تحقیق مقاله چگونگی و روش فرایند طراحی و کاربرد آن برای طراحی فرایندهای تولید شیمیایی

1.1 مقدمه

این فصل مقدمه ای است برای چگونگی و روش فرایند طراحی و کاربرد آن برای طراحی فرایندهای تولید شیمیایی.

1.2 چگونگی طراحی Nature of design

در این بخش مبحثی کلی از فرایند طرلحی ارائه میشود.موضوع این کتاب طراحی مهندسی شیمی است،اما روش توصیف شده در این بخش میتواند برای سایر شاخه های مهندسی کاربرد بیابد.

مهندسی شیمی،بطور مستمر یکی از حرفه های مهندسی بسیار مورد توجه بوده است در قسمت های مختلف صنعت،همچون صنایع......فرآوری همچون:مواد شیمیایی،پلیمرها،سوختها،مواد غذایی،داروسازی،کاغذ سازی و نیز بخش های دیگری همچون مواد و لوازم الکترونیکی،محصولات مصرفی،استخراج معادن و فلزات،القاو بیو درمانی و تولید برق همیشه مهتدسان شیمی مورد نیاز بوده است.

دلیل اینکه شرکتهای موجود در چنین دامنه ی گسترده ای از صنعت،اینچنین نیازمند به مهندسین شیمی هستند،چنین است:

مهندسین شیمی با پرداختن به مسائلی که دقیقاً تفهیم نشده اند،همچون نیاز مصرف کننده یا مجموعه ای از نتایج آزمایشی،قادر به دستیابی به ادراکی از علوم فیزیکی زیربنایی مهم مربوط به مسئله و استفاده از این ادراک برای طراحی برنامه عمل و مجموعه ای کامل از شرایط میشوند که در صورت اجراء منتهی به نتایج مالی پیش بینی شده ای میشوند.

طراحی و خلق برنامه ها و شرایط و پیش بینی نتایج مالی،در ضورت اجرای برنامه،فعالییت و عمل طراحی مهندسی شیمی میباشد.

طراحی،یک فعالییت خلاق است و میتوان از یکی از فعالییتهای باشد که بیشترین پاداش و رضایت را برای مهندس به دنبال می آورد.

این طراحی در آغاز پروژه وجود ندارد.طراح با در نظر گرفتن هدف یا یک نیاز ویژه خریدار شروع به کار میکند و با طراحی و ارزیابی طرحهای احتمالی به بهترین شیوه دستیابب به آن هدف دست میابد-چه این هدف،صندلی ای بهتر،پلی جدید یا یک محصول جدید شیمیایی یا یک فرایند جدید تولید باشد.

به هنگام در نظر گرفتن راههای احتمالی دستیابی به هدف،طراح به توسط عوامل مختلفی محدود میشود.

که این امر تعداد طرحهای احتمالی را کاهش میدهد.

به ندرت فقط یک راه حل ممکن برای یک مسئله وجود دارد،معمولاً راههای متعدد و متفاوتی برای دستیابی به هدف وجود دارد،حتی گاهی چند طرخ خوب،بسته به چگونگی محدودیتها وجود دارند.

این محدودیت ها در زمینه راه حلهای احتمالی یک مسئله در طراحی با شیوه های مختلفی ظاهر میشوند.

برخی از محدودیتها ثابت و نامتغیر میباشد،همچون موارد حاصل از قوانین فیزیکی،قوانین و استانداردهای دولتی.

موارد دیگر کمتر انعطاف ناپذیر هستند و به عنوان بخشی از استراتژی کلی برای دستیابی به هبهترین محدودیتهای طراحی که توسط مهندس تعدیل میشود.

این موارد حاشیه و مرز خارجی طرحهای احتمالی نشان داده شده در شکل 1.1 را تشکیل میدهد.

در میان این مرزها تعدادی از طرحهای محتمل محدود شده به توسط سایر محدودیتها،محدودیتهای درونی که طراح کنترل اندکی بر آنها دارد،همچون انتخاب فرایند،انتخاب شرایط،مواد و لوازم فرایند وجود دارند.

شرایط اقتصادی،آشکارا محدودیتی عمده در هر طرح مهندسی هستند:کارخانه ها باید سودآور باشند.

هزینه های مربوط به فرایند و بعلاوه ی مقرون به صرفه بودن آن در فصل 6 بررسی شده اند.

زمان هم یک عامل محدود کننده است.زمان موجود برای تکمیل یک طرح اغلب تعداد طرحهایی را که میتواند مورد توجه قرار بگیرد محدود میکند.

مراحل موجود در ابداع یک طرح،از تشخیص اوله هدف تا طرح نهایی در قالب نمودار در شکل 1.2 نشادن داده شده اند.

هر مرحله در بخشهای زیر بررسی میشود.

شکل 1.2 طرح را به عنوان فرایندی تکراری نشان میدهد،با ایجاد طرح،طراح از احتمالات و محدودیتهای بیشتری آگاه میشود و دائماً در پی اطلاعات و ایده هایی جدید است و به ارزیابی راه حلهای احتمالی طرح میپردازد

1.2.1 هدف طراحی و نیاز

کل طرح با یک نیاز ادراک شده آغاز میشود.

در طراحیه یک فرایند شیمیایی،نیاز عمومی برای محصول خلق یک فرصت تجاری،پیش بینی شده از طریق فروش و سازمان فروشنده است.

در میان این هدف کلی طراح اهداف فرعی نیاز به واحدهای مختلفی که فرایند کلی را شامبل میشوند را مشخص میکند.

طراح پیش از آغاز به کار باید تا حد امکان به بیان کامل و واضح از شرایط دست یابد.اگر شرایط و الزامات(نیاز)از خارج از گروه طراح باید از طریق بحث و بررسی و الزامات واقعی را تعدیل نماید.

تمایز میان نیازهای که کاملاً الزامی هستند و انهایی که تا حدود الزامی میبشاند،بخشهایی از الزامات اولیه ای هستند که ممکن است دلخواه و مطلوب دانسته شود،اما در صورت نیاز با انجام یک طراحی میتوان آنها را تعدیل نمود.

به عنوان مثال خصوصیات و الزامات ویژه یک محصول را میتوان از طریق بخش و حوزه فروش دلخواه دانست اما ممکن است دستیابب بدان دشوار و پرهزینه باشد،و تعدیل این ویؤگی برای تولید یک محصول ارزانتر و قابل فروش،ممکن است امکان پذیر باشد.

در صورت امکان،طراح همیشه باید در مورد شرایط مربوط به طراحی(خصوصیات پروژه و لوازم)تجسس کنند و با پیشرفت طرح به بررسی مجدد بپردازد.

رابطه کاری تر و یک میان مهندس طراح با بخش فروس یا با خریدار،برای دستیابی به ....آشکار از نیازهای خریداران از اهمیت زیادی برخوردار است.

مهندس طراح هنگام نوشتن خصوصیات و الزامات برای سایرین،همچون طراح مکانیکی و یا خرید قطعه ای از لوازم باید از محدودیتهای مربوط به طراحان دیگر آگاه کرد.خصوصیات جامع و کامل مربوط به قطعه ای از لوازم محدودیتهای خارجی را که سایر طراحان در حوزه آنها کار کند مشخص میکند.

1.2.2 تعیین پایه و اساس طراحی

مهمترین مرحله در آغاز یک طراحی فرایند،تبدیل نیاز خریدار و مصرف کننده به پایه و اساس برای طراحی میباشد.

پایه و اساس طراحی،بیاندقیقتر مسئله ای است که قرار است حل شود و معمولاً شامل خصوصیات خلوص و میزان محصول اصلی همراه با اطلاعات مربوط به محدودیتهای تاثیر گزار بر طرح همچون موارد زیر میشود:

1.سیستم واحدهای مورد استفاده.

2.رمزهای طراحی  ملی،محلی شرکت که باید مورد پیروی قرار بگیرند.

3.جزئیات مواد خام موجود.

4.اطلاعات در زمینه محلهایی که کارخانه را میتوان در آنجها بنا نمود،شامل اطلاعات مربوط به آب و هوا،شرایط مربوط به زلزله،امکان زیر ساختار،طراحی محل با ذکر جزئیات در فصل 14 بررسی میشود.

5.اطلاعات در زمینه شرایط امکان و قیمت وهزینه خدمات رفاهی همچون سوخت و گاز،بخار،آب خنک کننده،هوای فرایند،ۀب فرایند و برق مورد نیاز برای راه اندازی فرایند.

پایه و اساس طراحی باید پیش از آغاز به کار به وضوح مشخص و معیین شود.

اگر طراحی برای یک مشتری انجام شود،پایه و اساس طرح باید با وی در آغاز پروژه بررسی شود.

بیشتر شرکتها فرمها یا پرسشنامه هایی استاندارد برای دستیابب به اطلاعات اساسی طراحی استفاده میکنند.

یک جزوه نمونه در پیوست G داده شده  و میتوان آن را در فرمت ms excel  از اطلاعات درون خطی خطی online  دریافت نمود.

خلق و ایجاد مفاهیم احتمالی طراحی

بخش خلاق فرایند طراحی خلق و تولید راه حلهای احتمالی برای مسائل به منظور تجزیه و تحلیل،ارزیابی و انتخاب میباشد.

در این فعالیت بیشتر طراحان عمدتاً متکی بر تجربه پیشین تجربه شخصی آنها و تجربه سایرین هستند.

در این که طراحی کاملاً جدید باشد،هیچ اطمینانی نیست.

موارد مقدماتی بیشتر طرحها را میتوان به آنی ردیابی نمود.اولین اتومبیل های موتوری در واقع کالسکه های بدون اسب بودند و پیشرفت و توسعه طراحی اتومبیل مدرن را میتوان مرحله به مرحله از این نمونه های اولیه ردیابی نمود.

در صنایع شیمیایی،فرایند های مدرن تقطیر از توسعه فولادهای قدیمی مورد استفاده برای تصفیه مشروبات الکلی و ستونهای دسته ای مورد استفاده برای جذب گاز از مومهای دسته ای سر شاخه ای((Brush wood اولیه ساخته شدند.

بنابراین اغلب یک طراح با امر تولید طرحی برای یک فرایند یا قطعه ای از لوازم کاملاً جدید روبرو میشود.

مهندسین با تجربه اغلب روشهای با تست و آزموده شده را بجای طرحهای جالبتر اما جدید و نا آزموده ترجیح میدهند.

کار مورد نیاز برای طراحی یک فرایند جدید و هزینه های مربوطه اغلب کمتر از میزان واقعی براورد میشود.

تجاری سازی تکنولوژی جدید دشوار و پرهزینه است و شرکتهای کمی مایل به سرمایه گزاری چندین میلیون دلاری  در تکنولوژی هستند که کاملا تایید نشده اند(این امر معروف است به سندرم Me third).

با این حال مطمئناً پیشرفت در مراحل کوچک انجام میپذیرد.

هنگامی که خواستار نواوری میشویم،تجربه قبلی از طریق تعصب میتواند مانع از تولید و پذیرش ایده جدید بشود(معروف است به سندرم Not invented here).

میزان کار و شیوه کار و شیوه انجام آن بستگی به درجه نوآوری در پروژه یک فرایند دارد.

ابداء فرایند های جدید به شکل اجتناب ناپذیری نیازمند فعل و انفعال بیشتر با محققین و مجموعه اطلاعات لابراتورهای و طرحهای آزمایشی است.

پروژه های مهندسی شیمی را میتوان بسته به نوآوری موجود در آنها به 3 نوع تقسیم نمود:

A.انجام اصلاحات و افزودن مواردی به کارخانه ی موجود،که اغلب توسط گروه طراح کارخانه انجام میشود.

B.ظرفیت جدید تولید برای رفع نیازهای مربوط به روش و فروش فرایندهای تثبیت شده توسط کنتاکتورها.

تکرار طرحهای موجود،فقط با تغییراتی جزئی در طراحی شامل طراحی فرایندهای خرده فروشی و یا رقابتی میشود که برای دانستن هزینه بهتر تولید اجرا میشوند.

C.فرایندهای جدید،طراحی شده از طریق تحقیق آزمایشگاهیی از طریق کارخانه های آزمایشی برای یک فرایند شیمیایی.حتی در اینجا،بیشتر فعالییت واحد و لوازم،فرایند طرحها را تثبیت میکنند.

اکثر طراحی های فرایند،بر اساس طرحهایی هستند که از قبل موجود بوده اند.مهندس طراح بسیار به ندرت یک ورقه سفید را برای انجام یک طراحی جدید از نوار مغناطیسی(Scratch) در مقابل خود قرارمیدهد،فعالیتی که گاهی"ترکیب فرایند" نامیده میشود.

حتی در صنایعی همچون صنایع داروسازی که تحقیق و تولید محصول جدید از اهمیت بسیاری برخوردار میباشد،انواع فرایندهای استفاده شده،اغلب بر اساس طرحهای قبلی برلی محصولات مشابه میباشد و از لوازم شناخته شده و فرایند انعطاف پذیر برای کسب تایید قانونی برای کارخانه ی جدید استفاده میکنند.

مرحله اول در ابداع یک طرح فرایند جدید،طراحی یک نمودار غالب ناصاف(Rough block) است که نشان دهنده ی مراحل اصلی در فرایند و به منظور فهرست نمودن عملکرد اصلی و هدف او محدودیتهای عمده برای هر مرحله میباشد.

پس تجربه نشان میدهد کدام نوع از فرایندها و لوازم واحد باید در نظر گرفته شود.

مراحل مربوط به تعیین ترتیب فرایندهای واحد که شامل یک نمودار فرایند میشوند در فصل 4 توصیف شده اند.

خلق ایده ایی برای براه حلهای احتمالی بری یک مسئله طراحی را نمیتوان از مرحله انتخاب فرایند طراحی جدا نمود،برخی از ایده ها به محض خلق شدن به دلیل یر عملی بودن مورد امتناء قرار میگیرند.

1.2.4 تست قابلیت سازگاری (Fitness)

هنگامی که چندین طرح پیشنهاد میشوند باید به لحاظ مناسبت مقصود و هدف تست شوند.

به عبارت دیگر مهندس طراح باید این را مشخص کند که ایده هر طرح چه هماهنگی ای با نیاز مشخص شده دارد.

در حوزه مهندسی شیمی،پیریزی طرحهای مختلف برای دانستن اینکه کدامیک بهتر جواب میدهند،به طور بازدارنده ای پر هزینه است(عملی که معرف است به تهیه نمونه ای اولیه و در سایر رشته ای مهندسی متداول میباشد).

بجای آن،مهندس طراح یک طراح یک الگو ریاضیاتی از فرایند را،اغلب به شکل شبیه سازیهای کامپیوتری از فرایند،راکتورها و سابر لوزام کلیدی تهیه میکند.

در برخی از موارد ممکن است الگوی عملکرد شامل یک کارخانه ی آزمایشی یا سایر تاسیسات برای پیش بینی عملکرد کارخانه و جمع آوری اطلاعات ضروری طراحی باشد.