化学プラント

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米国バージニア州ポーツマスウェストノーフォーク地域にあるBASF化学プラントポーツマスサイトプラントは連邦鉄道によって供給されます。

化学プラント、通常は大規模に化学物質を製造(またはその他の方法で処理)する工業プロセス プラントです。[1]化学プラントの一般的な目的は、化学的または生物学的変換および/または材料の分離を介して新しい材料の富を作成することです。[2]化学プラントは、製造プロセスで特殊な機器、ユニット、および技術を使用します。ポリマー、医薬品、食品、および一部の飲料製造施設、発電所石油精製所またはその他の精製所天然ガス処理および生化学プラント、水などの他の種類のプラント廃水処理、汚染防止装置は、流体システムや化学反応器システムなどの化学プラント技術と類似した多くの技術を使用しています。石油精製所や製薬会社、ポリマー メーカーを効果的に化学プラント と見なす人もいます。

石油化学プラント(石油からの化学物質を原料または原料として使用するプラント)は、通常、製油所で生産される原料の輸送コスト最小限に抑えるために、石油精製所に隣接して配置されます。特殊化学[3]およびファインケミカルプラントは通常、はるかに小さく、場所にそれほど敏感ではありません。基本プロジェクトのコストをある地理的な場所から別の場所に変換するためのツールが開発されました。[4]

化学プロセス

フィンランド、オウルにあるケミラの化学プラント

化学プラントは、詳細な工業規模の方法である化学プロセスを使用して、原料化学物質を製品に変換します。同じ化学プロセスを複数の化学プラントで使用できますが、各プラントの容量は異なる場合があります。また、サイトの化学プラントは、たとえば複数の製品を生産するために、複数の化学プロセスを利用するように構築される場合があります。

化学プラントには通常、ユニットまたはラインと呼ばれる大きな容器またはセクションがあり、配管または材料の流れを運ぶことができる他の材料移動装置によって相互接続されています。このような材料の流れには、流体配管で運ばれる気体または液体)、場合によっては固体またはスラリーなどの混合物が含まれます。全体的な化学プロセスは、通常、個々のユニットで発生する単位操作と呼ばれるステップで構成されます。製品に変換される入力として化学プロセスまたはプラントに入る原材料は、一般に原料と呼ばれます、または単にフィードします。プラント全体の原料に加えて、特定のユニットで処理される材料の投入ストリームも同様に、そのユニットの原料と見なすことができます。プラント全体からの出力ストリームは最終製品であり、個々のユニットからの出力ストリームは、それらのユニットの中間製品と見なされる場合があります。ただし、あるプラントの最終製品は、さらに処理するために別のプラントの原料として使用される中間化学物質である場合があります。たとえば、石油精製所からの一部の製品は、石油化学プラントの原料として使用される場合があり、これにより、製薬プラントの原料が生成される場合があります。

原料、製品、またはその両方は、個々の化合物または混合物である可能性があります。多くの場合、これらの混合物の成分を完全に分離することは価値がありません。特定の純度レベルは、製品の要件とプロセスの経済性によって異なります。

操作

化学プロセスは、連続操作またはバッチ操作で実行できます。

バッチ操作

バッチ操作では、生産は個別のバッチで時系列のステップで行われます。原料のバッチがプロセスまたはユニットに供給(または充填)され、次に化学プロセスが実行され、次に製品およびその他の出力が削除されます。そのようなバッチ生産は、原料の新しいバッチで何度も繰り返される可能性があります。バッチ操作は、トレーサビリティと柔軟性を向上させる目的で、医薬品や特殊化学品の生産などの小規模プラントで一般的に使用されます。連続プラントは通常、商品または石油化学製品の製造に使用されますが、バッチプラントは特殊およびファインケミカルの製造や医薬品有効成分(API)の製造。

連続運転

連続運転では、すべてのステップが時間内に継続的に進行します。通常の連続操作中、供給と製品の除去は移動する材料の継続的な流れであり、プロセス自体とともに、すべて同時に連続的に行われます。連続運転中の化学プラントまたはユニットは、通常、定常状態またはほぼ定常状態にあります。定常状態とは、操作中に時間が経過してもプロセスに関連する量が変化しないことを意味します。そのような一定量には、流れの流量、加熱または冷却速度、温度圧力が含まれます、および任意のポイント(場所)での化学組成。石油精製所のような多くの大規模な操業では、連続操業がより効率的です。化学プラントでは、一部のユニットが継続的に稼働し、他のユニットがバッチ稼働する可能性があります。たとえば、連続蒸留バッチ蒸留を参照してください。プラントまたはユニットが処理できる単位時間あたりの一次原料または製品の量は、そのプラントまたはユニットの容量と呼ばれます。例:石油精製所の能力は、1日あたりに精製される原油のバレルで表すことができます。あるいは、化学プラントの能力はトンで与えられるかもしれません1日あたりに生産される製品の。実際の日常業務では、プラント(またはユニット)はその全容量のパーセンテージで稼働します。エンジニアは通常、主に流体で動作するプラントでは90%の稼働時間を想定し、主に固体で動作するプラントでは80%の稼働時間を想定しています。

単位と流体システム

特定の単位操作は、特定の種類の単位で実行されます。一部のユニットは周囲温度または圧力で動作する場合がありますが、多くのユニットはより高いまたはより低い温度または圧力で動作します。化学プラントの容器は、多くの場合、端が丸い円筒形であり、高圧または真空のいずれかを保持するのに適した形状です。化学反応は、化学反応器で特定の種類の化合物を他の化合物に変換することができます。化学反応器は充填層であり得、固体の不均一系触媒を有し得る。これらは、流体が通過するときに反応器内に留まるか、または単に反応が発生する攪拌容器である可能性があります。固体の不均一系触媒の表面は、コークスなどの堆積物によって「被毒」することがあるため、触媒の再生が必要になる場合があります。流動床は、良好な混合を確実にするために場合によっては使用されることもあります。混合(溶解を含む)、分離、加熱、冷却、またはこれらのいくつかの組み合わせのためのユニット(またはサブユニット)もあり得る。例えば、化学反応器は、温度を維持するために、混合および加熱または冷却のために攪拌することが多い。プラントを大規模に設計する場合、化学反応によって生成または吸収される熱考慮する必要があります。一部の植物は、発酵酵素生産 などの生化学的プロセスのための生物培養を備えたユニットを持っている場合があります。

分離プロセスには、ろ過沈殿(沈殿)、抽出または浸出、蒸留再結晶または沈殿(ろ過または沈殿が続く)、逆浸透乾燥、および吸着が含まれます。熱交換器は、多くの場合、蒸留塔などの他のユニットと組み合わせて、沸騰または凝縮を含む加熱または冷却に使用されます。貯蔵タンクもあるかもしれません原料、中間または最終製品、または廃棄物を保管するため。貯蔵タンクには通常、それらがどれだけ満たされているかを示すレベルインジケーターがあります。時には巨大なユニットとそれに関連する機器を保持またはサポートする構造があるかもしれません。多くの場合、サンプリング、検査、または保守のために、担当者がユニット内のポイントに到達するための階段、はしご、またはその他のステップがあります。多数の貯蔵タンクがあるプラントまたは施設の領域は、特に石油貯蔵所では、タンクファームと呼ばれることがあります。

液体と気体を運ぶための流体システムには、さまざまな直径サイズの配管とチューブ、流れを制御または停止するためのさまざまなタイプのバルブ、液体を移動または加圧するためのポンプ、およびガスを加圧または移動するためのコンプレッサーが含まれます。容器、配管、チューブ、および場合によっては高温または非常に低温のその他の機器は、通常、人員の安全と内部の温度を維持するために断熱材で覆われています。流体システムおよびユニットは通常、プラント内の選択された場所に温度および圧力センサーや流量測定装置などの計装を備えています。オンラインアナライザー化学的または物理的特性の分析がより一般的になっています。溶媒は、抽出や浸出のために反応物や固体などの材料を溶解したり、特定の化学反応を実行するのに適した媒体を提供したりするために使用できる場合があります。

化学プラントの設計

今日、化学プラントの設計の基本的な側面は、化学エンジニアによって行われています。歴史的に、これは常に当てはまるわけではなく、化学工学の分野が確立される前に、多くの化学プラントが無計画に建設されました。化学工学は、1887年にマンチェスター大学でGeorge E. Davisによって、工業化学の実践のさまざまな側面をカバーする12の講義の形で最初の化学工学コースが提供されたときに、英国で職業として最初に設立されました。[5]結果として、ジョージE.デイビス世界初の化学技術者と見なされています。今日、化学工学は専門職であり、経験のある専門の化学技術者は、電気技師協会を通じて「公認」技術者の地位を得ることができます。

プラント設計では、通常、新しい設計のアイデアの1%未満が商品化されます。このソリューションプロセスでは、通常、コスト調査が最初のスクリーニングとして使用され、不採算の設計を排除します。プロセスが有益であると思われる場合は、安全性、環境制約、可制御性などの他の要因が考慮されます。[2] プラント設計の一般的な目標は、目的の制約の近くに「最適な設計」を構築または合成することです。[6]

多くの場合、化学者は実験室で化学反応やその他の化学原理を研究しますが、通常は「バッチタイプ」の実験で小規模です。得られた化学情報は、化学エンジニアが独自の専門知識とともに使用して、化学プロセスに変換し、バッチのサイズまたは容量をスケールアップします。一般的に、パイロットプラントと呼ばれる小さな化学プラントは、大きなプラントを建設する前に設計と操作の情報を提供するために建設されます。パイロットプラントから得られたデータと運転経験から、スケールアップされたプラントをより高いまたはフルキャパシティ用に設計することができます。プラント設計の基本的な側面が決定された後、機械または電気エンジニアそれぞれ、機械的または電気的な詳細に関与する可能性があります。構造エンジニアは、構造がユニット、配管、およびその他の機器 の重量を確実に支えることができるように、プラント設計に関与する場合があります。

化学プラントまたはプロセスのユニット、ストリーム、および流体システムは、非常に単純化された図であるブロックフロー図、またはいくらか詳細なプロセスフロー図で表すことができます。ストリームおよびその他の配管は、通常のロジスティクスの方向を示す矢印の付いた線で示されています。ブロック図では、ユニットは単にブロックとして表示されることがよくあります。プロセスフロー図では、より詳細な記号を使用して、ポンプ、コンプレッサー、および主要なバルブを示している場合があります。さまざまなストリームのロジスティクス流量の可能性のある値または範囲は、物質収支計算を使用して、必要なプラント容量に基づいて決定されます。エネルギーバランスも反応熱、熱容量に基づいて行われます、さまざまな場所で必要な冷暖房の量を計算し、熱交換器のサイズを決定するための、さまざまなポイントでの予想される温度と圧力。化学プラントの設計は、すべての配管、チューブ、バルブ、および計装を通常は特別な記号で示す配管および計装図(P&ID)でより詳細に示すことができます。プラント全体を表示することは、P&IDで複雑になることが多いため、多くの場合、個々のユニットまたは特定の流体システムのみが単一のP&IDに表示されます。

プラント設計では、ユニットはそれぞれが処理しなければならない可能性のある最大容量に合わせたサイズになっています。同様に、パイプ、ポンプ、コンプレッサー、および関連機器のサイズは、処理する必要のある流量に応じて選択されます。電力給水などのユーティリティシステムもプラント設計に含める必要があります。プラントまたはユニットの起動やシャットダウンなど、非定型または代替の操作手順のための追加の配管ラインを含める必要がある場合があります。流体システムの設計には、通常、プラントのさまざまなユニットまたは部分の周囲に遮断バルブが含まれているため、漏れなどの問題が発生した場合にプラントの一部を遮断できます。ユニットで。空気圧または油圧で作動するバルブを使用する場合は、アクチュエータへのラインを加圧するシステムが必要です。プロセスサンプルを採取する必要がある可能性のあるポイントには、詳細設計に含まれるサンプリングライン、バルブ、およびそれらへのアクセスが必要です。必要に応じて、減圧バルブやサンプルクーラー など、サンプリングストリームの高圧または高温を低減するための対策を講じる必要があります。

すべての容器、配管、チューブ、バルブ、ポンプ、コンプレッサー、およびその他の機器を含むプラント内のユニットおよび流体システムは、発生する可能性のある圧力、温度、およびその他の条件の全範囲に耐えられるように定格または設計されている必要があります、適切な安全率を含む。そのようなすべてのユニットおよび機器は、接触する化学物質への長期暴露に耐えられることを確認するために、材料の適合性についてもチェックする必要があります。暖房、発熱反応、または特定のポンプやコンプレッサーなど、機器の定格を超えて加圧する手段を備えたプラント内の閉鎖系には、適切なサイズの圧力逃が弁が必要です。安全のために過圧を防ぐために含まれています。多くの場合、これらのパラメータ(温度、圧力、流量など)はすべて、Hazopまたはフォールトツリー分析によって組み合わせて徹底的に分析され、プラントに重大な危険の既知のリスクがないことを確認します。

プラントが受ける制約の範囲内で、設計パラメータは、人員と周囲のコミュニティの安全と福祉を確保しながら、良好な経済的パフォーマンスのために最適化されます。柔軟性のために、原料または経済状況が変化し、再最適化が望ましい場合に備えて、プラントはいくつかの最適な設計パラメータの周りの範囲で動作するように設計することができます。より現代では、コンピューターシミュレーションまたは他のコンピューター計算が化学プラントの設計または最適化を支援するために使用されてきました。

プラント運転

プロセス制御

プロセス制御では、プラント内のさまざまなセンサーやその他のデバイスから自動的に収集された情報を使用して、プラントを実行するためのさまざまな機器を制御し、それによってプラントの動作を制御します。このような情報信号を受信し、この機能を自動的に実行するための制御信号を送信する機器は、プロセスコントローラです。以前は、空気圧制御が使用されることがありました。電気制御は現在一般的です。プラントにはしばしば制御室がありますキー温度、圧力、流体の流量とレベル、キーバルブ、ポンプ、その他の機器の操作位置などのパラメータが表示されます。さらに、制御室のオペレーターは、多くの場合、オーバーライドを含む、プラント操作のさまざまな側面を制御できます。自動運転。コンピューターによるプロセス制御は、より現代的なテクノロジーを表しています。可能性のある原料組成の変化、製品要件または経済性の変化、またはその他の制約の変化に基づいて、利益を最大化するために操作条件を再最適化することができます。

労働者

他の産業環境と同様に、化学プラント施設全体でさまざまな労働者が働いており、多くの場合、部門、セクション、またはその他の作業グループに編成されています。このような作業者には、通常、エンジニアプラントオペレーター、および保守技術者が含まれます。サイトの他の人員には、化学者、管理/管理、およびオフィスワーカーが含まれる可能性があります。運用または保守に関与するエンジニアのタイプには、化学プロセスエンジニア、機械設備を保守するための機械エンジニア、および電気またはコンピューター装置の電気/コンピューターエンジニアが含まれる場合があります。

トランスポート

大量の流体原料または製品は、パイプライン、鉄道タンク車、またはタンカートラックによってプラントに出入りする可能性があります。たとえば、石油は通常、パイプラインで製油所に送られます。パイプラインは、製油所から近くの石油化学プラントに石油化学原料を運ぶこともできます。天然ガスは、天然ガス処理プラントから最終消費者までパイプラインまたはチューブで運ばれる製品です。大量の液体原料は通常、プロセスユニットにポンプで送られます。少量の原料または製品は、ドラムでプラントに、またはプラントから出荷される場合があります。包装には、容量が約55ガロンのドラム缶を使用するのが一般的です。化学物質の工業量。原料のより小さなバッチは、ドラムまたは他の容器から作業員によってプロセスユニットに追加される場合があります。

メンテナンス

プラントへの供給と操作、および出荷用の製品の梱包または準備に加えて、プラント作業員は、日常的およびトラブルシューティング分析のためのサンプルの採取、および日常的および非日常的なメンテナンスの実行に必要です。定期的なメンテナンスには、摩耗した触媒、分析試薬、さまざまなセンサー、または機械部品の定期的な検査と交換が含まれます。非日常的なメンテナンスには、リーク、フィードまたは製品の仕様への適合の失敗、バルブ、ポンプ、コンプレッサー、センサーの機械的故障などの問題を調査して修正することが含まれます。

法規制の順守

化学薬品を扱う場合、化学事故などの問題を回避するために安全性が懸念されます。米国では、法律により、雇用主は化学物質を扱う労働者に、化学物質を扱うあらゆる種類の化学物質の製品安全データシート(MSDS)へのアクセスを提供することが義務付けられています。特定の化学物質のMSDSが作成され、その化学物質を購入する人にサプライヤーから提供されます。化学物質の安全性、有害廃棄物、および汚染を対象とするその他の法律を遵守する必要があります。これには、資源保護回復法(RCRA)や有害物質規制法(TSCA)などの法令、および化学施設のテロ対策基準などの規制が含まれます。米国では。Hazmat(危険物)チームは、化学物質の漏れやこぼれに対処するように訓練されています。プロセスハザード分析(PHA)は、化学プラントの潜在的な危険性を評価するために使用されます。1998年に、米国化学物質安全性ハザード調査委員会が活動を開始しました。

プラント設備

プラントの実際の生産またはプロセス部分は、屋内、屋外、またはその2つの組み合わせである可能性があります。これは、従来のスティック式プラントまたはモジュラースキッドの場合があります。大型のモジュラースキッドは、エンジニアリングの特に印象的な偉業です。モジュラースキッドは、従来のスティックビルドプラントが実行するのと同じ仕事をするために必要なすべてのモジュラー機器を含めて構築されます。ただし、モジュラースキッドは構造用鋼フレーム内に構築されています、オンサイトで再構築することなく、オンサイトの場所に出荷できるようにします。モジュラースキッドプロセスユニットのオンサイトセットアップで必要な手が少なくてすむため、モジュラースキッドの構築により、最終製品の機能が向上し、事故のリスクが最小限に抑えられます。施設の実際の生産セクションは通常、かなり産業的な環境のように見えます。ヘルメットや作業靴が一般的に着用されています。床や階段は金属製の格子でできていることが多く、装飾はほとんどありません。汚染防止または廃棄物処理施設または設備もあるかもしれません。経済、原料、または製品のニーズの変化に基づいて、既存のプラントを拡張または変更する場合があります。他の生産施設と同様に、発送がある場合がありますと受け取り、および保管施設さらに、通常、サイトでの生産をサポートするために、通常は屋内にある特定の他の施設があります。

一部の簡単なサンプル分析は、プラントエリアの運用技術者が実行できる場合がありますが、化学プラントには通常、化学者がプラントから採取したサンプルを分析するラボがあります。このような分析には、化学分析または物理的特性の決定が含まれます。サンプル分析には、品質仕様が満たされていることを確認するために、プラントに流入する原料、中間製品、および最終製品の定期的な品質管理を含めることができます。プラントプロセスの問題を調査するために、非定型のサンプルを採取して分析することもできます。より大きな化学会社多くの場合、パイロットプラントが存在する可能性のある製品やプロセスを開発およびテストするための研究所がありますが、そのような研究所は生産プラントとは別の場所にある場合があります。

プラントには、修理または保守機器の保管のためのワークショップまたは保守施設もある場合があります。また、通常、エンジニア、管理者、または管理者、そしておそらく訪問者を受け入れるためのオフィススペースもあります。そこにある礼拝堂は、一般的にオフィス環境のより典型的なものです。

汎用化学プラントのクラスタリング

特に汎用化学および石油化学製造に使用される化学プラントは、主にインフラストラクチャのニーズのために、世界中の比較的少数の製造場所にあります。これは、特殊またはファインケミカルバッチプラントではそれほど重要ではありません。すべての商品/石油化学製品が1つの場所で生産されるわけではありませんが、関連する材料のグループは、多くの場合、産業の共生、材料、エネルギー、ユーティリティの効率、およびその他の規模の経済を誘発します。これらの製造場所には、多くの場合、ビジネスクラスターがあります発電所、港湾施設、道路および鉄道ターミナルなどのユーティリティと大規模インフラストラクチャを共有する化学プラントと呼ばれるユニットの。たとえば、英国では、汎用化学品の製造に4つの主要な場所があります。イングランド北西部のマーシー川の近く、ヨークシャーの東海岸のハンバー川、スコットランドのフォース湾近くのグランジマウス、およびティーズサイドの一部です。イングランド北東部プロセス産業クラスター(NEPIC)。[7]英国の石油化学製品の約50%は、汎用化学物質でもあり、ティーズサイドの3つの大きな化学公園の河口にあるティーズサイドの産業クラスター企業によって生産されますウィルトン[8] ビリンガムシールサンド

腐食と新素材の使用

化学プロセスプラントの腐食は、年間数十億ドルを消費する主要な問題です。金属の電気化学的腐食は、酸性ガスやその他の電解相互作用の存在により、化学プロセスプラントで顕著になります。最近では、FRP(繊維強化プラスチック)が建築材料として使用されています。英国規格BS4994は、船舶、タンクなどの設計と建造に広く使用されています。

も参照してください

参考文献

  1. ^ エリソン-テイラー; etal。(1970)。化学プラント技術:入門マニュアルロングマンズ。
  2. ^ a b ダグラス、ジェームズM.(1988)。化学プロセスの概念設計マグロウヒル。ISBN 978-0-07-017762-8
  3. ^ コウノトリ、ウィリアム(2004)。「スペシャリティケミカルズ」(PDF)Chemical&EngineeringNews補足82.pp。35–39。
  4. ^ プラント建設ロケーションファクター-ウェイバックマシンで2014年3月6日にアーカイブされたIntratecナレッジベース
  5. ^ デルガス; etal。「化学工学の75年」パデュー大学2013年8月13日取得
  6. ^ Cussler、MoggridgeおよびMoggridge(2001)。化学製品の設計ケンブリッジ大学出版局。
  7. ^ UK Trade&Investment。「化学物質–英国の利点」(PDF)pp。9–10。2013年10月29日にオリジナル(PDF)からアーカイブされました2013年7月10日取得
  8. ^ ハーワース、コリン(1999)。ウィルトン最初の50年ファルコンプレス。ISBN 978-1872339016

さらに読む

  • ASME B73標準化委員会、化学標準ポンプ
  • ヘルムス、フランクP.(2008)。プロセスプラントの設計:問い合わせから受け入れまでのプロジェクト管理ヴァインハイム:Wiley-VCH。ISBN 978-3527313136
  • クレッツ、トレヴァー(2010)。プロセスプラント:本質的により安全な設計のためのハンドブック(第2版)。フロリダ州ボカラトン:CRC Press / Taylor&Francis。ISBN 978-1439804551
  • Towler、Gavin; Ray Sinnott(2013)。化学工学設計:プラントおよびプロセス設計の原則、実践および経済学(第2版)。オックスフォード:バターワースハイネマン。ISBN 9780080966595
  • フォーゲル、G。ハーバート(2005)。プロセス開発:最初のアイデアから化学製品製造プラントまで(第1版、再現版)。ヴァインハイム:Wiley-VCH。ISBN 978-3527310890
  • マックスストーンピーターズ; クラウスディーターティマーハウス; ロナルドエメットウェスト(2003)。化学技術者のためのプラント設計と経済学(第5版)。ニューヨーク:マグロウヒル。ISBN 978-0072392661
  • 化学プラント