في قلب تحسين العمليات بالنسبة للمهندسين الكيميائيين تكمن الغاية في استخلاص أكبر قدر ممكن من الإنتاج دون إهدار الموارد أو الإضرار بالبيئة. عندما يعمل المهندسون على تحسين الكفاءة وزيادة المخرجات وتقليل التكاليف، فإنهم في الجوهر يجعلون المصانع تعمل بشكل أفضل مع إحداث ضرر أقل على كوكبنا. هناك ثلاث مجالات رئيسية تبرز باعتبارها أدوات مهمة بشكل خاص في هذا العمل: سرعة التفاعل (Reaction Kinetics)، والديناميكا الحرارية (Thermodynamics)، وانتقال الكتلة (Mass Transfer). تُظهر سرعة التفاعل بشكل أساسي مدى سرعة حدوث التفاعلات والمنتجات التي نحصل عليها في النهاية. الديناميكا الحرارية توفر للمهندسين نافذة على مكان ذهاب كل تلك الطاقة خلال العمليات الكيميائية. وهناك انتقال الكتلة، الذي تتعامل مع كيفية تحريك المواد داخل المعدات بحيث تمتزج كل المكونات بشكل صحيح وتتمكن التفاعلات من التقدم في ظروف مثالية. هذه المفاهيم الأساسية تشكل العمود الفقري لممارسات التصنيع الذكية والنظيفة عبر الصناعات المختلفة.
تشير نظرة إلى التطبيقات في العالم الحقيقي إلى مدى نجاح هذه التقنيات لتحسين الأداء في قطاعات مختلفة. فخذ مثالاً على إحدى المنشآت البتروكيماوية التي نفذت نماذج رياضية معقدة في مجال الديناميكا الحرارية. كانت النتائج مثيرة للإعجاب بالفعل - فقد تمكنوا من زيادة إنتاجهم بشكل كبير في حين قلصوا في الوقت نفسه من المنتجات الناتجة من التخلص من النفايات. يعني هذا النوع من التقدم تحسناً في المؤشرات المالية للشركات ويساعد أيضاً في التحول نحو أساليب تصنيع أكثر استدامة بيئياً. ما يجعل هذه القصص الناجحة مثيرة للاهتمام هو أنها تشير بوضوح إلى أمر يجب أن تأخذه الشركات في الاعتبار عند إعادة تصميم أنظمة عملياتها. فعندما تبدأ المؤسسات في دمج هذا النوع من التحسينات في عملياتها، فإنها تميل إلى تحقيق فوائد مزدوجة على الصعيد المالي والبيئي على المدى الطويل.
يلعب الإيثلين جلايكول والبولي بروبيلين أدواراً رئيسية في قطاع الكيماويات بسبب الاستخدامات العديدة التي يجدانها. يستخدم الإيثلين جلايكول بشكل شائع لصنع محاليل مضادة للتجمد، لكنه يعمل أيضًا كوحدة بناء مهمة لألياف البوليستر والراتنجات. تنتهي هذه المواد في كل شيء بدءًا من أقمشة الملابس وصولًا إلى مختلف أنواع المنتجات البلاستيكية. في المقابل، يتميز البولي بروبيلين بأنه من البوليمرات القابلة للتكيف بشكل كبير. يستخدمه المصنعون لإنتاج كل أنواع العناصر البلاستيكية، بدءًا من حاويات التعبئة الغذائية وصولًا إلى مكونات داخل السيارات. ما يجعل البولي بروبيلين مميزًا هو خفة وزنه مع الحفاظ على خصائص قوة جيدة. هذه الميزة المشتركة تفسر سبب انتشار استخدام هذه المادة في حياتنا اليومية وفي البيئات الصناعية على حد سواء.
يتم إنتاج الإيثلين جلايكول عندما يخضع الإيثلين لأكسدة محفزة، في حين يُنتج البولي بروبيلين من تفاعل بوليمرة البروبلين تحت ظروف معينة. تحتاج كلتا العمليتين التصنيعيتين إلى إدارة دقيقة لدرجات حرارة التفاعل ومستويات الضغط والعوامل البيئية الأخرى من أجل تحقيق نتائج متسقة دون هدر للموارد. عند النظر في الحركات الحالية في السوق، يبدو أن الطلب على هذه المواد في ازدياد. ويبدو أن الإيثلين جلايكول سيشهد استخداماً أكبر مع تطور السيارات وازدياد تقدمها، في حين يستفيد البولي بروبيلين من النقاشات الدائرة حالياً حول إعادة تدوير البلاستيك. تشير التوقعات الصادرة عن القطاع إلى أن البولي بروبيلين سيواصل نموه بوتيرة ثابتة، وذلك بسبب الاعتماد الواسع عليه من قطاعات مختلفة تستخدمه في تطبيقات متعددة تتراوح من التعبئة إلى الأجهزة الطبية. ما يعنيه هذا حقاً هو أن فهم كيفية التعامل مع الإيثلين جلايكول والبولي بروبيلين يظل أمراً بالغ الأهمية إذا أرادت الشركات البقاء تنافسية في التصنيع الحديث.
تُغيّر الذكاء الاصطناعي (AI) طريقة مصنعي المواد الكيميائية لتحسين عملياتهم، ويرجع السبب الرئيسي إلى ذلك إلى تحسين الصيانة التنبؤية وإمكانية تحليل البيانات في الوقت الفعلي. وعند تطبيقه على أنظمة التحكم في العمليات، يساعد الذكاء الاصطناعي المصانع على توفير الموارد مع تقليل الهدر. خذ على سبيل المثال التحكم في درجة الحرارة. تقوم الخوارزميات الذكية بضبط مستويات التسخين بحيث لا تضيع الطاقة الإضافية، مما يعني كفاءة أفضل بشكل عام وحدوث أعطال أقل في المعدات أيضًا. وبحسب بعض الأبحاث التي أجرتها المنتدى الاقتصادي العالمي، قد يحتاج حوالي 44 في المائة من العمال إعادة التدريب في صناعات المواد الكيميائية مع استمرار تأثير الذكاء الاصطناعي في التغيير. وقد شهدت شركات كبيرة مثل BASF بالفعل نتائج من تنفيذ حلول الذكاء الاصطناعي. تعمل خطوط الإنتاج لديهم الآن بسلاسة أكبر، باستخدام طاقة أقل وتتطلب تكاليف تشغيل يومية أقل. وكل هذه الفوائد تُظهر مدى تأثير الذكاء الاصطناعي على تصنيع المواد الكيميائية، مما يجعل العمليات أكثر ذكاءً وإدارة الموارد بطريقة لم نكن نفكر بها من قبل.
تقوم شركات تصنيع المواد الكيميائية بإدخال إنترنت الأشياء (IoT) في عملياتها، خاصة عندما يتعلق الأمر بإنتاج البوليمرات الذكية على خطوط الإنتاج. ما المقصود بذلك؟ حسنًا، لبدء معالجة الأمر، يمكن للآلات الآن أن تقوم بتنفيذ المهام تلقائيًا، ومراقبة ما يحدث في الوقت الفعلي، ومشاركة المعلومات عبر أجزاء مختلفة من المصنع في آنٍ واحد. وهذا يساعد المصانع على العمل بسلاسة متزايدة يومًا بعد يوم. يجد الأشخاص الذين ينتجون هذه المواد أن عملياتهم أصبحت تحت سيطرة أكثر دقة، مما يؤدي إلى منتجات نهائية تتميز بجودة ثابتة وعالية في كل مرة. خذ شركات مثل إيفونيك (Evonik) وAMSilk مثالًا، فقد بدأوا باستكشاف تكنولوجيا إنترنت الأشياء لإحداث تغيير في طريقة تصنيع المنتجات لديهم. وانظر إلى النتائج! نجحت AMSilk في خفض تكاليف التصنيع بنسبة تصل إلى 40% فقط من خلال تنفيذ بعض الحلول الذكية القائمة على إنترنت الأشياء داخل نظامها. وعند النظر إلى حالات مثل هذه، يصبح واضحًا سبب استبدال العديد من النظم التقليدية في التصنيع بمناهج حديثة تعتمد على الأجهزة المتصلة. تحتاج المصانع اليوم إلى أن تكون قادرة على التكيف بسرعة، والعمل بكفاءة، وتوفير التكاليف في كل مكان ممكن، ويبدو أن إنترنت الأشياء توفر كل هذه المزايا.
يشكل الانتقال إلى خامات أسيتات البوليمرات الحيوية خطوة كبيرة نحو التخلي عن المواد اللاصقة التقليدية المعتمدة على النفط نحو خيارات أكثر استدامة. ما يميز هذه المواد؟ تقلل من الأضرار البيئية لأننا نستخدم موارد نباتية قابلة للتجديد بدلًا من التنقيب عن النفط. هذا يقلل الاعتماد على الوقود الأحفوري المحدود ويحد من انبعاثات الغازات الدفيئة في الغلاف الجوي. عادةً ما يتم تصنيع هذه المواد اللاصقة الصديقة للبيئة من نباتات أو مصادر عضوية أخرى غنية بالمركبات الكربونية الطبيعية. بالنسبة للشركات التي تسعى جاهدة لتحقيق أهداف الاستدامة العالمية، فإن الانتقال إلى خيارات قائمة على الموارد الحيوية يساعدها في تقليل الانبعاثات الكربونية دون التأثير على عملياتها التجارية. علاوةً على ذلك، فإن الحفاظ على نظم بيئية أكثر صحة ميزة لا يُتحدث عنها بما يكفي.
يبدأ إنتاج بولي أسيتات الفينيل المستمد من مصادر بيولوجية بالحصول على مواد متجددة، وعادة ما تكون أشياء مثل ألياف النباتات أو بوليمرات أخرى توجد بشكل طبيعي. بمجرد جمع هذه المواد الخام، تمر هذه المواد بتفاعلات كيميائية خاصة تُعرف باسم التبلمر. والهدف هنا هو الحفاظ على تلك الخصائص القيّمة دون استخدام الكثير من الطاقة في العملية. لقد عمل الباحثون بجد على هذا الأمر لسنوات، حيث كانوا يدرسون ترتيبات جزيئية مختلفة يمكن أن تساوي أو حتى تتفوق على ما نحصل عليه من المنتجات التقليدية المستمدة من النفط. وفي الواقع، أظهرت بعض الاكتشافات الحديثة إمكانية إنتاج بدائل تؤدي نفس الأداء ولكن بتأثير بيئي أقل.
تشير نظرة إلى التطبيقات العملية في مختلف الصناعات إلى كيف يسهم البولي فينيل أسيتات المستمد من مصادر بيولوجية في تحقيق تأثيرات إيجابية بفضل تأثيره البيئي الأفضل. وقد بدأت شركات البناء وشركات التعبئة والتغليف باستخدام هذه المواد الجديدة لأنها تتميز بنفس قدرة التصاق المواد التقليدية مع تقليل البصمة الكربونية. وعادةً ما تُظهر الاختبارات المقارنة التي تُجرى بين هذه المواد والعناصر التقليدية عدم وجود فرق حقيقي من حيث قوة الالتصاق أو مدة استمراره. وهذا يعني أن الشركات يمكنها التحول إلى هذه المواد دون القلق بشأن انخفاض جودة المنتج، وهو ما يفسر سبب انتقال العديد من الشركات المصنعة إلى المواد الصديقة للبيئة مؤخرًا.
يبقى الفورمالديهايد مصدر قلق رئيسي في صناعة الكيماويات بسبب المخاطر الصحية الجسيمة والأضرار البيئية. غالباً ما يعاني العمال المعرضون لهذا المادة من مشاكل في التنفس وردود فعل جلدية، في حين تواجه المجتمعات القريبة من مواقع الإنتاج مشكلات في جودة الهواء الملوث. مع تشديد اللوائح الحكومية كل عام، بدأت العديد من الشركات بالبحث عن سبل لتقليل استخدام الفورمالديهايد. وقد بدأ بعض المصانع بتجربة مواد كيميائية بديلة أو أنظمة احتواء محسنة لتقليل الانبعاثات. هذه التغييرات لا تساعد فقط في حماية العمال والسكان المجاورين، بل تضع الشركات أيضاً في وضع أفضل للامتثال للوائح البيئية المستقبلية.
ظهرت عدة مناهج مبتكرة كجزء من استراتيجيات تقليل الفورمالديهايد، ومنها اعتماد مواد كيميائية بديلة وتحسين عمليات الإنتاج لتقليل مخرجات الفورمالديهايد. تلعب التقنيات التي تُمكّن من تطبيق أساليب إنتاج نظيفة دورًا حيويًا؛ فعلى سبيل المثال، تم تطوير محولات حفازة متقدمة لتفكيك انبعاثات الفورمالديهايد بكفاءة خلال مراحل التصنيع.
تُركّز المجموعات التي تعنى بالحفاظ على البيئة بالإضافة إلى الدراسات العلمية المختلفة باستمرار على أهمية خفض مستويات الفورمالديهايد. تشير الأرقام التي يتم جمعها بشكل منتظم إلى فوائد حقيقية عندما تطبّق الشركات هذه التغييرات، مع انخفاض ملحوظ في الجسيمات الهوائية الضارة وحدوث مشكلات صحية أقل لدى العمال. يدعم الخبراء في الصناعة هذا الأمر أيضًا، ويشيرون إلى ضرورة انتقال الشركات إلى مواد أكثر صداقة للبيئة مع تحسين أنظمة التهوية لديها. تساعد هذه التغييرات بلا شك في الامتثال للمعايير الأمنية، لكن هناك فائدة إضافية أيضًا: تبدأ المصانع في النظر إلى نفسها كجزء من الحل بدلًا من مجرّد الالتزام بالقواعد. بالطبع، يتطلب تنفيذ كل هذه التغييرات بشكل صحيح الوقت والمال، مما يفسّر سبب استمرار معاناة العديد من الشركات في إتمام هذه المرحلة الانتقالية.
تُعدّ أنظمة المفاعل الدقيقية تغييرًا جذريًا في كيمياء التدفق، خاصةً من حيث إنتاج الإيثلين جلايكول. تحتوي هذه الوحدات الصغيرة ولكن القوية على العديد من الفوائد ضمن تصميمها المدمج. فهي تُحسّن كفاءة التفاعل، وتجعل العمليات أكثر أمانًا بشكل عام، وتتيح إمكانية زيادة الإنتاج دون مواجهة صعوبات كبيرة. ما يميزها هو قدرتها على الحفاظ على الظروف المثالية لحدوث التفاعلات بشكل صحيح. هذا يؤدي إلى زيادة كبيرة في العائد وتحسين الانتقائية أثناء تصنيع الإيثلين جلايكول، إلى جانب تقليل المنتجات الثانوية الخطرة التي تُنتج أثناء العملية. تُعد التحسينات في السلامة من الفوائد الكبيرة الأخرى، حيث يتم التحكم بدقة في هذه المفاعلات. غالبًا ما تتسبب الطرق التقليدية للدُفعات في مخاطر انفجارية جسيمة بسبب تراكم الحرارة بسرعة، لكن المفاعلات الدقيقة تُدار بعناية أكبر في التعامل مع التفاعلات الطاردة للحرارة، ومن ثم تمنع حدوث مثل هذه الحوادث من الأساس.
تأتي أنظمة المفاعل الدقيق بمواصفات تشغيلية محسّنة ترفع من قدرتها الإنتاجية. كما توفر للمُشغلين تحكمًا أفضل في إدارة عوامل مثل مستويات الحرارة وإعدادات الضغط وسرعة تدفق المواد المتفاعلة داخل النظام. وبفضل هذا التحكم الدقيق، تصبح التفاعلات الكيميائية أكثر اتساقًا بين الدفعات. والنتيجة؟ معدلات كفاءة أعلى و volumes إنتاجية أكبر دون الحاجة إلى توسيع عمليات الدفعات التقليدية التي تتطلب عادةً آلات أكبر تستهلك طاقةً أكثر. بالإضافة إلى ذلك، هناك ميزة أخرى مهمة يجب الإشارة إليها هنا، وهي أن عمليات التشغيل على هذا المقياس الصغير تُسهم فعليًا في تقليل الوقت المطلوب لتطوير المنتجات وكذلك في خفض التكاليف التشغيلية اليومية.
تشير الدراسات إلى فوائد حقيقية عند استخدام أنظمة الميكرومرسلات في إنتاج الجليكول الإيتيلنّي. الأمور الرئيسية تكمن في قدرتها العالية على إدارة الحرارة ونقل المواد بفعالية، وذلك بفضل القنوات الصغيرة التي توفر مساحة سطحية هائلة مقارنة بحجمها. يخبرنا خبراء الصناعة أن المصانع التي تتحول إلى هذه التقنية تلاحظ تحسناً في النتائج على مختلف الأصعدة، إضافة إلى تشغيل أكثر أماناً. على سبيل المثال لا الحصر، شركة BASF، وهي واحدة من أبرز الأسماء في صناعة الكيماويات، فقد بدأت بتطبيق الميكرومرسلات في مصانع إنتاج الجليكول الإيتيلنّي منذ عدة سنوات. ويشير مهندسوها إلى تحسن في الكفاءة إضافة إلى انخفاض عدد الحوادث خلال عمليات الإنتاج، وهو أمر منطقي نظراً للتحكم الدقيق الذي توفره التفاعلات على هذه المقاييس الصغيرة.
تُعد النماذج المعالجة المستمرة التي يمكن توسيع نطاقها مُغيّرًا لكيفية تصنيع المواد الكيميائية في المصانع في جميع أنحاء البلاد. تُحافظ هذه الأنظمة على استمرارية التفاعلات الكيميائية دون توقف بدلًا من التوقف والبدء مجددًا كما هو الحال في الطرق التقليدية الدُفعية. عندما لا يكون هناك حاجة لإعادة تشغيل المعدات باستمرار بعد كل دفعة، يوفّر المصنعون الوقت والمال معًا. يعمل весь العملية بشكل أكثر سلاسة لأن المواد تستمر في التدفق دون انقطاع. ومن خلال التحكم الأفضل، يمكن للمُشغلين تعديل الأمور فور الحاجة لذلك. والأهم من ذلك، يؤدي هذا النهج إلى منتجات أكثر اتساقًا تخرج من مصانع الإنتاج يوميًا بدلًا من مواجهة مشكلات في الجودة من دفعة إلى أخرى.
ما الذي يجعل المعالجة المستمرة مبتكرة إلى هذا الحد؟ في الواقع، يتعلق الأمر بتلك الأدوات المتطورة التي شهدناها في الآونة الأخيرة - فكّر في التحليلات الزمنية الفعلية، وتركيبات المراقبة التلقائية، وأنظمة التحكم الذكية التي تقوم بالتعديل بشكل فوري. عندما يتم دمج هذه الحلول التقنية في عمليات التصنيع، فإنها تمنح المشغلين تحديثات فورية طوال فترة الإنتاج. وهذا يعني تحكمًا أفضل فيما يحدث في اللحظة الراهنة بدلًا من الانتظار حتى صدور التقارير لاحقًا. خذ مثالًا شركة سانلي تك إنترناشونال. إنها ليست مجرد شركة تقنية كيميائية عادية، بل واحدة من الشركات الكبرى في هذا المجال. لقد قام مهندسوها مؤخرًا بتطبيق أساليب المعالجة المستمرة عبر عمليات متعددة. ما هي النتيجة؟ مكاسب كبيرة في الكفاءة التشغيلية مع الحفاظ على معايير عالية الجودة للمنتج.
تشير نظرة على كيفية عمل الأمور في الممارسة العملية إلى مدى فعالية نماذج المعالجة المستمرة القابلة للتوسيع هذه عندما تُطبَّق عبر قطاعات مختلفة. خذ على سبيل المثال عالم الأدوية، حيث يشير العديد من المصنّعين إلى تقليل الوقت المستغرق في إنتاج الأدوية والتكاليف الإجمالية دون التفريط في الجودة. بل ويُشير البعض إلى تحسّن في نتائج النقاء أيضًا. ويدعم هذا ما ذكرته مؤخرًا المنتدى الاقتصادي العالمي، والذي يشير إلى أن الشركات التي تتبنّى هذه الأساليب تتمكّن غالبًا من اختصار نصف الوقت المطلوب لإنتاج الأدوية مقارنة بال usual، مع الحفاظ في الوقت نفسه على ضوابط الجودة الصارمة. وبالطبع لن تحقق كل الشركات وفورات تصل إلى 50 بالمئة بالضبط، لكن الاتجاه واضح نحو تحسينات ملحوظة تستحق النظر.
إن اعتماد نهج الاقتصاد الدائري في تصنيع البوليمرات يمثل تحولاً كبيراً في طريقة تفكيرنا حول عمليات الإنتاج، ويعود ذلك بشكل رئيسي إلى مساهمته في تقليل النفايات وتحقيق استغلال أفضل للموارد المتاحة. يرتكز الفكرة برمتها حول تعديل كيفية تدفق البوليمرات عبر دورة حياتها بحيث تصبح أقل ضرراً على البيئة، وهو أمر أصبح ذا أهمية كبيرة للشركات التي تسعى نحو الاستدامة. نحن نشهد تطورات مثيرة للاهتمام في الآونة الأخيرة، خاصة من خلال أساليب إعادة التدوير الجديدة التي تتيح للمصنعين أخذ مواد البولي بروبلين المستعملة وتحويلها مرة أخرى إلى منتجات مفيدة. كما تحققت تطورات في إنشاء خيارات قابلة للتحلل البيئي تنحل بشكل طبيعي بعد الاستخدام، بدلًا من البقاء في مكبات النفايات إلى الأبد. تسهم كل هذه التطورات في خفض كميات النفايات البلاستيكية وحفظ المواد الخام من خلال إبقاء البوليمرات في الدورة الاقتصادية لفترة أطول. يرى محللو الصناعة أنه خلال بضع سنين فقط، سيضطر معظم مصنعي البوليمرات إلى اعتماد هذه الممارسات إذا أرادوا البقاء في سباق المنافسة، نظراً لأن العملاء أصبحوا أكثر اهتماماً بما يحدث للمنتجات بعد التخلص منها.
تُغيّر تقنية النانو من طريقة عمل التصنيع الكيميائي فيما يتعلق بالعمليات الحفزية. تسمح الخصائص الخاصة للمواد النانوية بحدوث تفاعلات أسرع وأكثر كفاءة. على سبيل المثال، تعمل جسيمات البلاتين النانوية كعوامل حفازة بشكل أفضل بكثير من الأساليب التقليدية. وبعض المواد مثل الجرافين تساعد فعليًا في نقل الحرارة، كما تتيح التفاعلات عند درجات حرارة أقل، مما يقلل من متطلبات الطاقة. تُظهر الأبحاث أنه من خلال دمج تقنية النانو في عمليات التصنيع، تتحقق تحسينات كبيرة عبر مختلف الصناعات. وتشير تقارير الشركات إلى أنها تلاحظ فوائد ملموسة من هذه التغييرات، بما في ذلك أوقات إنتاج أسرع ومصاريف تشغيلية أقل عند التعامل مع التفاعلات المحفزة.
EN