مهندسی طراحی فرآیند چیست!؟

مهندسی فرآیند از زیر بخش ‌های مهندسی شیمی می باشد که دیزاین، بهینه ‌سازی، و همینطور کنترل و بهره‌برداری هر گونه فرآیندهای زیستی، فیزیکی و شیمیایی را انجام می دهد که شامل بخش گسترده ای از صنایع پتروشیمی، مواد خاص، دارویی، توسعه بیوتکنولوژی، مهندسی کشاورزی و مهندسی معادن می شود.

مهندسی فرآیند شامل تخصیص نیاز کاربران و خریداران به ابزارهای ساخت و تولیدی است، تا مواد خام و خالصرا به موادی با ارزش افزودهتبدیل کنند، که به مراحل بعدی زنجیره تأمینمواد یا همان مرحله بسته‌بندی خواهد رسید. در برخی فرآیندها با حجم‌های بزرگ‌تر مانند گرایش به انتقال فراورده، پالایشگاه‌های نفت، شبکات ترابری (جاده‌ای یا ریلی) هست، که به این روش فراورده، به خریداران بزرگ یا پخش کنندگان هدایت خواهند شد.

پیش از ساخت، پروسه های طراحی مهندسیفرآیند با یک نمودار بلوکیشروع می‌شود، که عملیات انتقال موردنیاز و عملیات واحد و میزان مواد، در آن نمایش داده می‌شود. سپس پروسه های طراحی صورت می گیرد تا یک نمودار جریان فرآیندی (PFD) ایجاد بشود. در این نمودار مسیر جریان تمامی مواد، تجهیزات ذخیره‌سازی (مثل سوله ها و تانک ها) عملیات انتقال یا واحد (مثل آمیزنده‌ها، تانک‌های اصلی و یا دریافت کننده، برج‌های تقطیر، جدا کننده‌ها و پمپ‌ها وهمینطور مقدار دبی‌ها مشخص می‌ گردد. سپس نمودارهای روند فرآیند ها برای گسترش نمودار های خطوط ابزار دقیق و لوله ها (P&ID) استفاده می شود، که دارای اطلاعات تسمه نقاله واندازه خطوط لولهمی ‌باشد، تا دبی‌های خواسته شده و کنترل‌های فرآیندی نیز فراهم شوند. سپس نمودارهای خطوط لوله و ابزار دقیق، همچون پایه ای برای گسترش "راهنمای عملیات سامانه" به کار گرفته می شوند، که عملیات فرایند را بیان می‌کند.

فعالیت مهندسین فرآیند به چند بخش زیر تقسیم بندی می شود:

• طراحی فرآیند : ایجاد شبکه ری اکتورها، ایجاد برج های تقطیر (آزوتروپیک)، طراحی کارخانه‌های چندمحصولی ناپیوسته، شبکه‌های بازیابی انرژی.
• کنترل فرآیند:  کنترل برپایه ترمودینامیک، کنترل فرآیند آماری، مانیتورینگ فرآیند، کنترل مقاوم، کنترل غیرخطی.
• عملیات واحد: تطبیق داده‌ها، عیب‌یابی، زمان‌بندی برای شبکه‌ای از فرآیندها، طرح‌ریزی و بهینه‌سازی دوره‌ای، بهینه‌سازی آنی.
• ابزارهای کمکی: شبیه‌سازی‌های بر پایه تعادل، بهینه‌سازی معادلات دیفرانسیل (DAE)، شبیه‌سازی‌های ماژول‌های متوالی، برنامه‌نویسی غیرخطی (NLP) در مقیاس وسیع،
• اقتصاد فرآیند: شامل زمان بازگشت سرمایهکارخانه پس از تبادلات جرم و انرژی است، ارزش خالص کنونی، هزینه نهایی، استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی مانند ASPEN برای یافتن نقطه سربه سر،
• تجزیه و تحلیل داده های فرآیندی: یادگیری ماشین هابا هدف پیدا کردن راه حلی برای بررسی مشکلات فرآیندی و ترکیب روش های آنالیز داده هایشان.

تمامی کتب که در این حوزه وجود دارند ابتدای مراتب با اصول اولیه مهندسی شیمی و مباحث پایه ای شروع می شود و در نهایت با ساخت یک واحد شیمیایی بوسیله نقشه های فرآیندی به پایان می رسند. در اصل منظور از منابع طراحی فرآیند، طراحی واحدهای مختلف عملیاتی و تولیدی خواهد بود. طراحی فرآیند ها در مهندسی شیمی به این معناست که باید متد یا روش هایی بررسی و طراحی شوند که در آن ها مواد اولیه از حالتی به حالات دیگر که مطلوب و مورد نظر مجموعه پالایشگاهی است، تبدیل شود. در گرایش طراحی فرآیند ها دانشجو با مدل سازی و شبیه سازی واکنش ها و اصول طراحی واکنش های شیمیایی و غیره آشنا می شوند. این گرایش مربوط به مقطع کارشناسی ارشد مهندسی شیمی می باشد و فارغ التحصیلان مقطع کارشناسی مهندسی شیمی یا رشته های مرتبط می توانند برای ادامه تحصیل این گرایش را انتخاب کنند.

پایه اصولی مراجع طراحی فرآیند در مهندسی شیمی بر اساس مباحث مهم زیر استوار است:

• معادلات و روابط ترمودینامیکی
• انتقال حرارت و مکانیک سیالات
• انتقال جرم و مواد

بنابراین فردی که می خواهد در گرایش طراحی فرآیند ادامه تحصیل دهد باید بر دروس پایه و اساسی مهندسی شیمی از جمله انتقال حرارت،  انتقال جرم، سینتیک و طراحی ری اکتور و عملیات واحد تسلط کامل و حرفه ای داشته باشد.

زمینه‌های فعالیت دانشکده مهندسی شیمی در گرایش فرآیندهای جداسازی

•         سنتز و ارزیابی انواع غشاهای جداسازی گازی
•         انتقال یون شامل غشاهای پیل سوختی و باطری‌های بر مبنای انتقال یون لیتیوم
•         بررسی خواص ضدمیکروبی نانوذرات
•         استفاده از مواد پیشرفته در تصفیه آب و فاضلاب
•         حذف فتوکاتالیستی آلاینده‌ها از پساب های صنعتی به وسیله نانوذرات
•         بررسی انواع فرآیندهای فیلتراسیون (میکرو- اولترا- نانو)
•         سنتز و ارزیابی انواع غشاهای جداسازی مایع
•         حذف آلاینده‌ها از محول‌های آبی با بکارگیری نانوجاذب‌ها
•         سنتز انواع نانوذرات، چارچوب‌های آلی- فلزی و نانوکامپوزیت‌ها و بکارگیری در فرایند جذب سطحی
•         سنتز نانوجاذب‌های زیسیتی و بکارگیری در فرآیند جذب
•         بررسی فرآیندهای استخراج و تخلیص مواد با ارزش افزوده از پسماندهای لیگنو سلولزی
•         سنتز و ارزیابی پلیمرهای نیمه‌هادی و بکارگیری در فرایندهای غشایی و فرایندهای جذب

زمینه‌های فعالیت دانشکده مهندسی شیمی در گرایش طراحی فرآیند

•         فرآیندهای تبدیل گاز به مایع GTL
•         سولفورزدایی از سوخت ها
•         بهینه سازی و مدلسازی CFD فرآیندها
•         فرایندهای تبدیل متانول به هیدروکربن ها
•         فرایندهای جداسازی غشایی
•         انتقال حرارت در نانوسیالات
•         مدل‌سازی خواص ترمودینامیکی
•         مدل‌سازی خواص ترمودینامیکی

و پس از توضیح تکمیلی راجع به گرایش مهندسی طراحی فرآیند ها از مهندسی شیمی که درکل حوزه های فعالیت مهندسین و دانشجویان این رشته را همراه با پژوهش های مختلفی که در زمینه های متفاوت انجام می دهند بیان کردیم، باید از نظر آکادمیک مفاد درسی این رشته پر اهمیت در حوزه سیالات و شیمی را مورد بررسی قرار دهیم تا تماما دانش جویان مقطع کارشناسی که به آن علاقه دارند اطلاعات زمینه ای خود را کاملا با مرور این مقاله از سوی دپارتمان شیمی موسسه پارس پژوهان بالا برده باشند و با داده های این مقاله بتوانند اقدام به شروع مقطع کارشناسی ارشد داشته باشند و از همه جهات مطمئن شوند.

الف : دروس تخصصی الزامی

ب: دروس اختیاری گرایش فرایندهای جداسازی

ج: دروس اختیاری گرایش طراحی فرایند:

جمع بندی

طراحی فرآیند های شیمیایی مستلزم جمع آوری دیتاشیت های متعددی در ابتدای کار بوده که جلوتر پس از تائید مهندسی این موارد و گردآوری تمامی اقدامات آنهارا وارد محیط های نرم افزاری مختلفی میکنند و در نهایت به شبیه سازی های خود می رسند.

نویسنده : مهندس علیرضا خانی / مسئول دپارتمان مهندسی شیمی موسسه پارس پژوهان