напрямую использовать возобновляемые источники энергии, такие как ветер и вода, но ему интересна перспектива использования биотоплива, потому что его можно получить из природных источников, таких как сахарный тростник. Х пытается адаптировать свои системы для работы с использованием различных типов топливных элементов (протонообменная мембрана, метанол, полупроводники и проч.) и часто смотрит на подобные фигуры (картинки/изображения), чтобы переварить их разнообразие и универсальность:
дистилляционные колонны

10. Биоинженерный подход

Одному из коллег Х удалось вдохновить его потенциалом использования биоинженерии. Теперь он знает о мутациях и плазмидах, а также о преимуществах использования ферментов для проведения реакций. Биотехнология стала новой стороной медали, где он узнал, что можно изменять свойства организмов, таких как бактерии, для достижения желаемых функциональных возможностей. Растущее использование вычислительных моделей для расчета клеточных процессов и технологическое развитие эксперимента в лаборатории привело к тому, что Х теперь также рассматривает и биореакторы всякий раз, когда получает задание. И вот почему не редко можно увидеть, как Х обдумывает такие клеточные процессы, чтобы лучше понимать биологические процессы:
дистилляционные колонны
Надеемся, что Вы нашли эту статью интересной и увлекательной!
Если материал оказался для вас полезным - поддержите проект и поделитесь записью!
Другие материалы:
Два раза в неделю мы публикуем интересные новости о реальном секторе экономике и отвечаем на вопросы, возникающие у производственников. Подпишитесь и первым узнавайте об обновлениях:
Еще новости
Made on
Tilda