العمليات الكيميائية

يراعى في هذا الكتاب العمليات الكيميائية للمواد الخام بهدف تحويلها إلى منتجات مربحة ومفيدة لاستخدامها كسلع استهلاكية أو مركبات وسطية يمكن تعديلها كيميائياً وفيزيائيا للحصول على منتجات استهلاكية أيضاً. حيث يستخدم حوالي ربع إجمالي الإنتاج الكيميائي في تصنيع مواد كيميائية أخرى وبذلك تكون الصناعة الكيميائية مميزة في كونها أفضل مستهلك لتلك المواد .

تساعد هذه اللمحة العامة كل من الكيميائيين والمهندسين الكيميائيين والمدراء ورجال الأعمال الذين يعملون في مجال الصناعات الكيميائية على فهم الحالة الفنية الراهنة لها. يجب أن تهتم الهندسة الكيميائية والكيمياء الصناعية أساساً بالربح ، فبدونه لا يمكن تشغيل المشروع. كما يتميز العمل الكيميائي بالتبدلات السريعة في الأساليب ، ونشير في الوقت الحاضر إلى التغيرات الكبيرة في تكاليف الطاقة ؛ ولكن عندما تزداد كلفة الإنتاج الكيميائي ولو بمقدار 10 % فإن هذا العمل يتعرض في معظم الحالات إلى خطر الاستبدال كما لو كان مادة جديدة .

عرفت الهندسة الكيميائية كفرع مستقل في عام 1911، عندما أدرك علماء الصناعة الكيميائية أن علم الهندسة الميكانيكية وعلم الكيمياء لم يقدما مقاربات سليمة لتصميم مصانع كيميائية . فوصفوا العمليات الفيزيائية الضرورية لتصنيع المواد
الكيميائية على أنها " عمليات موحدة unit operations  " (انتقال الحرارة ، جريان السائل ، التقطير ، الترشيح ، إلخ ( . ومع أن العمليـات الموحـدة تلك كانت في أكثرها وصفية أصلا ، فإنها أصبحت موضوعاً لدارسة نشطة ويمكن استخدامها في الوقت الحاضر بوصفها رياضياً للتنبؤ بتصميم المصانع . وفي عام 193  اقترح غروغنز  H.P Groggins مقاربة مشابهة تقريباً لتصنيف العمليات الكيميائي كـ " معالجات موحد وتتضمن هذه المعالجات : النترجة ، والسلفنة ، والأكسدة ، الكلورة ، إلخ . ولكن هذا المفهوم لم تثبت فائدته كفكرة العمليات الموحدة ، ولم تتحول مفاهيمه إلى طرق رياضية ، ومع ذلك فإن استخدامه مفيد أحيانا . ‏توسع مؤخراً حقل العمليات الموحدة ليشمل العديد من أنواع العمليات الجديدة . وقد يكون أفضل تصنيف لها في الحالة الراهنة الكتاب الذي وضعه بيري تحت اسم  Perry' s chemical Engineer' s Handbook ‏ في طبعاته المتعددة .

‏يؤكد هذا الكتاب على التحولات الكيميائية ، التي يمكن تعريفها بأنها تفاعلات كيميائية تنطبق على العمليات الصناعية ( الجدول 1‏-1) . انتشر علم الكيمياء الأساسي بدراسة المعدان التي تحدث فيها التفاعلات وكذلك تكاليف التفاعلات والطاقة المستخدمة في العمليات وأثر المردود واختصار العمل للوصول إلى عملية فعالة ومربحة . ولكن هذه العملية لم توصف طبعاً بصورة علمية وكمية كالعمليات الموحدة التي لم تشرح هنا .

‏هناك جماعة كبيرة تعتقد بأن دراسات هذا النموذج قليلة الأهمية ، لأن طبيعة العمليات الكيميائية تتغير باستمرار ، ولهذا السبب بالذات ، تحتاج العمليات الكيميائية إلى دراسة واسعة جدا ، لأن التغيرات في قطاع واحد للصناعات الكيميائية ، سوف تؤثر بسرعة على جميع القطاعات الأخرى فيها . فتطور جديد يحدث اليوم في صناعة الصابون مثلاً ، قد يغير تماما صيغة الدهان غداً .

‏وبسبب التنوع والتعقيد في العمليات الكيميائية، تهيء الدراسة الواسعة مقاربة فعالة ، تنطوي على فائدة كبيرة في تصميم طرق جديدة للتصنيع . ‏يمكن إيجاز خواص التحولات الكيميائية الرئيسية ، التي تطبق في تصنيع ‏المواد الكيميائية في الجدول 1 ‏- 1 التالي :

‏1- كل تحول كيميائي ، هو واحد من مجموعة متجانسة من التفاعلات المستقلة ، التي تتماثل في تغير الطاقة ، و/ أو ضغط التفاعل ، و/ أو درجة الحرارة ‏، ولم أو زمن التفاعل أو التوازن ، أو المواد الخام .

2- كثيراً ما يكون هناك فصل في المصنع ، حيث يخصص بناء أو قطاع لتصنيع كثير من المنتجات بواسطة نمط واحد من التحويلات الكيميائية كالهدرجة أو النترجة أو الديأزة Diazotization . وبهذه الإجراءات ، يمكن غالبا تأمين الحماية ضد مخاطر مماثلة بالنسبة لعوامل السلامة أو السمّية .

3- ‏كثيرا ما تكون هناك علاقة وثيقة بين نماذج المعدات المستخدمة لتصنيع العديد من المنتجات بواسطة نموذج وحيد من التحويلات الكيميائية فعلى سبيل المثال :

‏يستخدم عادة المفاعل المزجي ذي وشيعة تبريد في عملية النترجة بمزيج من حمض الكبريت وحمض النتريك (الآزوت) ويدعى عادة بـ المنترج Nitrator . ويمكن استخدام المعدات نفسها لنترجة البنزين ، أو التولوين  Toluene ‏، أو النفثالين Naphthalene أو المركبات العطرية الأخرى للحصول على المنتجات المطلوبة ( المركبات الوسيطة ) مثل :

‏نترو البنزين ، أو ثلاثي نترو التولوين ، أو النترو نفثالينان ، أو كلورونتروبيفينيلات  Chloro Nitro Biphenyls.

4- عند إنتاج كميات قليلة أو متغيرة يمكن تحويل المعدات على نحو مناسب واقتصادي ، من تصنيع مادة كيميائية إلى أخرى على أساس التحويل الكيميائي نفسه ‏.

يهدف مدير الإنتاج إلى إبقاء كافة المعدان قيد الاستخدام . ولتحقيق ذلك يتم أولاً تصنع إحدى المواد ثم تصنع المادة الأخرى في المفاعل العام نفسه ، كالمسلفن Sulfonator مثلاً .

يمكن بسهولة كبيرة إدارة الاسـتخدام  المتعـدد للجهاز عن طريق عزل التحولات الكيميائية . يلتزم كثير من المصانع المتخصصة على نطاق واسع تماماً بنات واحد ، لأن الاستخدام المضاعف غير ممكن اقتصادياً .

5- إن تصنيف التحويل الكيميائي ، يمّكن المصنعين الكيميائيين من الانتقال من أداء المجموعة إلى أداء كيميائي جديد مستقل في الصنف إياه . ومن المهم أساساً أن نعرف ونتذكر المبادئ الأساسية أكثر من الأداءات النوعية . هذه الطريقة للمقاربة ، التي قلما يشدد عليها ، في سياقات الكيمياء العضوية واللاعضوية ، تسهل إلى حد  كبير تصنيع أي مادة كيميائية بالاعتماد على المعلومات القديمة المعممة حول التحويل النوعي . ويجنبنا هذا الإجراء استظهار الملاحظات الفردية .

وأدرجت التحولات الرئيسية المهمة في الجدول 1-1 .

6- بما أن تصنيف التحويل الكيميائي يقوم على أساس كيميائي ، لذلك شددنا على التفاعل الكيميائي . ومع أن تكاليف الطاقة كبيرة ، تبقى المواد أساساً أكثر كلفة منها ، ومن هنا ، يساعد إدخال تحسينات طفيفة في المردود الكيميائي على رفع الربح في ناتج  التصنيع . وربما كان التوفير في الطاقة أو القدرة أقل فائدة .

7- يمكن غالباً تبسيط تصميم المعدات عن طريق المبادئ العامة ، التي تنشأ من تنظيم التحويل الكيميائي ، أكثر مما يمكن تبسيطها من دراسة كل تفاعل لوحده .

إن تلك التجربة التي أشارت إلى عدد من التفاعلات المتحالفة بمقتضى تحول كيميائي ، هي دليل ممتاز على تفاعل جديد في هذا التصنيف بالذات . وفي معالجة التحولات الكيميائية .

كلما كان فهمنا أكبر للكيمياء الفيزيائية والحركية ، كلما تحسن مفهوم المصنع . وعموماً ، إن الظروف التي تزيد من سرعة التفاعل ، تقلل من توازن التحويل . وكثيراً ما تشكل هذه العلاقة بين التوازن والسرعة المعضلة الرئيسية في التصميم .

فمثلاً :

في تحضير حمض الكبريت بطريقة التلامس ، يتألف محِّول convertor ثاني أكسيد الكبريت من جزأين (وأحياناً أكثر) ، جزء حار صغير الحجم ، يحصل فيه التفاعل بسرعة ، ويقترب من توازن غير مؤات ، يؤدي إلى تحول غير تام يخلف قسماً غير متفاعل من SO₂ . يلي هذا الجزء ، قطاع أكبر وأبرد يتواصل فيه التفاعل ببطء ، ولكن يتحول تقريباً كل الباقي من SO₂ إلى SO₃ . ولولا انخفاض درجة الحرارة في هذا القطاع ، لكانت تكاليف المادة عالي ولكان تلوث الهواء غير مقبول ، نظراً لفقدان كمية كبيرة من المادة غير المتحولة .

استخدمنا في هذا الكتاب مخططات الإنتاج على نطاق واسع ، لأنها تتيح جمع قدر كبير من المعلومات وفحصها في حّيز صغير. وتستخدم نماذج عديد من تلك المخططات : تبين بعضها الإنتاج البسيط ، وبعضها الآخر توازنات المواد ، والقلة منها كاملة جدا ، حيث تتضمن المصارف ، وخطوط الحريق ، وخطوط البدء . كما عملنا على تبسيط هذه المخططات إلى أدنى درجة ، ورسمناها لكي تبين المبادئ الرئيسية أكثر من التفاصيل . وسنركز في هذا الكتاب على المبادئ الأساسية العام لهذه المجموعات أكثر من تركيزنا على التفاصيل . وستكون هذه المبادئ جزءاً من معرفة التشغيل لدى الكيميائيين ، والمهندسين ، ولكل العاملين في التصنيع ، وحتى الاختصاصيين ، لأنه يمكن غالباً تحويل هذه الإجراءات من حقل إلى آخر.

ونظراً لتنامي عدد المهندسين الكيميائيين ، الذين يدخلون أسواق البيع ، أو يشغلون مراكز تنفيذية أو إدارية ، يصبح ضرورياً بالنسبة لهم الحصول على معرف أوسع بالصناعة الكيميائية . وستهيه مخططات الإنتاج ، بطريقة منطقية مترابطة ، لكل من المختص ، والبائع ، والمدير وجهة نظر إجمالية حول كثير من العمليات .

كما ينبغي على كافة المصّنعين الكيميائيين أن يطلعوا بشكل جيد على أسعار البيع الجارية للمواد الكيميائية الرئيسية ، التي يهتمون بها . تعرض الأسعار أسبوعياً عن طريق مراسل التسويق ، ونجد المعلومات المحددة ، بين معلومات أخرى ، في مجلة الأسبوع الكيميائي أو مجلة الأخبار الكيميائية والهندسية .

سيكتشف الطلاب الذين يستخدمون مخططات الإنتاج لأول مرة ، أنه يمكن تصور سلسلة من المراحل المترابطة بخصوص العملية ، التي تقلل إلى حد كبير من الاستظهار ، والتي كثيراً ما تحتاج إليها الدارسة الأكاديمي للتفاعل الكيميائي . وهنا تبذل محاولة للتأكيد على سبب الإجراءات الصناعية أكثر من كيفيتها .