۱-راههای افزایش راندمان درچیلرها
۲-مبدل های صنعتی ویزه
۳-شناسایی ورفع مشکلات فرآیندی مبدل های حرارتی
۴-تعمیر ونگه داری وراهبری مبدلهای حرارتی
۵-فن آوریهای نوین افزایش انتقال حرارت وبازده مبدلهای حرارتی
۶-شناسایی ورفع مشکلات فنی واقتصاد ساخت داخل انواع مبدلهای حرارتی
رابطه مهندسي شيمي با علم شيمي .
آيا ميدانيد كه دانشجويان گرايشهاي مختلف رشته مهندسي شيمي تنها 12 واحد شيمي ميگذرانند كه از اين 12 واحد نيز 3 واحد در اكثر رشتههاي مهندسي ارائه ميشود؟
و آيا ميدانيد كه بيشتر دروس مهندسي شيمي با رشتههاي مهندسي ديگر ، بخصوص مهندسي مكانيك گرايش حرارت و سيالات مشترك است ؟
حتما ميپرسيد پس چرا عنوان اين رشته مهندسي شيمي است؟
عنوان كامل اين رشته، مهندسي صنايع شيمي است. يعني همانطور كه ما مهندسيني در صنايع الكترونيك و مكانيك داريم، در صنايع شيمي نيز داريم. اما به مرور كلمه صنعت از عنوان يك رشته حذف شده و به همين دليل داوطلبان آزمون سراسري فكر ميكنند كه مهندسي شيمي شبيه به رشته شيمي است. در حاليكه نسبت بين مهندسي شيمي و شيمي مثل نسبت بين مهندسي برق و فيزيك ميباشد.
به دست آوردن مواد شيميايي در آزمايشگاه به علم شيمي باز ميگردد. يعني وقتي كه ما در آزمايشگاه ماده A را با B تركيب ميكنيم و ماده C به دست ميآيد از علم شيمي استفاده كردهايم اما اين كه از چه طريقي از A و B به C ميرسيم در حيطه مهندسي شيمي قرار دارد. از سوي ديگر يك شيميست در آزمايشگاه فعاليت ميكند در حاليكه يك مهندس در مقياس صنعتي كار ميكند و براي رسيدن به هدف خود از دروس مهندسي مثل انتقال حرارت، انتقال جرم، مكانيك سيالات ، طراحي رآكتورها و يا ترموديناميك ياري ميگيرد. به عبارت ديگر در مهندسي شيمي فقط از علم شيمي به عنوان يك پايه استفاده ميشود و سپس به سراغ دروسي ميرويم كه محاسباتي و مهندسي هستند.
تفاوت عمده مهندسي شيمي با شيمي در اين است كه مهندس كارش طراحي است در حالي كه شيميستها با كارهاي آزمايشگاهي روبرو هستند. البته در اين رشته دروس شيمي نيز وجود دارد اما شباهت اين رشته به ساير رشتههاي مهندسي ، بخصوص مهندسي مكانيك گرايش حرارت و سيالات بييشتر از شباهت اين رشته به شيمي است. در حقيقت يك مهندس شيمي به عنوان حد واسط بين آزمايشگاه و مصرفكننده، از اطلاعات شيميستها استفاده كرده و مواد شيميايي را به توليد صنعتي ميرساند.
براي يك شيميست تنها توليد ماده مهم است، اين كه وقتي دو ماده با هم تركيب ميشود، چه مادهاي به وجود ميآيد. اما يك مهندس شيمي به طراحي دستگاههايي ميپردازد كه ماده فوق را به كيفيت بالايي ميرساند.
نكات تكميلي
رشته مهندسي شيمي نسبت به رشتههاي مهندسي ديگر جديد است، چرا كه اين رشته زاييده ضرورت و نياز صنعت مكانيك، الكترونيك و عمران ميباشد.
براي مثال به مرور زمان صنعت به مهندس مكانيكي احتياج پيدا كرد كه از تحولات و فرآيندهاي شيميايي اطلاع داشته باشد و بتواند دستگاههايي را طراحي كند كه در آنها فرآيندهاي شيميايي اتفاق ميافتد. در نتيجه شروع به تربيت مهندسين مكانيكي كرد كه بيش از معمول تحصيلكردگان اين رشته از علم شيمي مطلع باشند و اين دسته از متخصصان همان مهندسين شيمي هستند.
در يك پروژه كه با حضور مهندسين رشتههاي مختلف انجام ميگيرد، مهندس شيمي كار اوليه را بر عهده دارد. براي مثال اگر قرار باشد يك برج براي تقطير مادهاي ساخته شود؛ كار طراحي اين برج، تعيين ارتفاع، قطر و نوع موادي كه بايد در ساخت آن به كار برده شود و همچنين تعيين درجه دما و فشار آن بر عهده مهندس شيمي است.
بیوتكنولوژیی مهندسی شیمی دنیای امروز
برای مهندسی شیمی به عنوان یكی از رشته های فنی كاربردی ، كه امروزه گسترش فراوانی پیدا كرده است، از سوی ارگانهای گوناگون تعاریف مختلفی ارائه شده كه در زیر به بعضی از آنها اشاره می شود.
● مقدمه
بانگاهی به دنیای امروز شاید بتوان آن را به نوعی دنیای بحران ها نامید. بحرانهای سیاسی، اجتماعی، اقتصادی، جمعیت ، زیست محیطی، تامین غذا برای جمعیتی كه یك سوم آن در زیر خط فقر زندگی می كنند، آب ، انرژی ، و.… خوشبختانه این مسائل كاملاّ آشكار است و مورد توجه جهانیان قرار داشته و شاید با بیانی بهتر امروزه مورد توجه قرار گرفته است.به طوریكه هر روزه می توان شاهد برگزاری سمینارهای منطقه ای و بین المللی با هدف بررسی این مسائل و پیشنهاد راه حل برای آنها باشیم. هدف از این گفتار نه بررسی تخصصی و كامل این بحرانهاست و نه ارائه راه حل برای آنها، بلكه هدف از این بحث بررسی اجمالی نقش علوم و به ویژه بیوتكنولوژی و مهندسی شیمی در تأثیر گذاری و بر طرف كردن آنها می باشد. در این راستا ابتدا به تعریف این دو شاخه تخصصی در حد امكان پرداخته، ویژگی های آنها را مورد برررسی قرار می دهیم و در نهایت نقش هر یك از آنها در تعالی بخشیدن به اهداف دیگری مورد بحث قرار خواهد گرفت .
● مهندسی شیمی ، توانایی ها و كاربردها
برای مهندسی شیمی به عنوان یكی از رشته های فنی كاربردی ، كه امروزه گسترش فراوانی پیدا كرده است، از سوی ارگانهای گوناگون تعاریف مختلفی ارائه شده كه در زیر به بعضی از آنها اشاره می شود.
انجمن مهندسین شیمی آمریكا مهندسی شیمی را به صورت زیر تعریف كرده است: "مهندسی شیمی عبارتست از كاربرد اصول علوم فیزیكی همراه با مبانی اقتصادی و روابط انسانی در زمینه هایی كه مستقیماّ به فرآیندها و دستگاههای لازمه مربوط می باشند و در آنها ماده به منظور تغییر در حالت، تركیب یا مقدار انرژی تحت عمل قرار داده شود"..
همچنین تعرف ستاد انقلاب فرهنگی ایران از مهندسی شیمی به صورت زیر می باشد::
"فن كاربرد علوم پایه در جهت پیاده نمودن فرآیندهای شیمیایی و فیزیكی در مقیاس صنعتی".
بنابراین و با توجه به تعاریف فوق ، مهندسی شیمی را می توان تلفیقی از علوم گوناگون مانند ریاضی، شیمی و فیزیك دانست كه با در نظر گرفتن فاكتورهای اقتصادی، تولید صنعتی یك فرآورده از طریق فرآیند های شیمیایی و فیزیكی در مقیاس زیاد را طراحی و رهبری می كند.
با نگاهی دقیق تر می توان ویژگی ها و تواناییهای موجود در مهندسی شیمی را به طور خلاصه به صورت زیر دسته بندی كرد: :
1) شناخت و بررسی فرآیندهای فیزیكی و شیمیایی متوالی در مسیر تولید.
2) طراحی سیستمها و دستگاههای مورد نیاز در این مسیر.
3) بهینه كردن سیستم از نظر اقتصادی و كیفیت فرآورده ها و. . .
به نظر می آید كه با توانایی های بالا، مهندسی شیمی می تواند كاربردهای فراوانی در عرصه های صنعتی و در زمینه های گوناگون داشته باشد. و حقیقت نیز چنین بوده و مهندسی شیمی كاربردهای بسیار زیادی در موارد مختلف دارد..
از جمله این كاربردها می توان به موارد زیر اشاره كرد1) صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
2) صنایع شیمیایی( رنگ، مواد شوینده و… )
3) صنایع كانی غیر فلزی (سیمان، گچ، شیشه، سرامیك و … )
4) صنایع سلولزی (كاغذ،مقوا، چوب)
5) صنایع غذایی و دارویی
6) صنایع فرآوری چرم و پوست
7) تصفیه آب و پساب و. . .
باوجود كاربردهای فراوان مهندسی شیمی ، این رشته همواره در حال بسط و توسعه بوده و هر روزه افقهای جدیدتری در پیش روی این رشته قرار می گیرد.یكی از جدیدترین زمینه های به وجود آمده، مهندسی بیوتكنولوژی می باشدكه در قسمت بعد این گفتار به بحث مورد این زمینه جدید علمی_ تكنولوژیكی می پردازیم. .
● بیوتكنولوژی ، عرصه ای نو
صحبت درباره بیوتكنولوژی و شناخت آن به عنوان یك عرصه هر چند جوان اما گسترده علم، نیازمند بحث طولانی و دقیق می باشد كه در صورت امكان و در فرصتهای بعد به آن پرداخته خواهد شد. در اینجا صرفاّ با بیان تعاریفی از آن و بحث اجمالی در باره توانایی های آن سعی می شود به نقش مهندسی شیمی در این عرصه و همچنین نقش بیوتكنولوژی به عنوان یكی از زمینه های اصلی مهندسی شیمی در آینده نه چندان دور پرداخته شود و این دو رشته تخصصی در تعامل با یكدیگر مورد بررسی قرارگیرند.
بیو تكنولوژی (Biotechnology) ، یك كلمه مركب است كه از دو كلمهBio و Technology تشكیل شده است.. Bio به معنای حیات به كارمی رود.برای Technolgy نیز تعارف گوناگونی وجود دارد از جمله:"تكنولوژی ، عالیترین دستاورد عینیت و ذهنیت بشری است.» و یا «تكنولوژی ، تبلور كار انسان در ابزا ر است".
در جستجوی تعریف بیوتكنولوژی به سادگی می توان به تعارف بالا مراجعه كرده و به صورت خلاصه ترجمه زیر را برای لغت بیوتكنولوژی ارائه داد: " صنایع زیستی ".
اما صنایع زیستی به چه معناست و چه كاربردها و چه توانایی هایی دارد؟ به این منظور به چند تعریف گوناگون كه برای این عرصه علمی ارائه شده است اشاره می شود:::
"بیوتكنولوژی یا صنایع زیستی عبارت از مجوعه فنونی است كه با یاری گرفتن از جانداران به ویژه میكروبها و تك سلولها (سلولهای جانوری، گیاهی ، انگلها، باكتریها، قارچهاو مخمرها) محصولات متنوعی در ارتباط با علوم پزشكی ، كشاورزی و صنایع تولید می كند.".
با توجه به اینكه بحث حاضر مربوط به ارتباط بین بیوتكنولوژی و مهندسی شیمی است بیش از این در مورد جزئیات فراوانی كه در بیوتكنولوژی می تواند مطرح شود از جمله: چرایی بیوتكنولوژی ، علت توجه روز افزون به آن، علت استفاده از موجودات زنده و مسائل بیشمار دیگر بحث نكرده وبه مساله اصلی پرداخته می شود .
بدین منظور ابتدا به صوت اجمالی به كاربردها و ویژگی ها بیوتكنولوژی می پردازیم: :
1) تولید فرآورده های غذایی
2) تولید آنزیم های گوناگون با كاربرد در صنایع غذایی و دارویی
3) تولید انرژی
4) تولید فرآورده های ویژه دارویی ( آنتی بیوتیكها و پروتئینها) كه از طرق عادی امكان تولید آنها میسر نیست.
5) تصفیه بیولوژیكی آبهای آلوده و پسابها
6) استخراج فلزات و مواد كانی ارزشمند و . . .
همان طور كه مشخص است، بیوتكنولوژی به مانند مهندسی شیمی دارای كاربردهای فراوان و اكثراّ در زمینه هایی مشترك با آن می باشد a .
از این طریق می توان به ارتباط موجود بین این دو رشته پی برد. هدف این دو تخصص در نهایت تولید یك فرآورده است. تفاوت در اینجاست كه در مهندسی شیمی كلاسیك، موجودات زنده نقشی نداشته و در مهندسی بیوتكنولوژی، این موجودات نقش اساسی دارند. بدین ترتیب می توان بیوتكنولوژی را به عنوان مسیر ارتباطی بین تكنولوژی بدون حیات به تكنولوژی وابسته به حیات معرفی كرد . "بیوتكنولوژی بكار گیری فرآیندها و تبدیلات بیولوژیكی در مقیاس صنعتی جهت تولید مواد بیوشیمیایی یا تسهیل تولید فرآورده های مختلف می باشد. "
تا اینجا با تعریف بیوتكنولوژی به ارتباط دو رشته تخصصی مهندسی شیمی و بیوتكنولوژی به صورت اجمالی پرداخته شد در قسمت بعد به نقش مهندسی شیمی در بیوتكنولوژی پرداخته می شود.
یك ماده در فرایندهای بیوتكنولوژی نیز به مانند هر فرآورده دیگر مستلزم گذشتن از مراحل گوناگونی می باشد. مانند مرحله پژوهش آزمایشگاهی و تحقیقاتی، تولید یك ماده در آزمایشگاه، تولید نیمه صنعتی یك فرآورده و بررسی فاكتورهای عملیاتی و اقتصادی و درنهایت تولید صنعتی. به غیر از مرحله اول كه مربوط به متخصصان علوم زیستی مانند زیست شناسی، میكروب شناسی بیوشیمی و مهندسی ژنتیك است، در قسمتهای بعدی كه مربوط به كارهای صنعتی است، نیازمبرم به مهندسی شیمی و تخصص آن احساس می شود.
طراحی فرآیندها و دستگاههای لازم در فرآیند بیولوژیكی كه توانایی ایجاد شرایط برای تولید بهینه از نظر اقتصادی و كیفی داشته باشد از وظایف اصلی یك مهندس شیمی مسلط به اصول بیوتكنولوژی می باشد. همچنین طراحی فرآیندهایی مانند جداسازی و خالص سازی از وظایف اصلی یك مهندس شیمی می باشد و این ها همه بیانگر نقش اساسی مهندسی شیمی در تولید فرآورده های بیولوژیكی می باشد. .
در نهایت و به عنوان نتیجه بحث می توان چنین بیان داشت كه مهندسی بیوتكنولوژی با توجه به قابلیتهای فراوانی كه دارد از جمله پائین بودن هزینه های تولید در آن، عدم ایجاد آلودگی و همچنین امكان ایجاد در نقاط مختلف كره زمین این قابلیت را دارد كه بعضی بحرانهای موجود در دنیای امروز را تا حدودی برطرف كند و یا از بین ببرد.
http://kntu-mech.blogfa.com/post-320.aspx جزوه محاسبات عددی رشته های فنی
در ديگر صنايع مربوط به اين رشته مشغول به كار شوند. در حال حاضر زمينه كار براي فارغالتحصيلان به دليل ملي بودن صنعت نفت و گاز، بيشتر در بخش دولتي است ولي برخي شركتهاي مشاورهاي و پيمانكاري كه در اين زمينه فعاليت ميكنند، فارغالتحصيلان اين رشته را جذب ميكنند. با توجه به نياز كشور به انرژي براي راهاندازي بخش صنعت و حمل و نقل و همچنين استفاده از گاز طبيعي به عنوان ماده اوليه در برخي از صنايع ، لازم است ميدانهاي گاز توسعه يابند و پالايشگاههاي جديد گاز نيز احداث شوند.
بنابراين مهندسان شيمي متخصص در صنايع گاز ميتوانند نقش مهمي را در پيشرفت كشور به عهده داشته باشند.
صنايع غذايي
فارغالتحصيلان اين دوره ميتوانند در كارخانههاي قند، روغنهاي نباتي، كنسروسازي ، لبنيات پاستوريزه، آمادهسازي مواد گوشتي، صنايع نوشابهسازي، صنايع استخراج اسانس، چاي، سردخانهها و واحدهاي نگهداري از مواد غذايي كار كنند.
مهندسی شیمی عمدتاً در طراحی و نگهداری فرآیندهای شیمیایی برای تولید انبوه به کار میرود. به این بخش از مهندسی شیمی، مهندسی فرآیند گفته میشود. تفاوت شیمی و مهندسی شیمی را میتوان با یک مثال درباره آب پرتقال بیان کرد! یک شیمیدان با کار در آزمایشگاه، راههای مختلفی را برای استخراج آب پرتقال مطالعه و کشف میکند. سادهترین راه شناخته شده برای این کار، دو نیم کردن پرتقال و فشردن آن است. راه پیچیدهتر، کندن پوست پرتقال، خرد کردن آن و جمعآوری آب پرتقال است. شرکتی یک مهندس شیمی را استخدام میکند تا برایش یک واحد تولید هزاران تن آب پرتقال در سال طراحی کند. مهندس شیمی همه راههای موجود تولید آب پرتقال را مطالعه و ارزیابی اقتصادی میکند. با آن که آبگیری دستی سادهترین راه است، اما از لحاظ اقتصادی استخدام صدها نفر برای این کار به صرفه نیست. بنابراین روشی ارزانتر انتخاب میشود. این مثال نشان میدهد که سادهترین روش آزمایشگاهی لزوماً اقتصادیترین روش تولید انبوه نیست.
فرآیندهای مجزایی که توسط یک مهنس شیمی به کار گرفته میشوند (مانند تقطیر، استخراج و ...)، عملیات واحد نام داشته و شامل واکنش شیمیایی، عملیات انتقال جرم، انتقال حرارت و انتقال اندازه حرکت هستند. این فرآیندها برای سنتز شیمیایی یا جداسازی شیمیایی با هم ترکیب میشوند.
سه قانون فیزیکی اساسی در مهندسی شیمی، اصل بقای جرم، اصل بقای انرژی و اصل بقای اندازه حرکت هستند. انتقال ماده و انرژی در یک فرآیند شیمیایی با استفاده از موازنه جرم و انرژی برای کل واحد، عملیات واحد یا بخشی از آن ارزیابی میشود. مهندسین شیمی اصول ترمودینامیک، سینتیک واکنش و پدیدههای انتقال را به کار میگیرند.
مهندسی شیمی نوین، گسترهای فراتر از مهندسی فرآیند را در بر میگیرد. هدف اصلی مهندسی شیمی استفاده از دانش شیمی در خلق مواد و محصولات بهتر برای دنیای امروز است. امروزه مهندسین شیمی علاوه بر فرآیندهای تولید مواد اولیه پایه، بلکه در تو سعه و تولید محصولات باارزش و متنوع شرکت دارند. این محصولات شامل مواد ویژه و کارآمد برای صنایعی همچون هوافضا، خودروسازی، پزشکی، صنایع الکترونیک، کاربردهای محیط زیست و صنایع نظامی است. به عنوان مثالهایی از این محصولات میتوان به الیاف، منسوجات و چسبهای بسیار قوی، مواد زیستسازگار و داروهای جدید اشاره کرد. امروزه مهندسی شیمی ارتباطی تنگاتنگ با علوم زیستشناسی، مهندسی پزشکی و اغلب شاخههای مهندسی دارد.
مرسی
تعریف مهندسی شیمی
اصطلاح مهندسی شیمی نخستین بار درسال 1880 میلادی توسط جرج دیویس درشهرمنچستر انگلستان وطرح گردید.
تعریف هر علمی دآغاز آموزش آن، موجب پیذایش ذهنیتی روشن ازآن علم می شود.درارایه تعریف یک علم ازموضوع،مسایل،غایت وفایده آن علم استفاده می شود.بر این اساس کمیته مهندسی شیمی ستاد انقلاب فرهنگی تعریف زیررا ارایه نموده است:))مهندسی شیمی،فن کاربرد علوم پایه جهت پیاده سازی فرآیندهای شیمیایی وفیزیکی درمقیاس صنعتی می باشد.))
همچنین انجمن مهندسین شیمی آمریکا،تعریف زیررا ارایه نموده است:
)) مهندسی شیمی تلفیقی از به کارگیری اصول علم شیمی وفیزیک با توجه به جنبه های اقتصادی حاکم برفرآیندهای مربوط به تغییر حالت،فرآیندهای ترکیبی وفرآیندهای انتقال انرژی می باشد.))
اولین تعریف ازمفهوم روشنتری برخوردار است.با توجه به آن می توان گفت که مهندسی شیمی،شاخه ای ازمهندسی است که عملیات مربوط به تغییرات فیزیکی وشیمیایی مواد را طراحی ونظارت می کند.
با توجه به زیرساخت های محکم مهندسی شیمی (اصول فیزیکی وشیمیایی)،امکان نقش پذیری بیشتر مهندسی شیمی دررشد،توسعه واداره فناوریهای موردنیاز وجوددارد.به همین دلیل دایره کارآیی موفقیت آمیز مهندسین شیمی بسیارگسترده ومتنوع می باشد.
حضور فعال وکارآمد مهندسی شیمی درپژوهش وتحقیق پیرامون فرآیندهای نوین تولید،طراحی فرآیندهای تولید،طراحی دستگاههای به کارگرفته شده درفرآیندها،فعالیتهای توسعه بخش فرآیند،نظارت برتولید ورفع مشکلات فنی ورفع معایب دستگاهها حاکی ازگستردگی وتوانمندی رشته مهندسی شیمی ازآغاز تاپایان یک فرآیند تولید می باشد.
تاسیس نخستین دانشکده مهندسی شیمی درسال 1920 دردانشگاه MIT همراه بارویکرد جدی به صنایع نفت وپتروشیمی در دهه 30میلادی،رشدسریع مهندسی شیمی رادرپی داشت.درواقع تمام فناوریهای جدید صنایع یادشده وتولید انبوه محصولات متنوع نفتی وپتروشیمی مدیون رشته مهندسی شیمی می باشد.مهندسین شیمی با اخذ پیشرفتهای علم شیمی وفیزیک وبه کارگیری آنها درایجاد فنون جدید،گرایشهای گونانی ازکاربریاین رشته به وجود آوردند.
صنایع فرآوری نفت،پتروشیمی ومحصولات میانی،صنایع گاز،دارویی،رنگ،موادشوینده،سموم دفع آفات، صنایع شیمیایی معدنی ازقبیل سیمان،گچ،آهک،شیشیه،سرامیک،کاشی،صنایع سلولزی ازقبیل کاغذ،مقوا،صنایع غذایی از قبیل قند،شکر،موادتخمیری،نوشابه،روغن ها،صنایع فرآورش چرم وپوست ومواد منفجره،صنعت تصفیه پساب ها،علوم هسته ای،زیست محیطی،زیست پزشکی،کاتالیزورها،پلیمرها(بسپارها)، کنترل فرآیندها،کنترل کیفیت،بیوتکنولژی واخیرا نانوتکنولوژی ازگرایشهای بسیارمتنوع مهندسی شیمی حکایت می کنند.حضورفعال وکارای یک مهندس شیمی درتمامی زمینه های یادشده مذیون زیرساختهای علمی محکم این رشته میباشد.
سابقه مهندسی شیمی درایران
اولین متولی تعلیم وتربیت مهندسین شیمی درایران شرکت نفت سابق بود.شرکت مزبور برای رفع نیازهای تخصصی خویش دربهره وری ازصنایع نفت وگازاقدام بهاین مهم نمود.با گسترش صنایع نفت،گاز،پتروشیمی وکارخانه های متعدد قند،سیمان،داروسازی و... ازاواخر دهه چهلهجری شمسی علاوه بردانشکده نفت آبادان،تعدادی دیگر ازدانشگاههای کشور نیز اقدام به تاسیس دوره های مهندسی شیمی درمقطع کارشناسی نمودند؛تا بتوانند پاسخگوی نیازتخصصی صنایع مختلف شیمیایی کشورباشند.ازجمله دانشگاههایی که اقدام به این کارنمودند می توان به دانشکده فنی دانشگاه تهران،دانشگاه صنعتی امیرکبیر،دانشگاه شیراز،دانشگاه صنعتی شریف،دانشگاه صنعتی اصفهان ودانشگاه سیستان وبلوچستاناشاره نمود.
توسعه تحصیلات تکمیلی دررشته مهندسی شیمی وراه اندازی آن دردانشگاههایی ازقبیل مشهد،کرمان،سهندتبریز،سمنان،علوم وفنون مازندران بعد ازانقلاب فرهنگی مدنظر مسئولان ذیربط قرار گرفت.راه اندازی واحدتحقیقات مهندسی شیمی درسازمان پژوهشهای علمی صنعتی ایران وجهاددانشگاهی از دیگر اقدامهای موثر درراستای رشد وتوسعه این رشته بوده است.
شاید بتوان ازعدم موجود استراتژی مدون آموزش وتحقیق دررشته مهندسی شیمی به عنوان مشکل اساسی این رشته یاد نمود؛بدون شک ویژگی یادشده تاثیر منفی زیادی درجذب،به کارگیری وشکوفایی استعدادها به همراه خواهد داشت.
تاریخچه مهندسی شیمی در جهان
گرچه صنایع شیمیایی موجوددرجهان دارای سابقه ای چندصدساله می باشند،اماتوسعه جدی این صنایع ازقرن نوزدهم میلادی آغازشده است.شاید عامل این توسعه روشنمند را بتوان کشف وجوه مشترک صنایع،ونیاز به افراد تعلیم یافته ومتخصص درزمینه اصول احکام بر فرآورش تولید صنعتی دانست.قابل به ذکراست تاقبل ازنیمه دوم قرن نوزدهم،تولید بسیاری ازمواد باتکیه بر تجربه های افراد ودرمقیاس محدود صورت می گرفت.ازنیمه دوم قرن یادشده تعدادی ازافراد تعلیم یافته دررشته شیمی با تلفیق اطلاعات علمی وصنعتی خویش درتولید صنعتی بعضی موادمهارت وتبحر لازم راپیدا نمودند؛هرچند که اقدامی اساسی در ارایه اصول حاکم برفرآیندهای تولید مواد شیمیایی ازجانب آنان صورت نگرفت.
اولین اقدام اساسی درترتیب وتدوین اصول موضوعه وحاکم برفرآیندهای شیمیایی توسط جورج دیویس انگلیسی صورت گرفت.وی متوجه این نکته شده بود،که تحلیل وتبیین برخی از مسایل مهندسی نیازهمزمان شیمی وفیزیک دارد.براین اساس درسال 1880 پیرامون موضوع یادشده سخنرانی نمود.می درصحبت های خویش تصویری هرچند کلی از عملیات واحدها(unit operation ) ارایه نمود.این اصطلاح اولین باردر سال 1819 درایلات متحده آمریکا توسط لیل ابداع شده بود.سخنرانی دیویس درسال 1901 تحت عنوانhand book of chemical engineering چاپ ومنتشر گردید.از دیگرتلاش های دیویس اقدام وی درتشکیل انجمن مهندسین شیمی بود،که نتیجه ای به همراه نداشت.
باروشن شدن بیش از پیش اهمیت مهندسی شیمی درصنعت کم کم مراکزی جهت پرورش نیروی متخصص دراین رشته به وجود آمد.برای اولین بار لویس نورتن استاد شیمی صنعتی،به سال1888 درانستیتو ماساچوست mit ایالات متحده آمریکا رشته مهندسی شیمی را پایه گذاری نمود.دراین رشته جنبه هایی از کاربری همزمان علم شیمی ومهندسی میکانیک درفرآیندهای شیمیایی (chemical processes ) تدریس می شد.توسعه وتنظیم این رشته بعدها توسط ویلیام واکر صورت گرفت.پس ازآن دانشگاههای پنسیلوانیا ومیشیگان نیز شروع به آموزش این رشته جدید نمودند.در سالهای اولیه قرن بیستم،مهندسی شیمی تقریبا به صورت یک حرفه مشخص مطرح گردید.
انجمن شیمیدانان آمریکا درسال 1908 بخش جدیدی به نام صنعت،شیمی ومهندسی شیمی درداخل خود ایجاد کرد وهمزمان با آن، شروع به انتشار مجله ای با نام صنایع ومهندسی شیمی نمود که هنوز ازمعتبرترین مجله های مهندسی شیمی است.
یک هفته پیش ازتشکیل بخش فوق،عده ای از مهندسین شیمی برجسته باگردهمایی درشهر فیلادلفیا،انجمن مهندسین شیمی آمریکا را به وجود آوردند.درحال حاضر این دو انجمن به عنوان سخنگویان حرفه مهندسی شیمی شناخته می شوند.
جنگ جهانی اول،توسعه سریع صنایع شیمیایی،وبه تبع آن نیازروز افزون به مهندسین شیمی را به همراه داشت. به همین دلیل پس ازمدت کوتاهی ایالات متحده آمریکا به بزرگترین کشوررشد وتوسعه مهندسی شیمی تبدیل شد؛وکاامدی این رشته بیش ازپیش آشکارگردید.این درحالی بود که گامهای اولیه شکل گیری مهندسی شیمی ازانگلستان آغازشده بود وقبل ازجنگ جهانی دوم،درهیچ کشوری رشته ی مهندسی شیمی وجودنداشت. به عنوان مثال درآلمان قبل ازجنگ،طراحیفساخت ونظارت برصنایع شیمیایی توسط شیمیدانان ومهندسین مکانیک صورت می گرفت؛ولی پس ازجنگ جهانی دوم دراین کشور وتعدادی دیگر از کشورها رشته مهندسی شیمی ایجادشد.
اطلاعات اولیه
در آزمایش فوتوالکتریک ، برای اینکه الکترونهای گسیل شده از کاتد بتوانند خود را به آند رسانده و جذب آن شوند، لازم است که درون محفظه شیشهای که کاتد و آند در داخل آن قرار دارند، خالی از هوا باشد، تا الکترون بعد از گسیل ، بدون برخورد با اتمهای هوا به آند برسد. بنابراین اگر نتوانیم محفظه شیشهای را از هوا خالی کنیم، آزمایش فوتوالکتریک ایجاد نمیشود.
آنچه ذکر شد فقط یک مورد از موارد فراوانی است که برای مشاهده نتایج آزمایش به خلاسازی نیازمندیم. بنابراین روشن است که این کار تا چه اندازه دارای اهمیت است. این مساله باعث شدهاست تا روشهای مختلف خلاسازی مورد مطالعه قرار گرفته و انواع پمپهای خلا طراحی و ساخته شوند.
تعریف خلا
فشارهای پایینتر از فشار اتمسفر را به عنوان خلا تعریف میکنند. به عنوان مثال ، چون در شهر تبریز فشار اتمسفر در حدود 650 میلیمتر جیوه است. لذا فشارهای 649 و پایینتر را به عنوان خلا در نظر میگیرند.
نواحی مختلف خلا
واحدهای فشارسنجی همان واحدهای خلاسنجی هستند. بنابراین در خلاسنجی نیز واحدهای پاسکال (pascal) و میلیمتر جیوه (mmHg) بکار میروند. توریچلی در تقسیمبندی خلا به نواحی مختلف بجای واحدهای فوق از واحد تور (Torr) استفاده کرد. وی نواحی مختلف خلا را به صورت زیر مشخص کرد.
خلا پایین (low vacuum): به محیطهای با فشار یک اتمسفر یا یک تور اطلاق میگردد.
خلا متوسط (medium vacuum): محیطهایی که فشار در آنها بین الی باشد، خلا متوسط میگویند.
خلا بالا (high vacuum): اگر فشار هوا الی باشد، چنین محیطی را خلا بالا میگویند.
خلا فرا بالا (ultra high vacuum): اگر در سیستمی فشار هوا و پایینتر باشد، در اینصورت خلا مورد نظر خلا فرا بالا نامیده میشود.
از آنجا که سیستمهای کم فشار بیشتر ماهیت گازی دارند، بنابراین بررسی خلاسازی بیشتر در این حالت از ماده انجام میگیرد.
ابزارهای خلاسازی
خلاسازی توسط پمپ خلا صورت میگیرد. متناسب با مقدار خلا مورد نیاز از پمپهای مختلفی استفاده میشود. انواع متداول این پمپها را میتوان بصورت زیر تعریف کرد:
پمپ افشانهای: این پمپها برای ایجاد خلاهایی با مقدار 80 Torr بکار میروند.
پمپ دوار هوابندی روغنی: این پمپ میتواند خلاهایی با مقدار یک اتمسفر تا ایجاد کند. این پمپها با اینکه گستره خوبی دارند، اما سطوح آنها نیاز به روغن کاری دارد. همچنین سیستم باید خنک نگه داشته شود و فشار نهایی آن قابل توجه نیست.
پمپ روتس (Roots): گستره عمل این پمپها در فاصله تا قرار دارد. عیب این پمپها این است که نیاز به پیش پمپ دارند، همچنین فشار آنچنان پایینی هم ایجاد نمیکنند. از محاسن این پمپها میتوان به سرعت تخلیه بالای آنها اشاره کرد، که در این حالت باید پس پمپی نیز برای جلوگیری از افزایش فشار وجود داشته باشد.
پمپ مولکولی: در اینگونه از پمپها از زمان خواب ذرات در جداره پمپ استفاده میکنند. ذرات بر جدارههای پمپ میخوابند، یا آنها را در مدت زمانی کمتر از زمان خواب ذرات از دور خارج میکنند و یا آنها را در جایی جمع کرده و با حرکت ویسکوزی خارج میکنند، سازنده این پمپ شخصی بنام Gade بود. محدوده عمل این پمپها از فشار شروع شده و تا فشار نیز میرسد. بزرگترین عیب این پمپها این است که به دلیل دوران خیلی زیاد دارای لرزش هستند، همچنین مانند پمپ دوار نیاز به روغن کاری دارند.
پمپ تربو مولکولی: در این نوع از پمپها رانش ذرات شبیه پمپ دوار است، اما مکانیزم عمل و دوران آن شبیه پمپ مولکولی است. این پمپ در گستره بالایی از فشار (در حدود ) ایجاد خلا کرده و سرعت تخلیهاش نیز ثابت است. قیمت این پمپها خیلی زیاد است.
پمپ دیفوزیون: از این نوع پمپ برای ایجاد خلا در محدوده تا استفاده میگردد. بیشتر در کارهای تحقیقاتی از این نوع پمپ و پمپ دوار استفاده میکنند، اما این پمپ بیشتر کاربرد صنعتی دارد.
پمپ جذبی: اساس کار این نوع پمپ بر اساس برهمکنش گاز با جامدات است. فرآیند جذب عمدتا به دو صورت جذب فیزیکی و جذب شیمیایی صورت میگیرد. پمپهای جذبی انواع مختلف دارند، که پمپ جذبی یونی از جمله آنهاست. با استفاده از اینگونه پمپها میتوان به خلاهایی با فشار دست یافت.
پمپ زمزائیک: در این نوع پمپ ، با هلیوم مایع هوا را منجمد میکنند. برای دستیابی به خلاهای فرابالا ابتدا هوا را آنالیز کرده ، سپس در دماهای مربوطه آن را منجمد میکنند. با افزایش تراکم و کاهش فوقالعاده دما ، هلیوم مایع بدست میآید. هلیومهای نفوذی به خارج را با تزریق هلیوم جبران میکنند. بوسیله این پمپها میتوان خلاهایی با فشار ایجاد کرد.
خلاسنجها
خلاسنجهای مستقیم: این نوع خلاسنجها دارای لوله U شکل هستند که مستقیما فشار خلا را اندازه میگیرند. با این وسیله میتوان تا فشار یک تور را اندازه گرفت.
خلاسنجهای شبه مستقیم: در این حالت از سنجش مقاومت و ظرفیت خازن و ضریب خودالقایی سلفها به منظور فشارسنجی استفاده میگردد.
خلاسنج مک لئود: این دستگاه نیز بر اساس اندازهگیری طول به فشارسنجی میپردازد. به این معنی که با توجه به رابطه P = ρgl میتوان با افزایش یا کاهش طول ، مقدار فشار را اندازهگیری کرد. که در این رابطه ، l طول ، g شتاب گرانشی ، ρ چگالی حجمی میباشد. با این وسیله میتوان تا فشار را اندازه گرفت.
خلاسنج یونشی: این نوع خلاسنجها که بر اساس یونسازی کار میکنند، بسته به نوع روش بکار رفته برای این کار به انوع مختلف تقسیم میشوند، که از آن جمله میتوان به خلاسنج یونی گرم و خلاسنج یونی گرم متعارف اشاره کرد.
خلاسنجهای دیگری وجود دارند که بر اساس رابطه P = nkT کار میکنند و از طریق دماسنجی و یا هدایتسنجی به فشار میرسند. مشهورترین این خلاسنجها ، خلاسنج ترموکوبل است. در رابطه اشاره شده T دما ، k ثابت بولتزمن و n تعداد اتمهای گاز است. بطور عملی گستره بهینه این خلاسنجها در فاصله تا است.
سخن آخر
امروزه همزمان با پیشرفت روزافزون شاخههای مختلف علم فیزیک ، فیزیک خلا نیز گسترش چشمگیری پیدا کرده است و با استفاده از خلاسنجهای رادیواکتیو امکان ایجاد سیستمهای با فشار خیلی پایین حاصل شده است. بطوری که با ترکیب خلاسنج رادیواکتیو و خلاسنج یونی گرم متعارف ، میتوان تمام گستره فشاری قابل دسترس بوسیله قویترین پمپها را تحت پوشش قرار داد.
منابع كنكور كارشناسي ارشد مهندسي شيمي
تأسيس مدارس علم شيمي به اوايل قرن نوزدهم باز ميگردد، ليكن در آن ايام از رشته مهندسي شيمي خبري نبود. مدارس فني كه بعدا تأسيس شد، هنوز رشته مهندسي شيمي را تدريس نميكردند. در آن زمان، شيميدانها با انجام آزمايشها و پژوهشهاي خود، روش ساخت مواد شيميايي را در آزمايشگاهها ابداع ميكردند، ليكن جهت ساخت صنايع شيميايي مربوط توانايي و تجربه علمي و عملي لازم را نداشتند. بنابراين، مهندسين مكانيك را استخدام ميكردند. مهندسين مكانيك با توجه به نياز شيميدانها، تجهيزات، وسايل و امكانات را طراحي كرده، ميساختند
بدين ترتيب، با همكاري شيميدانها و مهندسين مكانيك، صنايع شيميايي ساخته ميشد.اين روش كار داراي مشكلات زيادي بود و علت آن از اينجا ناشي ميشد كه دو گروه مستقل كه از فعاليت يكديگر اطلاع كافي نداشتند، با همديگر همكاري ميكردند. مهندسين مكانيك از علوم مربوط به شيمي و نحوه انجام فرآيندهاي شيميايي آگاهي نداشتند و شيميدانها نيز از نحوه طراحي و ساخت واحدهاي شيميايي مطلع نبودند. بدين لحاظ، ايده ايجاد رشتهاي كه علاوه بر آگاهي از علم شيمي، توانايي طراحي و ساخت صنايع شيميايي را نيز داشتهباشد، در اذهان پديده آمد. بدين ترتيب براي اولين بار، رشته مهندسي شيمي در دانشكده مهندسي مكانيك دانشگاه MIT (آمريكا) در سال 1888 ميلادي تأسيس گرديد و پس از آن ساير دانشگاهها به پيروي از اين شيوه، رشته مهندسي شيمي را داير كردند. با گذشت زمان و مشخص شدن بيش از پيش اهميت اين رشته، رشته مهندسي شيمي از دانشكدههاي مهندسي مكانيك جدا شد و دانشكده مستقلي براي آن به وجود آمد. در ايران نيز اولين بخش مهندسي شيمي در سال 1323 در دانشكده فني دانشگاه تهران داير شد.
مهندسي شيمي، شاخهاي از مهندسي است كه با ايجاد و كاربرد فرآيندهايي كه در آنها تغييرات شيميايي يا فيزيكي صورت ميگيرد، رابطه دارد. بسياري از فرآيندهايي كه در گروه صنايع شيميايي طبقهبندي ميشوند، فقط شامل تغييرات فيزيكي هستند و از جمله آنها ميتوان از تقطير نفت كه يك فرآيند جداسازي مواد از يكديگر و يك تغيير فيزيكي است، نام برد.
البته مانند هر يك از شاخههاي علوم، تعيين مرز بندي و ارائه تعريفي جامع براي آن ممكن نيست، ولي به طور كلي ميتوان گفت كه وظيفه اصلي مهندس شيمي اين است كه كشفيات شيميدان پژوهشگر را در اختيار گيرد و به آن در صنعت شيمي جامه عمل بپوشاند. البته در كنار اين وظيفه مهم، به فعاليتهاي ديگري از جمله تحقيق و بررسي در صنايع شيميايي و انجام اقدامات بهينه سازي آن نيز ميپردازد
در خصوص زمينههاي كاري مهندسي شيمي ميتوان گفت كه محدوده وسيعي را شامل ميشود و بطور خلاصه ميتوان آنرا به چند گروه تقسيم كرد. گروهي از مهندسين شيمي ميتوانند در مراكز تحقيقاتي از جمله پژوهشگاه هاي صنعت نفت به تحقيق و پژوهش در زمينه نحوه توليد و ساخت مواد يا در زمينه توسعه در كارخانههاي شيميايي به عنوان مسؤول و مدير كارخانه با مهندس بهره بردار به فعاليت مشغول شوند و در كنار آنها برخي ديگر از مهندسين شيمي بهعنوان مسؤول تعمير و نگهداري كار ميكنند.
برخي از مهندسين شيمي نيز با توجه به آشنايي شان با مواد شيميايي، به فعاليتهاي بازرگاني در زمينه مواد شيميايي اقدام ميكنند
البته در خصوص فعاليت مهندسين شيمي، توضيح يك نكته ضروري است و آن اينكه چون مهندسي شيمي در جامعه ما آن چنان كه بايد شناخته شده نيست، بسياري از مردم، حتي طبقه تحصيل كرده جامعه نيز جايگاه مهندسين شيمي و مهندسين مكانيك را به خوبي نميشناسند و در نتيجه، امور مربوط به مهندسين شيمي را به مهندسين مكانيك واگذار كرده، چنين تصور ميكنند كه زمينه كاري مهندسين شيمي، مشابه زمينه كاري تحصيل كردگان رشته شيمي (علوم پايه)، فقط در آزمايشگاههاي شيمي است و بايد فقط در خصوص علوم شيمي فعاليت كنند. به عبارت ديگر به گذشته بازگشت كرده، فعاليتهاي فني و كارهاي مهندسي را در محدوده كاري مهندسي مكانيك ميپندارند
در ادامه مطلب به بررسی زیر شاخه های مختلف مهندسی شیمی خواهیم پرداخت:
پیشگفتار
تقطیر ، در واقع ، جداسازی فیزیکی برشهای نفتی است که اساس آن ، اختلاف در نقطه جوش هیدروکربنهای مختلف است. هر چه هیدروکربن سنگینتر باشد، نقطه جوش آن زیادتر است و هر چه هیدروکربن سبکتر باشد، زودتر خارج میشود. اولین پالایشگاه تاسیس شده در جهان ، در سال 1860 در ایالت پنسیلوانیای آمریکا بوده است. نفت خام ، از کورههای مبدل حرارتی عبور کرده، بعد از گرم شدن وارد برجهای تقطیر شده و تحت فشار و دما به دو صورت از برجها خارج میشود و محصولات بدست آمده خالص نیستند. انواع برجهای تقطیر در زیر توضیح داده میشوند.
تقطیر
استفاده از اختلاف نقطه جوش برای جداسازی اجزای یک مخلوط مایع اساس فرآیند تقطیر را تشکیل می دهد . در بیشتر موارد موادی که اختلاف نقطه ی جوش آنها قابل توجه است را می توان به وسیله حرارت دادن تفکیک نمود در این صورت ماده با دمای جوش پایین تر ، سریعتر به جوش آمده و ماده با دما جوش بالا باقی می ماند و این امر اساس فرایند تقطیر را تشکیل می دهد. اجزایی را که در اثر حرارت دادن بخار می شوند وارد سرد کننده می کنند تا به صورت مایع جمع آوری گردد.
برجهای تقطیر سینی دار
طرز کار یک برج سینی دار
بطور کلی فرآیندی که در یک برج سینی دار اتفاق می افتد، عمل جداسازی مواد است. همانطور که ذکر شد فرآیند مذکور به طور مستقیم یا عیرمستقیم انجام می پذیرد.
در فرآیند تقطیر منبع حرارتی (Reboiler)، حرارت لازم را جهت انجام عمل تقطیر و تفکیک مواد سازنده یک محلول تأمین میکند. بخار بالارونده از برج با مایعی که از بالای برج به سمت پایین حرکت می کند، بر روی سینی ها تماس مستقیم پیدا می کنند. این تماس باعث ازدیاد دمای مایع روی سینی شده و نهایتا باعث نزدیک شدن دمای مایع به دمای حباب می گردد. با رسیدن مایع به دمای حباب به تدریج اولین ذرات بخار حاصل می شود که این بخارات غنی از ماده فرار (ماده ای که از نقطه جوش کمتری و یا فشار بالاتری برخوردار است) می باشد.از طرفی دیگر در فاز بخار موادی که از نقطه جوش کمتری برخوردار هستند، تحت عمل میعان قرار گرفته و بصورت فاز مایع به سمت پایین برج حرکت می کند. مهمترین عملکرد یک برج ایجاد سطح تماس مناسب بین فازهای بخار و مایع است. هر چه سطح تماس افزایش یابد عمل تفکیک با راندمان بالاتری صورت میگیرد. البته رژیم جریان مایع بر روی سینی نیز از جمله عوامل مهم بر عملکرد یک برج تفکیک می باشد.
برجهای تقطیر با سینی کلاهکدار
در برجهای تقطیر با سینی کلاهکدار ، تعداد سینیها در مسیر برج به نوع انتقال ماده و شدت تفکیک بستگی دارد. قطر برج و فاصله میان سینیها به مقدار مایع و گاز که در واحد زمان از یک سینی میگذرد، وابسته است. هر یک از سینیهای برج ، یک مرحله تفکیک است. زیرا روی این سینیها ، فاز گاز و مایع در کنار هم قرار میگیرند و کار انتقال ماده از فاز گازی به فاز مایع یا برعکس در هر یک از سینیها انجام میشود. برای اینکه بازدهی انتقال ماده در هر سینی به بیشترین حد برسد، باید زمان تماس میان دو فاز و سطح مشترک آنها به بیشترین حد ممکن برسد.
بخشهای مختلف برج تقطیر با سینی کلاهکدار
بدنه و سینیها: جنس بدنه معمولا از فولاد ریخته است. جنس سینیها معمولا از چدن است. فاصله سینیها را معمولا با توجه به شرایط طراحی ، درجه خلوص و بازدهی کار جداسازی بر میگزینند. در بیشتر پالایشگاههای نفت ، برای برجهای تقطیر به قطر 4ft فاصله میان 50 - 18 سانتیمتر قرار میدهند. با بیشتر شدن قطر برج ، فاصله بیشتری نیز برای سینیها در نظر گرفته میشود.
سرپوشها یا کلاهکها: جنس کلاهکها از چدن میباشد. نوع کلاهکها با توجه به نوع تقطیر انتخاب میشود و تعدادشان در هر سینی به بیشترین حد سرعت مجاز عبور گاز از سینی بستگی دارد.
موانع یا سدها: برای کنترل بلندی سطح مایع روی سینی ، به هر سینی سدی به نام "وییر" (wier) قرار میدهند تا از پایین رفتن سطح مایع از حد معنی جلوگیری کند. بلندی سطح مایع در روی سینی باید چنان باشد که گازهای بیرون آمده از شکافهای سرپوشها بتوانند از درون آن گذشته و زمان گذشتن هر حباب به بیشترین حد ممکن برسد. بر اثر افزایش زمان گذشتن حباب از مایع ، زمان تماس گاز و مایع زیاد شده ، بازدهی سینیها بالا میرود.
برجهای تقطیر با سینیهای مشبک
در برجهای با سینی مشبک ، اندازه مجراها یا شبکهها باید چنان برگزیده شوند که فشار گاز بتواند گاز را از فاز مایع با سرعتی مناسب عبور دهد. عامل مهمی که در بازدهی این سینیها موثر است، شیوه کارگذاری آنها در برج است. اگر این سینیها کاملا افقی قرار نداشته باشند، بلندی مایع در سطح سینی یکنواخت نبوده و گذر گاز از همه مجراها یکسان نخواهد بود.
خورندگی فلز سینیها هم در این نوع سینیها اهمیت بسیار دارد. زیرا بر اثر خورندگی ، قطر سوراخها زیاد میشود که در نتیجه مقدار زیادی بخار با سرعت کم از درون آن مجاری خورده شده گذر خواهد کرد. و میدانیم که اگر سرعت گذشتن گاز از حد معینی کمتر گردد، مایع از مجرا به سوی پایین حرکت کرده بازدهی کار تفکیک کاهش خواهد یافت.
برجهای تقطیر با سینیهای دریچهای
این نوع سینیها مانند سینیهای مشبک هستند. با این اختلاف که دریچهای متحرک روی هر مجرا قرار گرفته است. در صنعت نفت ، دو نوع از این سینیها بکار میروند:
انعطاف پذیر: همانطور که از نام آن برمیآید، دریچهها میتوانند بین دو حالت خیلی باز یا خیلی بسته حرکت کنند.
صفحات اضافی: در این نوع سینیها ، دو دریچه یکی سبک که در کف سینی قرار میگیرد و دیگری سنگین که بر روی سه پایهای قرار گرفته ، تعبیه شده است. هنگامی که بخار کم باشد، تنها سرپوش سبک به حرکت در میآید. اگر مقدار بخار از حد معینی بیشتر باشد، هر دو دریچه حرکت میکنند.
مقایسه انواع گوناگون سینیها
در صنعت نفت ، انواع گوناگون سینیها در برجهای تقطیر ، تفکیک و جذب بکار برده میشوند. ویژگیهایی که در گزینش نوع سینی برای کار معینی مورد توجه قرار میگیرد، عبارت است از: بازدهی تماس بخار و مایع ، ظرفیت سینی ، افت بخار در هنگام گذشتن از سینی ، زمان ماندن مایع بر روی سینی ، مشخصات مایع و ... . چون در صنعت بیشتر سینیهای کلاهکدار بکار برده میشوند، برای مقایسه مشخصات سینیهای دیگر ، آنها را نسبت به سینیهای کلاهکدار ارزیابی میکنند.
برجهای انباشته
در برجهای انباشته ، بجای سینیها از تکهها یا حلقههای انباشتی استفاده میشود. در برجهای انباشته حلقهها یا تکههای انباشتی باید به گونهای برگزیده و در برج ریخته شوند که هدفهای زیر عملی گردد.
ایجاد بیشترین سطح تماس میان مایع و بخار
ایجاد فضا مناسب برای گذشتن سیال از بستر انباشته
جنس مواد انباشتی
این مواد باید چنان باشند که با سیال درون برج ، میل ترکیبی نداشته باشند.
استحکام مواد انباشتی
جنس مواد انباشتی باید به اندازه کافی محکم باشد تا بر اثر استفاده شکسته نشده و تغییر شکل ندهد.
شیوه قرار دادن مواد انباشتی
مواد انباشتی به دو صورت منظم و نامنظم درون برج قرار میگیرند.
پر کردن منظم: از مزایای این نوع پر کردن، کمتر بودن افت فشار است که در نتیجه میشود حجم بیشتر مایع را از آن گذراند.
پر کردن نامنظم: از مزایای این نوع پر کردن ، میتوان به کم هزینه بودن آن اشاره کرد. ولی افت فشار بخار در گذر از برج زیاد خواهد بود.
مقایسه برجهای انباشته با برجهای سینیدار
در برجهای انباشته ، معمولا افت فشار نسبت به برجهای سینیدار کمتر است. ولی اگر در مایع ورودی برج ، ذرات معلق باشد، برجهای سینیدار بهتر عمل میکنند. زیرا در برجهای انباشته ، مواد معلق تهنشین شده و سبب گرفتگی و برهم خوردن جریان مایع میگردد. اگر برج بیش از حد متوسط باشد، برج سینیدار بهتر است. زیرا اگر در برجهای انباشته قطر برج زیاد باشد، تقسیم مایع در هنگام حرکت از بستر انباشته شده یکنواخت نخواهد بود.
در برجهای سینیدار میتوان مقداری از محلول را به شکل فرایندهای کناری از برج بیرون کشید، ولی در برجهای انباشته این کار، شدنی نیست. کارهای تعمیراتی در درون برجهای سینیدار ، آسانتر انجام میگیرد. تمیز کردن برجهای انباشته ، از آنجا که باید پیش از هرچیز آنها را خالی کرده و بعد آنها را تمیز نمایم، بسیار پرهزینه خواهد بود.
اینک به معرفی چند اصطلاح پرکاربرد در فرایند تقطیر می پردازیم
خوراک (Feed)
مخلوط ورودی به داخل برج که ممکن است مایع، گاز و یا مخلوطی از مایع و گاز باشد، خوراک (Feed) نام دارد. معمولا محل خوراک در نقطه مشخصی از برج است که از قبل تعیین می شود. در برجهای سینی دار محل ورودی خوراک را سینی خوراک یا (Feed Tray) می نامند. از جمله مشخصات مهم سینی خوراک این است که از نقطه نظر درجه حرارت و ترکیب نسبی (کسر مولی) ، جزء مورد نظر با خوراک ورودی مطابقت داشته باشد. البته محل خوراک ورودی به حالت فیزیکی خوراک نیز بستگی دارد. معمولا اگر خوراک بصورت مایع باشد، همراه با مایعی که از سینی بالایی سرازیر می شود به درون سینی خوراک وارد می گردد. اگر خوراک بصورت بخار باشد معمولا آن را از زیر سینی خوراک وارد می کنند و اگر خوراک بصورت مخلوطی از مایع و بخار باشد، بهتر است که ابتدا فاز مایع و بخار را از هم جدا نموده و سپس به طریقی که گفته شد خوراک را وارد برج نمایند. ولی عملا به منظور صرفه جویی از هزینه های مربوط به تفکیک دو فاز بخار و مایع، عمل جداسازی به ندرت صورت می گیرد.
محصول بالاسری (Overhead Product)
آنچه از بالی برج به عنوان خروجی از آن دریافت می شود محصول بالاسری نامیده می شود که معمولا غنی از جزئی که از نقطه جوش کمتری برخوردار است می باشد.
محصول ته مانده (Bottom Product)
ماده ای که از پایین برج خارج می شود ته مانده یا محصول انتهایی (Bottom) نام دارد و معمولا غنی از جزء یا اجزائ سنگین تر (که از نقطه جوش بالاتری برخوردار می باشند) خواهد بود.
نسبت برگشت (پس ریز) (Reflux Ratio)
نسبت مقدار مایع برگشتی به برج بر حسب مول یا وزن به مایع یا بخاری که به عنوان محصول از سیستم خارج می شود را نسبت برگشتی می گویند و آن را با حرف R نشان می دهند.
نسبت برگشتی و اثرات آن بر شرایط کارکرد برج
با افزایش نسبت مایع برگشتی تعداد سینی های مورد نیاز جهت تفکیک (طول برج) کاهش می یابد، اما در مقابل آن بار حرارتی کندانسور و جوش آور و مقادیر بخار و مایع در طول برج افزایش می یابد. در این صورت نه تنها لازم است سطوح گرمایی مورد نیاز به آنها اضافه شود، بلکه به دلیل افزایش میزلن جریان مایع و بخار سطح مقطع برج نیز افزایش می یابد.
هنگامی که مقدار R زیاد باشد تعداد مراحل و طول برج به کمترین مقدار خود می رسد و تمام محصول بالاسری به عنوان مایع برگشتی وارد برج می شود و این حالت را برگشت کامل یا (Total Reflux) می نامند.
در شرایطی که R در کمترین مقدار خود باشد طول برج و تعداد مراحل در بیشترین مقدار خود خواهد بود و عمل تفکیک به شکل کاملی انجام نخواهد شد. مقدار عملی R معمولا بین حالت برگشت کامل و حداقل میزان R است. در بیشتر موارد مقدار مایع برگشتی بر روی درجه حرارت برج نیز تأثیر می گذارد. معمولا در یک برج تقطیر دمای انتهای آن به مراتب بیشتر از دمای پایین آن است و این اختلاف دما در طول برج وجود خواهد داشت. میزان جریان برگشتی به عنوان یک عامل کنترلی بر روی درجه حرارت سیستم خواهد بود.
• جوش آور (Reboiler)
جوش آورها که معمولا در قسمت های انتهای برج و کنارآن قرار داده می شود، وظیفه تأمین حرارت یا انرژی لازم را برای انجام عمل تقطیر به عهده دارند.
معمولا جوش آورها به عنوان یک مرحله تعادلی در عمل تقطیر و به عنوان یک سینی در برجهای سینی دار در نظر گرفته می شوند.
انواع جوش آورها
مهمترین انواع جوش آورها که در صنایع شیمیایی کاربرد زیادی دارند، عبارتند از:
1. دیگهای پوشش (Jacketted Kettle)
2. جوش آورهای داخلی (Internal Reboiler)
3. جوش آور نوع Kettle
4. جوش آور ترموسیفونی عمودی (Vertical Termosiphon Reboiler)
5. جوش آور ترموسیفونی افقی (Horizontal Thermosiphon Reboiler)
6. جوش آور از نوع سیرکولاسیون اجباری (Forced Circulation Reboiler)
در جوش آورهای ترموسیفونی یا جوش آورهای با گردش طبیعی، حرکت سیال بر اساس اختلاف دانسیته نقاط گرم و سرد صورت می پذیرد. این پدیده می تواند به دو صورت انجام پذیرد که عبارتند از :
1. جوش آوری با یکبار ورود سیال (Once – Thorugh Reboiler)
2. جوش آور با چرخش سیال (Recirculating Reboiler)
معیارهای موجود برای انتخاب جوش آور مناسب
بطور کلی نکاتی که در انتخاب یک جوش آور باید مد نظر قرار گیرد عبارتند از :
1. سرعت انتقال (حداقل سطح)
2. فضا و خطوط لوله لازم
3. سهولت نگهداری
4. تمایل به رسوب و جرم گذاری سیال
5. زمان اقامت سیال در فرآیند
6. پیداری عملیاتی
7. هزینه عملیاتی
8. افزایش میزان بخار تولیدی
هر کدام از جوش آورها مزایا و معایبی دارد که در کتب مرجع جمع آوری شده است. از این داده ها می توان برای طراحی اولیه کمک گرفت. ولی بطور کلی متداولترین و اقتصادی ترین
جوش آوری که در صنایع شیمیایی و پتروشیمی مورد استفاده قرار می گیرد نوع ترموسیفونی می باشد، خصوصا نوع افقی آن که در سیستمهای تقطیر کاربرد زیادی دارد.
انتخاب نوع Reboiler
انتخاب نوع Reboiler یا جوش آور به عوامل زیر بستگی دارد:
1. خواص فیزیکی سیال بویژه ویسکوزیته و تمایل به رسوبدهی سیال
2. فشار عملیات (خلأ یا تحت فشار)
3. روش قرار گرفتن تجهیزات و فضای قابل استفاده
مزایای جوش آورهای ترموسیفونی افقی
1. ابعاد واحدهای افقی از نقطه نظر طول لوله ها و وزن محدودیتی نداشته و بنابراین برای سطوح حرارتی بزرگ، نصب واحدهای افقی مطلوبتر و آسانتر می باشد.
2. از آنجائیکه در جوش آورهای ترموسیفونی افقی، سیال در داخل پوسته حرکت می نماید، از نظرعدم رسوب و جرم گذاری و سهولت در نگهداری و استفاده از آنها ترجیح دارد.
3. این جوش آورها از نظر طراحی هیدرولیکی سطوح مایع مجاز در سیستم، منعطف تر می باشند و جریان های با گرد بالایی را می توان بدون هیچ مشکلی در آن ایجاد نمود.
4. جوش آورهای ترموسیفونی افقی نسبت به نوع عمودی، افزایش نقطه جوش کمتری دارند و این مسئله در موارد خاصی کخ سیال نسبت به دما حساس بوده و یا سیستم در حالت خلأ عمل می نماید مزیتی مهم محسوب می گردد.
• چگالنده (Condenser)
نقش چگالنده در واقع تبدیل بخارات حاصل از عمل حرارت دهی به مخلوط، به مایع می باشد. این امر در اصطلاح میعان یا چگالش نامیده می شود و دستگاهی که در آن عمل مذکور انجام می شود چگالنده نام دارد. به طور کلی چگالنده ها به دو دسته اساسی تقسیم می شوند:
1. چگالنده های کامل (Total Condenser)
2. چگالنده های جزئی (Partial Condenser)
در صورتیکه تمام بخار بالای برج به مایع تبدیل شود و بخشی ازآن وارد برج شده و بخش دیگر وارد مخزن جمع آوری محصول گردد عمل میعان کامل (Total Condensation) انجام شده است. اما اگر بخشی از بخارات حاصل مایع شده و بخش دیگر به صورت بخار از کندانسور خارج شود به آن یک کندانسور جزئی گفته می شود. در کتب مرجع راهنمای انتخاب نوع کندانسور همراه با ضرایب انتقال حرارت کندانسور تهیه شده است.
منابع :
وبسایت مهندسان شیمی ایران
دانشنامه رشد
باشگاه مهندسان ایران
مهندس شيمی
شيمی را از محدوده آزمايشگاه به دنيای کار و صنعت وارد می کند. مهندسين شيمی با استفاده از اصول فيزيک، شيمی و رياضی فرايندهای توليدی شيميائی را در مقياسهای بزرگ طراحی می کنند. آنها از نتايج آزمايشگاهی برای ساخت توليداتی مانند پلاستيک، دارو، مواد شوينده و سوختها در واحدهای عملی استفاده می کنند و همچنين برای بالا بردن توليد و کم کردن هزينه و ارتقای کيفيت محصولات برنامه ريزی می کنند. تقريباً تمامی کمپانيهای صنايع شيميائی از مهندسين شيمی استفاده می کنند. فعاليت مهندسين شيمی در زمينه های انرژی هسته ای، علم مواد، صنايع غذايی، توسعه منابع جديد انرژی و صنايع دارويی نيز گسترده می باشد. مهندسين شيمی علاوه بر طراحی و توليد و توسعه محصولات به فعاليت در زمينه محيط زيست، تحقيقات، مديريت، پردازش داده و ميزان و بازار فروش می پردازند. می توان گفت برای مهندسين شيمی در هر واحد توليدی يا صنعتی، زمينه ای برای فعاليت وجود دارد.
وسيعترين شاخه مهندسی است
وسعت عمل مهندسين شيمی از ساير شاخه های مهندسی بيشتر است چرا که آنها در سه شاخه بنيادی فيزيک، رياضی و شيمی فعاليت دارند حال آنکه ديگر شاخه های مهندسی فقط بر پايه رياضی و فيزيک هستند. علاقه خاص به شيمی همراه با مهارت در رياضی و علوم افراد را به اين رشته جذب می کند. برنامه تحصيلی مهندسين شيمی بجز دروس شيمی واحد هايی مربوط به ديگر رشته های مهندسی مانند ترموديناميک، مکانيک سيالات، طراحی فرايند، کنترل، انتقال جرم و حرارت، عمليات واحد و غيره می باشد.
آموزش در ضمن کار را ميسر می سازد
مهندسين شيمی می گويند تجربه حاصل از کارکردن، در ادامه تحصيلاتشان در اين رشته قرار می گيرد. پاتريک ديکرسون، از مهندسين شيمی کمپانی سولوشيا، می گويد: « در دانشگاه موارد تئوری را می آموزی و هنگام کار، استفاده عملی از آنها را در دنيای واقعی فرا می گيری.» او ادامه می دهد: « هنگام کار تمامی فکرم را بر توليد و مشکلاتی که ايجاد می شود متمرکز می کنم. بايد بفهمم که چگونه به يک فرايند توليدی برای ادامه کار کمک کنم.»
اسکات هاروی مهندس شيمی شرکت لنزوا می گويد: « مدرک شما کليدی است برای آغار دوره شغلی شما، اما پرورش دادن خود هنگام کار عاملی است که شما را در شغلتان موفق می کند.
حرفه ای راضی کننده
مهندسين شيمی وسعت عمل موجود در کار خود را دوست دارند. حيطه عمل اين شغل بسته به نوع پروژه و درجه تکامل و پيشرفت آن بسيار گسترده است. بخش ديگری از شغل او که باعث خشنودی اش می شود به عرصه اجرا دراوردن کارهای آزمايشگاهی است.
مراکز استخدام کننده
مهندسين شيمی تقريباً توسط تمامی شرکتهای توليدی شيميائی، صنايع نفت و گاز و پتروشيمی، صنايع غذايی و دارويی، صنايع سلولزی، صنايع معدنی، صنايع توليد انرژی استخدام می شوند.
تقريباً سه چهارم مهندسين شيمی در صنايع توليدی کار می کنند و بقيه توسط مراکز دانشگاهی، طراحی و مهندسی استخدام می شوند و يا بطور شخصی مشغول به کار هستند.
خصوصيات شخصيتی
علاقه عميق به رياضی، فيزيک و شيمی برای موفقيت در اين رشته ضروری است. چون مهندسي شيمی بر پايه اين سه علم بنا شده است. در نتيجه تفکر تحليل گرانه و سيستماتيک، حل مسايل و داشتن ابتکار ضروری است.