Inżynieria procesowa

Inżynieria procesowa to zrozumienie i zastosowanie podstawowych zasad i praw przyrody , które pozwalają ludziom przekształcać surowce i energię w produkty użyteczne dla społeczeństwa na poziomie przemysłowym . Wykorzystując siły napędowe natury, takie jak gradienty ciśnienia , temperatury i stężenia , a także prawo zachowania masy , inżynierowie procesowi mogą opracować metody syntezy i oczyszczania dużych ilości pożądanych produktów chemicznych. Inżynieria procesowa koncentruje się na projektowaniu, eksploatacji, kontroli, optymalizacji i intensyfikacji procesów chemicznych, fizycznych i biologicznych. Inżynieria procesowa obejmuje szeroki zakres branż, takich jak rolnictwo , motoryzacja , biotechnika , chemia , żywność , rozwój materiałów , górnictwo , energetyka jądrowa , petrochemia , farmaceutyka i rozwoju oprogramowania . Zastosowanie systematycznych metod komputerowych w inżynierii procesowej to „inżynieria systemów procesowych”.

Przegląd

Inżynieria procesowa obejmuje wykorzystanie wielu narzędzi i metod. W zależności od dokładnego charakteru systemu, procesy muszą być symulowane i modelowane przy użyciu matematyki i informatyki. Procesy, w których istotna jest zmiana fazy i równowaga faz, wymagają analizy z wykorzystaniem zasad i praw termodynamiki w celu ilościowego określenia zmian energii i wydajności. Natomiast procesy, które koncentrują się na przepływie materiałów i energii w miarę zbliżania się do stanu równowagi, najlepiej analizować przy użyciu dziedzin mechaniki płynów i zjawisk transportu. Dyscypliny z dziedziny mechaniki muszą być stosowane w obecności płynów lub ośrodków porowatych i rozproszonych. W stosownych przypadkach należy również zastosować zasady inżynierii materiałowej.

Wytwarzanie w dziedzinie inżynierii procesowej polega na realizacji etapów syntezy procesów. Niezależnie od dokładnie wymaganych narzędzi, inżynieria procesowa jest następnie formatowana za pomocą schematu przepływu procesu (PFD), w którym ścieżki przepływu materiałów , sprzęt do przechowywania (taki jak zbiorniki i silosy), transformacje (takie jak kolumny destylacyjne , odbiorniki/zbiorniki czołowe, mieszanie, rozdzielanie, pompowanie itp.) i natężenia przepływu , a także wykaz wszystkich rur i przenośników wraz z ich zawartością, właściwości materiałów, takie jak gęstość , lepkość , rozkład wielkości cząstek , natężenia przepływu, ciśnienia, temperatury i materiały konstrukcyjne rurociągów i operacji jednostkowych .

Diagram przepływu procesu jest następnie wykorzystywany do opracowania schematu orurowania i oprzyrządowania (P&ID), który graficznie przedstawia rzeczywisty przebieg procesu. P&ID mają być bardziej złożone i szczegółowe niż PFD. Reprezentują mniej zagmatwane podejście do projektowania. P&ID jest następnie wykorzystywany jako podstawa projektu do opracowania „przewodnika obsługi systemu” lub „ specyfikacji projektu funkcjonalnego ”, która określa działanie procesu. Prowadzi proces poprzez obsługę maszyn, bezpieczeństwo w projektowaniu, programowaniu i efektywną komunikację między inżynierami.

Na podstawie schematu P&ID proponowany układ (ogólny układ) procesu można przedstawić w widoku z góry ( plan działki ) i widoku z boku (elewacja), przy czym zaangażowane są inne dyscypliny inżynierskie, takie jak inżynierowie budownictwa lądowego do robót budowlanych (roboty ziemne), projektowania fundamentów, prac projektowych płyt betonowych, stali konstrukcyjnej do podparcia sprzętu itp. Wszystkie poprzednie prace mają na celu określenie zakresu projektu, a następnie opracowanie kosztorysu instalacji projektu, oraz harmonogram komunikowania potrzeb czasowych dla inżynierii, zaopatrzenia, produkcji, instalacji, uruchomienia, uruchomienia i bieżącej produkcji procesu.

W zależności od wymaganej dokładności oszacowania kosztów i wymaganego harmonogramu, klientom lub interesariuszom dostarcza się zazwyczaj kilka iteracji projektów, którzy przekazują swoje wymagania. Inżynier procesu włącza te dodatkowe instrukcje (zmiany zakresu) do ogólnego projektu i dodatkowych szacunków kosztów, a następnie opracowywane są harmonogramy do zatwierdzenia finansowania. Po zatwierdzeniu finansowania projekt jest realizowany w ramach zarządzania projektami .

Główne obszary zainteresowania w inżynierii procesowej

Działalność inżynierii procesowej można podzielić na następujące dyscypliny:

Projektowanie procesów : synteza sieci odzyskiwania energii , synteza układów destylacji ( azeotropowej ), synteza sieci reaktorów, schematy dekompozycji hierarchicznej, optymalizacja nadbudowy, projektowanie wieloproduktowych instalacji wsadowych, projektowanie reaktorów produkcyjnych do produkcji plutonu, projektowanie atomowych okrętów podwodnych.
Sterowanie procesem : modelowe sterowanie predykcyjne, miary sterowalności, sterowanie odporne, sterowanie nieliniowe, statystyczne sterowanie procesem, monitorowanie procesu, sterowanie oparte na termodynamice , określone przez trzy podstawowe elementy, zbiór pomiarów, sposób wykonywania pomiarów oraz system sterowania procesem żądany pomiar.
Operacje procesowe : szeregowanie sieci procesowych, wielookresowe planowanie i optymalizacja, uzgadnianie danych, optymalizacja w czasie rzeczywistym, miary elastyczności, diagnostyka błędów.
symulacja procesów oparta na równaniach , sztuczna inteligencja / systemy eksperckie , wielkoskalowe programowanie nieliniowe (NLP), optymalizacja algebraicznych równań różniczkowych (DAE), programowanie nieliniowe liczb całkowitych mieszanych (MINLP), optymalizacja globalna, optymalizacja pod niepewność i wdrażanie funkcji jakości (QFD).
Ekonomia procesu: Obejmuje to korzystanie z oprogramowania symulacyjnego, takiego jak ASPEN, Super-Pro, w celu ustalenia progu rentowności, bieżącej wartości netto, sprzedaży krańcowej, kosztu krańcowego, zwrotu z inwestycji zakładu przemysłowego po analizie wymiany ciepła i masy Roślina.
Analiza danych procesowych: Stosowanie metod analizy danych i uczenia maszynowego do rozwiązywania problemów związanych z produkcją procesową.

Historia inżynierii procesowej

Od niepamiętnych czasów w procesach przemysłowych stosowano różne techniki chemiczne. Jednak dopiero wraz z nadejściem termodynamiki i prawa zachowania masy w latach osiemdziesiątych XVIII wieku inżynieria procesowa została odpowiednio rozwinięta i wdrożona jako odrębna dyscyplina. Zestaw wiedzy, który jest obecnie znany jako inżynieria procesowa, został następnie wykuty metodą prób i błędów podczas rewolucji przemysłowej.

Termin proces w odniesieniu do przemysłu i produkcji sięga XVIII wieku. W tym okresie zapotrzebowanie na różne produkty zaczęło drastycznie rosnąć, a inżynierowie procesu musieli zoptymalizować proces, w którym te produkty zostały stworzone.

Do 1980 roku koncepcja inżynierii procesowej wyłoniła się z faktu, że techniki i praktyki inżynierii chemicznej były stosowane w różnych gałęziach przemysłu. Do tego czasu inżynierię procesową definiowano jako „zestaw wiedzy niezbędny do projektowania, analizowania, rozwijania, konstruowania i obsługiwania w optymalny sposób procesów, w których zmienia się materiał”. Pod koniec XX wieku inżynieria procesowa rozszerzyła się z technologii opartych na inżynierii chemicznej na inne zastosowania, w tym inżynierię metalurgiczną , inżynierię rolniczą i inżynierię produktu .

Zobacz też

Linki zewnętrzne