Table of Contents

ويمثل اختيار المواد والمعدات ركائز أساسية في هندسة تصميم العمليات، تؤثر مباشرة على الكفاءة التشغيلية، ومعايير السلامة، والقابلية للاستمرار الاقتصادي، وأداء النباتات الطويلة الأجل، وهذه الأنشطة مترابطة ولا ينبغي أن تتم بمعزل عن بعضها البعض، حيث أن المواد والعمليات المستخدمة في صنع المنتجات يمكن أن تؤثر تأثيرا كبيرا على تصميمها، وتكاليفها، وأدائها في الخدمة، ويتطلب النهج المنهجي لاختيار المواد والمعدات المناسبة فهما شاملا لمتطلبات العمليات، والخصائص المادية، والظروف التشغيلية، والأداء الاقتصادي.

Understanding Material Selection in Process Design

ويشير اختيار المواد إلى عملية تحديد واختيار أنسب المواد لتطبيق معين في الهندسة، استنادا إلى معايير مثل الممتلكات الميكانيكية، والخصائص المادية، والتكلفة، والتوافر، والاستدامة، وتمتد هذه العملية المتعددة التخصصات إلى أبعد من مجرد تحديد المواد، مما يتطلب من المهندسين أن يوازنوا بين المطالب المتنافسة مع ضمان الأداء الأمثل في ظروف تشغيلية محددة.

أهمية اختيار المواد

ويعد اختيار المواد أمرا حاسما في التصميم الهندسي، ويشمل تحديد أهداف المشروع وتقييم الممتلكات المادية، والنظر في عمليات التصنيع، حيث يستخدم المهندسون أدوات مثل مخططات أشبي ومؤشرات الأداء لمقارنة المواد وإيجاد أفضل ما يمكن تطبيقه، ويمكن أن تكون عواقب اختيار المواد غير السليمة شديدة، مما يؤدي إلى فشل المعدات قبل الأوان، وإلى مخاطر تتعلق بالسلامة، وزيادة تكاليف الصيانة، وأوجه القصور التشغيلية.

إن اختيار المواد المستخدمة في صناعة النفط والغاز، ولا سيما في القطاع الخارجي، مهمة صعبة ومعقدة، حيث أن اختيار المواد هو جانب من جوانب التصميم الهندسي ينبغي تناوله برعاية إضافية من أجل منع فشل عناصر مثل الصمامات بسبب التآكل أو الحمولات أو أي أسباب أخرى، مع وجود العديد من البارامترات مثل الوزن والقوة والتوافق مع شروط العمليات التي ينبغي النظر فيها، وهذا التعقيد يؤكد الحاجة إلى منهجيات تقييمية منهجية وشاملة.

معايير اختيار المواد الرئيسية

والمعايير الرئيسية الأربعة هي الممتلكات الميكانيكية، والممتلكات المادية، والعوامل الاقتصادية، والاعتبارات المتعلقة باستدامة المواد، وتشمل كل فئة من هذه الفئات معايير فرعية متعددة يجب تقييمها استنادا إلى متطلبات محددة للتطبيقات.

الاختبارات الميكانيكية

وتُحدد الممتلكات الميكانيكية كيفية استجابة المواد للقوى والضغوط المطبقة، وتشمل الممتلكات الميكانيكية الحرجة القوة الخادعة، والقوة، والقوة، والقوة، والقوة، والمقاومة البدينة، والمقاومة المزروعة، وتقضي هذه الممتلكات على ما إذا كان يمكن للمواد أن تتحمل الحمولات الميكانيكية التي تُواجه أثناء العمليات العادية والظروف المضطربة المحتملة، ويجب على المهندسين أن ينظروا في ظروف التحميل الثابتة والدينامية على السواء، فضلا عن الفشل المحتمل في فترات الزمان.

ويجب أن تكون عملية الاختيار هي التي تُحسب مدى درجة حرارة التشغيل، حيث أن الخصائص الميكانيكية يمكن أن تتباين بدرجة كبيرة مع درجة الحرارة، وقد تصبح المواد التي تؤدي بشكل ملائم في ظروف المحيطة رشوة عند درجات حرارة منخفضة أو تفقد القوة عند درجات الحرارة المرتفعة، ويعتبر فهم سلوك المواد المرشحة تحت ظروف التشغيل الفعلية الذي يكتنفه الإجهاد أمرا أساسيا لمنع حدوث إخفاقات ميكانيكية.

الممتلكات المادية والكيميائية

وتؤدي الممتلكات المادية مثل الكثافة والسلوك الحراري ومعامل التوسع الحراري والسلوك الكهربائي أدواراً حاسمة في اختيار المواد، حيث تؤثر الكثافة على الوزن الإجمالي للمعدات، التي يمكن أن تكون ذات أهمية خاصة في التطبيقات التي يكون فيها خفض الوزن بالغ الأهمية، وتؤثر السمية الحرارية على كفاءة نقل الحرارة، بينما يجب النظر في التوسع الحراري لمنع تراكم الإجهاد أثناء تقلبات درجات الحرارة.

إن الخصائص الكيميائية، ولا سيما مقاومة التآكل والتوافق الكيميائي، هي في المقام الأول في الصناعات التي تتصل فيها المواد بالمواد الكيميائية العدوانية، أو السوائل العالية الحرارة، أو البيئات التآكلية، ويجب أن تقاوم المادة التدهور من العملية السوائل التي تتواصل معها، وكذلك من العوامل البيئية مثل الرطوبة والملوثات في الغلاف الجوي، وفهم آليات التآكل المحددة - أي التآكل الأزيائي أو الحرق أو الإجهاد أو التصدع.

العوامل الاقتصادية والمتاحة

ولا تشمل الاعتبارات الاقتصادية التكلفة الأولية فحسب، بل تشمل أيضا تكاليف الصنع، ونفقات التركيب، ومتطلبات الصيانة، وحياة الخدمات المتوقعة، وقد تكون المواد الأكثر تكلفة التي تنطوي على مقاومة أعلى للتآكل وحياة أطول للخدمة أكثر اقتصادا من البديل الأرخص الذي يتطلب استبدالا متكررا، وتشمل اعتبارات توافر المواد الموثوقة، وفترات الشراء، ووجود موردين ومختلقين مؤهلين.

ويوفر تحليل تكاليف دورة الحياة إطارا شاملا لتقييم العوامل الاقتصادية، وينظر هذا النهج في التكاليف الأولية لرأس المال، وتكاليف التشغيل، ونفقات الصيانة، وتكاليف وقت التعطل، وتكاليف التخلص أو إعادة التدوير في نهاية المطاف، ويمكن للمهندسين، من خلال دراسة التكلفة الإجمالية للملكية وليس مجرد سعر الشراء الأولي، اتخاذ قرارات أكثر استنارة تعظيم الأداء الاقتصادي الطويل الأجل.

الاستدامة والاعتبارات البيئية

وتقع على عاتق المهندسين مسؤولية إيجاد منتجات ملائمة للبيئة، وتساعدهم عملية اختيار المواد على تحقيق ذلك، مع اتجاه متزايد تدريجيا نحو المواد التي يسهل إعادة تدويرها ولا تستنفد الموارد المحدودة، وينبغي لتقييم الأثر البيئي أن ينظر في دورة الحياة المادية بأكملها، بدءاً من استخراج المواد الخام وتجهيزها عن طريق التصنيع، والاستخدام، والتخلص أو إعادة التدوير في نهاية المطاف.

وتشمل عملية اختيار المواد المستدامة تقييم عوامل مثل الطاقة المجسدة، وتركيب الكربون، وإعادة التدوير، والتحلل الأحيائي، واستخدام الموارد المتجددة، كما أن المتطلبات التنظيمية المتعلقة بالمواد الخطرة، والانبعاثات، والتخلص من النفايات تؤثر أيضا على الخيارات المادية، وتعطي صناعات كثيرة الآن الأولوية للمواد ذات الأثر البيئي الأقل، حتى عندما تكون تكلفتها أكثر في البداية، مع الاعتراف بالفوائد الطويلة الأجل للممارسات المستدامة.

عملية اختيار المواد: نهج منهجي

وتتمثل الخطوات الأساسية الأربع في عملية اختيار المواد فيما يلي: (1) تحديد متطلبات التصميم (2) وصياغة مؤشرات الأداء المادي 3) وسلسلة المواد المحتملة استنادا إلى هذه المؤشرات 4) تقييم واختيار أنسب المواد نظرا لقابلية العملية والتكاليف، وهذه المنهجية تكفل إجراء تقييم شامل وتخفض من خطر إغفال العوامل الحاسمة.

الخطوة 1: تحديد متطلبات التصميم

وتصف متطلبات الأداء الخصائص التي يجب أن يعمل بها العنصر أو المشترك حسب الاقتضاء، مع وصف خصائصها من حيث الميكانيكية والكهربائية والحرارية والبصرية والفيزيائية والكيميائية والكهربية والخصائص التجميلية، وتتطلب هذه الخطوة الأولية تعاونا وثيقا بين مهندسي العمليات والمصممين وموظفي العمليات من أجل فهم الاحتياجات الوظيفية وظروف التشغيل فهما كاملا.

وينبغي أن تحدد متطلبات التصميم نطاقات درجات الحرارة التشغيلية، وظروف الضغط، والتعرض الكيميائي، والحمولات الميكانيكية، وحياة الخدمة المطلوبة، وأي اعتبارات خاصة مثل القابلية للتنظيف، أو التعقيم، أو متطلبات درجة الغذاء، كما يجب توثيق الظروف البيئية بما في ذلك درجة الحرارة المحيطة، والرطوبة، والتعرض للجوان أو الغلاف الجوي التآكلي، وينبغي تحديد المتطلبات التنظيمية ومعايير الصناعة المطبقة على التطبيق المحدد في وقت مبكر من العملية.

الخطوة 2: وضع مؤشرات الأداء المادي

بالنسبة لتطبيقات محددة، هو مزيج من الممتلكات المادية (الرقم القياسي المادي) التي تصنف الأداء، مع خصائص السبيكة المتاحة في قواعد البيانات،

وتشمل مؤشرات الأداء المشتركة قوة محددة (نسبة تتراوح بين القوام والوزن)، ودرجة محددة (نسبة الشدة إلى الوزن)، ومقاومة الصدمة الحرارية، ونسب الأداء من حيث التكلفة، مثلا، في التطبيقات التي تتطلب عناصر هيكلية خفيفة الوزن، يمكن أن يصبح مؤشر القوة المحدد (الرقم القياسي للوزن/الدرجة، حيث يكون القوام والكثافة) معيارا للاختيار الأولي.

الخطوة 3: المواد المرشحة للرش

وبمجرد وضع مؤشرات للأداء، يمكن ترتيب المواد المرشحة بصورة منهجية، ويستخدم المهندسون أدوات كمية مثل مؤشرات الأداء ورسومات آشبي لمقارنة المواد، مع مراعاة آثار دورة الحياة والاستدامة، ويرسمون خرائط لأشبي الممتلكات المادية ضد بعضهم البعض، مما يتيح المقارنة البصرية للأسر المادية، وتحديد المواد التي تلبي على أفضل وجه متطلبات الأداء المحددة.

وتوفر أساليب صنع القرار المتعددة المعايير نُهجا منظمة لتقييم المواد قياسا على معايير متعددة في آن واحد، والجهد المتعدد التخصصات المطلوب في معظم الحالات غير قابل للانتعاش، ولا يتطلب المصمم الهندسي معلومات مفصلة وميسورة ومناسبة التوقيت عن خصائص المواد فحسب، بل أيضا معرفة عملية اتخاذ القرارات المتعددة المعايير.

الخطوة 4: التقييم النهائي والاختيار

وتشمل خطوة الاختيار النهائية إجراء تقييم مفصل للمرشحين من ذوي الرتب العليا، بالنظر إلى العوامل التي قد لا تُدرج بالكامل في مؤشرات الأداء، ويشمل ذلك قابلية التصنيع، وتوافر الخبرة في مجال الصنع، والتوافق مع المعدات والعمليات القائمة، وموثوقية الموردين، ويمكن أن توفر المشاورات مع موردي المواد والمصنّعين أفكارا قيمة في الاعتبارات العملية مثل متطلبات اللحام، واحتياجات المعالجة الحرارية، وإجراءات مراقبة الجودة.

وقد يكون من الضروري إجراء اختبارات نموذجية أو إجراء محاكمات تجريبية لتطبيقات حاسمة أو عند استخدام مواد جديدة، وتثبت هذه الاختبارات أن المواد المختارة تؤدي كما هو متوقع في ظروف التشغيل الفعلية، ويمكن أن تكشف عن مسائل لا تظهر من بيانات الممتلكات وحدها، وتوفر وثائق الأساس المنطقي للاختيار، بما في ذلك البدائل التي تم النظر فيها وأسباب الرفض، مرجعا قيّما للمشاريع المقبلة وتساعد على ضمان الاتساق في ممارسات اختيار المواد.

اختيار المعدات في تصميم العملية

وتعد معدات العمليات الكيميائية مرجعا موجها نحو النتائج للمهندسين الذين يحددون أو يصممون أو يحافظون على أو يديرون محطات كيميائية وعملية، ويقدمون معلومات عن اختيار معدات العمليات وتقسيمها وتشغيلها في شكل يتيح اتخاذ قرارات سريعة ودقيقة بشأن الخيارات القياسية للعمليات والمعدات، ويشمل اختيار المعدات مواءمة متطلبات العمليات مع أنواع المعدات المتاحة، والأحجام، والتشكيلات لتحقيق الأداء الأمثل والاقتصاد.

المبادئ الأساسية لاختيار المعدات

ويعد تحديد المعدات واختيارها خطوة حاسمة في تصميم وتشغيل العمليات الكيميائية، حيث يتعين على المهندسين تحديد نوع وحجم المعدات المناسبين لتلبية الاحتياجات المحددة لعملية الإنتاج، وضمان تشغيل المصنع بكفاءة وأمن، ويجب أن تنظر عملية الاختيار في معايير العمليات، واحتياجات القدرات، والمرونة التشغيلية، ومتطلبات الصيانة، والتكامل مع النظم القائمة.

ويبدأ اختيار المعدات بتحديد عملية الوحدة تحديدا واضحا بحيث يتم القيام بها - سواء كان الفصل أو التفاعل أو النقل الحر أو النقل بالسوائل أو وظيفة أخرى، ولكل عملية وحدة أنواع المعدات المعينة، وكلها مزايا وقيود، مثلا، يمكن أن يتم التسريح في الأعمدة الصينية أو الأعمدة المحزمة أو التشكيلات المتخصصة مثل تقسيم الأعمدة الجدارية، مع الاختيار تبعا لعوامل مثل القدرة، وصعوبة الفصل، وقلة الضغط.

معايير العملية وشروط التشغيل

ومن الضروري تحديد معايير العمليات بدقة لاختيار المعدات المناسبة، وتشمل البارامترات الرئيسية معدلات التدفق (السائل والغاز والصلب)، ودرجات الحرارة، والضغوط، والتكوينات، والخصائص المادية (الكثافة، والتوتر السطحي)، والخصائص الكيميائية (السيئ، والتفاعل، والسمية)، وتحدد هذه البارامترات القدرة المطلوبة على المعدات، ومواد البناء، وملامح التصميم اللازمة للتشغيل الآمن والفعال.

ويجب أن تكون ظروف التشغيل مسؤولة عن العمليات العادية، وإجراءات البدء والغلق، والظروف المضطربة المحتملة، وينبغي أن تُصنَّع المعدات وأن تختار لمعالجة كامل نطاق ظروف التشغيل المتوقعة، مع الهوامش الملائمة للسلامة، وينبغي أيضاً النظر في القدرة على التحول إلى العمل بكفاءة عند خفض القدرة على العمل، وذلك في إطار عمليات ذات متطلبات متغيرة من حيث النواتج، كما ينبغي النظر في المرونة اللازمة لاستيعاب التغييرات في العمليات المقبلة أو توسيع القدرات أثناء اختيار المعدات.

أنواع المعدات ومعايير الاختيار

وتتناسب أنواع المعدات المختلفة مع تطبيقات مختلفة تستند إلى مبادئها التشغيلية، ونطاقات قدراتها، وخصائص الأداء، ويعتبر فهم مواطن القوة والقيود لكل نوع من أنواع المعدات أمرا حاسما في إجراء عمليات اختيار مستنيرة.

معدات نقل النفايات

وتأتي مبادلات الحرارة في العديد من التشكيلات، بما في ذلك الطلقات والغطاء والإطار واللوحات والزجاج والهواء والقطع المباشر، وتحتاج مبادلات الطلقات والغطاء إلى مواد متعددة الاستعمال، وتتناسب مع مجموعة واسعة من درجات الحرارة والضغوط والرسوم، وتوفّر مبادلات الفولط والكمبيوتر كفاءة عالية في نقل الحرارة والصيانة السهلة، ولكنها محدودة في درجة الحرارة والقدرة على الضغط.

وتشمل معايير الاختيار الواجب الحر، ونهج درجة الحرارة، وانخفاض الضغط المسموح به، والاتجاهات الدافعة، ومتطلبات الصيانة، والقيود المتعلقة بالفضاء، وتحدد حسابات نقل الحرارة المطلوبة، التي تحدد، إلى جانب اعتبارات التصميم الميكانيكي، حجم المبادلات وتشكيلها، كما أن التوافق المادي مع سوائل العمليات ومتطلبات التنظيف يؤثر أيضا على اختيار المعدات.

معدات الانفصال

وتشمل معدات الفصل الأعمدة المميزة، وأبراج الاستيعاب، ومعدات الاستخراج، والبلورات، والمرشحات، والطرد المركزي، ونظم الغشاء، وكل طريقة فصل تستغل مختلف المبادئ المادية أو الكيميائية، مع الاختيار تبعا لطبيعة الخليط، والكفاءة المطلوبة في الفصل، والاعتبارات الاقتصادية.

وينطوي اختيار عمود العزل على الاختيار بين الصين والتشكيلات المغلفة، وتعالج الأعمدة سلسلة واسعة من معدلات التدفق، وهي أقل عرضة للتأثر بسوء التوزيع السائل، ولكن مع ارتفاع معدلات الضغط، وتعطي الأعمدة المكبوتة انخفاضا في الضغط، وتفضل على خدمة الفراغ أو النظم التآكلية، ولكنها تتطلب اهتماما دقيقا للتوزيع السائل، ويحدَّد قطر الكدم بأرقام السائلة ومعدلات التدفق السائل المسموح بها.

معدات النقل ذات الذوبان

وتتوقف عملية اختيار الرؤوس على معدل التدفق، وضغط التصريف، وممتلكات السوائل، ومتطلبات الموثوقية، وتزيد المضخات الطاردية في معظمها شيوعاً للضغوط المعتدلة ومعدلات التدفق، مما يعرض البساطة والصيانة المنخفضة، وتتناسب مضخات التشريد الإيجابي (القابلية للتبادل، والدوار، والدايبراغيم) مع تطبيقات عالية الضغط، أو معدّات دقيقة للتحكم في التدفقات.

ويستلزم اختيار الصانعين لخدمة الغاز الاختيار بين الطاردات المركزية، والحرفية، والتبادل، والتناوب على أساس معدل التدفق، ونسبة الضغط، ومتطلبات الكفاءة، ويتعامل المضغطون في سنترفورغال مع أحجام كبيرة بمعدلات ضغط متوسطة بكفاءة، ويحقق المعالجون الضغط العالي ولكن لديهم قدرة محدودة ويتطلبون مزيدا من الصيانة، ويجب أن ينظر اختيار المواد لمعدات النقل السوائل في التآكل، وسوائل التآكل.

معدات الرد

ويعتمد اختيار المفاعل على حركية التفاعل، ومتطلبات نقل الحرارة، واحتياجات الخلط، وما إذا كان رد الفعل هو دفعة أو مستمر، وتشمل أنواع المفاعلات المشتركة مفاعلات الصهاريج الممزقة (الصيد أو المستمر)، ومفاعلات الأوعية، ومفاعلات الأسرار المغلفة، ومفاعلات سرير مسيلة، وتشكيلات متخصصة لكيمياء محددة.

وتهيئ مفاعلات الصهاريج الممزقة مزيجاً ممتازاً وضبطاً لدرجات الحرارة، مناسب لرد الفعل على مراحل السائل الذي يتطلب اتصالاً جيداً بين المفاعلات، وتتناسب المفاعلات الوعائية مع ردود الفعل ذات المراحل الغازية العالية أو ردود الفعل السريعة التي يُستصوب فيها سلوك التدفق المزروع، وتُستخدم مفاعلات السرير المكعبة في ردود الفعل الضاربة التي توفر مواقع للرد الفعل.

الحسابات الحرجة في اختيار المواد والمعدات

وبعد تحديد المعدات المناسبة، تجري الحسابات لتحديد الحجم الأمثل، الذي قد ينطوي على استخدام معادلة تراعي معدلات التدفق، ودرجات الحرارة، والضغوط، ثم تقيّم الخيارات القائمة على الأداء، والتكلفة، والتوافر.

تحليل الإجهاد وحساب العصيان المادي

يتطلب تصميم السفن والرقائق حساب سميك الجدار لمواجهة الضغط الداخلي، والحمولات الخارجية، والضغوط الحرارية، والمعادلة الأساسية لسفن الضغط الإسطوانية التي تخضع للضغط الداخلي مستمدة من اعتبارات الضغط العصبي:

(P × D)/ (2 × E - 1.2 × P) + C

(د) إذا كان السُمك المطلوب، فإن (د) هو ضغط التصميم، و(د) داخل القاعد، و(س) هو ضغط مسموح به، و(ه) هو الكفاءة المشتركة الحامضة، و(جيم) علاوة التآكل، وهذه المعادلة، استناداً إلى قانون (أسم بيوم) و(بيزي) البيسبول، تضمن القوة الكافية في الوقت الذي تُحاسب فيه على الممتلكات المادية، ونوعية النسيج، والتآكل المتوقع.

وتتوقف قيم الإجهاد المسموح بها على الخواص المادية ودرجة حرارة التصميم، إذ يجب أن تحتفظ المواد بقوام كافٍ عند درجة الحرارة القصوى للتشغيل، مع وجود ضغط يمكن السماح به عادة على أساس جزء من قوة الغلة أو قوة التوتر النهائية، ويجب النظر بعناية في آثار التدرج على الخواص المادية، حيث أن العديد من المواد تفقد قوة كبيرة عند درجات الحرارة المرتفعة.

ويحسب بدل التآكل الخسارة المادية خلال فترة التصميم، وتتراوح بدلات التآكل النموذجية بين 1/16 بوصة (1.6 مم) للخدمة التآكلية المميتة إلى 1/4 بوصة (6.4 مم) أو أكثر بالنسبة للظروف الشديدة التآكل، وينبغي أن يستند بدل التآكل إلى بيانات فعلية عن معدل التآكل عند توافرها أو تقديرات محافظة تستند إلى خبرة مماثلة في الخدمة.

النظر في التوسع الحراري

وتتسبب التغييرات في درجة الحرارة في توسيع المواد أو التعاقد، مما قد يولد ضغوطا كبيرة إذا ما تم تقييد التوسع، ويحسب التوسع الحراري الخطي على النحو التالي:

⁇ L = × ألفا × L / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /

وفي الحالات التي يكون فيها الـ دي إل تغييراً في طوله، فإن ألفا هي معامل التوسع الحراري، و L هي الطول الأصلي، وDT هو تغير درجة الحرارة، وبالنسبة لنظم الرصف، أو حلقات التوسع، أو مفاصل التوسع، أو الاتصالات المرنة، فإنها تستوعب التوسع الحراري وتمنع الإجهاد المفرط على المعدات والدعم.

فالتوسع الحراري المختلف بين مختلف المواد الملامسة يمكن أن يسبب مشاكل، فعلى سبيل المثال، فإن سفينة فولاذية من الكربون ذات فولاذ صلب لا يصق تختبر معدلات توسع مختلفة خلال التغيرات في درجة الحرارة، مما قد يسبب تركيزاً ملزماً أو إجهاداً، ويجب أن يُحسب التصميم لهذه الحركات المتمايزة من خلال التطهير المناسب أو الاتصالات المرنة أو اختيار المواد للتقليل إلى أدنى حد من الاختلافات في التوسع.

حسابات مخفضة ومتوسطة

ويؤدي انخفاض أسعار الصرف إلى انخفاض الضغط المفرط وتكاليف الضخ إلى انخفاض أسعار الصرف، بينما يزيد حجم المبالغة في تكاليف رأس المال دون داع، والعلاقة بين معدل التدفق والسرعة ومقياس الأنابيب هي:

Q = A × v = (D2 / 4) × v

(أ) إذا كان معدل تدفق الحجم هو المنطقة المتقاطعة، و(دال) هو الأنبوب داخل قطره، و(س) السرعة السائلة، وتتوقف السهول الموصى بها على مرحلة السائل والخدمات، وعادة ما تعمل خطوط السائل بـ 3-10 حرف/سائق (1-3 م/م) مع انخفاض سرعة السوائل أو الخدمات المثبطة وارتفاع سرعة التصريف (100 1 سم.

ويتطلب التدفق من مرحلتين اهتماما خاصا، حيث أن الخلائط التي تحتوي على الغازات تُظهر أنماطا معقدة للتدفق، وتساعد خرائط نظام تدفق المياه على التنبؤ بما إذا كان التدفق سيُستقطع أو يُنثر أو يُنثر، مع اختلاف كل نظام في معدلات انخفاض الضغط والآثار المترتبة على التصميم، وكثيرا ما تفصل ممارسات التصميم التحفظي مراحل قبل الانقطاع لتجنب مضاعفات التدفق من مرحلتين.

حساب الضغط

تحدد حسابات الهبوط الضغط الطاقة اللازمة لنقل السوائل من خلال الرصيف والمعدات، وبالنسبة للتدفق المضطرب في الأنابيب، تنطبق معادلة دارسي ويسباخ:

DI = × (L/D) × (X v2/2)

حيث يسقط الضغط، (و) هو عامل الاحتكاك، (ل) طول الأنابيب، (دي) هو مقياس، (السيولة) و(السائلة) و(السريعة)

ويشمل انخفاض الضغط الإجمالي خسائر الاحتكاك في الأنابيب المستقيمة بالإضافة إلى الخسائر في التجهيزات والصمامات والمعدات، ويُعبر عن الخسائر في حساب الخسائر عادة على أنها مواصفات مماثلة من الأنابيب المستقيمة أو كمعاملات للخسائر (كم) - تعتبر حسابات انخفاض الضغط الدقيقة أساسية بالنسبة للضخ والضغط، مع ضمان توافر ضغط كاف في جميع أنحاء المنظومة.

وبالنسبة للتدفقات المضغوطة (غازات)، يجب أن تُحسب حسابات انخفاض الضغط على التغيرات في الكثافة على طول الأنابيب، وتطبق معادلة التدفق الحراري أو الوديعي تبعاً لما إذا كان النقل الحراري يحدث، وتحتاج انخفاضات الضغط الكبيرة (أكثر من 10 في المائة من الضغط الداخلي) إلى التكامل على طول طول طول الأنابيب بدلاً من استخدام متوسط الممتلكات.

حساب نقل النفايات

ويتطلب تصميم مبادلات الحرارة حساب منطقة نقل الحرارة اللازمة لتحقيق تغيير الحرارة المرغوب فيه، والمعادل الأساسية لنقل الحرارة هي:

Q = U × A × che ilT lm]

(أ) منطقة نقل الحرارة، و(دي تي) (lm) هو الفرق في درجة الحرارة، ويتوقف معامل النقل الحراري عموماً على معامل تصوير فردية على جانبي سطح النقل الحرجي، ومقاومة التآكل، ومقاومة الجدار.

وتحسب معاملات الأفلام باستخدام الروابط القائمة على خصائص السوائل، وظروف التدفق، والجديات، مثلا، تستخدم التدفق المضطرب في الأنابيب ربطات الديتوس - البولتر أو سيدر - تيت، في حين تتوقف معامل القصف على تشكيلة البافلات ومقياس الجلود، وتُعزى مقاومة الدفع إلى بناء الودائع على سطح نقل الحرارة على مدى الزمن، مما يتطلب تنظيفا دوريا.

ويمثل الفرق في درجة الحرارة قوة الدفع الفعالة لنقل الحرارة، مما يمثل تغيرات في درجات الحرارة على طول طول فترة التبادل، وبالنسبة لترتيبات التدفق المعقدة، يعدل معامل التصحيح (واو) معدل الإصابة بمرض الارتطام المميت المتوسط المحسوب للتدفقات المضادة الصافية.

Q = U × A × F / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /

ويشمل تركيب مبادلات الحرارة عمليات حساب متكررة، حيث أن المجال المطلوب يتوقف على معامل النقل الحراري العام، الذي يعتمد بدوره على السُرعة التي تحددها قياسات المبادلات المختار، وتيسر برامج الحاسوب وبرامجيات البائعين هذه الحسابات، مما يتيح إجراء تقييم سريع لبدائل التصميم المتعددة.

معدات مقصورة لعمليات الفصل

ويقتضي وضع الأعمدة العزلة تحديد قطرها وطولها على حد سواء، ويستند قطرها إلى معدلات التدفق البخاري والسيئي والسرعات المسموح بها لمنع الفيضانات أو الإفراط في التدفئة، ويحد من سرعة البخار سرعة الفيضانات التي تصمم عادة بنسبة 70 إلى 85 في المائة من الفيضانات لتوفير هامش تشغيلي.

بالنسبة لأعمدة الصين، تقدر معادلة السود - الغراب سرعة الفيضانات:

vflood[FLT:] = C]sb × L[FL]] - /V]]

Where vflood] is flooding velocity, C]sb is the Souders-Brown coefficient (depending on tray spacing and system properties), den[FLoc:4]L is liquid dens

ويتوقف ارتفاع العمود على عدد المراحل النظرية المطلوبة للفصل والطبقة أو كفاءة التعبئة، وتُحدد المراحل النظرية من حسابات التوازن باستخدام أساليب مثل ماكابي - تيلي للنظم الثنائية أو المحاكاة الحاسوبية للنظم المتعددة العناصر، وتُحسب الصفائح الفعلية المطلوبة على مراحل نظرية متساوية مقسمة على الكفاءة في استخدام الخيوط، وتُحسب عادة 60-8 في المائة للطبقات المكافئة للطوابع.

النظر في المسائل المتقدمة في اختيار المواد

آليات منع الفساد

ومن الضروري فهم آليات التآكل لاختيار المواد التي توفر حياة خدمة كافية، وتشمل أنواع التآكل المشتركة التماثل، والحفر، والتآكل، والتآكل، وكسر الإجهاد، والتآكل بين الجزر، والتآكل، وكل آلية لها قوى دافعة مختلفة واستراتيجيات وقائية.

ويحدث التآكل النظامي على نحو متساو نسبياً فوق السطح المكشوف، وهو أكثر أنواع التآكل قابلية للتنبؤ به، ويمكن قياس معدلات التآكل وحساب بدلات التآكل تبعا لذلك، فالخندق والحرق هما شكلان محليان يمكن أن يسببا توتراً سريعاً حتى عندما تكون معدلات التآكل الإجمالية منخفضة، وهذه الأشكال خطيرة بوجه خاص لأنها يمكن أن تؤدي إلى فشل غير متوقع.

وتكتسح الإجهاد الناجم عن الإجهاد وتتجمع البيئة التآكلية بين الإجهاد المتوتر والبيئة التآكلية وبين التسبب في الكسر، وتخضع مزيجات معينة من المواد والبيئة للاختراق لدى لجنة التنسيق الخاصة، مثل تفكيك الفولاذات اللاصقة أو التشقق الكاوي في الفولاذ الكربوني، وتستلزم الوقاية اختيار المواد لتجنب التركيبات القابلة للتأثر، أو معالجة حرارة الإجهاد، أو السيطرة البيئية.

ويحدث التآكل الجالفاني عندما تكون الفلزات المتفرقة في اتصال كهربائي في بيئة سلوكية، مع تفضيلية أكثر نشاطاً في ربط المعادن، وتصنف السلسلة المجرية المعادن بميلها إلى التآكل في مياه البحر، وتوفر التوجيه للجمعيات المادية، وعندما يجب استخدام المعادن المتفرقة معاً، يمكن للعزلة الكهربائية أو المعاطف الواقية أن تمنع التآكل بالغالفانيك.

النظر في المواد ذات الطبيعة العالية

وتشكل الخدمة العالية التمرين تحديات مادية فريدة، إذ إن التشوهات التي تعتمد على الزمان تحت ضغط مستمر تصل إلى درجة تفوق 40 في المائة من درجة الحرارة المطلقة للذوبان، ويجب أن تقاوم المواد التي تستخدم في الخدمة العالية التمرين التشوهات المزروعة على حياة التصميم، أي ما يعادل عادة 000 100 ساعة أو أكثر من أجل التشغيل المستمر.

ويمكن أن يتسبب الاختناق والتدرج في درجات الحرارة المرتفعة في فقدان المواد وتلوثها، كما أن طبقات أكسيد الحامي تشكل على العديد من السبيكات، مما يوفر مقاومة لزيادة الأكسدة، وتطوّر السكك الحديدية الكروميا (Cr2O3) التي تحمي ما يصل إلى حوالي 000 1 درجة مئوية (1832 درجة مئوية) وتحتاج درجات الحرارة المرتفعة إلى مزيد من المحار المتخصصة أو المعاطف الواقية.

ويتسبب التدوير الحراري في ضغوط إضافية من خلال التوسع والانكماش المتكررين، ويمكن أن يؤدي التفشي الحراري إلى التشقق، لا سيما في تركيزات الإجهاد أو التفكك الجغرافي، ويجب أن ينظر اختيار المواد للخدمة الدورية في خصائص الدوافع المنخفضة الدراجة بالإضافة إلى مقاومة التكديس المخيف.

اختيار المواد الكيميائية

وتحتاج درجات الحرارة المسببة للسرطان (بدون درجة حرارة - 150 درجة مئوية أو -238 درجة ف) إلى مواد تحافظ على قابلية الموصلات والقسوة عند درجات حرارة منخفضة، وتصبح مواد هيكلية مشتركة كثيرة، بما فيها فولاذ الكربون، رشوة في درجات حرارة مسببة للبكاء، وتفشل فجأة دون إنذار، وتحتفظ المعادن المكعبة ذات الوجه مثل الصلب العاصر المشبع بالآفات، والسبيكة الخبيثة، ودرجة الدهية، ودرجة حرارة في المسببة.

ويتحقق اختبار الأثر عند درجة الحرارة الدنيا من التصميم من أن المواد لها قوة كافية، وتقيس اختبارات الأثر في الأشعة V - نوتس الطاقة التي تم امتصاصها أثناء الكسور، مع تحديد القيم الدنيا حسب المدونات والمعايير، ويجب أن تستوفي المواد هذه القيم الدنيا بأقل درجات الحرارة المتوقعة، بما في ذلك الظروف المضطربة ودرجة الحرارة المحيطة أثناء الإغلاق.

اختيار المواد لبيئات محددة

وتتطلب بعض البيئات اعتبارات مادية متخصصة، ويمكن أن تسبب خدمات الهيدروجين في قذف الهيدروجين أو هدرجين في مواد قابلة للتأثر، كما أن الفولاذ الكربوني والصلب المنخفض الطيّار عرضة للهجوم الهيدروجيني عند درجات الحرارة المرتفعة والضغوط، مع زيادة القابلية للتأثر بالضغط الجزئي على درجة الحرارة والهيدروجين، وتوفر منحنى نيلسون التوجيه بشأن المواد المقبولة لخدمة الهيدروجين في مختلف مجموعات الضغط الحراري.

وتحتاج خدمات السرور (التي تحتوي على سلفيد الهيدروجين) إلى مواد مقاومة لكسر ضغط الكبريتيد، وتحدد المعايير الدولية لشبكة NACE المتطلبات المتعلقة بالمواد في الخدمة الحامضة، بما في ذلك الحدود القصوى للصلابة ودرجات المواد، وتحتاج خدمة البيوت المبللة إلى اختيار دقيق للمواد، وكثيرا ما تتطلب سبائك أكثر تكلفة مقاومة للتآكل.

وترتبط البيئات التي تحتوي على الكلوريد ارتباطاً وثيقاً بالعديد من المواد، كما أن الفولاذات اللاصقة التي لا تقاوم التآكل الإجهادي الناجم عن الكلوريد والضغط، كما أن الفولاذات التي لا تقاوم الصمامات العالية (الدوبل، أو الزائير الفوقية) أو سبائك النيكل - البازيوم توفر مقاومة أفضل.

اختيار المعدات لعمليات الوحدات المحددة

اختيار المضخة وتوسيمها

وينطوي اختيار الضخ على مطابقة خصائص المضخات لاحتياجات النظام، ويمثل منحنى النظام العلاقة بين معدل التدفق والرأس المطلوب، بما في ذلك الرأس الثابت، وخسائر الاحتكاك، ومتطلبات الضغط، ويبين منحنى الضخ علاقة القدرة الرأسية لمضخة محددة بسرعة معينة، وتنشأ نقطة التشغيل حيث يتداخل منحنى النظام بين منحنى الضخ.

والمضخات الطاردية المركزية شائعة للغاية، حيث توفر البساطة والموثوقية والإعالة المنخفضة، وهي تتعامل مع السيول النظيفة المنخفضة النسيج بكفاءة، ولكنها تفقد الكفاءة مع السوائل المتأصلة، ويجب الوفاء بمتطلبات رأس الشوائب الإيجابية الصافية لمنع التجويف، وتعتمد هذه المادة على ظروف الفرز ويجب أن تتجاوز الصلاحية الوطنية للصحة ذات الهامش المناسب.

وتوفر مضخات التشريد الإيجابي (المعروفة، والعتاد الدوار، والفص، والمجاري التدريجية) تدفقاً مستمراً بصرف النظر عن ضغط التصريف، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات العالية الضغط، أو السوائل المتأصلة، أو خدمات القياس، وهي تتطلب حماية من الضغط، وهي أكثر تكلفة وكثافة من حيث الصيانة من مضخات الطرد المركزي، ولكنها توفر مزايا في تطبيقات محددة.

ويجب أن تقاوم المواد الضخية التآكل والتآكل من السائل المضخ، كما أن الحديد المصبوب يلائم الكثير من المياه والخدمات غير السيئية اقتصادياً، ويعالج الفولاذ اللاصق السوائل التآكلية، مع اختيار رتب على أساس التآكل، وقد يلزم توفير مواد غريبة مثل التيتانيوم أو هاستيلو أو الأرامية للحصول على خدمات ذات طابع تآكلي كبير، كما أن الاختيار الحرفي له نفس القدر من الأهمية بالنسبة لمعظم من الميكانيكيات المتحركة.

اختيار وتصميم مبادلات الحرارة

ويعتمد اختيار مبادلات الحرارة على درجات الحرارة والضغوط وأسعار التدفق والخصائص الدافعة ومتطلبات الصيانة، وتهيمن مبادلات الشل والطن في الصناعات التحويلية بسبب صلاحيتها وموثوقيتها المثبتة وقدرتها على معالجة الضغوط العالية ودرجاتها، وتستوعب مختلف التشكيلات (صحيفة الأنابيب الثابتة، وصحيفة U-tube، ورأس العائم) احتياجات التوسع الحراري والتنظيف المختلفة.

وتوفر مبادلات الحاسبات العالية كفاءة نقل الحرارة في بصمة مدمجة، مع سهولة التنظيف، وهي تلائم التطبيقات التي تكون فيها درجات حرارة متوسطة وضغوط يمكن التحكم فيها، وتحد مواد الجازكيت من درجة الحرارة، رغم أن مبادلات اللوحات المبلورة أو المثبتة تمد نطاق التشغيل.

وتقضي شركات الصرف التي تعمل بالطائرات على متطلبات المياه المبردة، وتخفض تكاليف التشغيل والأثر البيئي، وتحتاج إلى حيز أكثر من القطع، وتراعي الظروف المحيطة، مع انخفاض القدرة أثناء الطقس الساخن، وتجمع النظم الهجينة بين الهواء وتبريد المياه على الوجه الأمثل في استهلاك الأداء والمياه.

ويؤثر الدافع تأثيراً كبيراً على أداء مبادلات الحرارة، ويقلل من نقل الحرارة، ويزيد من انخفاض الضغط، إذ تمثل عوامل التعبئة تراكماً للودائع، مع قيم تستند إلى الخبرة في مجال الخدمات، وتنظيف الروابط الكيميائية للتنظيف، أو الحزم القابلة للتشذيب، أو الأداء المصاحب لنظم التنظيف على الإنترنت - الذي يحافظ على الانهيار، ويجب أن ينظر اختيار المواد في التآكل من جانب العملياتي والفائدة، مع مواد الأنبوب التي كثيراً تختلف عن مواد النسيجية لتعظيمة.

تصميم المفاعلات واختيارها

ويعتمد اختيار المفاعلات اعتماداً أساسياً على حركية التفاعل، وآثار الحرارة، والسلوك التدريجي، وتتناسب مفاعلات البطاطس مع الإنتاج الصغير، أو المنتجات المتعددة، أو ردود الفعل التي تتطلب أوقات إقامة طويلة، وهي توفر مرونة تشغيلية، ولكنها تقل إنتاجيتها عن المفاعلات المستمرة، وتحتاج إلى عناية دقيقة لتحقيق الاتساق بين المفاعلات والصيد.

وتوفر مفاعلات الصهاريج المطهرة المستمرة مزيجاً ممتازاً ومراقبة درجة الحرارة، ومثالاً لرد فعل السائل الذي يتطلب اتصالاً جيداً بين المتفاعلات، وتقترب أجهزة متعددة في أجهزة الاستشعار عن بعد من سلوك التدفق مع الحفاظ على الخلط الجيد في كل مرحلة، وتتحكم حركة الحرارة عبر السترات أو الفحم الداخلي في درجات الحرارة بالنسبة للرد على التفاعلات الخارجية أو ذات الطبيعة.

وتتناسب المفاعلات السليفة مع ردود الفعل السريعة، أو ردود الفعل على مراحل الغاز، أو التطبيقات التي يكون فيها سلوك تدفق الغليون مرغوباً فيها، ويمكن أن تكون أنبوباً فارغة، مع حفازة، أو تحتوي على مواد داخلية منظمة، كما أن نقل الحرارة أكثر صعوبة من النقل في الصهاريج المزروعة، مما يتطلب تصميماً حرارياً دقيقاً لرد الفعل ذات التأثيرات الحرارية الكبيرة.

:: مفاعلات الفراش الملوَّثة للضغط على أجهزة التحفيز العاملة بالغاز، مما يوفر حرارة ممتازة ونقلاً جماعياً بدرجة حرارة موحدة، ويعالجان التناقص الحفاز ويتيحان الاستمرار في الإضافة إلى الحفازات وإزالتها، غير أنهما يتطلبان تصميماً دقيقاً لمنع نقل المواد الحفازة وضمان التقلب السليم في نطاق التشغيل.

التحليل الاقتصادي لاختيار المواد والمعدات

تقدير التكاليف الرأسمالية

وتشمل تقديرات تكاليف رأس المال بالنسبة للمعدات عناصر متعددة: تكلفة المعدات المشتراة، وعمالة التركيب، والتشغيل، والتصنيع، والكهرباء، والعزل، والمؤسسات، والصلب الهيكلي، وعادة ما تبلغ تكلفة المعدات المبتورة 20-4 في المائة من مجموع التكاليف المجهزة، أما الباقون فيتمثلون في التركيب وتكاليف المرافق.

وتختلف تكاليف المعدات بحجم ومواد البناء والضغط على التصميم ودرجات الحرارة، والملامح الخاصة، وتوفر التواريخ المتعلقة بالتكاليف وأسعار البائعين تقديرات، وتؤثر التحسينات المادية تأثيرا كبيرا على معدات الفولاذ التي لا تحمل تكاليفها عادة ما تزيد على فولاذ الكربون بأربعة أضعاف، بينما يمكن أن تكلف السواحل الغريبة أكثر أو أكثر، ويجب تبرير هذا الفرق في التكلفة بتحسين مقاومة التآكل أو مدى أطول مدة خدمة أو انخفاض الصيانة.

وتعزى عوامل التركيب إلى العمالة والمواد اللازمة لتركيب المعدات، وتختلف هذه العوامل حسب نوع المعدات وموقعها، حيث تتراوح بين 1.5 و4 مرات تكلفة المعدات المشتراة، وتزيد عوامل التركيب في المعدات المعقدة التي تتطلب قدرا كبيرا من الرزم أو الآلات أو الدعم الهيكلي، وتخفض تكاليف التركيب الميداني من حيث التركيب المعدَّات المتحركة أو المجهزة بالمنازل.

تحليل التكاليف التشغيلية

وتشمل تكاليف التشغيل المرافق (الكهرباء والبخار ومياه التبريد والوقود) والصيانة والعمل والأصناف الاستهلاكية، وكثيرا ما تهيمن تكاليف الطاقة على مصروفات التشغيل، مما يجعل كفاءة الطاقة معيارا رئيسيا للاختيار، وقد يكون هناك تبرير اقتصادي للمعدات الأكثر كفاءة ذات التكلفة الرأسمالية المرتفعة بخفض تكاليف التشغيل.

وتتوقف تكاليف الصيانة على تعقيد المعدات وشدة التشغيل واختيار المواد، وتخفض المواد المقاومة للكوروزون الصيانة عن طريق توسيع نطاق عمر الخدمة وتخفيض تواتر الإصلاح، وتسمح اعتبارات الموثوقية بتصميمات ومواد ثابتة للمعدات، حتى بتكلفة أولية أعلى، للتقليل إلى أدنى حد من الوقت غير المخطط له وما يرتبط به من خسائر في الإنتاج.

ويجمع تحليل تكاليف دورة الحياة بين رأس المال وتكاليف التشغيل على مدى عمر المعدات، حيث تبلغ عادة 15-20 سنة بالنسبة لمعدات العمليات، وتحسب حسابات القيمة الحالية للقيمة الزمنية للمال، وتخصم التكاليف المقبلة من القيمة الحالية باستخدام معدل خصم مناسب، ويتيح هذا النهج إجراء مقارنة موضوعية للبدائل مع مختلف موجزات تكاليف رأس المال والتشغيل.

تحقيق الاستخدام الأمثل اقتصاديا

فالتوازنات الاقتصادية المثلى تتنافس على عوامل تقلل من التكلفة الإجمالية، مثلا، ينطوي التخصيب بالأنابيب على مقايضة بين تكلفة رأس المال (تكاليف الأنابيب المتزايدة) وتكاليف التشغيل (يخفض الانبوبي المنخفض ضغطه وتكاليف الضخ) ويقلل من حجم الأنابيب الاقتصادية مبلغ رأس المال وتكاليف التشغيل.

وبالمثل، ينطوي تصميم مبادلات الحرارة على مقايضة بين منطقة نقل الحرارة (التكلفة الرأسمالية) ودرجة الحرارة (تكاليف القابلية للخصوبة) وتتطلب درجات الحرارة الأقرب مساحة أكبر ولكنها تقلل من استهلاك المنافع، ويحدّد الاستخدام الأمثل اقتصاديا درجة الحرارة وحجم التبادل المقابل.

ويبحث تحليل الحساسية كيف تتغير النتائج الاقتصادية بافتراضات مختلفة بشأن التكاليف أو ظروف التشغيل أو أداء المعدات، ويحدد هذا التحليل العوامل الحاسمة ويصف عدم اليقين في التوقعات الاقتصادية، ويمكن لمحاكاة مونت كارلو أن تقيِّم الأثر المشترك لبارامترات متعددة غير مؤكدة، وتوفر توزيعات محتملة للنتائج الاقتصادية بدلا من تقديرات ذات نقطة واحدة.

اعتبارات السلامة في اختيار المواد والمعدات

إن السلامة أولوية عليا في أي عملية كيميائية، ومعرفت كيفية قياس واختيار المعدات بشكل صحيح يمكن أن تساعد على منع الحوادث وضمان وجود مكان عمل أكثر أمنا، ويجب إدماج اعتبارات السلامة في عملية الاختيار، دون أن يعامل ذلك على أنها فكرة لاحقة.

نظم الإغاثة في حالات الطوارئ

وتحمي أجهزة الإغاثة من الضغط المعدات من الإفراط في الضغط الذي قد يسبب إخفاقا كارثيا، ويتطلب حجم صمامات الإغاثة تحديد أقصى قدر من الحمولة الغوثية الموثوق بها من سيناريوهات مثل التعرض للحرائق، أو الفشل في التبريد، أو ردود الفعل على الطرق، أو المنافذ المغلقة، ويجب أن تكون لدى جهاز الإغاثة قدرة كافية على منع الضغط من تجاوز الحد الأقصى المسموح به لضغط العمل بأكثر من التراكم المحدد بمدونة.

ويتوقف اختيار صمامات الإغاثة على الغازات الخدمية أو السائلة أو التدفق من مرحلتين، وتلائم صمامات الإغاثة التقليدية معظم التطبيقات، بينما تتصدى الصمامات المتوازنة للضغط المتغير، وتوفر الأقراص المتحركة الحماية المطلقة عند الضغط المحدد، ولكنها تتطلب استبدالها بعد النشوء، وتستخدم أجهزة الجمع قرصاً ممزقاً من صمام الإغاثة يحمي الصمام من الخدمة التآكلة أو الرغاوي.

وتكشف نظم وقف العمل في حالات الطوارئ عن الظروف الشاذة وتتخذ إجراءات تلقائية لإحلال دولة آمنة، ويجب أن ينظر اختيار الأجهزة في الموثوقية، مع وجود منطق للتكرار أو التصويت في الوظائف الحاسمة، ويكفل تصميم السلامة في حالة عدم الأمان أن يؤدي الصك أو فشل السلطة إلى حالة آمنة، مثل الصمامات التي لا تغلق لوقف التدفق أو عدم فتح باب التبريد.

التصنيفات والمعدات المحلية الخطرة

ويجب أن تكون المعدات الكهربائية في المناطق التي يمكن أن تكون فيها غازات قابلة للاشتعال أو بخار مشتعلة مناسبة لتصنيف المناطق الخطرة، وتحدد نظم التصنيف (الكلاس/الشعبة في أمريكا الشمالية، نظام المنطقة على الصعيد الدولي) احتمال وجود الغلاف الجوي القابل للاشتعال ومدته، ويجب تقدير المعدات للتصنيف المحدد، مع تصميمات مقاومة للانفجار أو مطهرة أو مأمونة في جوهرها تمنع الإشعال.

ويؤثر اختيار المواد على مخاطر الحريق والتفجيرات، وبعض المواد أكثر قابلية للاشتعال أو تنتج منتجات حرق سامة، وقد تكون هناك حاجة إلى مواد مقاومة للطفر أو نظم لحماية الحريق من أجل المعدات الحيوية، ويمنع الترسب السليم والترابط تراكم الكهرباء الثابتة التي يمكن أن تسبب الإشعال.

السمية والأخطار البيئية

والمواد السمية تتطلب أحكاما خاصة تتعلق بالاحتواء والمناولة، فالنظم المطلوبة بالبحر مع الأختام الآلية أو المضخات غير المفقودة تقلل من الانبعاثات الهاربة، وتلتقط الاحتواء الثانوي التسربات أو الانسكابات، وتمنع الإفراج عن البيئة، ويمكن أن تترتب على التوافق المادي آثار خطيرة حتى ولو كان صغيرا من المواد شديدة السمية.

وقد تتطلب الحدود القصوى للانبعاثات نظماً لاسترداد الآبار أو أجهزة التنقيب أو غيرها من معدات المراقبة، كما أن حدود تصريف مياه الصرف تؤثر على اختيار المواد للمعدات التي تستخدم في المجاري المائية، ويتزايد النظر في الآثار البيئية لدورة الحياة، بما في ذلك التصنيع والتشغيل والتخلص، في قرارات الاختيار.

المدونات والمعايير والشروط التنظيمية

ويجب أن يمتثل اختيار المواد والمعدات للقوانين والمعايير والأنظمة المنطبقة، وهذه المتطلبات تكفل الحد الأدنى من السلامة ومستويات الأداء وتوفر إطارا مشتركا للتصميم والتصنيع والتفتيش.

Pressure Vessel and Piping Codes

وينظم قانون النسيج والضغط في نظام أسوم سيم (BPVC) تصميم السفن وصناعة التلفيق والتفتيش والاختبارات في معظم الولايات القضائية، ويغطي الفرع الثامن سفن الضغط، حيث توفر الشعبة 1 أساليب التصميم حسب القواعد والشعبة 2 نُهجا للتحليل، أما المواصفات المادية، والضغوط المسموح بها، والصيغ التصميمية، ومتطلبات التخصيب، وإجراءات التفتيش فهي كلها محددة.

وتغطي رموز النظام باء-31 نظم الرزم، مع أقسام مختلفة للخدمات المختلفة: B31.1 بالنسبة لرقابة الكهرباء، B31.3 بالنسبة لعملية النزيف، B31.4 بالنسبة للنقل النفطي السائل، و B31.8 لنقل الغاز، وتحدد هذه الرموز الضغوط ودرجات الحرارة، واختيار المواد، وحسابات السمة الجدارية، وأساليب التلفيق، ومتطلبات الاختبار.

ويتطلب الامتثال للمدونة استخدام المواد المعتمدة ذات الممتلكات الموثقة وإمكانية التعقب، وتتحقق تقارير اختبار المواد من استيفاء المواد لشروط المواصفات، ويجب أن يتبع التصفير متطلبات الشفرة، مع وجود مربيات مؤهلة وإجراءات للحام، والتحقق من الامتثال للمدونة قبل دخول المعدات إلى الخدمة.

معايير الصناعة وأفضل الممارسات

وتكمل معايير الصناعة الرموز التي تتضمن متطلبات تفصيلية لأنواع أو خدمات معدات محددة، وتغطي معايير منظمة العمل الدولية (معهد النفط الأمريكي) المعدات المستخدمة عادة في الصناعات النفطية والكيميائية، بما في ذلك خزانات التخزين، ومبادلات الحرارة، والمضخات. وتحدد معايير المنظمة (رابطة مصانع البورصة) تفاصيل تصميم مبادلات الحرارة وتلفيقها.

وتحدد معايير المواد الواردة من منظمات مثل المنظمة الدولية لصرف النقود التركيبة والممتلكات وأساليب الاختبار الخاصة بالمواد، وهذه المعايير تكفل اتساق نوعية المواد وتوفر لغة مشتركة لتحديد المواد، وينبغي أن تشير مواصفات المعدات إلى المعايير المنطبقة لضمان فهم البائعين للمتطلبات.

وتوفر وثائق أفضل الممارسات من منظمات مثل المعهد الأمريكي لمهندسي المواد الكيميائية توجيهات بشأن نُهج التصميم، واعتبارات السلامة، والدروس المستفادة من تجربة الصناعة، وفي حين أن هذه الممارسات ليست إلزامية، فإنها تمثل معارف صناعية متراكمة وتساعد على تجنب المجازفات المعروفة.

النظام البيئي ونظام السلامة

وتؤثر الأنظمة البيئية على اختيار المواد والمعدات من خلال حدود الانبعاثات ومعايير التصريف ومتطلبات إدارة النفايات، وتحد أنظمة قانون الهواء النظيف من الانبعاثات الجوية، مما يتطلب معدات للرقابة أو تعديلات في العمليات، وتنظم لوائح قانون المياه النظيفة تصريفات المياه المستعملة، مما يؤثر على اختيار المواد للمعدات التي تستخدم في استخدام المجاري المائية.

(ج) أن تضع لوائح إدارة السلامة والصحة المهنيتين متطلبات السلامة في أماكن العمل، بما في ذلك إدارة سلامة العمليات للمرافق التي تُعالج المواد الكيميائية الخطرة، وتقتضي هذه الأنظمة تحليل المخاطر، وإجراءات التشغيل، وبرامج السلامة الميكانيكية، والتحقيق في الحوادث، ويجب أن يدعم اختيار المعدات الامتثال لهذه المتطلبات.

فاللوائح الدولية تختلف حسب البلد والمنطقة، إذ يجب أن تمتثل المعدات اللازمة للصادرات أو المشاريع الدولية للمتطلبات المحلية التي قد تختلف عن المعايير المحلية، فالوسم في أوروبا، مثلا، يتطلب الامتثال لتوجيهات الاتحاد الأوروبي المنطبقة، ويعتبر فهم جميع الأنظمة المنطبقة والامتثال لها أمرا أساسيا لتنفيذ المشاريع بنجاح.

الاتجاهات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

المواد والتدوينات المتقدمة

وتزيد المواد الجديدة والمعاطف من الخيارات المتاحة لتطبيقات تحدي، إذ توفر السيراميات المتقدمة درجة حرارة شديدة ومقاومة للتآكل ولكنها ترتعش وتصعب اختلاقها، وتجمع المعدات التي تعمل بالطرق البرية بين مقاومة الترسبات التي تصيب السيراميات والقوة الهيكلية للمعادن وقابليتها للاختلاق.

وتوفر المركبات البوليمرية مقاومة للتآكل بتكلفة أقل من المعادن الغريبة، وتلائم البلاستيك المقوى من المحركات المتحررة العديد من الخدمات التآكلية، مع وضع مدونات للتصميم ومعايير للتصنيع بشكل جيد الآن، وتشمل القيود القدرة على درجة الحرارة (التي تقل عن 200 درجة شرق/93 درجة مئوية) وانخفاض القوة عن المعادن.

:: توسيع نطاق تطبيق مواد الأساس من المعاطف الواقية من المواد الواقية من الارتداد، وتحمي المعاطف من فولاذ الكربون من التآكل في العديد من الخدمات، وتطبق معاطف الرذاذ الحراري أو السكك الحديدية المقاومة للتآكل على سطح المعادن الأساسية، ويجب أن ينظر اختيار المركب في طريقة التطبيق والسمك والارتفاع والتوافق مع شروط الخدمة.

الت رقمنة والمعدات الذكية

وتحوّل التكنولوجيات الرقمية عملية اختيار المعدات وتشغيلها، وتحفز ديناميات السوائل الحاسوبية أنماط التدفق، ونقل الحرارة، والخلط، والتمكين من تحقيق الاستخدام الأمثل قبل الصنع.

وتوفر أجهزة الاستشعار الذكية والآلات رصدا في الوقت الحقيقي لحالة المعدات وأدائها، وتكشف عمليات رصد التأشيرات عن وجود مشاكل في المعدات الدوارة قبل الفشل، وتتتبع عمليات رصد الكورسون فقدان المواد، وتتيح الصيانة التنبؤية، وتخفض أجهزة الاستشعار اللاسلكية تكاليف التركيب، وتتيح الرصد في المواقع التي يتعذر الوصول إليها سابقا.

وتحلل مقاييس التواؤم الرقمية - الارتداد الفيزيائي للصور التي يمكن قياسها في مجال المعدات المادية - سيناريوهات تشغيل مختلفة وتعظيم الأداء، وتقوم خوارزميات التعلم الماكين بتحليل البيانات التشغيلية للتنبؤ بالفشل، وتحسين ظروف التشغيل إلى أقصى حد، وتحسين الكفاءة، وتدمج هذه التكنولوجيات بصورة متزايدة في استراتيجيات اختيار المعدات وتشغيلها.

الاستدامة والاقتصاد العلماني

وتتزايد أهمية الاعتبارات المتعلقة باستدامة المواد والمعدات، ويصف تقييم دورة الحياة الآثار البيئية الناجمة عن استخراج المواد الخام من خلال التخلص من المواد الخام أو إعادة تدويرها، ويحدد هذا الرأي الكلي الفرص المتاحة لخفض الأثر البيئي من خلال اختيار المواد، أو كفاءة الطاقة، أو تصميم عملية إعادة التدوير.

وتشدِّد مبادئ الاقتصاد التعميمي على إعادة استخدام المواد وإعادة تدويرها بدلاً من التخلص منها، إذ إن التصميم على تفكيك المعدات يسهل تجديدها أو استردادها المادي في نهاية الحياة، كما أن اختيار المواد التي تصلح المواد القابلة لإعادة التدوير وتفادي المواد الخطرة يدعم أهداف الاقتصاد الدائري.

ويؤدي خفض البصمات الكربونية إلى اختيار المعدات ذات الكفاءة في استخدام الطاقة والمواد المنخفضة الكربون، ويؤثر تكامل الطاقة المتجددة على اختيار المعدات لتوليد الطاقة وتخزينها، وستستمر هذه الاتجاهات في تشكيل ممارسات اختيار المواد والمعدات مع تزايد أهمية الاستدامة للقرارات الهندسية.

التنفيذ العملي والوثائق العملية

وضع إجراءات اختيار المواد

وتستفيد المنظمات من إجراءات اختيار المواد الموثقة التي تستخلص الخبرة وتضمن الاتساق، وينبغي أن تحدد هذه الإجراءات عملية الاختيار، وتحدد الوثائق المطلوبة، وتحدد سلطات الموافقة، والمعايير والمواصفات المنطبقة المرجعية، وتوفر أدلة اختيار المواد للخدمات المشتركة مرجعا سريعا للتطبيقات الروتينية مع ضمان الاختيارات المتسقة.

وينبغي إدراج الدروس المستفادة من الإخفاقات أو المشاكل في إجراءات الاختيار، ويحدد تحليل الأسباب الكامنة وراء الإخفاقات المتصلة بالمواد العوامل المساهمة والتدابير الوقائية، ويحول تقاسم هذه المعارف عبر المنظمة دون تكرار عمليات الاختيار في المستقبل ويحسنها.

مواصفات المعدات وصحائف البيانات

وترسل مواصفات المعدات الشاملة الاحتياجات إلى البائعين، وتضمن تلبية المعدات المشتراة لاحتياجات المشاريع، وينبغي أن تشمل المواصفات شروط العمليات، ومتطلبات الأداء، ومواد البناء، ومدونات ومعايير التصميم، ومتطلبات الاختبار والتفتيش، والمنجزات المتعلقة بالوثائق.

وتوفر صحائف بيانات المعدات نماذج موحدة لتحديد المعدات وتوثيق مقترحات البائعين، وتضمن هذه النماذج استخلاص جميع المعلومات اللازمة وتيسير مقارنة البدائل.

تقييم البائعين واختيارهم

وينطوي اختيار البائعين على تقييم القدرات التقنية، ونظم الجودة، وأداء التسليم، والمصطلحات التجارية، ويتحقق التقييم التقني من أن المعدات المقترحة تفي بالمواصفات وأن لدى البائع قدرات تصميم وتصنيع مناسبة، ويفحص نظام الجودة إجراءات البائع لاستعراض التصميم، ومراقبة المواد، والتصنيع، والتفتيش، والاختبار.

وتوفر عمليات التحقق المرجعية مع العملاء السابقين معلومات عن أداء البائعين ونوعيتهم ومدى استجابتهم، وتتيح الزيارات الموقعية لمرافق البائعين المراقبة المباشرة للقدرات والممارسات الجيدة، وبالنسبة للمعدات الحيوية، تحقق اختبارات الشهود أثناء الاختلاق من الامتثال للمواصفات قبل الشحن.

الوثائق وحفظ السجلات

وينبغي أن تتضمن وثائق التصميم الأساس للتصميم، والحسابات، والمواصفات المادية، ورسومات الصنع، ونتائج الاختبارات، وأن توفر أدلة التشغيل والصيانة تعليمات لتشغيل المعدات بطريقة آمنة وفعالة.

وتربط وثائق تعقب المواد المواد المواد بمصدرها وتتحقق من الامتثال للمواصفات، وتوثق تقارير اختبار المواد التركيبة الكيميائية والممتلكات الميكانيكية، وتوثق مواصفات إجراءات الحام وسجلات التأهيل الإجرائية (PQR) أساليب الحام المؤهلة، وهذه الوثائق أساسية للامتثال للمدونة وتوفر سجلا مرجعيا في المستقبل.

وتتتبع سجلات الصيانة تاريخ المعدات، بما في ذلك عمليات التفتيش والإصلاح والتعديلات، وتدعم هذه المعلومات تحليل الموثوقية، وتساعد على التنبؤ باحتياجات الصيانة في المستقبل، وتوفر مدخلات قيمة لاختيار المعدات في المستقبل.

خاتمة

ويمثل اختيار المواد والمعدات في تصميم العمليات تحديا معقدا متعدد الجوانب يتطلب تكامل المعارف التقنية والتحليل الاقتصادي والاعتبارات المتعلقة بالسلامة والخبرة العملية، ويمثل اختيار المواد جانبا حاسما من التصميم الهندسي، والتوازن بين الأداء والتكلفة وقابلية التصنيع، حيث ينظر المهندسون في الخصائص الميكانيكية والمادية والكيميائية في استيفاء متطلبات المشاريع مع التخفيف من القيود الاقتصادية والمعايير التنظيمية، بما في ذلك المبادلات المعقدة بين الممتلكات والتكاليف وعمليات التصنيع.

فالنهج المنهجية المتبعة في اختيار المواد والمعدات، مدعومة بالحسابات المناسبة ومعايير التقييم، تمكن المهندسين من اتخاذ قرارات مستنيرة تُفضي إلى أداء النبات، وتضمن السلامة، وتُقلل إلى أدنى حد من تكاليف دورة الحياة، وتتطلب الطبيعة المتعددة التخصصات لهذه القرارات التعاون بين مهندسي العمليات، وأخصائيي المواد، ومصممي الميكانيكيين، وموظفي العمليات.

ومع تزايد أهمية التقدم التكنولوجي والاستدامة، لا تزال ممارسات اختيار المواد والمعدات تتطور، كما أن المواد الجديدة والأدوات الرقمية والأساليب التحليلية تزيد من الإمكانيات، مع زيادة التعقيد، ويجب على المهندسين الناجحين أن يبقوا على حالهم مع هذه التطورات مع مواصلة التركيز على المبادئ الأساسية للتصميم المأمون والكفؤ والاقتصادي.

ويدفع الاستثمار في اختيار المواد والمعدات الشاملة أرباحاً في دورة حياة النباتات من خلال تحسين الموثوقية، وخفض الصيانة، وتعزيز السلامة، وتحقيق الأداء الأمثل، وتحصل المنظمات التي تضع إجراءات اختيار قوية، وتستخلص الدروس المستفادة، وتحسن ممارساتها باستمرار على مزايا تنافسية من خلال أداء المنشآت العليا، وتخفض التكلفة الإجمالية للملكية.

الموارد الإضافية

وبالنسبة للمهندسين الذين يسعون إلى تعميق معرفتهم باختيار المواد والمعدات، فإن هناك موارد عديدة متاحة، وتقدم منظمات مهنية مثل المعهد الأمريكي لمهندسي المواد الكيميائية ومؤسسة ASME (جمعية الهندسة الميكانيكية الأمريكية) دورات ومؤتمرات ومنشورات بشأن هذه المواضيع، وتقدم منابر على الإنترنت [(FLT:0]]]] حسابات هندسية كيميائية وأدوات تصميم تيسر عملية انتقاء المعدات.

وتنشر منظمات معايير الصناعة، بما فيها منظمة العمل الدولية، وشركة ASTM، ومنظمة NACE الدولية المعايير والممارسات الموصى بها التي توفر إرشادات مفصلة لتطبيقات محددة، وتوفر الكتب الأكاديمية بشأن تصميم العمليات، وهندسة المواد، وعمليات الوحدات معارف أساسية، وتقدم المؤلفات التقنية للفندور معلومات عملية عن أنواع المعدات والتطبيقات المحددة.

ويساعد التعليم المستمر من خلال الدورات القصيرة، والشبكات الإلكترونية، وبرامج التطوير المهني المهندسين على البقاء في حالة تيار مع الممارسات والتكنولوجيات المتطورة، ويتيح المشاركة في المجتمعات المهنية فرصا للتواصل والوصول إلى الخبرة في مجال الصناعة الجماعية، وللمزيد من المعلومات عن أساسيات هندسة العمليات، توفر موارد مثل AIChE مواد تعليمية واسعة وفرصا للتطوير المهني.

وباستعمال هذه الموارد وتطبيق نُهج منهجية لاختيار المواد والمعدات، يمكن للمهندسين تصميم محطات عملية تحقق أهداف الأداء مع ضمان السلامة والموثوقية والقابلية للاستمرار الاقتصادي طوال حياتهم التشغيلية.