در مرکز بهینهسازی فرآیند برای مهندسان شیمی، هدف این است که بیشترین بهرهوری از عملیات را بدون هدر دادن منابع یا آسیب به محیط زیست به دست آورند. وقتی مهندسان روی بهبود کارایی، افزایش محصولات و کاهش هزینهها کار میکنند، در واقع باعث بهتر کار کردن کارخانهها میشوند و در عین حال به کره زمین آسیب کمتری میرسد. سه حوزه اصلی به عنوان ابزارهای بسیار مهم در این کارها برجسته میشوند: سینتیک واکنش، ترمودینامیک و انتقال جرم. سینتیک واکنش در واقع به ما میگوید که واکنشها چقدر سریع اتفاق میافتند و چه محصولاتی به دست میآید. ترمودینامیک به مهندسان این امکان را میدهد تا ببینند انرژی در فرآیندهای شیمیایی چه مسیری را طی میکند. و سپس انتقال جرم که با حرکت مواد در داخل تجهیزات سروکار دارد تا همه چیز به خوبی مخلوط شود و واکنشها در شرایط ایدهآل انجام پذیرند. این مفاهیم اساسی پایهای برای شیوههای تولید هوشمندانه و پاکتر در صنایع مختلف به شمار میروند.
بررسی کاربردهای واقعی نشان میدهد که چگونه این تکنیکهای بهینهسازی در بخشهای مختلف به خوبی عمل کردهاند. به عنوان مثال میتوان به یک واحد پتروشیمی اشاره کرد که مدلسازی ترمودینامیکی پیچیده را در آن اجرا کردهاند. نتایج واقعا قابل توجه بودند - موفق شدند تولید خود را به طور قابل توجهی افزایش دهند و در عین حال از تولید محصولات زائد کاسته شود. این نوع پیشرفت به معنای بهتر شدن ارقام نهایی مالی برای شرکتهاست و همچنین به سمت روشهای تولید سبزتری نیز کمک میکند. آنچه این داستانهای موفقیت را جالب میکند این است که به چیزی اشاره روشنی دارند که تولیدکنندگان باید هنگام طراحی مجدد سیستمهای عملیاتی خود در نظر بگیرند. وقتی شرکتها شروع به ادغام این نوع بهینهسازیها میکنند، معمولاً دوگانه مزایای مالی و زیستمحیطی را در طول زمان تجربه میکنند.
اتیلن گلایکول و پلیپروپیلن نقشهای اصلی را در بخش شیمیایی ایفا میکنند زیرا کاربردهای بسیار متنوعی دارند. اتیلن گلایکول بیشتر به منظور تولید محلولهای ضدیخ استفاده میشود، اما همچنین به عنوان یک بلوک سازنده مهم برای الیاف پلیاستر و رزینها عمل میکند. این مواد در همه چیز از پارچههای لباسی تا انواع مختلف محصولات پلاستیکی استفاده میشوند. در همین حال، پلیپروپیلن به عنوان یکی از پلیمرهای فوقالعاده انعطافپذیر برجسته شده است. تولیدکنندگان از آن برای ساخت انواع محصولات پلاستیکی از جمله ظروف بستهبندی مواد غذایی تا قطعات داخلی خودرو استفاده میکنند. آنچه پلیپروپیلن را خاص میکند، وزن سبک آن و در عین حال داشتن خواص استحکامی خوب است. این ترکیب است که باعث میشود امروزه این ماده را در زندگی روزمره و محیطهای صنعتی در همه جا مشاهده کنیم.
گلیسول اتیلنی زمانی تولید میشود که اتیلن تحت اکسیداسیون کاتالیستی قرار گیرد، در حالی که پلیپروپیلن از پلیمریزاسیون پروپیلن تحت شرایط خاصی به دست میآید. هر دو فرآیند تولید نیازمند مدیریت دقیق دمای واکنش، سطح فشار و سایر عوامل محیطی هستند تا بتوانند نتایج یکنواختی تولید کنند و از هدر رفتن منابع جلوگیری شود. با توجه به روندهای فعلی بازار، تقاضا برای استفاده از این مواد در حال افزایش به نظر میرسد. گلیسول اتیلنی به دلیل پیشرفتهای رخ داده در صنعت خودرو، شاهد استفاده گستردهتری خواهد بود، در حالی که پلیپروپیلن از بحثهای روز در مورد بازیافت پلاستیکها سود خواهد برد. پیشبینیهای صنعتی نشان میدهند که رشد پلیپروپیلن با سرعت خوبی ادامه خواهد یافت، چرا که بسیاری از بخشهای مختلف اقتصادی از آن در کاربردهایی از جمله بستهبندی گرفته تا دستگاههای پزشکی متکی هستند. در واقع این موضوع به این معنی است که درک نحوه کار با گلیسول اتیلنی و پلیپروپیلن برای شرکتها امری ضروری محسوب میشود تا بتوانند در تولیدات مدرن باقی مانده و رقابتپذیر باشند.
هوش مصنوعی (AI) نحوه بهینهسازی فرآیندهای تولید مواد شیمیایی توسط تولیدکنندگان را تغییر داده است، بهطور اصلی به این دلیل که تعمیر و نگهداری پیشبینیکننده را بهبود میبخشد و تحلیل دادههای در زمان واقعی را ممکن میکند. وقتی هوش مصنوعی در سیستمهای کنترل فرآیند به کار گرفته شود، کارخانهها میتوانند منابع را ذخیره کنند و همچنین از هدررفتن ضایعات بکاهند. به عنوان مثال کنترل دمای محیط. الگوریتمهای هوشمند سطح گرما را تنظیم میکنند تا کارخانهها انرژی اضافی را هدر ندهند، که به معنای بهرهوری بهتر در مجموع و کاهش خرابیهای تجهیزات نیز هست. بر اساس برخی تحقیقات منتشر شده از سوی اقتصاد جهانی، حدود ۴۴ درصد از کارکنان شاید نیاز به دورههای بازآموزی در صنایع شیمیایی داشته باشند، زیرا هوش مصنوعی به تغییرات ادامه میدهد. شرکتهای بزرگی مانند BASF قبلاً نتایج بهدستآمده از اجرای راهکارهای هوش مصنوعی را تجربه کردهاند. خطوط تولید آنها اکنون روانتر کار میکنند، مصرف انرژی کمتری دارند و هزینههای روزانه عملیاتی آنها نیز کاهش یافته است. تمام این مزایا نشان از تأثیر زیاد هوش مصنوعی در تولید مواد شیمیایی دارد، فرآیندها را هوشمندتر میکند و مدیریت منابع را به شیوههایی که قبلاً غیرممکن به نظر میرسید، میسر میسازد.
تولیدکنندگان شیمیایی، اینترنت اشیاء (IoT) را در فرآیندهای خود به کار گرفتهاند، بهویژه در تولید پلیمرهای هوشمند روی خطوط تولید. این چه معنایی دارد؟ خوب، برای شروع، ماشینها اکنون میتوانند کارها را به صورت خودکار انجام دهند، اتفاقات را به صورت لحظهای نظارت کنند و اطلاعات را به صورت همزمان در بخشهای مختلف کارخانه به اشتراک بگذارند. این امر به کارخانهها کمک میکند تا روز به روز بهتر و بدون وقفه کار کنند. متخصصانی که این مواد را تولید میکنند، متوجه شدهاند که فرآیندهایشان تحت کنترل دقیقتری قرار گرفته و در نتیجه محصول نهایی همواره دارای کیفیتی یکنواخت است. شرکتهایی مانند اِوونیک (Evonik) و AMSilk را میتوان به عنوان مثال برد؛ این شرکتها با استفاده از فناوری IoT توانستهاند روش تولید خود را دگرگون کنند. نتایج حاصل از این کار چیست؟ AMSilk موفق شد هزینههای تولید را تنها با اجرای راهکارهای هوشمند IoT در سیستم خود، حدود 40 درصد کاهش دهد. بررسی چنین موارفی روشن میکند که چرا بسیاری از روشهای سنتی تولید جای خود را به رویکردهای نوین مبتنی بر دستگاههای متصل دادهاند. کارخانههای امروزی باید بتوانند به سرعت تطبیق پیدا کنند، بهصورت کارآمد عمل کنند و در هر جا که ممکن است، هزینه صرفهجویی کنند و به نظر میرسد فناوری IoT تمام این الزامات را برآورده میکند.
استفاده از پلیوینیل استات زیستی، حرکت بزرگی از چسبهای قدیمی نفتی به سمت چیزی سبزتر محسوب میشود. چه چیزی باعث متمایز شدن این ماده میشود؟ این ماده به دلیل استفاده از منابع رشد یافته طبیعی به جای استخراج نفت، به کاهش آسیبهای زیستمحیطی کمک میکند. این یعنی وابستگی کمتر به سوختهای فسیلی محدود و کاهش گازهای گلخانهای وارد شده به جو. اغلب، سازندگان این چسبهای دوستدار محیط زیست را از گیاهان یا سایر منابع آلی غنی از ترکیبات کربنی موجود در طبیعت تولید میکنند. برای شرکتهایی که قصد جدی برای پایداری دارند، انتقال به گزینههای زیستی به آنها کمک میکند تا به اهداف بینالمللی کاهش انتشار کربن دست یابند و در عین حال فعالیتهای تجاری خود را ادامه دهند. علاوه بر این، بهبود اکوسیستمهای سالم یک مزیت دیگر است که کمتر کسی به آن توجه میکند.
تولید پلیوینیل استات بر پایه بیولوژیک، با تهیه مواد قابل تجدید آغاز میشود، معمولا چیزهایی مثل الیاف گیاهی یا دیگر پلیمرهای رخداده طبیعی. پس از جمعآوری این مواد اولیه، آنها تحت واکنشهای شیمیایی خاصی به نام پلیمریزاسیون قرار میگیرند. در اینجا هدف حفظ همان خواص ارزشمند بدون استفاده بیش از حد از انرژی در فرآیند است. محققان سالها است که روی این موضوع کار میکنند و به بررسی آرایشهای مولکولی مختلفی پرداختهاند که میتوانند عملکردی برابر یا حتی بهتر از آنچه از محصولات پایه نفتی معمولی به دست میآید، فراهم کنند. برخی دستاوردهای اخیر واقعاً امیدوارکننده هستند و نشان میدهند که میتوان جایگزینهایی ایجاد کرد که عملکردی یکسان داشته باشند اما ردپای محیطزیستی کوچکتری برجای بگذارند.
بررسی کاربردهای واقعی در صنایع مختلف نشان میدهد که چگونه پلیوینیل استات حاصل از مواد زیستی به دلیل تأثیر بهتر بر محیط زیست، موجهایی را به وجود آورده است. شرکتهای ساختمانی و شرکتهای بستهبندی از این مواد جدید استفاده میکنند، چرا که چسبندگی آنها در حد نسخههای معمولی است اما ردپای کربنی کمتری دارند. آزمایشهایی که این مواد را به طور مستقیم با گزینههای سنتی مقایسه میکنند، معمولاً تفاوتی در استحکام اتصال یا مدت زمان دوام آنها پیدا نمیکنند. این موضوع به این معنی است که شرکتها میتوانند بدون نگرانی از کاهش کیفیت محصول، به این مواد سبز تغییر پیدا کنند و این امر باعث میشود که اخیراً تعداد زیادی از تولیدکنندگان به این قطار سبز سوار شوند.
فورمالدئید به دلیل خطرات جدی برای سلامت انسان و آسیبهای زیستمحیطی، همچنان یکی از موارد اصلی نگرانی در صنعت شیمیایی است. کارگرانی که در معرض این ماده قرار دارند اغلب دچار مشکلات تنفسی و واکنشهای پوستی میشوند، در حالی که ساکنان مناطق نزدیک به واحدهای تولیدی با کیفیت هوا و آلودگی هوا مواجه هستند. با اینکه مقررات دولتی هر ساله سختگیرانهتر میشود، بسیاری از شرکتها اکنون به دنبال راههایی برای کاهش مصرف فورمالدئید هستند. برخی از کارخانهها شروع به آزمایش مواد شیمیایی جایگزین یا سیستمهای بهتر جمعآوری و حفاظت از مواد برای کاهش انتشار فورمالدئید کردهاند. این تغییرات نه تنها به حفاظت از کارگران و ساکنان منطقه کمک میکند، بلکه موقعیت شرکتها را نیز در راستای رعایت قوانین آینده محیط زیستی بهتر میکند.
چندین رویکرد نوآورانه به عنوان بخشی از راهکارهای کاهش فرمالدئید مطرح شدهاند. این روشها شامل استفاده از مواد شیمیایی جایگزین و بهینهسازی فرآیندهای تولید به منظور کاهش خروجی فرمالدئید میشوند. فناوریهایی که تولید پاک را تسهیل میکنند نقشی کلیدی دارند؛ به عنوان مثال، مبدلهای کاتالیزوری پیشرفتهای توسعه یافتهاند که میتوانند به طور مؤثر انتشار فرمالدئید را در مراحل تولید تجزیه کنند.
گروههای تمرکز یافته بر حفاظت از محیط زیست و همچنین مطالعات علمی مختلف بهطور مداوم اهمیت کاهش سطح فرمالدئید را برجسته میکنند. اعداد و ارقامی که بهطور منظم گردآوری میکنند، بهخوبی مزایای واقعی این تغییرات را نشان میدهند، بهگونهای که وقتی شرکتها این تغییرات را در عمل به اجرا درمیآورند، کاهش قابلتوجهی در ذرات معلق مضر هوا و همچنین کاهش مشکلات سلامتی در میان کارکنان دیده میشود. کارشناسان صنعتی نیز عموماً این دیدگاه را تأیید میکنند و پیشنهاد میدهند تولیدکنندگان مواد سازگارتر با محیط زیست را جایگزین کنند و همچنین سیستمهای تهویه خود را بهروز کنند. این تغییرات قطعاً به رعایت استانداردهای ایمنی کمک میکنند، اما مزیت دیگری نیز وجود دارد: کارخانهها شروع به نگاه کردن به خودشان بهعنوان بخشی از راهحل میکنند، نه فقط دنبال کننده قوانین. البته، اجرای کامل همه این تغییرات زمان و هزینههای قابل توجهی میطلبد و این همان چیزی است که توضیح میدهد چرا بسیاری از کسبوکارها هنوز در انجام این گذار دچار مشکل هستند.
سیستمهای میکروراکتور دارو در شیمی جریانی تغییرات بزرگی ایجاد کردهاند، بهویژه در تولید گلیسول اتیلن. این واحدهای کوچک اما قدرتمند، مزایای زیادی را در طراحی فشرده خود جای دادهاند. آنها کارایی واکنش را افزایش میدهند، ایمنی کلی فرآیند را بهبود میبخشند و امکان گسترش تولید را بدون مشکلات عمده فراهم میکنند. نکتهای که آنها را متمایز میکند، حفظ دقیق شرایط لازم برای انجام صحیح واکنشهاست. این موضوع منجر به بازده بسیار بالاتر و انتخابپذیری بهتر در سنتز گلیسول اتیلن میشود، همراه با کاهش تولید محصولات جانبی خطرناک. بهبودهای ایمنی نیز از دیگر مزایای برجسته این راکتورهاست، چرا که کنترل بسیار دقیقی بر تمام فرآیندها دارند. روشهای سنتی ناپیوسته اغلب خطر قابلتوجهی از انفجار را بهدلیل تجمع سریع حرارت دارند، اما میکروراکتورها واکنشهای گرمازا را بهخوبی مدیریت میکنند و از وقوع چنین حادثههایی جلوگیری میکنند.
سیستمهای راکتور میکرو، دارای مشخصات عملیاتی بهتری هستند که تولید آنها را افزایش میدهند. این سیستمها کنترل بهتری را از سوی اپراتورها در مدیریت مواردی مانند سطح دما، تنظیمات فشار و سرعت حرکت مواد واکنشدهنده درون سیستم فراهم میکنند. به دلیل این کنترل دقیق، واکنشهای شیمیایی از نظر یکنواختی بین دستههای مختلف به میزان قابل توجهی بهتر میشوند. نتیجه چیست؟ نرخ بهرهوری بالاتر و حجم تولید بیشتر بدون اینکه نیاز باشد فرآیندهای قدیمی دستهای را که معمولاً به ماشینهای بزرگتر و مصرفکنندههای زیادی انرژی نیاز دارند، مقیاسبندی کرد. علاوه بر این، یک مزیت دیگر نیز وجود دارد و آن اینکه عملیات در مقیاس کوچکتر، زمان مورد نیاز برای توسعه محصول و همچنین هزینههای روزانه را کاهش میدهد.
مطالعات نشان میدهند که استفاده از سیستمهای میکروراکتور در تولید اتیلن گلیکول مزایای واقعی دارد. نکته اصلی، عملکرد بهتر آنها در مدیریت حرارت و انتقال مواد است که بیشتر به دلیل کانالهای بسیار کوچک آنهاست که سبب ایجاد سطح تماس بسیار زیادی نسبت به حجم دستگاه میشود. صاحبنظران صنعت میگویند که کارخانههایی که به این فناوری منتقل شدهاند، بهبود عملکرد در تمامی زمینهها و همچنین اجرای ایمنتر فرآیندها را تجربه کردهاند. به عنوان مثال شرکت BASF که یکی از نامهای بزرگ شیمیایی است، چندین سال است که از میکروراکتورها در کارخانههای تولید اتیلن گلیکول خود استفاده میکند. مهندسان این شرکت گزارش دادهاند که نه تنها بهرهوری بهبود یافته، بلکه تعداد کمتری حادثه در طول مراحل تولید رخ داده است، چیزی که با توجه به کنترل دقیق واکنشها در مقیاسهای بسیار کوچک، کاملاً قابل درک است.
مدلهای پردازش مداوم که قابلیت گسترش دارند، در حال تغییر نحوه تولید مواد شیمیایی در کارخانههای سراسر کشور هستند. این سیستمها واکنشهای شیمیایی را بهصورت مداوم ادامه میدهند، برخلاف روشهای دستهای سنتی که دایماً متوقف و دوباره شروع میشوند. وقتی نیازی به راهاندازی مکرر تجهیزات بعد از هر دسته نباشد، تولیدکنندگان هم زمان و هم هزینه صرفهجویی میکنند. کل فرآیند روانتر انجام میشود، چون مواد بدون وقفه از طریق سیستم جریان مییابند. کنترل بهتر به اپراتورها این امکان را میدهد که در صورت نیاز، موارد را بهصورت آنی تنظیم کنند. مهمتر از همه، این روش منجر به تولید محصولاتی با کیفیت یکنواختتری از کارخانه در طول روز میشود، بجای اینکه از یک دسته به دسته دیگر مشکلات کیفیتی رخ دهد.
چه چیزی پردازش مداوم را به این خوبی نوآورانه میکند؟ خب، این موضوع واقعاً درباره همان ابزارهای پیشرفتهای است که اخیراً دیدهایم - فکر کنید به تحلیلهای زنده، سیستمهای نظارت خودکار و آن دستگاههای کنترل هوشمند که به صورت پویا تنظیم میشوند. وقتی این راهکارهای فناوری در تولید یکپارچه شوند، عملاً به اپراتورها بهروزرسانیهای لحظهای در طول فرآیند تولید میدهند. این به معنای کنترل بهتر روی اتفاقات جاری به جای اینکه منتظر گزارشهای بعدی بمانید، است. به عنوان مثال شرکت سنلی تک بینالمللی را در نظر بگیرید. این شرکت فقط یک شرکت قدیمی فناوری شیمیایی نیست، بلکه یکی از نامهای بزرگ در این حوزه محسوب میشود. مهندسان این شرکت اخیراً روشهای پردازش مداوم را در چندین عملیات مختلف به اجرا درآوردهاند. نتایج چیست؟ افزایش قابل توجهی در بهرهوری آنها در حالی که استانداردهای بالای محصول حفظ شده است.
بررسی نحوه کارکرد این مدلها در عمل، نشان میدهد که چقدر میتوانند در بخشهای مختلف موثر باشند. به عنوان مثال در دنیای داروسازی، بسیاری از تولیدکنندگان گزارش دادهاند که موفق به کاهش زمان تولید داروها و همچنین کاهش هزینههای کلی شدهاند بدون اینکه از کیفیت خود بکاهند. برخی از آنها حتی بهبود در سطح خلوص را نیز گزارش میکنند. یک مطالعه اخیر از دیدهبان اقتصاد جهانی این موضوع را تأیید میکند، نشان میدهد که شرکتهایی که از چنین رویکردهایی استفاده میکنند، معمولاً موفق به داشتن زمان تولیدی نزدیک به نصف زمان معمول خود بدون از دست دادن کنترلهای سفت و سخت کیفیت میشوند. البته هر شرکتی لزوماً ۵۰ درصد صرفهجویی نخواهد داشت، اما روند کلی بهبودهای قابل توجهی را نشان میدهد که ارزش بررسی دارد.
در پیش روی اقتصاد دایرهوار در تولید پلیمر، تغییر عمدهای در نحوه تفکر ما از فرآیندهای تولید وجود دارد، بهطوریکه عمدتاً به کاهش ضایعات و استفاده بهتر از منابع موجود کمک میکند. این ایده در واقع بر تغییر چرخه عمر پلیمرها تمرکز دارد تا اثرات منفی کمتری روی محیط زیست داشته باشد، که امروزه برای شرکتهایی که به دنبال پایداری هستند بسیار مهم شده است. در هفتههای اخیر شاهد برخی پیشرفتهای جالبی بودهایم، بهویژه در زمینه روشهای بازیافتی جدید که به تولیدکنندگان اجازه میدهد مواد پلیپروپیلنی قدیمی را دوباره به چیزی مفید تبدیل کنند. همچنین در زمینه توسعه گزینههای تجزیهپذیر زیستی پیشرفتهایی صورت گرفته است که بهصورت طبیعی پس از استفاده تجزیه میشوند، به جای آنکه برای همیشه در محلهای دفن زباله باقی بمانند. تمام این دستاوردها به کاهش مقدار زبالههای پلاستیکی و صرفهجویی در مواد اولیه کمک میکنند، زیرا پلیمرها برای مدت طولانیتری در چرخه باقی میمانند. تحلیلگران صنعتی معتقدند که ظرف چند سال آینده، بیشتر تولیدکنندگان پلیمر باید این روشها را به کار بگیرند اگر بخواهند رقابتپذیر باقی بمانند، زیرا مشتریان امروزه بهطور فزایندهای به این موضوع اهمیت میدهند که چه اتفاقی برای محصولات پس از دوریخت آنها میافتد.
نانتکنولوژی در حال تغییر نحوهٔ کار تولید شیمیایی است، بهویژه در فرآیندهای کاتالیستی. ویژگیهای خاص نانومواد امکان انجام واکنشها را فراهم میکند که سریعتر و با نتایج بهتری همراه هستند. بهعنوانمثال، نانوذرات پلاتین بهمراتب عملکرد بهتری نسبت به روشهای سنتی بهعنوان کاتالیست دارند. برخی مواد مانند گرافن در واقع به انتقال گرما کمک میکنند و درعینحال واکنشها را در دماهای پایینتری امکانپذیر میکنند که منجر به کاهش نیازهای انرژی میشود. تحقیقات نشان میدهد که استفاده از نانتکنولوژی در فرآیندهای تولیدی به بهبودهای چشمگیری در سراسر صنایع مختلف منجر میشود. شرکتها گزارش میدهند که از این تغییرات سودهای قابلمشاهدهای حاصل شده است، از جمله کاهش زمان تولید و کاهش هزینههای عملیاتی در واکنشهای مبتنی بر کاتالیست.