【موضوع هفتگی】فناوری تولید: در توسعه محصولات شیمیایی باید به چه مواردی توجه کرد؟ ۱۹.۰۶.۲۰۱۱ تا ۲۶.۰۶.۲۰۱۱
Thread Content
سؤال پاسخی: هنگام توسعه محصولات شیمیایی، باید به چه مواردی توجه کرد؟ یادداشت: ۱. شرکت در آن پاداشدار است. S+ R/ K: j ۲، پس از پاسخ دادن لطفاً ویرایش نکنید. ! j# `8 t5 O, c, v ۳؛ تحلیل دقیق و منطقی، همراه با ۱ تا ۳ ویژگی جذاب به عنوان هدیه. ۴. بحث عمیق درباره موضوع؛ لطفاً کپیبرداری نکنید و پاسخهای خود را پنهان نسازید.
نکات مهم: ① جهت تولید باید چنان باشد که رشد بلندمدت آن به سلامت وابسته باشد； ②مطالب مربوط به فرآیندهای شیمیایی، فرآیندهای صنعتی شیمی و کنترل فرآیندها ； توضیحات مربوط به نکته دوم فوق به شرح زیر است: ۱. فرآیندهای شیمیایی: فرآیندهای شیمیایی، همان فناوریهای شیمیایی یا تکنولوژیهای تولید شیمیایی هستند؛ این فرآیندها روشها و مراحلی برای تبدیل مواد خام به محصولات از طریق واکنشهای شیمیایی را در بر میگیرند و شامل تمام اقدامات لازم برای انجام این تبدیل نیز میشوند. فرآیند تولید شیمیایی را میتوان به طور کلی در سه مرحله اصلی خلاصه کرد: پردازش مواد خام: برای اینکه مواد خام در وضعیت لازم برای واکنشهای شیمیایی قرار گیرند، بسته به شرایط خاص، مواد خام مختلف نیاز به فرآیندهای پیشپردازشی متنوعی مانند تصفیه، غلیظسازی، مخلوطسازی، امولسیونسازی یا خرد کردن (در مورد مواد خام جامد) دارند. واکنش شیمیایی: این مرحله کلیدی در تولید است. مواد خام پس از پیشپردازش، در شرایط مشخصی از دما و فشار و غیره واکنش داده میشوند تا نرخ تبدیل و بازده واکنش مورد نظر حاصل گردد. انواع واکنشها متنوع است و از طریق واکنشهای شیمیایی، محصول مورد نظر یا ترکیبات آن به دست میآید. تصفیه محصول: مخلوط حاصل از واکنشهای شیمیایی جداسازی شده و محصولات فرعی یا ناخالصیها حذف میشوند تا محصولی با ویژگیهای ترکیبی مورد نظر به دست آید. ۲. فرآیندهای شیمیایی: فرآیندهای شیمیایی، رشتهای مهندسی است که به بررسی قوانین مشترک فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی در تولیدات صنعت شیمیایی و سایر صنایع فرآیندی میپردازد. این صنایع، با استفاده از مواد خام اساسی مانند نفت، زغالسنگ، گاز طبیعی، نمک، سنگ آهک، سایر کانیها و همچنین موادی مانند غلات، چوب، آب و هوا، و با بهرهگیری از فرآیندهای شیمیایی یا فیزیکی، ترکیب، خواص و حالت مواد را تغییر داده و آنها را به محصولاتی با ارزش بالاتر تبدیل میکنند. صنایعی مانند شیمی، پتروشیمی، فلزکاری و داروسازی که به عنوان «صنایع فرآیندی» شناخته میشوند، معمولاً نیاز به یک سری مراحل فرآوری فیزیکی یا شیمیایی دارند؛ این مجموعه از مراحل، «فرآیند» نامیده میشود. فرآیند باید توسط دستگاه انجام شود. تجهیزات فرآیندی باید الزامات فرآیند را برآورده کنند. مهندسی شیمی شامل موضوعاتی مانند عملیات واحدها، مهندسی واکنشهای شیمیایی، فرآیندهای انتقال، ترمودینامیک صنایع شیمیایی، مهندسی سیستمهای شیمیایی، دینامیک فرآیندها و کنترل فرآیندهای شیمیایی است. عملیات واحد: فرآیندهای فیزیکی مورد استفاده در تولید انواع محصولات شیمیایی را میتوان در چند فرآیند پایه محدود خلاصه کرد، مانند انتقال سیالات، تبادل حرارت (گرم کردن و سرد کردن)، تقطیر، جذب، تبخیر، استخراج، تبلور، خشککردن و غیره. این فرآیندهای پایه، عملیات واحد نامیده میشوند. مطالعات مربوط به عملیات واحد، نتایج مشترکی را به ارمغان آوردهاند که میتوان از آنها برای هدایت تولید انواع محصولات و طراحی تجهیزات شیمیایی استفاده کرد. مهندسی واکنشهای شیمیایی: واکنشهای شیمیایی بخش اصلی تولیدات شیمیایی هستند؛ آنها میزان بازده محصولات را تعیین کرده و تأثیر قابل توجهی بر هزینههای تولید دارند. با این وجود، در مراحل اولیه، پیچیدگی آن مانع از مطالعه سیستماتیک آن شد. تا اواسط قرن بیستم، بر اساس یافتههای حاصل از مطالعات عملیات واحدی و فرآیندهای انتقال، در انواع فرآیندهای واکنشی مانند اکسیداسیون، کاهش، نیتراسیون، سولفوراسیون و غیره، مشکلات مشترکی شناسایی شد؛ از جمله بازخلط در داخل راکتور، انتقال جرم و گرما در فاز واکنش، انتقال جرم و گرما در خارج از فاز واکنش، و پایداری راکتور. مطالعه این مسائل و همچنین بررسی تأثیرات آنها بر دینامیک واکنشها، شاخه جدیدی از علوم را به وجود آورده است؛ یعنی مهندسی واکنشهای شیمیایی. این امر باعث تقویت و توسعه محتوا و روشهای مهندسی شیمی شده است. فرآیند انتقال: پایه مشترک عملیات واحدی و مهندسی واکنشها است. فرآیندهای فیزیکی که در انواع تجهیزات عملیات واحد و دستگاههای واکنش رخ میدهند، در واقع شامل سه نوع انتقال هستند: انتقال تکانه، انتقال گرما و انتقال جرم. به عنوان مثال، انتقال سیال بر اساس انتقال تکانه، توزیع جریان هوا در راکتورها ； عملیات تبادل حرارت مبتنی بر انتقال گرما، خارج کردن حرارت پلیمریزاسیون از مخزن پلیمریزاسیون ； عملیات جذب مبتنی بر انتقال کیفیت، گسترش واکنشدهندگان و محصولات در داخل کاتالیزور و غیره. در برخی فرآیندها، دو یا چند پدیده انتقال همزمان وجود دارد، مانند افزایش یا کاهش رطوبت گازها. به عنوان یک شاخه از مهندسی شیمی، فرآیندهای انتقال بر مطالعه سرعت این سه نوع انتقال و روابط متقابل آنها تمرکز دارد و پدیدههایی با ماهیت مشابه اما شکلهای بیان متفاوت را به هم پیوند میزند. ترمودینامیک شیمیایی: همچنین پایهی نظری عملیات واحد و مهندسی واکنشها است؛ جهت و حدود فرآیندهای انتقال را مورد بررسی قرار داده و دادههای پایهای لازم برای تحلیل و طراحی فرآیندها را فراهم میکند. بنابراین، شاخههای مهندسی شیمی نیز میتوانند به دو سطح تقسیم شوند: عملیات واحدی و مهندسی واکنشها که بیشتر مستقیماً به کاربردهای صنعتی مرتبط هستند، و فرآیندهای انتقال و ترمودینامیک شیمیایی که بیشتر از منظر پژوهشهای بنیادی، از شاخههای قبلی حمایت میکنند. از طریق این دو سطح، نظریه و عمل بهطور نزدیک با یکدیگر پیوند خوردهاند. مهندسی سیستمهای شیمیایی: از آنجا که در فرآیندهای شیمیایی، واحدهای مختلف فرآیند بر یکدیگر تأثیر میگذارند و یکدیگر را محدود میکنند، لازم است که فرآیندهای شیمیایی را به عنوان یک سیستم یکپارچه در نظر گرفت و مفهوم بهینهسازی کلی را ایجاد کرد. بدین ترتیب، رشته مهندسی سیستمها در مهندسی شیمی به سرعت توسعه یافت و نتایج قابل توجهی به دست آورد و مهندسی سیستمهای صنایع شیمیایی شکل گرفت. این محصول ترکیب روشهای مهندسی سیستم با دو شاخه علمی عملیات واحدها و مهندسی واکنشهای شیمیایی است. ویژگیهای پویای فرآیند: برای حفظ منطقی بودن و بهینهسازی عملیات، ویژگیهای پویای فرآیند نیز یکی از موضوعات مهم مهندسی شیمی محسوب میشوند. موضوعات مورد مطالعه در مهندسی شیمی معمولاً بسیار پیچیده هستند که عمدتاً از طریق پیچیدگی خود فرآیندها نمایان میشود: هم جنبههای شیمیایی وجود دارد و هم جنبههای فیزیکی، و این دو اغلب به طور همزمان رخ میدهند و بر یکدیگر تأثیر میگذارند. پیچیدگی سیستم: هم مایعات (گازها و مایعات) وجود دارد و هم جامدات، و اغلب چندفاز در کنار یکدیگر وجود دارند. خواص سیالات میتواند تغییرات چشمگیری داشته باشد، مانند چسبندگی پایین و بالا، نوع نیوتونی و غیرنیوتونی و غیره. گاهی، در طول فرآیند، تغییرات قابل توجهی در ویژگیهای فیزیکی رخ میدهد؛ مانند تغییر سیستم واکنشدهنده از چسبندگی پایین به چسبندگی بالا در فرآیند پلیمریزاسیون. پیچیدگی مرزها هنگام جریان در سیستمهای فیزیکی: به دلیل تغییرات در شکل هندسی تجهیزات (مانند صفحات برج، پرههای همزن، مانعها و غیره) و همچنین تغییرات در شکل مواد پرکننده (مانند کاتالیستها، مواد پرکننده و غیره)، مرزهای جریان پیچیده میشوند و تعیین و توصیف آنها دشوار است. کنترل فرآیندهای شیمیایی: که به آن کنترل فرآیند نیز گفته میشود، مخفف کنترل خودکار فرآیندهای تولید شیمیایی است. کنترل فرآیندهای شیمیایی عمدتاً به بررسی کاربرد نظریههای کنترل در فرآیندهای تولید شیمیایی میپردازد و شامل تحلیل، طراحی و پیادهسازی و عملیات سیستمهای خودکار مختلف است، اما شامل پژوهشهای صرفاً نظری و طراحی و ساخت دستگاههای اندازهگیری نمیشود. بزرگترین تفاوت کنترل فرآیندهای شیمیایی با روشهای شیمیایی معمول، پویایی و بازخورد است. نظریه کنترل کلاسیک بر اساس توصیف سیستمها با معادلات دیفرانسیل خطی با ضرایب ثابت توسعه یافته است. نظریه کنترل کلاسیک تنها بر سیستمهای کنترلی تکمتغیره محدود میشود. نظریه کنترل مدرن، از معادلات ماتریسی برای توصیف سیستمها استفاده میکند؛ این معادلات میتوانند مجموعهای از معادلات دیفرانسیل را نشان دهند. همچنین، شاخصهای کنترلی جدید را نیز به صورت توابع بیان میکند؛ بنابراین امکان تحلیل و طراحی سیستمها از طریق محاسبات دقیق فراهم میشود. اگر سیستم به گونهای طراحی شود که حداکثر یا حداقل یک شاخص کنترلی را برآورده کند، در این صورت به آن کنترل بهینه گفته میشود. از آنجایی که نظریه کنترل مدرن بسیاری از نواقص نظریه کنترل کلاسیک را برطرف و تکمیل میکند و قابل استفاده در سیستمهای چندمتغیره است، به خوبی در کنترل فرآیندهای شیمیایی کاربرد یافته است. کنترل کاربردی: در فرآیندهای تولیدی که از نظر فنی بالغ شدهاند، کنترل فرآیندهای شیمیایی روشی مؤثر برای افزایش تولید و کیفیت، صرفهجویی در مواد خام و انرژی، کاهش فشار کاری و صرفهجویی در نیروی کار است. در سالهای اخیر، با استفاده از روشهای مدلسازی ریاضی، به بررسی و گسترش کاربرد نظریه کنترل مدرن در کنترل فرآیندهای صنعتی پرداخته شده است. پروژههای زیادی در زمینه کنترل کامپیوتری و مدیریت برنامهریزی انجام شده که برخی از آنها موفقیتآمیز بوده و منجر به بهبود قابل توجه سطح فنی تولید و همچنین بازدهی اقتصادی آن شدهاند.
علم و فناوری، نیروی محرکه اصلی تولید هستند؛ اما برای اینکه علم و فناوری بتوانند واقعاً نقش خود را به عنوان نیروی محرکه اصلی تولید ایفا کنند، باید از آزمایشگاهها خارج شده و به نیروی تولیدی واقعی تبدیل شوند. تنها در این صورت است که میتوانند ارزشی برای جامعه ایجاد کرده و سودی برای شرکتها به ارمغان آورند. تبدیل محصولات شیمیایی پیشرفته، از فناوریهای آزمایشگاهی به فناوریهای تولید صنعتی، صرفاً یک فرآیند از کوچک به بزرگ نیست، بلکه یک فرآیند تبدیل پیچیده شامل تجهیزات، روشهای تولید، و همچنین سطح کیفیت نیروی کار و سطح مدیریت است. از نظر فرآیندهای ساده، تفاوتهایی میان فرآیند کابین واقعی و فرآیند تولید بزرگ نیز وجود دارد. بنابراین، در فرآیند توسعه محصولات جدید، علاوه بر بررسی جامع و سیستماتیک شرایط فرآیندی مانند دما، زمان، فشار و استفاده از کاتالیزورها، انجام آزمایشهای شبیهسازی بر روی تجهیزات تولید صنعتی، سطح کیفیت نیروی کار و سطح مدیریت نیز ضروری است. از دیدگاه فرآیند تبدیل فناوریهای شیمیایی، بزرگترین چالش در تبدیل فناوریهای آزمایشگاهی به فناوریهای تولیدی، اغلب مربوط به خود فرآیند نیست، بلکه به تفاوتهای بین شرایط آزمایشگاهی و شرایط تولیدی است؛ اما این تفاوتها گاهی نادیده گرفته میشوند. چه از نظر شرایط سختافزاری و چه نرمافزاری، تفاوتهای زیادی بین آزمایشگاهها و واحدهای تولیدی وجود دارد. اگر پارامترهای فنی به دست آمده در آزمایشگاه، بدون تطبیق با شرایط واقعی واحدهای تولیدی، به صورت خام و بدون اصلاح مستقیماً در تولید صنعتی استفاده شوند، قطعاً منجر به مشکلات زیادی در فرآیند تبدیل فناوری خواهد شد و حتی میتواند باعث شکست این فرآیند شود. بنابراین، برای اینکه تبدیل فناوری به خوبی انجام شود، باید به نکات تفاوتآفرین زیر توجه کرد و آنها را مورد مطالعه قرار داد. ۱. پایداری فرآیند: پایداری فرآیند برای واحدهای تولیدی بسیار مهم است. در تولید صنعتی بزرگ، تجهیزات بسیار بزرگ هستند؛ مخازن واکنش نیز از چند تن تا چندین ده تن یا حتی صدها تن میباشند. از نظر اقتصادی، هزینه مواد اولیه مورد استفاده در هر بار تولید، بین چند صد هزار یوان تا چند میلیون یوان است؛ بنابراین نمیتوان هیچ خطایی رخ داد، زیرا این امر میتواند باعث خسارات مالی جدی برای شرکت شود. از نظر زیستمحیطی، صنعت شیمیایی با سایر صنایع متفاوت است؛ چرا که چندین یا حتی دهها ماده شیمیایی در یک مخزن واکنش قرار میگیرند. اگر ماده مورد نیاز تولید نشود، این مواد به ضایعات تبدیل میشوند و بازیابی آنها بسیار دشوار است. همچنین، پردازش محلول واکنش نیز دشوار است و این امر میتواند آلودگی قابل توجهی به محیط زیست وارد کند. بنابراین، باید به ویژه به پایداری فرآیند توجه کرد. اما برای حل مشکل پایداری فرآیند تبدیل، باید به مطالعات زیر توجه کرد. ۱.۱ تقویت پژوهشهای مربوط به روشهای آزمایش واجدات میانی و استانداردها: روشهای دقیق آزمایش واجدات میانی و استانداردهای لازم برای تعیین کیفیت، ابزارهای مهمی برای تضمین انجام ایمن و بدون مشکل فرآیند تولید هستند. فرآیند توسعه محصولات جدید در آزمایشگاهها انجام میشود. در مرحله اولیه، برای تعیین اینکه آیا محصول مورد نیاز است یا خیر، از روشهای مختلفی مانند تحلیل فاز مایع-جرم، فاز گاز-جرم، مادون قرمز، فرابنفش و تحلیل عناصر برای بررسی ساختار محصول استفاده میشود. پس از تأیید این موضوع، در فرآیند تحقیقات فنی، به دلایل مختلف، بررسی کیفیت درونی محصول کمتر انجام میشود و عمدتاً از طریق تجربه و مشاهده پدیدههای واکنش برای قضاوت استفاده میگردد. در برخی موارد، اگرچه روشهای آزمایش وجود دارد، اما بسیار ساده هستند و تنها شامل آزمایشهای کیفی سادهای مانند بررسی رنگ، شکل کریستالی و غیره میشوند؛ بنابراین در تولید انبوه مشکلاتی وجود دارد: یکی از آنها، تفاوتهای زیاد بین کارکنان است. در آزمایشگاه، معمولاً یک نفر به تنهایی بخشی از کار را انجام میدهد، اما در تولید انبوه، یک نفر نمیتواند به تنهایی کار را تمام کند و برای این کار به همکاری چندین نفر نیاز است. دوم اینکه، تفاوتهای زیادی در شرایط تجهیزات وجود دارد. پدیدههایی که در آزمایشگاه قابل مشاهده هستند، در تولید انبوه به سختی میتوانند به صورت مستقیم مشاهده شوند و کنترل پارامترها نیز آنقدر پایدار نیست. سوم اینکه تفاوتهای محیطی بسیار زیاد است. آزمایشگاه محیطی نسبتاً بسته است، در حالی که تولید انبوه در محیطی باز انجام میشود؛ در این محیط، رطوبت و دما تغییرات زیادی دارند. به همین دلیل، تفاوتهای زیادی بین دستههای مختلف محصولات وجود دارد. همچنین، روشها و استانداردهای دقیقی برای کنترل کیفیت مواد واسطه وجود ندارد؛ در نتیجه، تصمیمات مربوط به استفاده از مواد خام، بسیار نامشخص میشود و اغلب منجر به شکست در مراحل بعدی کار میگردد. بنابراین، در فرآیند توسعه محصولات جدید، باید هر یک از مواد واسطهای موجود در فرآیند تحقیقات را مانند یک محصول در نظر گرفت، روشهای تحلیل و آزمایش آنها را به دقت بررسی کرد و استانداردهای سختگیرانهای برای کیفیت تعیین نمود تا تولید به شکلی ایمن و پایدار انجام شود. ۱.۲ محدوده مجاز دمای واکنش: در فرآیندهای سنتز شیمیایی، همگی میدانیم که دما یکی از عوامل مهم تأثیرگذار بر واکنشهای شیمیایی است. کنترل دما یکی از شرایط عملیاتی بسیار مهم است، زیرا دما مستقیماً بر سرعت واکنش، بازدهی، واکنشهای منفی و همچنین مصرف انرژی تأثیر میگذارد. در فرآیند تحقیقات مربوط به توسعه محصول، ما دمای واکنش را به عنوان یک پارامتر کلیدی برای مطالعه دقیق در نظر میگیریم و بهترین دمای واکنش را به عنوان یک شرط مهم برای آن واکنش انتخاب میکنیم. اما، باید عوامل پیچیده مربوط به واحدهای تولیدی را نیز کاملاً در نظر بگیریم؛ مثلاً: زمان لازم برای افزایش یا کاهش دما. در آزمایشگاه، به دلیل کوچک بودن فلاسکهای واکنش و سرعت بالای انتقال حرارت در شیشه، معمولاً در عرض چند دقیقه تا حداکثر چند ده دقیقه میتوان به شرایط مورد نیاز رسید؛ اما در تولید صنعتی، زمان بیشتری لازم است و گاهی حتی چند ساعت طول میکشد تا به هدف دست یافت. دوم، دقت کنترل دما است. در آزمایشگاه، کنترل دما بسیار خوب است؛ بهویژه با ظهور مداوم تجهیزات و روشهای پیشرفته، دقت کنترل دما میتواند به چند دهم درجه برسد. اما در تولید صنعتی عمده، این کار بسیار دشوار است و معمولاً کنترل دما در محدوده ۵ درجه مثبت و منفی نیز آسان نیست. بنابراین، همزمان با بررسی دمای بهینه فرآیند، باید تأثیر خطاهای دمایی بر واکنشها را به طور کامل مورد بررسی قرار داد؛ بهویژه در مورد دماهایی که تأثیرات جدی بر ایمنی تولید دارند. به عنوان مثال، در سیستمهای واکنشی که در آنها سولفوریک اسید غلیظ و استیلنآکریلات در کنار یکدیگر وجود دارند، این دو ماده در دماهای مشخص ممکن است واکنشهای شدید و غیرقابل کنترلی ایجاد کنند که منجر به حوادث ایمنی میشود. ما باید وضعیت واقعی شرکت را در نظر بگیریم و دما را در محدودهای کاملاً ایمن تنظیم کنیم. فراهم کردن بهترین دمای قابل اجرا برای واحدهای تولیدی، ممکن است کمی با گزارشهای تحقیقاتی تفاوت داشته باشد و بر بازده نیز تأثیر بگذارد؛ اما با کاهش این تأثیرات تا حداقل، در چارچوب کنترلی برای تولید ایمن، پیشنهاد میشود دمای واکنش را با استفاده از محدودهای از درجات سانتیگراد مشخص کرد و استفاده از عباراتی مانند «در درجهای»، «کمتر از X درجه» یا «بیشتر از X درجه» در گزارشهای فرآیندی را حذف کرد. ۱.۳ تنظیم مقدار pH: در فرآیندهای سنتز شیمیایی، تنظیم مقدار pH به طور مکرر مورد استفاده قرار میگیرد؛ این کار نه تنها بر بازدهی محصول تأثیر میگذارد، بلکه بر کیفیت آن نیز تأثیر دارد. در شرکتها، تنظیم مقدار pH در حال حاضر عمدتاً به صورت دستی انجام میشود و به تجربه و قضاوت هر فرد بستگی دارد. به دلیل تفاوتهای فردی بین افراد، نتایج تنظیم نیز بسیار متفاوت است. در واقع، در فرآیند تحقیقات فنی نیز تنظیمات به صورت دستی انجام میشود و از ابزارهای پیشرفته کمتر استفاده میگردد. اما تفاوت اینجاست که در طول این فرآیند، پس از دهها یا حتی صدها آزمایش، تجربیات فراوانی از موفقیتها و شکستها به دست میآید؛ بنابراین پایداری تنظیمات بسیار بالاست، هرچند لزوماً دقت آنها بالا نیست. به همین دلیل باید از ابزارهای پیشرفته استفاده کرد تا تفاوتهای فردی بین افراد را کاهش داد و تأثیر خطاها بر فرآیند تبدیل را محدود کرد. ۱.۴ تعیین زمان واکنش: در فرآیندهای سنتز شیمیایی، زمان واکنش یکی از شرایط عملیاتی مهم است؛ این موضوع مستقیماً بر بازدهی محصول و مسائلی مانند میزان مصرف انرژی تأثیر میگذارد. در فرآیند تحقیقات مربوط به توسعه محصول، ما زمان واکنش را به عنوان یک پارامتر کلیدی برای مطالعه دقیق در نظر میگیریم تا بهترین زمان واکنش را تعیین کنیم. در کارخانههای صنعتی، تجهیزات بزرگ هستند و روشهای گرم کردن یا سرد کردن نسبتاً یکنواخت است؛ در نتیجه زمان لازم برای انجام فرآیند افزایش مییابد. برای اکثر فرآیندهای سنتز، هرچه زمان بیشتری صرف شود، بازدهی بالاتر خواهد بود، تا زمانی که تعادل واکنش برقرار شود ； اما در تعداد کمی از فرآیندهای سنتزی، طولانیتر شدن زمان منجر به کاهش بازده، افزایش واکنشهای منفی و کاهش کیفیت محصول میشود. در چنین فرآیندهای سنتزی، در طول فرآیند توسعه محصول، باید به شرایط واقعی شرکت به طور کامل توجه کرد و از طریق شبیهسازی شرایط واقعی تولید صنعتی، تغییرات و اصلاحات لازم اعمال گردد. ۱.۵ تأثیر رطوبت بر فرآیند سنتز در فرآیندهای سنتز شیمیایی، رطوبت تأثیر زیادی بر سنتز شیمیایی دارد و این موضوع بسیار مهم است. در فرآیند توسعه محصولات جدید، به واکنشهای کاملاً بدون آب که در آنها از سدیم فلزی، لیتیوم آمینی، هیدروژن سدیم و موارد مشابه استفاده میشود، توجه زیادی میکنیم و خواستار انجام آنها در محیط حفاظتی نیتروژن هستیم؛ اما به واکنشهای محلولکنندههای غیرآبی معمولی، توجه کافی نمیشود. در آزمایشگاه، فلاسکهای واکنش معمولی و ظروف مورد استفاده، یا شسته شدهاند یا به صورت طبیعی یا با گرما خشک شدهاند؛ رطوبت هوا نیز مشابه رطوبت جو است. تا زمانی که میزان رطوبت حلال و مواد اولیه در سطح مطلوب باشد، معمولاً نمیتوان تأثیر رطوبت بر واکنش را احساس کرد. در کارخانههای صنعتی، میزان خشکی بدنه دیگ و لولههای متصل به آن، همچنین سایر تجهیزات، تفاوتهای قابل توجهی دارد؛ همچنین رطوبت هوای داخل کارخانه نیز بسیار بالاتر از آزمایشگاه است. بنابراین باید این عوامل را به طور کامل در نظر گرفت و آزمایشهای شبیهسازیشده انجام داد؛ سپس بر اساس واکنشهای مختلف، الزامات مناسبی تعیین کرد تا انتقال فناوری به طور روان انجام شود. اما نمیتوان از تمام واکنشها انتظار داشت که مانند واکنشهای کاملاً بدون آب باشند؛ در غیر این صورت، هزینههای تولید شرکتها افزایش خواهد یافت. ۲. بازیابی و استفاده مجدد حلالها: واکنشهای سنتز شیمیایی بدون حلالهای آلی امکانپذیر نیستند. تولید یک محصول جدید، نیازمند استفاده از تعداد کمی در حد چند عدد و تعداد زیادی در حد چند ده یا حتی صدها ماده شیمیایی است. به جز تعداد کمی که منجر به تشکیل مواد جدید میشوند، بیشتر این مواد یا در همان حالت اولیه خود باقی میمانند یا به عنوان محصولات فرعی به جا میمانند؛ نحوه مدیریت این محصولات، یکی از چالشهای بزرگ برای شرکتهاست. در فرآیند توسعه محصولات و روشهای جدید، به دلیل مقدار کم مصرف، اغلب مورد توجه قرار نمیگیرند. اما در شرکتها، سالانه صدها یا حتی هزاران تن از این محصولات تولید میشود؛ از یک سو، عدم تصفیه آنها منجر به هدررفت میشود و هزینههای تولید را افزایش میدهد ； از سوی دیگر، باعث آلودگی شدید محیط زیست میشود. برای مقابله با این مشکل، لازم است در فرآیند توسعه محصولات با کیفیت بالا، بهویژه در مراحل پایانی توسعه محصول و پس از ایجاد روشهای شیمیایی مناسب برای سنتز، تحلیل و بررسی جزئیات پسماندهای حاصل از واکنشهای شیمیایی در هر مرحله انجام شود. سپس، بسته به ویژگیهای هر پسماند، آنها را بهطور مناسب مدیریت کرد؛ در مورد بخشهایی که قابل بازیافت نیستند، چه از طریق سوزاندن و چه دفن، باید ارزیابیهای لازم برای ایمنی افراد و محیط زیست انجام شود تا تولیدات شرکتها بهصورت ایمن انجام شده و مشکلات ناشی از تولید و استفاده از محصولات و روشهای جدید که باعث آلودگی محیط زیست میشوند، از همان ابتدا برطرف گردد. ۳. پردازش فاضلاب: در فرآیند تولید هر محصول جدید، تا حدی ناگزیر با مشکل فاضلاب روبرو میشویم. پردازش فاضلاب در حال حاضر بزرگترین چالش فنی که شرکتها با آن روبرو هستند، محسوب میشود. چه از طریق روشهای شیمیایی، آنزیمی یا جذبی، حتی با صرف نیروی انسانی، منابع مادی و مالی فراوان، همچنان حل مؤثر مشکل فاضلاب دشوار است. دلیل اصلی، تنوع زیاد مواد شیمیایی است؛ بنابراین امکان حل کامل آنها با یک یا چند روش وجود ندارد. این امر مستلزم آن است که ما علل تولید فاضلاب و ترکیبات آلایندههای موجود در آب را تحلیل کرده، آنها را دستهبندی کرده و به ترتیب مناسب پردازش کنیم. در فرآیند تحقیقات مربوط به روشهای سنتز شیمیایی، ما به بررسی آبهای زائد و ترکیبات آلایندههای تولید شده میپردازیم؛ از یک سو، آب را به عنوان گرانترین حلال آلی در نظر میگیریم و سعی میکنیم مصرف آب را تا حد امکان کاهش دهیم ； از سوی دیگر، بسته به ترکیبات آلایندهها، آنها را به صورت جداگانه جمعآوری و به طور مؤثر پردازش کرده تا راهکارهای عملی برای تصفیه فاضلاب برای شرکتها فراهم شود و نگرانیهای آنها برطرف گردد. به طور کلی، تحقیق و توسعه فرآیندهای سنتز شیمیایی دشوار است و نیازمند سرمایهگذاری چشمگیری از نیروی انسانی، منابع مادی و مالی میباشد. نتایج این توسعهها به منظور دستیابی به رشد اقتصادی بالاتر برای شرکتها و تضمین پیشرفت مداوم آنها است. تنها راه برای تحقق ارزش خود، این است که نتایج حاصل را به سرعت از طریق تبدیل به نیروی تولیدی درآورده، به شرکتها خدمت کرده و به جامعه سود برسانیم. به دلایل مختلف، از یک سو شرکتها در تلاش برای یافتن محصولات جدید هستند و از سوی دیگر، دستاوردهای تحقیقاتی موجود در مؤسسات علمی نمیتوانند منتقل شوند. ریشه این مشکل، مسئله قیمت نیست؛ بلکه عمدتاً به دلیل دلایل ذکر شده، مشکلات مختلفی در فرآیند تبدیل فناوری به کاربرد عملی پدید میآید. بخش قابل توجهی از دستاوردهای تحقیقاتی در میانه راه متوقف میشوند که این امر باعث خسارات سنگینی به شرکتها میشود و باعث میگردد که شرکتها از دستاوردهای جدید ترسیده باشند. در واقع، حل مشکلات فوق دشوار نیست؛ کافی است در فرآیند تحقیقات فنی، آزمایشگاهها را به طور نزدیک با شرکتها مرتبط کرد و کمی به بخشهای متفاوت توجه کرد، تا تمام مشکلات به خوبی حل شوند
۱. فواید اقتصادی و اجتماعی محصول. ۲. روش مدیریت پسماندهای محصول. ۳. کیفیت محصول. ۴. ایمنی و پایداری فرآیند تولید. ۵. میزان دشواری اجرای طرح تولید محصول.
با توان خود عمل کنید. خلاقیت مستقل، همکاری، واردات و غیره.
موارد زیر را در نظر بگیرید: ۱. کاربردی بودن، ۲. چشمانداز بازار، ۳. سرمایهگذاری، ۴. دوره تحقیق و توسعه، ۵. پیشرفته بودن فناوری مورد استفاده، ۶. اینکه آیا توانمندیهای فنی برای انجام کار کافی هستند یا خیر
شرکتها هنگام انتخاب جهت توسعه محصولات جدید، باید به موارد زیر توجه کنند: (۱) در نظر گرفتن ماهیت و کاربرد محصول. پیش از توسعه محصولات جدید، باید به طور کامل میزان فناوری و کاربردهای محصولات مشابه و جایگزینهای آنها را بررسی کرد تا از پیشرفته بودن یا منحصربهفرد بودن محصول توسعهیافته اطمینان حاصل شود و از اینکه محصول «جدید» از همان روز اول ورود به بازار حذف شود، جلوگیری گردد. (۲) قیمت و حجم فروش را در نظر بگیرید. هزینه تولید محصولات سریای پایین است؛ بنابراین میتوان آنها را با قیمت کمتری فروخت تا حجم فروش افزایش یابد. اما یکنواختی محصولات سریای نیز میتواند بر حجم فروش تأثیر منفی داشته باشد. بنابراین، روابط میان محصولات سریبندیشده و متنوع، همچنین قیمت و فروش، باید پس از انجام تحقیقات و بررسیها مشخص شوند. (۳) سرعت و جهت تغییرات نیازهای مصرفکنندگان را به طور کامل در نظر گرفت. با افزایش سطح زندگی مادی مردم، نیازهای مصرفکنندگان به سمت تنوع پیش میرود و سرعت تغییرات نیز بسیار زیاد است. و توسعه یک محصول جدید نیازمند زمان مشخصی است؛ این زمان باید کوتاهتر از زمان تغییرات تقاضای مصرفکنندگان باشد تا بتوان در بازار موفق شد و سود اقتصادی کسب کرد. (۴) توانایی شرکت در نوآوری محصولات برای پاسخگویی به نیازهای بازار. چهار شرکت «جولونگ»، «داتانگ»، «زونگشینگ» و «هواوی» که زمانی نمادهای صنعت مخابرات چین بودند، با فرصتهای بازار تقریباً یکسانی روبرو بودند و شروع کارشان نیز مشابه بود؛ اما پس از سه یا چهار سال، هواوی و زونگشینگ خیلی جلوتر رفتند، در حالی که جولونگ تقریباً از بازار مخابرات خارج شد. و مهمترین عاملی که تفاوت چهار شرکت را تعیین میکند، توانایی آنها در ایجاد نوآوریهای محصولی و فناورانه در محصولاتی است که به بازار عرضه میکنند. (۵) ذخیره نیروهای فنی سازمان و تشکیل تیمهای توسعه محصول. برای توسعه محصولات جدید توسط شرکتها، انتخاب روش مناسب بسیار مهم است. انتخاب مناسب و متناسب با وضعیت واقعی شرکت، میتواند خطرات را کاهش داده و به موفقیت سریعتر منجر شود. معمولاً چهار روش وجود دارد: روش ابداعی، روش وارداتی، روش ترکیبی و روش بهبودی. ۱. روش منحصربهفرد. از دیدگاه بلندمدت، اساسیترین راه برای توسعه محصولات جدید توسط شرکتها، طراحی و ساخت خودآنهاست، یعنی همان روش خلاقانه. توسعه محصولات جدید به این روش، به بهروزرسانی محصولات و ایجاد مزیت فناورانه برای شرکت کمک میکند و همچنین در رقابت محصولات نیز مؤثر است. تولید و توسعه محصولات به صورت خودمختار، نیازمند ایجاد یک تیم قوی تحقیق و توسعه، یک پلتفرم فناورانه قوی، و یک فرآیند علمی و کارآمد برای توسعه محصولات است. ۲. روش واردات. واردات فناوری روشی رایج برای توسعه محصولات جدید است. شرکتها با استفاده از این روش میتوانند به سرعت فناوری تولید محصولات جدید را فرا گیرند، هزینهها و نیروی لازم برای توسعه را کاهش دهند، در نتیجه زمان بیشتری به دست آورند و فاصله خود را با سایر شرکتها کاهش دهند. اما واردات فناوری، به ایجاد مزیت فناورانه برای شرکتها و نوسازی محصولات آنها کمکی نمیکند. ۳. روشهای بهبود. این روش بر اساس محصولات فعلی یک شرکت است و با توجه به نیازهای کاربران، اقداماتی مانند تغییر عملکرد، تغییر شکل یا گسترش کاربردها برای توسعه محصولات جدید انجام میشود. با استفاده از این روش، میتوان از تجهیزات و تواناییهای فنی موجود شرکت بهره برد؛ هزینههای توسعه پایین بوده و شانس موفقیت بالاست. اما، استفاده طولانیمدت از روشهای بهبودیافته برای توسعه محصولات جدید، بر سرعت رشد شرکت تأثیر منفی خواهد گذاشت. ۴. روش ترکیب. روش ترکیب، ترکیبی از خلاقیت و واردات است.
آیا مواد اولیه به راحتی در دسترس هستند و فرآیندهای تولید بالغ شدهاند؟ آیا در این صنعت مازاد تولید وجود دارد؟ آیا فاصله سودآوری مناسب است؟ آیا گسترش زنجیره تولید در آینده امکانپذیر است؟
۱. پایداری فرآیند: پایداری فرآیند برای واحدهای تولیدی بسیار مهم است. در تولید صنعتی بزرگ، تجهیزات بسیار بزرگ هستند؛ مخازن واکنش نیز از چند تن تا چندین ده تن یا حتی صدها تن میباشند. از نظر اقتصادی، هزینه مواد اولیه مورد استفاده در هر بار تولید، بین چند صد هزار یوان تا چند میلیون یوان است؛ بنابراین نمیتوان هیچ خطایی رخ داد، زیرا این امر میتواند باعث خسارات مالی جدی برای شرکت شود. از نظر زیستمحیطی، صنعت شیمیایی با سایر صنایع متفاوت است؛ چرا که چندین یا حتی دهها ماده شیمیایی در یک مخزن واکنش قرار میگیرند. اگر ماده مورد نیاز تولید نشود، این مواد به ضایعات تبدیل میشوند و بازیابی آنها بسیار دشوار است. همچنین، پردازش محلول واکنش نیز دشوار است و این امر میتواند آلودگی قابل توجهی به محیط زیست وارد کند. بنابراین، باید به ویژه به پایداری فرآیند توجه کرد. اما برای حل مشکل پایداری فرآیند تبدیل، باید به مطالعات زیر توجه کرد. ۱.۱ تقویت پژوهشهای مربوط به روشهای آزمایش واجدات میانی و استانداردها: روشهای دقیق آزمایش واجدات میانی و استانداردهای لازم برای تعیین کیفیت، ابزارهای مهمی برای تضمین انجام ایمن و بدون مشکل فرآیند تولید هستند. فرآیند توسعه محصولات جدید در آزمایشگاهها انجام میشود. در مرحله اولیه، برای تعیین اینکه آیا محصول مورد نیاز است یا خیر، از روشهای مختلفی مانند تحلیل فاز مایع-جرم، فاز گاز-جرم، مادون قرمز، فرابنفش و تحلیل عناصر برای بررسی ساختار محصول استفاده میشود. پس از تأیید این موضوع، در فرآیند تحقیقات فنی، به دلایل مختلف، بررسی کیفیت درونی محصول کمتر انجام میشود و عمدتاً از طریق تجربه و مشاهده پدیدههای واکنش برای قضاوت استفاده میگردد. در برخی موارد، اگرچه روشهای آزمایش وجود دارد، اما بسیار ساده هستند و تنها شامل آزمایشهای کیفی سادهای مانند بررسی رنگ، شکل کریستالی و غیره میشوند؛ بنابراین در تولید انبوه مشکلاتی وجود دارد: یکی از آنها، تفاوتهای زیاد بین کارکنان است. در آزمایشگاه، معمولاً یک نفر به تنهایی بخشی از کار را انجام میدهد، اما در تولید انبوه، یک نفر نمیتواند به تنهایی کار را تمام کند و برای این کار به همکاری چندین نفر نیاز است. دوم اینکه، تفاوتهای زیادی در شرایط تجهیزات وجود دارد. پدیدههایی که در آزمایشگاه قابل مشاهده هستند، در تولید انبوه به سختی میتوانند به صورت مستقیم مشاهده شوند و کنترل پارامترها نیز آنقدر پایدار نیست. سوم اینکه تفاوتهای محیطی بسیار زیاد است. آزمایشگاه محیطی نسبتاً بسته است، در حالی که تولید انبوه در محیطی باز انجام میشود؛ در این محیط، رطوبت و دما تغییرات زیادی دارند. به همین دلیل، تفاوتهای زیادی بین دستههای مختلف محصولات وجود دارد. همچنین، روشها و استانداردهای دقیقی برای کنترل کیفیت مواد واسطه وجود ندارد؛ در نتیجه، تصمیمات مربوط به استفاده از مواد خام، بسیار نامشخص میشود و اغلب منجر به شکست در مراحل بعدی کار میگردد. بنابراین، در فرآیند توسعه محصولات جدید، باید هر یک از مواد واسطهای موجود در فرآیند تحقیقات را مانند یک محصول در نظر گرفت، روشهای تحلیل و آزمایش آنها را به دقت بررسی کرد و استانداردهای سختگیرانهای برای کیفیت تعیین نمود تا تولید به شکلی ایمن و پایدار انجام شود. ۱.۲ محدوده مجاز دمای واکنش: در فرآیندهای سنتز شیمیایی، همگی میدانیم که دما یکی از عوامل مهم تأثیرگذار بر واکنشهای شیمیایی است. کنترل دما یکی از شرایط عملیاتی بسیار مهم است، زیرا دما مستقیماً بر سرعت واکنش، بازدهی، واکنشهای منفی و همچنین مصرف انرژی تأثیر میگذارد. در فرآیند تحقیقات مربوط به توسعه محصول، ما دمای واکنش را به عنوان یک پارامتر کلیدی برای مطالعه دقیق در نظر میگیریم و بهترین دمای واکنش را به عنوان یک شرط مهم برای آن واکنش انتخاب میکنیم. اما، باید عوامل پیچیده مربوط به واحدهای تولیدی را نیز کاملاً در نظر بگیریم؛ مثلاً: زمان لازم برای افزایش یا کاهش دما. در آزمایشگاه، به دلیل کوچک بودن فلاسکهای واکنش و سرعت بالای انتقال حرارت در شیشه، معمولاً در عرض چند دقیقه تا حداکثر چند ده دقیقه میتوان به شرایط مورد نیاز رسید؛ اما در تولید صنعتی، زمان بیشتری لازم است و گاهی حتی چند ساعت طول میکشد تا به هدف دست یافت. دوم، دقت کنترل دما است. در آزمایشگاه، کنترل دما بسیار خوب است؛ بهویژه با ظهور مداوم تجهیزات و روشهای پیشرفته، دقت کنترل دما میتواند به چند دهم درجه برسد. اما در تولید صنعتی عمده، این کار بسیار دشوار است و معمولاً کنترل دما در محدوده ۵ درجه مثبت و منفی نیز آسان نیست. بنابراین، همزمان با بررسی دمای بهینه برای فرآیند، باید تأثیر خطاهای دمایی بر واکنشها را به طور کامل مورد بررسی قرار داد؛ بهویژه در مورد دماهایی که تأثیرات جدی بر ایمنی تولید دارند. به عنوان مثال، در سیستمهای واکنشی که در آنها سولفوریک اسید غلیظ و استیلنآمین وجود دارد، این دو ماده در دماهای مشخص ممکن است واکنشهای شدید و غیرقابل کنترلی ایجاد کنند که منجر به حوادث ایمنی میشود. ما باید وضعیت واقعی شرکت را در نظر بگیریم و دما را در محدودهای کاملاً ایمن تنظیم کنیم. فراهم کردن بهترین دمای قابل اجرا برای واحدهای تولیدی، ممکن است کمی با گزارشهای تحقیقاتی تفاوت داشته باشد و بر بازده نیز تأثیر بگذارد؛ اما با کاهش این تأثیرات تا حداقل، در چارچوب کنترلی برای تولید ایمن، پیشنهاد میشود دمای واکنش را با استفاده از محدودهای از درجات سانتیگراد مشخص کرد و استفاده از عباراتی مانند «در درجهای»، «کمتر از X درجه» یا «بیشتر از X درجه» در گزارشهای فرآیندی را حذف کرد. ۱.۳ تنظیم مقدار pH: در فرآیندهای سنتز شیمیایی، تنظیم مقدار pH به طور مکرر مورد استفاده قرار میگیرد؛ این کار نه تنها بر بازدهی محصول تأثیر میگذارد، بلکه بر کیفیت آن نیز تأثیر دارد. در شرکتها، تنظیم مقدار pH در حال حاضر عمدتاً به صورت دستی انجام میشود و به تجربه و قضاوت هر فرد بستگی دارد. به دلیل تفاوتهای فردی بین افراد، نتایج تنظیم نیز بسیار متفاوت است. در واقع، در فرآیند تحقیقات فنی نیز تنظیمات به صورت دستی انجام میشود و از ابزارهای پیشرفته کمتر استفاده میگردد. اما تفاوت اینجاست که در طول این فرآیند، پس از دهها یا حتی صدها آزمایش، تجربیات فراوانی از موفقیتها و شکستها به دست میآید؛ بنابراین پایداری تنظیمات بسیار بالاست، هرچند لزوماً دقت آنها بالا نیست. به همین دلیل باید از ابزارهای پیشرفته استفاده کرد تا تفاوتهای فردی بین افراد را کاهش داد و تأثیر خطاها بر فرآیند تبدیل را محدود کرد. ۱.۴ تعیین زمان واکنش: در فرآیندهای سنتز شیمیایی، زمان واکنش یکی از شرایط عملیاتی مهم است؛ این موضوع مستقیماً بر بازدهی محصول و مسائلی مانند میزان مصرف انرژی تأثیر میگذارد. در فرآیند تحقیقات مربوط به توسعه محصول، ما زمان واکنش را به عنوان یک پارامتر کلیدی برای مطالعه دقیق در نظر میگیریم تا بهترین زمان واکنش را تعیین کنیم. در کارخانههای صنعتی، تجهیزات بزرگ هستند و روشهای گرم کردن یا سرد کردن نسبتاً یکنواخت است؛ در نتیجه زمان لازم برای انجام فرآیند افزایش مییابد. برای اکثر فرآیندهای سنتز، هرچه زمان بیشتری صرف شود، بازدهی بالاتر خواهد بود، تا زمانی که تعادل واکنش برقرار شود ； اما در تعداد کمی از فرآیندهای سنتزی، طولانیتر شدن زمان منجر به کاهش بازده، افزایش واکنشهای منفی و کاهش کیفیت محصول میشود. در چنین فرآیندهای سنتزی، در طول فرآیند توسعه محصول، باید به شرایط واقعی شرکت به طور کامل توجه کرد و از طریق شبیهسازی شرایط واقعی تولید صنعتی، تغییرات و اصلاحات لازم اعمال گردد. ۱.۵ تأثیر رطوبت بر فرآیند سنتز در فرآیندهای سنتز شیمیایی، رطوبت تأثیر زیادی بر سنتز شیمیایی دارد و این موضوع بسیار مهم است. در فرآیند توسعه محصولات جدید، به واکنشهای کاملاً بدون آب که در آنها از سدیم فلزی، لیتیوم آمینی، هیدروژن سدیم و موارد مشابه استفاده میشود، توجه زیادی میکنیم و خواستار انجام آنها در محیط حفاظتی نیتروژن هستیم؛ اما به واکنشهای محلولکنندههای غیرآبی معمولی، توجه کافی نمیشود. در آزمایشگاه، فلاسکهای واکنش معمولی و ظروف مورد استفاده، یا شسته شدهاند یا به صورت طبیعی یا با گرما خشک شدهاند؛ رطوبت هوا نیز مشابه رطوبت جو است. تا زمانی که میزان رطوبت حلال و مواد اولیه در سطح مطلوب باشد، معمولاً نمیتوان تأثیر رطوبت بر واکنش را احساس کرد. در کارخانههای صنعتی، میزان خشکی بدنه دیگ و لولههای متصل به آن، همچنین سایر تجهیزات، تفاوتهای قابل توجهی دارد؛ همچنین رطوبت هوای داخل کارخانه نیز بسیار بالاتر از آزمایشگاه است. بنابراین باید این عوامل را به طور کامل در نظر گرفت و آزمایشهای شبیهسازیشده انجام داد؛ سپس بر اساس واکنشهای مختلف، الزامات مناسبی تعیین کرد تا انتقال فناوری به طور روان انجام شود. اما نمیتوان از تمام واکنشها انتظار داشت که مانند واکنشهای کاملاً بدون آب باشند؛ در غیر این صورت، هزینههای تولید شرکتها افزایش خواهد یافت. ۲. بازیابی و استفاده مجدد حلالها: واکنشهای سنتز شیمیایی بدون حلالهای آلی امکانپذیر نیستند. تولید یک محصول جدید، نیازمند استفاده از تعداد کمی در حد چند عدد و تعداد زیادی در حد چند ده یا حتی صدها ماده شیمیایی است. به جز تعداد کمی که منجر به تشکیل مواد جدید میشوند، بیشتر این مواد یا در همان حالت اولیه خود باقی میمانند یا به عنوان محصولات فرعی به جا میمانند؛ نحوه مدیریت این محصولات، یکی از چالشهای بزرگ برای شرکتهاست. در فرآیند توسعه محصولات و روشهای جدید، به دلیل مقدار کم مصرف، اغلب مورد توجه قرار نمیگیرند. اما در شرکتها، سالانه صدها یا حتی هزاران تن از این محصولات تولید میشود؛ از یک سو، عدم تصفیه آنها منجر به هدررفت میشود و هزینههای تولید را افزایش میدهد ； از سوی دیگر، باعث آلودگی شدید محیط زیست میشود. برای مقابله با این مشکل، لازم است در فرآیند توسعه محصولات با کیفیت بالا، بهویژه در مراحل پایانی توسعه محصول و پس از ایجاد روشهای شیمیایی مناسب برای سنتز، تحلیل و بررسی جزئیات پسماندهای حاصل از واکنشهای شیمیایی در هر مرحله انجام شود. سپس، بسته به ویژگیهای هر پسماند، آنها را بهطور مناسب مدیریت کرد؛ در مورد بخشهایی که قابل بازیافت نیستند، چه از طریق سوزاندن و چه دفن، باید ارزیابیهای لازم برای ایمنی افراد و محیط زیست انجام شود تا تولیدات شرکتها بهصورت ایمن انجام شده و مشکلات ناشی از تولید و استفاده از محصولات و روشهای جدید که باعث آلودگی محیط زیست میشوند، از همان ابتدا برطرف گردد. ۳. پردازش فاضلاب: در فرآیند تولید هر محصول جدید، تا حدی ناگزیر با مشکل فاضلاب روبرو میشویم. پردازش فاضلاب در حال حاضر بزرگترین چالش فنی که شرکتها با آن روبرو هستند، محسوب میشود. چه از طریق روشهای شیمیایی، آنزیمی یا جذبی، حتی با صرف نیروی انسانی، منابع مادی و مالی فراوان، همچنان حل مؤثر مشکل فاضلاب دشوار است. دلیل اصلی، تنوع زیاد مواد شیمیایی است؛ بنابراین امکان حل کامل آنها با یک یا چند روش وجود ندارد. این امر مستلزم آن است که ما علل تولید فاضلاب و ترکیبات آلایندههای موجود در آب را تحلیل کرده، آنها را دستهبندی کرده و به ترتیب مناسب پردازش کنیم. در فرآیند تحقیقات مربوط به روشهای سنتز شیمیایی، ما به بررسی آبهای زائد و ترکیبات آلایندههای تولید شده میپردازیم؛ از یک سو، آب را به عنوان گرانترین حلال آلی در نظر میگیریم و سعی میکنیم مصرف آب را تا حد امکان کاهش دهیم ； از سوی دیگر، بسته به ترکیبات آلایندهها، آنها را به صورت جداگانه جمعآوری و به طور مؤثر پردازش کرده تا راهکارهای عملی برای تصفیه فاضلاب برای شرکتها فراهم شود و نگرانیهای آنها برطرف گردد. به طور کلی، تحقیق و توسعه فرآیندهای سنتز شیمیایی دشوار است و نیازمند سرمایهگذاری چشمگیری از نیروی انسانی، منابع مادی و مالی میباشد. نتایج این توسعهها به منظور دستیابی به رشد اقتصادی بالاتر برای شرکتها و تضمین پیشرفت مداوم آنها است. تنها راه برای تحقق ارزش خود، این است که نتایج حاصل را به سرعت از طریق تبدیل به نیروی تولیدی درآورده، به شرکتها خدمت کرده و به جامعه سود برسانیم. به دلایل مختلف، از یک سو شرکتها در تلاش برای یافتن محصولات جدید هستند و از سوی دیگر، دستاوردهای تحقیقاتی موجود در مؤسسات علمی نمیتوانند منتقل شوند. ریشه این مشکل، مسئله قیمت نیست؛ بلکه عمدتاً به دلیل دلایل ذکر شده، مشکلات مختلفی در فرآیند تبدیل فناوری به کاربرد عملی پدید میآید. بخش قابل توجهی از دستاوردهای تحقیقاتی در میانه راه متوقف میشوند که این امر باعث خسارات سنگینی به شرکتها میشود و باعث میگردد که شرکتها از دستاوردهای جدید ترسیده باشند. در واقع، حل مشکلات فوق دشوار نیست؛ کافی است در فرآیند تحقیقات فنی، آزمایشگاهها را به طور نزدیک با شرکتها مرتبط کرد و کمی به بخشهای متفاوت توجه نمود؛ در این صورت، تمام مشکلات به خوبی حل خواهند شد.
۱. فرآیندهای شیمیایی: فرآیندهای شیمیایی، همان فناوریهای شیمیایی یا تکنولوژیهای تولید شیمیایی هستند؛ این فرآیندها، روشها و مراحلی را در بر میگیرند که در آنها مواد خام از طریق واکنشهای شیمیایی به محصولات تبدیل میشوند؛ همچنین شامل تمام اقدامات لازم برای انجام این تبدیل نیز میشود. فرآیند تولید شیمیایی را میتوان به طور کلی در سه مرحله اصلی خلاصه کرد: پردازش مواد خام: برای اینکه مواد خام در وضعیت لازم برای واکنشهای شیمیایی قرار گیرند، بسته به شرایط خاص، مواد خام مختلف نیاز به فرآیندهای پیشپردازشی متنوعی مانند تصفیه، غلیظسازی، مخلوطسازی، امولسیونسازی یا خرد کردن (در مورد مواد خام جامد) دارند. واکنش شیمیایی: این مرحله کلیدی در تولید است. مواد خام پس از پیشپردازش، در شرایط مشخصی از دما و فشار و غیره واکنش داده میشوند تا نرخ تبدیل و بازده واکنش مورد نظر حاصل گردد. انواع واکنشها متنوع است و از طریق واکنشهای شیمیایی، محصول مورد نظر یا ترکیبات آن به دست میآید. تصفیه محصول: مخلوط حاصل از واکنشهای شیمیایی جداسازی شده و محصولات فرعی یا ناخالصیها حذف میشوند تا محصولی با ویژگیهای ترکیبی مورد نظر به دست آید. ۲. فرآیندهای شیمیایی: فرآیندهای شیمیایی، رشتهای مهندسی است که به بررسی قوانین مشترک فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی در تولیدات صنعت شیمیایی و سایر صنایع فرآیندی میپردازد. این صنایع، با استفاده از مواد خام اساسی مانند نفت، زغالسنگ، گاز طبیعی، نمک، سنگ آهک، سایر کانیها و همچنین موادی مانند غلات، چوب، آب و هوا، و با بهرهگیری از فرآیندهای شیمیایی یا فیزیکی، ترکیب، خواص و حالت مواد را تغییر داده و آنها را به محصولاتی با ارزش بالاتر تبدیل میکنند. صنایعی مانند شیمی، پتروشیمی، فلزکاری و داروسازی که به عنوان «صنایع فرآیندی» شناخته میشوند، معمولاً نیاز به یک سری مراحل فرآوری فیزیکی یا شیمیایی دارند؛ این مجموعه از مراحل، «فرآیند» نامیده میشود. فرآیند باید توسط دستگاه انجام شود. تجهیزات فرآیندی باید الزامات فرآیند را برآورده کنند. مهندسی شیمی شامل موضوعاتی مانند عملیات واحدها، مهندسی واکنشهای شیمیایی، فرآیندهای انتقال، ترمودینامیک صنایع شیمیایی، مهندسی سیستمهای شیمیایی، دینامیک فرآیندها و کنترل فرآیندهای شیمیایی است. عملیات واحد: فرآیندهای فیزیکی مورد استفاده در تولید انواع محصولات شیمیایی را میتوان در چند فرآیند پایه محدود خلاصه کرد، مانند انتقال سیالات، تبادل حرارت (گرم کردن و سرد کردن)، تقطیر، جذب، تبخیر، استخراج، تبلور، خشککردن و غیره. این فرآیندهای پایه، عملیات واحد نامیده میشوند. مطالعات مربوط به عملیات واحد، نتایج مشترکی را به ارمغان آوردهاند که میتوان از آنها برای هدایت تولید انواع محصولات و طراحی تجهیزات شیمیایی استفاده کرد. مهندسی واکنشهای شیمیایی: واکنشهای شیمیایی بخش اصلی تولیدات شیمیایی هستند؛ آنها میزان بازده محصولات را تعیین کرده و تأثیر قابل توجهی بر هزینههای تولید دارند. با این وجود، در مراحل اولیه، پیچیدگی آن مانع از مطالعه سیستماتیک آن شد. تا اواسط قرن بیستم، بر اساس یافتههای حاصل از مطالعات عملیات واحدی و فرآیندهای انتقال، در انواع فرآیندهای واکنشی مانند اکسیداسیون، کاهش، نیتراسیون، سولفوراسیون و غیره، مشکلات مشترکی شناسایی شد؛ از جمله بازخلط در داخل راکتور، انتقال جرم و گرما در فاز واکنش، انتقال جرم و گرما در خارج از فاز واکنش، و پایداری راکتور. مطالعه این مسائل و همچنین بررسی تأثیرات آنها بر دینامیک واکنشها، شاخه جدیدی از علوم را به وجود آورده است؛ یعنی مهندسی واکنشهای شیمیایی. این امر باعث تقویت و توسعه محتوا و روشهای مهندسی شیمی شده است. فرآیند انتقال: پایه مشترک عملیات واحدی و مهندسی واکنشها است. فرآیندهای فیزیکی که در انواع تجهیزات عملیات واحد و دستگاههای واکنش رخ میدهند، در واقع شامل سه نوع انتقال هستند: انتقال تکانه، انتقال گرما و انتقال جرم. به عنوان مثال، انتقال سیال بر اساس انتقال تکانه، توزیع جریان هوا در راکتورها ； عملیات تبادل حرارت مبتنی بر انتقال گرما، خارج کردن حرارت پلیمریزاسیون از مخزن پلیمریزاسیون ； عملیات جذب مبتنی بر انتقال کیفیت، گسترش واکنشدهندگان و محصولات در داخل کاتالیزور و غیره. در برخی فرآیندها، دو یا چند پدیده انتقال همزمان وجود دارد، مانند افزایش یا کاهش رطوبت گازها. به عنوان یک شاخه از مهندسی شیمی، فرآیندهای انتقال بر مطالعه سرعت این سه نوع انتقال و روابط متقابل آنها تمرکز دارد و پدیدههایی با ماهیت مشابه اما شکلهای بیان متفاوت را به هم پیوند میزند. ترمودینامیک شیمیایی: همچنین پایهی نظری عملیات واحد و مهندسی واکنشها است؛ جهت و حدود فرآیندهای انتقال را مورد بررسی قرار داده و دادههای پایهای لازم برای تحلیل و طراحی فرآیندها را فراهم میکند. بنابراین، شاخههای مهندسی شیمی نیز میتوانند به دو سطح تقسیم شوند: عملیات واحدی و مهندسی واکنشها که بیشتر مستقیماً به کاربردهای صنعتی مرتبط هستند، و فرآیندهای انتقال و ترمودینامیک شیمیایی که بیشتر از منظر پژوهشهای بنیادی، از شاخههای قبلی حمایت میکنند. از طریق این دو سطح، نظریه و عمل بهطور نزدیک با یکدیگر پیوند خوردهاند. مهندسی سیستمهای شیمیایی: از آنجا که در فرآیندهای شیمیایی، واحدهای مختلف فرآیند بر یکدیگر تأثیر میگذارند و یکدیگر را محدود میکنند، لازم است که فرآیندهای شیمیایی را به عنوان یک سیستم یکپارچه در نظر گرفت و مفهوم بهینهسازی کلی را ایجاد کرد. بدین ترتیب، رشته مهندسی سیستمها در مهندسی شیمی به سرعت توسعه یافت و نتایج قابل توجهی به دست آورد و مهندسی سیستمهای صنایع شیمیایی شکل گرفت. این محصول ترکیب روشهای مهندسی سیستم با دو شاخه علمی عملیات واحدها و مهندسی واکنشهای شیمیایی است. ویژگیهای پویای فرآیند: برای حفظ منطقی بودن و بهینهسازی عملیات، ویژگیهای پویای فرآیند نیز یکی از موضوعات مهم مهندسی شیمی محسوب میشوند. موضوعات مورد مطالعه در مهندسی شیمی معمولاً بسیار پیچیده هستند که عمدتاً از طریق پیچیدگی خود فرآیندها نمایان میشود: هم جنبههای شیمیایی وجود دارد و هم جنبههای فیزیکی، و این دو اغلب به طور همزمان رخ میدهند و بر یکدیگر تأثیر میگذارند. پیچیدگی سیستم: هم مایعات (گازها و مایعات) وجود دارد و هم جامدات، و اغلب چندفاز در کنار یکدیگر وجود دارند. خواص سیالات میتواند تغییرات چشمگیری داشته باشد، مانند چسبندگی پایین و بالا، نوع نیوتونی و غیرنیوتونی و غیره. گاهی، در طول فرآیند، تغییرات قابل توجهی در ویژگیهای فیزیکی رخ میدهد؛ مانند تغییر سیستم واکنشدهنده از چسبندگی پایین به چسبندگی بالا در فرآیند پلیمریزاسیون. پیچیدگی مرزها هنگام جریان در سیستمهای فیزیکی: به دلیل تغییرات در شکل هندسی تجهیزات (مانند صفحات برج، پرههای همزن، مانعها و غیره) و همچنین تغییرات در شکل مواد پرکننده (مانند کاتالیستها، مواد پرکننده و غیره)، مرزهای جریان پیچیده میشوند و تعیین و توصیف آنها دشوار است. کنترل فرآیندهای شیمیایی: که به آن کنترل فرآیند نیز گفته میشود، مخفف کنترل خودکار فرآیندهای تولید شیمیایی است. کنترل فرآیندهای شیمیایی عمدتاً به بررسی کاربرد نظریههای کنترل در فرآیندهای تولید شیمیایی میپردازد و شامل تحلیل، طراحی و پیادهسازی و عملیات سیستمهای خودکار مختلف است، اما شامل پژوهشهای صرفاً نظری و طراحی و ساخت دستگاههای اندازهگیری نمیشود. بزرگترین تفاوت کنترل فرآیندهای شیمیایی با روشهای شیمیایی معمول، پویایی و بازخورد است. نظریه کنترل کلاسیک بر اساس توصیف سیستمها با معادلات دیفرانسیل خطی با ضرایب ثابت توسعه یافته است. نظریه کنترل کلاسیک تنها بر سیستمهای کنترلی تکمتغیره محدود میشود. نظریه کنترل مدرن، از معادلات ماتریسی برای توصیف سیستمها استفاده میکند؛ این معادلات میتوانند مجموعهای از معادلات دیفرانسیل را نشان دهند. همچنین، شاخصهای کنترلی جدید را نیز به صورت توابع بیان میکند؛ بنابراین امکان تحلیل و طراحی سیستمها از طریق محاسبات دقیق فراهم میشود. اگر سیستم به گونهای طراحی شود که حداکثر یا حداقل یک شاخص کنترلی را برآورده کند، در این صورت به آن کنترل بهینه گفته میشود. از آنجایی که نظریه کنترل مدرن بسیاری از نواقص نظریه کنترل کلاسیک را برطرف و تکمیل میکند و قابل استفاده در سیستمهای چندمتغیره است، به خوبی در کنترل فرآیندهای شیمیایی کاربرد یافته است. کنترل کاربردی: در فرآیندهای تولیدی که از نظر فنی بالغ شدهاند، کنترل فرآیندهای شیمیایی روشی مؤثر برای افزایش تولید و کیفیت، صرفهجویی در مواد خام و انرژی، کاهش فشار کاری و صرفهجویی در نیروی کار است. در سالهای اخیر، با استفاده از روشهای مدلسازی ریاضی، به بررسی و گسترش کاربرد نظریه کنترل مدرن در کنترل فرآیندهای صنعتی پرداخته شده است. پروژههای زیادی در زمینه کنترل کامپیوتری و مدیریت برنامهریزی انجام شده است و برخی از آنها موفقیتآمیز بودهاند؛ این امر منجر به بهبود قابل توجه سطح فنی تولید و همچنین بازدهی اقتصادی آن شده است
۱. فرآیندهای شیمیایی: فرآیندهای شیمیایی، همان فناوریهای شیمیایی یا تکنولوژیهای تولید شیمیایی هستند؛ این فرآیندها، روشها و مراحلی را در بر میگیرند که در آنها مواد خام از طریق واکنشهای شیمیایی به محصولات تبدیل میشوند؛ همچنین شامل تمام اقدامات لازم برای انجام این تبدیل نیز میشود. فرآیند تولید شیمیایی را میتوان به طور کلی در سه مرحله اصلی خلاصه کرد: پردازش مواد خام: برای اینکه مواد خام در وضعیت لازم برای واکنشهای شیمیایی قرار گیرند، بسته به شرایط خاص، مواد خام مختلف نیاز به فرآیندهای پیشپردازشی متنوعی مانند تصفیه، غلیظسازی، مخلوطسازی، امولسیونسازی یا خرد کردن (در مورد مواد خام جامد) دارند. واکنش شیمیایی: این مرحله کلیدی در تولید است. مواد خام پس از پیشپردازش، در شرایط مشخصی از دما و فشار و غیره واکنش داده میشوند تا نرخ تبدیل و بازده واکنش مورد نظر حاصل گردد. انواع واکنشها متنوع است و از طریق واکنشهای شیمیایی، محصول مورد نظر یا ترکیبات آن به دست میآید. تصفیه محصول: مخلوط حاصل از واکنشهای شیمیایی جداسازی شده و محصولات فرعی یا ناخالصیها حذف میشوند تا محصولی با ویژگیهای ترکیبی مورد نظر به دست آید. ۲. فرآیندهای شیمیایی: فرآیندهای شیمیایی، رشتهای مهندسی است که به بررسی قوانین مشترک فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی در تولیدات صنعت شیمیایی و سایر صنایع فرآیندی میپردازد. این صنایع، با استفاده از مواد خام اساسی مانند نفت، زغالسنگ، گاز طبیعی، نمک، سنگ آهک، سایر کانیها و همچنین موادی مانند غلات، چوب، آب و هوا، و با بهرهگیری از فرآیندهای شیمیایی یا فیزیکی، ترکیب، خواص و حالت مواد را تغییر داده و آنها را به محصولاتی با ارزش بالاتر تبدیل میکنند. صنایعی مانند شیمی، پتروشیمی، فلزکاری و داروسازی که به عنوان «صنایع فرآیندی» شناخته میشوند، معمولاً نیاز به یک سری مراحل فرآوری فیزیکی یا شیمیایی دارند؛ این مجموعه از مراحل، «فرآیند» نامیده میشود. فرآیند باید توسط دستگاه انجام شود. تجهیزات فرآیندی باید الزامات فرآیند را برآورده کنند. مهندسی شیمی شامل موضوعاتی مانند عملیات واحدها، مهندسی واکنشهای شیمیایی، فرآیندهای انتقال، ترمودینامیک صنایع شیمیایی، مهندسی سیستمهای شیمیایی، دینامیک فرآیندها و کنترل فرآیندهای شیمیایی است. عملیات واحد: فرآیندهای فیزیکی مورد استفاده در تولید انواع محصولات شیمیایی را میتوان در چند فرآیند پایه محدود خلاصه کرد، مانند انتقال سیالات، تبادل حرارت (گرم کردن و سرد کردن)، تقطیر، جذب، تبخیر، استخراج، تبلور، خشککردن و غیره. این فرآیندهای پایه، عملیات واحد نامیده میشوند. مطالعات مربوط به عملیات واحد، نتایج مشترکی را به ارمغان آوردهاند که میتوان از آنها برای هدایت تولید انواع محصولات و طراحی تجهیزات شیمیایی استفاده کرد. مهندسی واکنشهای شیمیایی: واکنشهای شیمیایی بخش اصلی تولیدات شیمیایی هستند؛ آنها میزان بازده محصولات را تعیین کرده و تأثیر قابل توجهی بر هزینههای تولید دارند. با این وجود، در مراحل اولیه، پیچیدگی آن مانع از مطالعه سیستماتیک آن شد. تا اواسط قرن بیستم، بر اساس یافتههای حاصل از مطالعات عملیات واحدی و فرآیندهای انتقال، در انواع فرآیندهای واکنشی مانند اکسیداسیون، کاهش، نیتراسیون، سولفوراسیون و غیره، مشکلات مشترکی شناسایی شد؛ از جمله بازخلط در داخل راکتور، انتقال جرم و گرما در فاز واکنش، انتقال جرم و گرما در خارج از فاز واکنش، و پایداری راکتور. مطالعه این مسائل و همچنین بررسی تأثیرات آنها بر دینامیک واکنشها، شاخه جدیدی از علوم را به وجود آورده است؛ یعنی مهندسی واکنشهای شیمیایی. این امر باعث تقویت و توسعه محتوا و روشهای مهندسی شیمی شده است. فرآیند انتقال: پایه مشترک عملیات واحدی و مهندسی واکنشها است. فرآیندهای فیزیکی که در انواع تجهیزات عملیات واحد و دستگاههای واکنش رخ میدهند، در واقع شامل سه نوع انتقال هستند: انتقال تکانه، انتقال گرما و انتقال جرم. به عنوان مثال، انتقال سیال بر اساس انتقال تکانه، توزیع جریان هوا در راکتورها ； عملیات تبادل حرارت مبتنی بر انتقال گرما، خارج کردن حرارت پلیمریزاسیون از مخزن پلیمریزاسیون ； عملیات جذب مبتنی بر انتقال کیفیت، گسترش واکنشدهندگان و محصولات در داخل کاتالیزور و غیره. در برخی فرآیندها، دو یا چند پدیده انتقال همزمان وجود دارد، مانند افزایش یا کاهش رطوبت گازها. به عنوان یک شاخه از مهندسی شیمی، فرآیندهای انتقال بر مطالعه سرعت این سه نوع انتقال و روابط متقابل آنها تمرکز دارد و پدیدههایی با ماهیت مشابه اما شکلهای بیان متفاوت را به هم پیوند میزند. ترمودینامیک شیمیایی: همچنین پایهی نظری عملیات واحد و مهندسی واکنشها است؛ جهت و حدود فرآیندهای انتقال را مورد بررسی قرار داده و دادههای پایهای لازم برای تحلیل و طراحی فرآیندها را فراهم میکند. بنابراین، شاخههای مهندسی شیمی نیز میتوانند به دو سطح تقسیم شوند: عملیات واحدی و مهندسی واکنشها که بیشتر مستقیماً به کاربردهای صنعتی مرتبط هستند، و فرآیندهای انتقال و ترمودینامیک شیمیایی که بیشتر از منظر پژوهشهای بنیادی، از شاخههای قبلی حمایت میکنند. از طریق این دو سطح، نظریه و عمل بهطور نزدیک با یکدیگر پیوند خوردهاند. مهندسی سیستمهای شیمیایی: از آنجا که در فرآیندهای شیمیایی، واحدهای مختلف فرآیند بر یکدیگر تأثیر میگذارند و یکدیگر را محدود میکنند، لازم است که فرآیندهای شیمیایی را به عنوان یک سیستم یکپارچه در نظر گرفت و مفهوم بهینهسازی کلی را ایجاد کرد. بدین ترتیب، رشته مهندسی سیستمها در مهندسی شیمی به سرعت توسعه یافت و نتایج قابل توجهی به دست آورد و مهندسی سیستمهای صنایع شیمیایی شکل گرفت. این محصول ترکیب روشهای مهندسی سیستم با دو شاخه علمی عملیات واحدها و مهندسی واکنشهای شیمیایی است. ویژگیهای پویای فرآیند: برای حفظ منطقی بودن و بهینهسازی عملیات، ویژگیهای پویای فرآیند نیز یکی از موضوعات مهم مهندسی شیمی محسوب میشوند. موضوعات مورد مطالعه در مهندسی شیمی معمولاً بسیار پیچیده هستند که عمدتاً از طریق پیچیدگی خود فرآیندها نمایان میشود: هم جنبههای شیمیایی وجود دارد و هم جنبههای فیزیکی، و این دو اغلب به طور همزمان رخ میدهند و بر یکدیگر تأثیر میگذارند. پیچیدگی سیستم: هم مایعات (گازها و مایعات) وجود دارد و هم جامدات، و اغلب چندفاز در کنار یکدیگر وجود دارند. خواص سیالات میتواند تغییرات چشمگیری داشته باشد، مانند چسبندگی پایین و بالا، نوع نیوتونی و غیرنیوتونی و غیره. گاهی، در طول فرآیند، تغییرات قابل توجهی در ویژگیهای فیزیکی رخ میدهد؛ مانند تغییر سیستم واکنشدهنده از چسبندگی پایین به چسبندگی بالا در فرآیند پلیمریزاسیون. پیچیدگی مرزها هنگام جریان در سیستمهای فیزیکی: به دلیل تغییرات در شکل هندسی تجهیزات (مانند صفحات برج، پرههای همزن، مانعها و غیره) و همچنین تغییرات در شکل مواد پرکننده (مانند کاتالیستها، مواد پرکننده و غیره)، مرزهای جریان پیچیده میشوند و تعیین و توصیف آنها دشوار است. کنترل فرآیندهای شیمیایی: که به آن کنترل فرآیند نیز گفته میشود، مخفف کنترل خودکار فرآیندهای تولید شیمیایی است. کنترل فرآیندهای شیمیایی عمدتاً به بررسی کاربرد نظریههای کنترل در فرآیندهای تولید شیمیایی میپردازد و شامل تحلیل، طراحی و پیادهسازی و عملیات سیستمهای خودکار مختلف است، اما شامل پژوهشهای صرفاً نظری و طراحی و ساخت دستگاههای اندازهگیری نمیشود. بزرگترین تفاوت کنترل فرآیندهای شیمیایی با روشهای شیمیایی معمول، پویایی و بازخورد است. نظریه کنترل کلاسیک بر اساس توصیف سیستمها با معادلات دیفرانسیل خطی با ضرایب ثابت توسعه یافته است. نظریه کنترل کلاسیک تنها بر سیستمهای کنترلی تکمتغیره محدود میشود. نظریه کنترل مدرن، از معادلات ماتریسی برای توصیف سیستمها استفاده میکند؛ این معادلات میتوانند مجموعهای از معادلات دیفرانسیل را نشان دهند. همچنین، شاخصهای کنترلی جدید را نیز به صورت توابع بیان میکند؛ بنابراین امکان تحلیل و طراحی سیستمها از طریق محاسبات دقیق فراهم میشود. اگر سیستم به گونهای طراحی شود که حداکثر یا حداقل یک شاخص کنترلی را برآورده کند، در این صورت به آن کنترل بهینه گفته میشود. از آنجایی که نظریه کنترل مدرن بسیاری از نواقص نظریه کنترل کلاسیک را برطرف و تکمیل میکند و قابل استفاده در سیستمهای چندمتغیره است، به خوبی در کنترل فرآیندهای شیمیایی کاربرد یافته است. کنترل کاربردی: در فرآیندهای تولیدی که از نظر فنی بالغ شدهاند، کنترل فرآیندهای شیمیایی روشی مؤثر برای افزایش تولید و کیفیت، صرفهجویی در مواد خام و انرژی، کاهش فشار کاری و صرفهجویی در نیروی کار است. در سالهای اخیر، با استفاده از روشهای مدلسازی ریاضی، به بررسی و گسترش کاربرد نظریه کنترل مدرن در کنترل فرآیندهای صنعتی پرداخته شده است. پروژههای زیادی در زمینه کنترل کامپیوتری و مدیریت برنامهریزی انجام شده است و برخی از آنها موفقیتآمیز بودهاند؛ این امر منجر به بهبود قابل توجه سطح فنی تولید و همچنین بازدهی اقتصادی آن شده است
مهمترین موضوع، انجام اقدامات لازم برای محافظت فردی، آمادهسازی مواد مورد نیاز برای آزمایش، و تنظیم نسبتهای مورد نیاز برای آزمایش با روشهای آماری است
۱. پایداری فرآیند: پایداری فرآیند برای واحدهای تولیدی بسیار مهم است. در تولید صنعتی بزرگ، تجهیزات بسیار بزرگ هستند؛ مخازن واکنش نیز از چند تن تا چندین ده تن یا حتی صدها تن میباشند. از نظر اقتصادی، هزینه مواد اولیه مورد استفاده در هر بار تولید، بین چند صد هزار یوان تا چند میلیون یوان است؛ بنابراین نمیتوان هیچ خطایی رخ داد، زیرا این امر میتواند باعث خسارات مالی جدی برای شرکت شود. از نظر زیستمحیطی، صنعت شیمیایی با سایر صنایع متفاوت است؛ چرا که چندین یا حتی دهها ماده شیمیایی در یک مخزن واکنش قرار میگیرند. اگر ماده مورد نیاز تولید نشود، این مواد به ضایعات تبدیل میشوند و بازیابی آنها بسیار دشوار است. همچنین، پردازش محلول واکنش نیز دشوار است و این امر میتواند آلودگی قابل توجهی به محیط زیست وارد کند. بنابراین، باید به ویژه به پایداری فرآیند توجه کرد. اما برای حل مشکل پایداری فرآیند تبدیل، باید به مطالعات زیر توجه کرد. ۱.۱ تقویت پژوهشهای مربوط به روشهای آزمایش واجدات میانی و استانداردها: روشهای دقیق آزمایش واجدات میانی و استانداردهای لازم برای تعیین کیفیت، ابزارهای مهمی برای تضمین انجام ایمن و بدون مشکل فرآیند تولید هستند. فرآیند توسعه محصولات جدید در آزمایشگاهها انجام میشود. در مرحله اولیه، برای تعیین اینکه آیا محصول مورد نیاز است یا خیر، از روشهای مختلفی مانند تحلیل فاز مایع-جرم، فاز گاز-جرم، مادون قرمز، فرابنفش و تحلیل عناصر برای بررسی ساختار محصول استفاده میشود. پس از تأیید این موضوع، در فرآیند تحقیقات فنی، به دلایل مختلف، بررسی کیفیت درونی محصول کمتر انجام میشود و عمدتاً از طریق تجربه و مشاهده پدیدههای واکنش برای قضاوت استفاده میگردد. در برخی موارد، اگرچه روشهای آزمایش وجود دارد، اما بسیار ساده هستند و تنها شامل آزمایشهای کیفی سادهای مانند بررسی رنگ، شکل کریستالی و غیره میشوند؛ بنابراین در تولید انبوه مشکلاتی وجود دارد: یکی از آنها، تفاوتهای زیاد بین کارکنان است. در آزمایشگاه، معمولاً یک نفر به تنهایی بخشی از کار را انجام میدهد، اما در تولید انبوه، یک نفر نمیتواند به تنهایی کار را تمام کند و برای این کار به همکاری چندین نفر نیاز است. دوم اینکه، تفاوتهای زیادی در شرایط تجهیزات وجود دارد. پدیدههایی که در آزمایشگاه قابل مشاهده هستند، در تولید انبوه به سختی میتوانند به صورت مستقیم مشاهده شوند و کنترل پارامترها نیز آنقدر پایدار نیست. سوم اینکه تفاوتهای محیطی بسیار زیاد است. آزمایشگاه محیطی نسبتاً بسته است، در حالی که تولید انبوه در محیطی باز انجام میشود؛ در این محیط، رطوبت و دما تغییرات زیادی دارند. به همین دلیل، تفاوتهای زیادی بین دستههای مختلف محصولات وجود دارد. همچنین، روشها و استانداردهای دقیقی برای کنترل کیفیت مواد واسطه وجود ندارد؛ در نتیجه، تصمیمات مربوط به استفاده از مواد خام، بسیار نامشخص میشود و اغلب منجر به شکست در مراحل بعدی کار میگردد. بنابراین، در فرآیند توسعه محصولات جدید، باید هر یک از مواد واسطهای موجود در فرآیند تحقیقات را مانند یک محصول در نظر گرفت، روشهای تحلیل و آزمایش آنها را به دقت بررسی کرد و استانداردهای سختگیرانهای برای کیفیت تعیین نمود تا تولید به شکلی ایمن و پایدار انجام شود. ۱.۲ محدوده مجاز دمای واکنش: در فرآیندهای سنتز شیمیایی، همگی میدانیم که دما یکی از عوامل مهم تأثیرگذار بر واکنشهای شیمیایی است. کنترل دما یکی از شرایط عملیاتی بسیار مهم است، زیرا دما مستقیماً بر سرعت واکنش، بازدهی، واکنشهای منفی و همچنین مصرف انرژی تأثیر میگذارد. در فرآیند تحقیقات مربوط به توسعه محصول، ما دمای واکنش را به عنوان یک پارامتر کلیدی برای مطالعه دقیق در نظر میگیریم و بهترین دمای واکنش را به عنوان یک شرط مهم برای آن واکنش انتخاب میکنیم. اما، باید عوامل پیچیده مربوط به واحدهای تولیدی را نیز کاملاً در نظر بگیریم؛ مثلاً: زمان لازم برای افزایش یا کاهش دما. در آزمایشگاه، به دلیل کوچک بودن فلاسکهای واکنش و سرعت بالای انتقال حرارت در شیشه، معمولاً در عرض چند دقیقه تا حداکثر چند ده دقیقه میتوان به شرایط مورد نیاز رسید؛ اما در تولید صنعتی، زمان بیشتری لازم است و گاهی حتی چند ساعت طول میکشد تا به هدف دست یافت. دوم، دقت کنترل دما است. در آزمایشگاه، کنترل دما بسیار خوب است؛ بهویژه با ظهور مداوم تجهیزات و روشهای پیشرفته، دقت کنترل دما میتواند به چند دهم درجه برسد. اما در تولید صنعتی عمده، این کار بسیار دشوار است و معمولاً کنترل دما در محدوده ۵ درجه مثبت و منفی نیز آسان نیست. بنابراین، همزمان با بررسی دمای بهینه برای فرآیند، باید تأثیر خطاهای دمایی بر واکنشها را به طور کامل مورد بررسی قرار داد؛ بهویژه در مورد دماهایی که تأثیرات جدی بر ایمنی تولید دارند. به عنوان مثال، در سیستمهای واکنشی که در آنها سولفوریک اسید غلیظ و استیلنآمین وجود دارد، این دو ماده در دماهای مشخص ممکن است واکنشهای شدید و غیرقابل کنترلی ایجاد کنند که منجر به حوادث ایمنی میشود. ما باید وضعیت واقعی شرکت را در نظر بگیریم و دما را در محدودهای کاملاً ایمن تنظیم کنیم. فراهم کردن بهترین دمای قابل اجرا برای واحدهای تولیدی، ممکن است کمی با گزارشهای تحقیقاتی تفاوت داشته باشد و بر بازده نیز تأثیر بگذارد؛ اما با کاهش این تأثیرات تا حداقل، در چارچوب کنترلی برای تولید ایمن، پیشنهاد میشود دمای واکنش را با استفاده از محدودهای از درجات سانتیگراد مشخص کرد و استفاده از عباراتی مانند «در درجهای»، «کمتر از X درجه» یا «بیشتر از X درجه» در گزارشهای فرآیندی را حذف کرد. ۱.۳ تنظیم مقدار pH: در فرآیندهای سنتز شیمیایی، تنظیم مقدار pH به طور مکرر مورد استفاده قرار میگیرد؛ این کار نه تنها بر بازدهی محصول تأثیر میگذارد، بلکه بر کیفیت آن نیز تأثیر دارد. در شرکتها، تنظیم مقدار pH در حال حاضر عمدتاً به صورت دستی انجام میشود و به تجربه و قضاوت هر فرد بستگی دارد. به دلیل تفاوتهای فردی بین افراد، نتایج تنظیم نیز بسیار متفاوت است. در واقع، در فرآیند تحقیقات فنی نیز تنظیمات به صورت دستی انجام میشود و از ابزارهای پیشرفته کمتر استفاده میگردد. اما تفاوت اینجاست که در طول این فرآیند، پس از دهها یا حتی صدها آزمایش، تجربیات فراوانی از موفقیتها و شکستها به دست میآید؛ بنابراین پایداری تنظیمات بسیار بالاست، هرچند لزوماً دقت آنها بالا نیست. به همین دلیل باید از ابزارهای پیشرفته استفاده کرد تا تفاوتهای فردی بین افراد را کاهش داد و تأثیر خطاها بر فرآیند تبدیل را محدود کرد. ۱.۴ تعیین زمان واکنش: در فرآیندهای سنتز شیمیایی، زمان واکنش یکی از شرایط عملیاتی مهم است؛ این موضوع مستقیماً بر بازدهی محصول و مسائلی مانند میزان مصرف انرژی تأثیر میگذارد. در فرآیند تحقیقات مربوط به توسعه محصول، ما زمان واکنش را به عنوان یک پارامتر کلیدی برای مطالعه دقیق در نظر میگیریم تا بهترین زمان واکنش را تعیین کنیم. در کارخانههای صنعتی، تجهیزات بزرگ هستند و روشهای گرم کردن یا سرد کردن نسبتاً یکنواخت است؛ در نتیجه زمان لازم برای انجام فرآیند افزایش مییابد. برای اکثر فرآیندهای سنتز، هرچه زمان بیشتری صرف شود، بازدهی بالاتر خواهد بود، تا زمانی که تعادل واکنش برقرار شود ； اما در تعداد کمی از فرآیندهای سنتزی، طولانیتر شدن زمان منجر به کاهش بازده، افزایش واکنشهای منفی و کاهش کیفیت محصول میشود. در چنین فرآیندهای سنتزی، در طول فرآیند توسعه محصول، باید به شرایط واقعی شرکت به طور کامل توجه کرد و از طریق شبیهسازی شرایط واقعی تولید صنعتی، تغییرات و اصلاحات لازم اعمال گردد. ۱.۵ تأثیر رطوبت بر فرآیند سنتز در فرآیندهای سنتز شیمیایی، رطوبت تأثیر زیادی بر سنتز شیمیایی دارد و این موضوع بسیار مهم است. در فرآیند توسعه محصولات جدید، به واکنشهای کاملاً بدون آب که در آنها از سدیم فلزی، لیتیوم آمینی، هیدروژن سدیم و موارد مشابه استفاده میشود، توجه زیادی میکنیم و خواستار انجام آنها در محیط حفاظتی نیتروژن هستیم؛ اما به واکنشهای محلولکنندههای غیرآبی معمولی، توجه کافی نمیشود. در آزمایشگاه، فلاسکهای واکنش معمولی و ظروف مورد استفاده، یا شسته شدهاند یا به صورت طبیعی یا با گرما خشک شدهاند؛ رطوبت هوا نیز مشابه رطوبت جو است. تا زمانی که میزان رطوبت حلال و مواد اولیه در سطح مطلوب باشد، معمولاً نمیتوان تأثیر رطوبت بر واکنش را احساس کرد. در کارخانههای صنعتی، میزان خشکی بدنه دیگ و لولههای متصل به آن، همچنین سایر تجهیزات، تفاوتهای قابل توجهی دارد؛ همچنین رطوبت هوای داخل کارخانه نیز بسیار بالاتر از آزمایشگاه است. بنابراین باید این عوامل را به طور کامل در نظر گرفت و آزمایشهای شبیهسازیشده انجام داد؛ سپس بر اساس واکنشهای مختلف، الزامات مناسبی تعیین کرد تا انتقال فناوری به طور روان انجام شود. اما نمیتوان از تمام واکنشها انتظار داشت که مانند واکنشهای کاملاً بدون آب باشند؛ در غیر این صورت، هزینههای تولید شرکتها افزایش خواهد یافت. ۲. بازیابی و استفاده مجدد حلالها: واکنشهای سنتز شیمیایی بدون حلالهای آلی امکانپذیر نیستند. تولید یک محصول جدید، نیازمند استفاده از تعداد کمی در حد چند عدد و تعداد زیادی در حد چند ده یا حتی صدها ماده شیمیایی است. به جز تعداد کمی که منجر به تشکیل مواد جدید میشوند، بیشتر این مواد یا در همان حالت اولیه خود باقی میمانند یا به عنوان محصولات فرعی به جا میمانند؛ نحوه مدیریت این محصولات، یکی از چالشهای بزرگ برای شرکتهاست. در فرآیند توسعه محصولات و روشهای جدید، به دلیل مقدار کم مصرف، اغلب مورد توجه قرار نمیگیرند. اما در شرکتها، سالانه صدها یا حتی هزاران تن از این محصولات تولید میشود؛ از یک سو، عدم تصفیه آنها منجر به هدررفت میشود و هزینههای تولید را افزایش میدهد ； از سوی دیگر، باعث آلودگی شدید محیط زیست میشود. برای مقابله با این مشکل، لازم است در فرآیند توسعه محصولات با کیفیت بالا، بهویژه در مراحل پایانی توسعه محصول و پس از ایجاد روشهای شیمیایی مناسب برای سنتز، تحلیل و بررسی جزئیات پسماندهای حاصل از واکنشهای شیمیایی در هر مرحله انجام شود. سپس، بسته به ویژگیهای هر پسماند، آنها را بهطور مناسب مدیریت کرد؛ در مورد بخشهایی که قابل بازیافت نیستند، چه از طریق سوزاندن و چه دفن، باید ارزیابیهای لازم برای ایمنی افراد و محیط زیست انجام شود تا تولیدات شرکتها بهصورت ایمن انجام شده و مشکلات ناشی از تولید و استفاده از محصولات و روشهای جدید که باعث آلودگی محیط زیست میشوند، از همان ابتدا برطرف گردد. ۳. پردازش فاضلاب: در فرآیند تولید هر محصول جدید، تا حدی ناگزیر با مشکل فاضلاب روبرو میشویم. پردازش فاضلاب در حال حاضر بزرگترین چالش فنی که شرکتها با آن روبرو هستند، محسوب میشود. چه از طریق روشهای شیمیایی، آنزیمی یا جذبی، حتی با صرف نیروی انسانی، منابع مادی و مالی فراوان، همچنان حل مؤثر مشکل فاضلاب دشوار است. دلیل اصلی، تنوع زیاد مواد شیمیایی است؛ بنابراین امکان حل کامل آنها با یک یا چند روش وجود ندارد. این امر مستلزم آن است که ما علل تولید فاضلاب و ترکیبات آلایندههای موجود در آب را تحلیل کرده، آنها را دستهبندی کرده و به ترتیب مناسب پردازش کنیم. در فرآیند تحقیقات مربوط به روشهای سنتز شیمیایی، ما به بررسی آبهای زائد و ترکیبات آلایندههای تولید شده میپردازیم؛ از یک سو، آب را به عنوان گرانترین حلال آلی در نظر میگیریم و سعی میکنیم مصرف آب را تا حد امکان کاهش دهیم ； از سوی دیگر، بسته به ترکیبات آلایندهها، آنها را به صورت جداگانه جمعآوری و به طور مؤثر پردازش کرده تا راهکارهای عملی برای تصفیه فاضلاب برای شرکتها فراهم شود و نگرانیهای آنها برطرف گردد. به طور کلی، تحقیق و توسعه فرآیندهای سنتز شیمیایی دشوار است و نیازمند سرمایهگذاری چشمگیری از نیروی انسانی، منابع مادی و مالی میباشد. نتایج این توسعهها به منظور دستیابی به رشد اقتصادی بالاتر برای شرکتها و تضمین پیشرفت مداوم آنها است. تنها راه برای تحقق ارزش خود، این است که نتایج حاصل را به سرعت از طریق تبدیل به نیروی تولیدی درآورده، به شرکتها خدمت کرده و به جامعه سود برسانیم. به دلایل مختلف، از یک سو شرکتها در تلاش برای یافتن محصولات جدید هستند و از سوی دیگر، دستاوردهای تحقیقاتی موجود در مؤسسات علمی نمیتوانند منتقل شوند. ریشه این مشکل، مسئله قیمت نیست؛ بلکه عمدتاً به دلیل دلایل ذکر شده، مشکلات مختلفی در فرآیند تبدیل فناوری به کاربرد عملی پدید میآید. بخش قابل توجهی از دستاوردهای تحقیقاتی در میانه راه متوقف میشوند که این امر باعث خسارات سنگینی به شرکتها میشود و باعث میگردد که شرکتها از دستاوردهای جدید ترسیده باشند. در واقع، حل مشکلات فوق دشوار نیست؛ کافی است در فرآیند تحقیقات فنی، آزمایشگاهها را به طور نزدیک با شرکتها مرتبط کرد و کمی به بخشهای متفاوت توجه کرد، تا تمام مشکلات به خوبی حل شوند