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化学プラントは、通常大規模に化学物質を製造（またはその他の方法で処理）する工業プロセスプラントです。 [ 1 ]化学プラントの一般的な目的は、物質の化学的または生物学的変換および/または分離によって新しい物質的富を創造することです。[ 2 ]化学プラントは、製造プロセスで特殊な機器、ユニット、および技術を使用します。ポリマー、医薬品、食品、および一部の飲料の製造施設、発電所、石油精製所またはその他の精製所、天然ガス処理および生化学プラント、水および廃水処理、および汚染防止装置などの他の種類のプラントは、流体システムや化学反応器システムなど、化学プラントの技術と類似した多くの技術を使用します。石油精製所や医薬品またはポリマー製造業者を実質的に化学プラントと考える人もいます。
石油化学プラント（石油由来の化学物質を原料または供給源として使用するプラント）は、通常、製油所で生産される供給源の輸送コストを最小限に抑えるために、製油所の隣に設置されます。特殊化学品[ 3 ]およびファインケミカルプラントは通常、はるかに小規模で、立地条件にそれほど左右されません。ある地理的場所の基本プロジェクトコストを別の地理的場所に変換するためのツールが開発されています。[ 4 ]
化学プラントは、原料化学物質を製品に変換するために、詳細な工業規模の化学プロセスを使用します。同じ化学プロセスが複数の化学プラントで使用される場合があり、各プラントの生産能力は異なる場合があります。また、1つの敷地内に複数の化学プロセスを利用して、例えば複数の製品を生産できるように化学プラントが建設されることもあります。
化学プラントは通常、ユニットまたはラインと呼ばれる大型の容器やセクションで構成され、これらは配管やその他の物質搬送装置によって相互に接続され、物質の流れを運びます。このような物質の流れには、流体（配管内を流れる気体または液体）や、固体、スラリーなどの混合物が含まれる場合があります。化学プロセス全体は、通常、個々のユニットで行われる単位操作と呼ばれるステップで構成されています。化学プロセスまたはプラントに入力として投入され、製品に変換される原材料は、一般的に原料、または単にフィードと呼ばれます。プラント全体の原料に加えて、特定のユニットで処理される入力物質の流れも、同様にそのユニットのフィードとみなすことができます。プラント全体の出力ストリームは最終製品であり、個々のユニットの出力ストリームは、そのユニットの中間製品とみなされる場合もあります。ただし、あるプラントの最終製品は、別のプラントでさらなる処理のための原料として使用される中間化学物質である場合があります。たとえば、石油精製所からの製品の一部は、石油化学プラントの原料として使用され、石油化学プラントは、さらに製薬プラントの原料を生産する場合があります。
原料、製品、またはその両方が、単一の化合物または混合物である場合がある。これらの混合物中の成分を完全に分離することは、多くの場合、費用対効果に見合わない。必要な純度レベルは、製品の要件とプロセスの経済性によって決まる。
化学プロセスは、連続運転またはバッチ運転で実施することができる。
バッチ操作では、生産は個別のバッチで時間的に連続したステップで行われます。原料のバッチがプロセスまたはユニットに投入（または投入）され、化学プロセスが実行され、その後、製品およびその他の出力が取り出されます。このようなバッチ生産は、新しい原料のバッチを使用して何度も繰り返すことができます。バッチ操作は、トレーサビリティの向上と柔軟性を目的として、医薬品や特殊化学品の製造など、小規模なプラントで一般的に使用されています。連続プラントは通常、汎用化学品や石油化学製品の製造に使用されますが、バッチプラントは特殊化学品やファインケミカルの製造、および医薬品有効成分（API）の製造でより一般的です。
連続運転では、すべての工程が時間的に連続して行われます。通常の連続運転では、原料の供給と製品の除去は、プロセス自体とともに、常に移動する物質の流れであり、すべて同時に連続的に行われます。連続運転中の化学プラントまたはユニットは、通常、定常状態またはほぼ定常状態にあります。定常状態とは、運転中に時間の経過とともにプロセスに関連する量が変化しないことを意味します。このような一定の量には、任意の点（場所）における流量、加熱または冷却速度、温度、圧力、および化学組成が含まれます。連続運転は、石油精製所などの多くの大規模オペレーションでより効率的です。化学プラントでは、一部のユニットが連続運転され、他のユニットがバッチ運転されることもあります。たとえば、連続蒸留とバッチ蒸留を参照してください。プラントまたはユニットが単位時間あたりに処理できる一次原料または製品の量は、そのプラントまたはユニットの容量と呼ばれます。たとえば、石油精製所の容量は、1日あたりに精製される原油のバレル数で表されることがあります。あるいは、化学プラントの容量は、1日あたりに生産される製品のトン数で表されることがあります。実際の日常的な操業において、プラント（またはユニット）は最大能力の一定割合で稼働します。エンジニアは通常、主に流体を扱うプラントでは稼働率90%、主に固体を扱うプラントでは稼働率80%を想定しています。
特定の単位操作は、特定の種類のユニットで行われます。一部のユニットは常温または常圧で運転できますが、多くのユニットはより高いまたは低い温度または圧力で運転されます。化学プラントの容器は、多くの場合、両端が丸みを帯びた円筒形であり、高圧または真空のどちらにも対応できる形状になっています。化学反応は、化学反応器内で特定の種類の化合物を他の化合物に変換することができます。化学反応器は、充填層であり、流体が通過する際に反応器内に残る固体不均一触媒を備えている場合もあれば、単に反応が起こる撹拌槽である場合もあります。固体不均一触媒の表面は、コークスなどの堆積物によって「被毒」されることがあるため、触媒の再生が必要になる場合があります。良好な混合を確保するために、流動床が使用される場合もあります。混合（溶解を含む）、分離、加熱、冷却、またはこれらの組み合わせを行うためのユニット（またはサブユニット）もあります。たとえば、化学反応器には、混合のための撹拌と、温度を維持するための加熱または冷却がよく使用されます。大規模なプラントを設計する際には、化学反応によって発生または吸収される熱を考慮する必要があります。プラントによっては、発酵や酵素生産などの生化学プロセスを行うための微生物培養ユニットを備えている場合もあります。
分離プロセスには、ろ過、沈降（沈殿）、抽出または浸出、蒸留、再結晶または沈殿（ろ過または沈降に続く）、逆浸透、乾燥、吸着などがあります。熱交換器は、加熱または冷却（沸騰または凝縮を含む）によく使用され、蒸留塔などの他のユニットと組み合わせて使用されることがよくあります。原料、中間製品または最終製品、または廃棄物を貯蔵するための貯蔵タンクもあります。貯蔵タンクには通常、満杯度を示すレベルインジケーターがあります。巨大なユニットとその関連機器を保持または支持する構造物がある場合があります。サンプリング、検査、またはメンテナンスのために、作業員がユニット内のポイントに到達できるように、階段、はしご、またはその他のステップがよくあります。多数の貯蔵タンクがあるプラントまたは施設のエリアは、特に石油貯蔵所では、タンクファームと呼ばれることがあります。
液体や気体を輸送するための流体システムには、さまざまな直径の配管やチューブ、流量を制御または停止するためのさまざまなタイプのバルブ、液体を移動または加圧するためのポンプ、気体を加圧または移動するためのコンプレッサーが含まれます。容器、配管、チューブ、および場合によってはその他の機器は、高温または極低温にある場合、作業員の安全と内部温度の維持のために断熱材で覆われているのが一般的です。流体システムおよびユニットには、プラント内の特定の場所に温度センサーや圧力センサー、流量測定装置などの計測機器が一般的に設置されています。化学的または物理的特性分析のためのオンライン分析装置がより一般的になっています。溶媒は、抽出または浸出のために固体などの反応物や材料を溶解したり、特定の化学反応を実行するための適切な媒体を提供したり、または流体として扱うことができるようにするために使用されることがあります。
今日では、化学プラントの設計の基本は化学技術者によって行われています。歴史的には、必ずしもそうではなく、化学工学という学問分野が確立される前に、多くの化学プラントが無計画に建設されました。化学工学が専門職として確立されたのは、1887年にマンチェスター大学でジョージ・E・デイビスが産業化学の実践のさまざまな側面を網羅した12回の講義の形で最初の化学工学コースを開講した時、イギリスにおいてでした。[ 5 ]その結果、ジョージ・E・デイビスは世界初の化学技術者とみなされています。今日、化学工学は専門職であり、経験のあるプロの化学技術者は、化学技術者協会を通じて「公認」技術者の資格を取得できます。
プラント設計では、新しい設計のアイデアのうち、実際に商品化されるのは通常 1 パーセント未満です。このソリューション プロセスでは、通常、コスト調査が初期スクリーニングとして使用され、収益性の低い設計が除外されます。プロセスが収益性があると判断された場合、安全性、環境制約、制御性などの他の要素が考慮されます。[ 2 ] プラント設計の一般的な目標は、望ましい制約の近傍で「最適な設計」を構築または合成することです。[ 6 ]
化学者は、多くの場合、実験室で化学反応やその他の化学原理を研究します。これは一般的に「バッチ式」の小規模実験で行われます。得られた化学情報は、化学技術者が自身の専門知識と合わせて、化学プロセスに変換し、バッチサイズや生産能力をスケールアップするために利用されます。通常、大規模プラントの建設前に、設計および運転情報を得るために、パイロットプラントと呼ばれる小規模な化学プラントが建設されます。パイロットプラントから得られたデータと運転経験に基づいて、より高い生産能力またはフル生産能力に対応したスケールアッププラントを設計することができます。プラント設計の基本的な側面が決定された後、機械技術者または電気技術者がそれぞれ機械的または電気的な詳細に関与することがあります。構造技術者は、構造物がユニット、配管、その他の機器の重量を支えられることを確認するために、プラント設計に関与することがあります。
化学プラントやプロセスのユニット、流れ、流体システムは、非常に簡略化されたブロックフロー図、またはやや詳細なプロセスフロー図で表すことができます。流れやその他の配管は、物質の流れの通常の方向を示す矢印付きの線で示されます。ブロック図では、ユニットは単にブロックとして示されることがよくあります。プロセスフロー図では、より詳細な記号を使用し、ポンプ、コンプレッサー、主要なバルブを示すことができます。さまざまな流れの物質流量の可能性のある値または範囲は、物質収支計算を使用して、必要なプラント容量に基づいて決定されます。エネルギー収支も、さまざまな場所で必要な加熱および冷却の量を計算し、熱交換器のサイズを決定するために、さまざまなポイントでの反応熱、熱容量、予想温度、圧力に基づいて行われます。化学プラントの設計は、配管、チューブ、バルブ、計装機器すべてを通常特別な記号で示す配管計装図（P&ID）でより詳細に示すことができます。 P&ID図面でプラント全体を示すのは複雑な場合が多いため、多くの場合、個々のユニットまたは特定の流体システムのみが1枚のP&ID図面に示されます。
プラント設計では、各ユニットはそれぞれが処理する必要のある最大容量に合わせてサイズが決定されます。同様に、配管、ポンプ、コンプレッサー、および関連機器のサイズは、処理する必要のある流量容量に合わせて選択されます。電力や給水などのユーティリティシステムもプラント設計に含める必要があります。プラントやユニットの起動や停止など、非定常または代替の運転手順のための追加の配管ラインを含める必要がある場合があります。流体システムの設計では、ユニットの漏洩などの問題が発生した場合にプラントの一部を隔離できるように、プラントのさまざまなユニットまたは部分の周囲に隔離弁が一般的に含まれています。空気圧または油圧作動弁を使用する場合は、アクチュエータへの加圧ラインシステムが必要です。プロセスサンプルを採取する必要がある可能性のあるすべてのポイントには、詳細設計にサンプリングライン、バルブ、およびそれらへのアクセスを含める必要があります。必要に応じて、減圧弁やサンプルクーラーなどを含めて、サンプリングストリームの高圧または高温を下げるための対策を講じる必要があります。
プラント内のすべての容器、配管、チューブ、バルブ、ポンプ、コンプレッサー、その他の機器を含むユニットおよび流体システムは、適切な安全係数を含め、遭遇する可能性のある圧力、温度、その他の条件の全範囲に耐えられるように定格または設計されている必要があります。また、すべてのユニットおよび機器は、接触する化学物質への長期暴露に耐えられることを確認するために、材料適合性についてもチェックする必要があります。加熱、発熱反応、特定のポンプやコンプレッサーなど、機器の定格を超える圧力をかける手段を持つプラント内の密閉システムには、安全のために過圧を防ぐために適切なサイズの圧力逃がし弁を設ける必要があります。多くの場合、これらのパラメータ（温度、圧力、流量など）はすべて、 HAZOPまたはフォールトツリー分析によって組み合わせて徹底的に分析され、プラントに重大な危険の既知のリスクがないことを確認します。
プラントが直面するあらゆる制約条件の中で、設計パラメータは、従業員および周辺地域の安全と福祉を確保しつつ、良好な経済性能を実現するように最適化されます。柔軟性を確保するため、原料や経済状況の変化に応じて再最適化が必要となる場合に備え、プラントは最適な設計パラメータを中心とした範囲で運転できるように設計されることがあります。近年では、化学プラントの設計や最適化を支援するために、コンピュータシミュレーションやその他のコンピュータ計算が用いられています。
プロセス制御では、プラント内のさまざまなセンサーやその他の装置から自動的に収集された情報を使用して、プラントを稼働させるためのさまざまな機器を制御し、それによってプラントの運転を制御します。このような情報信号を受信し、制御信号を送信してこの機能を自動的に実行する機器は、プロセスコントローラです。以前は、空気圧制御が使用されることもありましたが、現在では電気制御が一般的です。プラントには、主要な温度、圧力、流体の流量とレベル、主要なバルブ、ポンプ、その他の機器の運転位置などのパラメータを表示する制御室がよくあります。さらに、制御室のオペレーターは、プラント運転のさまざまな側面を制御でき、多くの場合、自動制御のオーバーライドも含まれます。コンピュータによるプロセス制御は、より現代的な技術です。原料組成の変化、製品要件や経済性の変化、その他の制約の変化に基づいて、利益を最大化するために運転条件を再最適化することができます。
他のあらゆる産業現場と同様に、化学プラント施設内には様々な職種の作業員がおり、多くの場合、部門、セクション、またはその他の作業グループに組織されています。こうした作業員には、一般的に、技術者、プラントオペレーター、保守技術者などが含まれます。その他、化学者、管理・事務職員、事務員なども現場にいる可能性があります。操業や保守に関わる技術者の種類としては、化学プロセス技術者、機械設備の保守を担当する機械技術者、電気設備やコンピュータ設備を担当する電気・コンピュータ技術者などが挙げられます。
大量の液体原料や製品は、パイプライン、鉄道タンク車、またはタンクローリーによって工場に出入りすることがあります。たとえば、石油は一般的にパイプラインで製油所に運ばれます。パイプラインは、製油所から近くの石油化学工場へ石油化学原料を運ぶこともできます。天然ガスは、天然ガス処理工場から最終消費者までパイプラインまたはチューブで運ばれる製品です。大量の液体原料は通常、プロセスユニットにポンプで送られます。少量の原料や製品は、ドラム缶で工場に出入りすることがあります。容量約55ガロンのドラム缶は、工業量の化学物質を包装するのに一般的です。少量の原料は、作業員がドラム缶やその他の容器からプロセスユニットに投入することができます。
プラントの稼働や原料の供給、製品の梱包や出荷準備に加え、プラント作業員は、日常的な分析やトラブルシューティングのためのサンプル採取、および日常的・非日常的なメンテナンス作業を行うためにも必要とされます。日常的なメンテナンスには、定期的な点検や、摩耗した触媒、分析試薬、各種センサー、機械部品の交換などが含まれます。非日常的なメンテナンスには、漏れ、原料や製品の仕様不適合、バルブ、ポンプ、コンプレッサー、センサーなどの機械的故障といった問題の調査と修理が含まれます。
化学物質を取り扱う際には、化学事故などの問題を回避するために安全性が重要となります。米国では、雇用主は化学物質を取り扱う労働者に対し、取り扱う化学物質の種類ごとに安全データシート（MSDS）へのアクセスを提供することが法律で義務付けられています。特定の化学物質のMSDSは、供給業者によって作成され、その化学物質を購入する者に提供されます。化学物質の安全性、有害廃棄物、汚染に関するその他の法律も遵守する必要があり、これには資源保全回復法（RCRA）や有害物質規制法（TSCA）などの法令、および米国の化学施設テロ対策基準などの規制が含まれます。危険物（ハズマット）チームは、化学物質の漏洩や流出に対処するための訓練を受けています。プロセスハザード分析（PHA）は、化学プラントにおける潜在的な危険性を評価するために使用されます。1998年には、米国化学安全・ハザード調査委員会が活動を開始しました。
特に汎用化学品や石油化学品の製造に使用される化学プラントは、インフラの必要性から、世界の比較的少数の製造拠点に集中しています。これは、特殊化学品やファインケミカルのバッチプラントではそれほど重要ではありません。すべての汎用化学品や石油化学品が1か所で生産されるわけではありませんが、産業共生や材料、エネルギー、ユーティリティの効率化、その他の規模の経済を促進するために、関連する材料のグループがまとめて生産されることがよくあります。これらの製造拠点には、発電所、港湾施設、道路や鉄道ターミナルなどのユーティリティや大規模なインフラを共有する化学プラントと呼ばれる事業クラスターが存在することがよくあります。たとえば、英国では、汎用化学品の製造拠点として主に4か所があります。イングランド北西部のマージー川付近、ヨークシャー東海岸のハンバー川沿い、スコットランドのフォース湾近くのグランジマス、そしてイングランド北東部プロセス産業クラスター（NEPIC）の一部であるティーズサイドです。[ 7 ]英国の石油化学製品（汎用化学品でもある）の約50%は、ティーズ川河口のティーズサイドにあるウィルトン、[ 8 ]ビリンガム、シールサンズの3つの大規模な化学工業団地の産業クラスター企業によって生産されている。
化学プラントにおける腐食は、年間数十億ドルもの費用がかかる大きな問題です。化学プラントでは、酸性ガスやその他の電解反応の存在により、金属の電気化学的腐食が顕著に発生します。近年、FRP（繊維強化プラスチック）が構造材料として使用されています。英国規格BS4994は、容器やタンクなどの設計・製造に広く用いられています。