化学工場

化学工場は、通常大規模に化学物質を製造（または処理）する工業プロセス 工場です。 ^[1]化学工場の一般的な目的は、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生み出すことです。^[2]化学工場では、製造プロセスで特殊な装置、ユニット、および技術を使用します。ポリマー、医薬品、食品、一部の飲料製造施設、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工場では、流体システムや化学反応器システムなど、化学工場技術と類似した多くの技術を使用しています。石油精製所や医薬品またはポリマー製造業者は、事実上化学工場であると 考える人もいます。

石油化学工場（石油から得られる化学物質を原料または供給原料として使用する工場）は通常、石油精製所で生産される原料の輸送コストを最小限に抑えるために、石油精製所に隣接して設置されます。特殊化学^[3]およびファインケミカル工場は通常、はるかに小規模で、場所の影響をそれほど受けません。ある地理的場所から別の地理的場所への基本プロジェクトコストを変換するためのツールが開発されています。^[4]

化学工場では、原料化学物質を製品に変換するために、詳細な工業規模の方法である化学プロセスを使用します。同じ化学プロセスを複数の化学工場で使用することができ、各工場の規模は異なる場合があります。また、1 つの敷地内の化学工場は、複数の化学プロセスを利用して、たとえば複数の製品を生産するように構築されることもあります。

化学工場には通常、ユニットまたはラインと呼ばれる大型の容器またはセクションがあり、これらは配管または物質の流れを運ぶことができる他の物質移動装置によって相互接続されています。このような物質の流れには、流体（配管で運ばれるガスまたは液体）または時には固体またはスラリーなどの混合物が含まれます。全体的な化学プロセスは、通常、個々のユニットで行われるユニット操作と呼ばれるステップで構成されます。製品に変換される入力として化学プロセスまたはプラントに入る原材料は、一般に原料、または単に供給と呼ばれます。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物質の入力ストリームも同様にそのユニットの供給物と見なすことができます。プラント全体からの出力ストリームは最終製品であり、個々のユニットからの出力ストリームは、そのユニットの中間製品と見なすことができます。ただし、1つのプラントからの最終製品は、別のプラントでさらに処理するために原料として使用される中間化学物質である可能性があります。たとえば、石油精製所から出る一部の製品は石油化学工場の原料として使用され、石油化学工場では製薬工場の原料が生産されることがあります。

原料、製品、またはその両方が個別の化合物または混合物である場合があります。これらの混合物の成分を完全に分離することは多くの場合価値がなく、特定の純度レベルは製品要件とプロセスの経済性に依存します。

化学プロセスは連続操作またはバッチ操作で実行できます。

バッチ操作では、生産は個別のバッチで時系列の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供給（または装填）され、次に化学プロセスが行われ、次に製品と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で何度も繰り返される場合があります。バッチ操作は、トレーサビリティと柔軟性を向上させる目的で、医薬品や特殊化学品の生産などの小規模プラントでよく使用されます。連続プラントは通常、コモディティまたは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生産、および有効医薬品成分（API）の製造でより一般的です。

連続運転では、すべてのステップが時間的に連続的に進行します。^[5]通常の連続運転では、供給と製品の除去は移動する物質の継続的なストリームであり、プロセス自体と一緒に、すべて同時かつ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、プロセスに関連する量が操作中に時間の経過とともに変化しないことを意味します。このような一定量には、ストリームの流量、加熱または冷却速度、温度、圧力、および任意の特定のポイント (場所) での化学組成が含まれます。石油精製所などの多くの大規模操作では、連続運転の方が効率的です。化学プラントでは、一部のユニットを連続的に操作し、他のユニットをバッチ操作で操作することが可能です。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処理できる単位時間あたりの主要な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 日に精製される原油のバレル数で表されます。あるいは、化学プラントの生産能力は、1 日に生産される製品のトン数で表されます。実際の毎日の運用では、プラント (またはユニット) は最大生産能力の一定の割合で稼働します。エンジニアは通常、主に液体を扱うプラントでは稼働時間を 90%、主に固体を扱うプラントでは稼働時間を 80% と想定します。

特定のユニット操作は、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動作しますが、多くのユニットはそれより高いまたはより低い温度または圧力で動作します。化学プラントの容器は、多くの場合、両端が丸い円筒形で、高圧または真空を保持するのに適した形状です。化学反応により、化学反応器で特定の種類の化合物を他の化合物に変換できます。化学反応器は充填床で、液体が反応器を通過するときに反応器内に留ま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容器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「毒化」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。場合によっては、良好な混合を確保するために流動床を使用することもあります。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のためのユニット (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、温度維持のための加熱または冷却が備わっていることがよくあります。大規模なプラントを設計する場合、化学反応によって生成または吸収される熱を考慮する必要があります。一部のプラントには、発酵や酵素生産 などの生化学プロセスのための生物培養ユニットが備えられている場合があります。

分離プロセスには、濾過、沈降、抽出または浸出、蒸留、再結晶または沈殿（その後濾過または沈降）、逆浸透、乾燥、および吸着が含まれます。熱交換器は、沸騰または凝縮を含む加熱または冷却によく使用され、蒸留塔などの他の装置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、または廃棄物を保管するための貯蔵タンクがある場合もあります。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付いています。時には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人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設けられていることがよくあります。多数の貯蔵タンクがある工場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。

液体や気体を運ぶ流体システムには、さまざまな直径のパイプやチューブ、流れを制御または停止するためのさまざまな種類のバルブ、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。高温または極低温の容器、パイプ、チューブ、および場合によってはその他の機器は、通常、人員の安全と内部の温度維持のために断熱材で覆われています。流体システムとユニットには、通常、工場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装があります。化学特性または物理特性を分析するためのオンライン分析装置が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または材料を溶解したり、特定の化学反応を実行するのに適した媒体を提供したり、そうでなければ流体として扱ったりするために使用されることがあります。

今日、化学プラントの設計の基本的な部分は化学技術者によって行われています。歴史的には、常にそうであったわけではなく、化学工学の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。化学工学は、1887年にマンチェスター大学でジョージ・E・デイビスによって産業化学の実践のさまざまな側面をカバーする12の講義の形で最初の化学工学コースが行われた際に、英国で初めて専門職として確立されました。 ^[6]その結果、ジョージ・E・デイビスは世界初の化学技術者と見なされています。今日、化学工学は専門職であり、経験を積んだプロの化学技術者は化学技術者協会を通じて「公認」技術者の地位を得ることができます。

プラント設計では、新しい設計のアイデアのうち、商品化されるのは通常 1% 未満です。この解決プロセスでは、通常、コスト調査が最初のスクリーニングとして使用され、不採算の設計が排除されます。プロセスが収益性が高いと思われる場合は、安全性、環境制約、制御性などの他の要因が考慮されます。^[2] プラント設計の一般的な目標は、望ましい制約の範囲内で「最適な設計」を構築または合成することです。^[7]

多くの場合、化学者は研究室で化学反応やその他の化学原理を研究しますが、通常は「バッチ型」の実験で小規模に行われます。得られた化学情報は、化学エンジニアが自身の専門知識とともに、化学プロセスに変換してバッチ サイズや容量を拡大するために使用されます。通常、パイロット プラントと呼ばれる小規模な化学プラントは、大規模なプラントを建設する前に設計および運用情報を提供するために構築されます。パイロット プラントから得られたデータと運用経験から、より大きな容量または最大容量に合わせてスケールアップされたプラントを設計できます。プラント設計の基本的な側面が決定された後、機械エンジニアまたは電気エンジニアがそれぞれ機械の詳細または電気の詳細に関与する場合があります。構造エンジニアは、ユニット、配管、およびその他の機器の 重量を構造が支えられるようにするために、プラント設計に関与する場合があります。

化学プラントまたはプロセスのユニット、ストリーム、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。ストリームやその他の配管は、通常の物質の流れの方向を示す矢印の付いた線で示されます。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多いです。プロセスフロー図では、より詳細な記号が使用され、ポンプ、コンプレッサー、主要なバルブが示される場合があります。さまざまなストリーム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。エネルギー収支は、反応熱、熱容量、予想温度、およびさまざまなポイントの圧力に基づいて行われ、さまざまな場所で必要な加熱と冷却の量を計算し、熱交換器のサイズを決定します。化学プラントの設計は、すべての配管、チューブ、バルブ、および計装を通常は特別な記号で示す配管および計装図(P&ID) でより詳細に示すことができます。 P&ID でプラント全体を表示するのは複雑な場合が多いため、単一の P&ID には個々のユニットまたは特定の流体システムのみが表示されることがよくあります。

プラント設計では、ユニットはそれぞれが処理しなければならない最大容量に合わせてサイズが決められます。同様に、パイプ、ポンプ、コンプレッサー、および関連機器のサイズは、処理しなければならない流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。プラントまたはユニットの起動や停止など、非定型または代替の操作手順用の追加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には、ユニットの漏れ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、さまざまなユニットまたはプラントの部品の周りに遮断バルブが含まれるのが一般的です。空気圧または油圧で作動するバルブを使用する場合は、アクチュエータへの加圧ラインの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ポイントには、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詳細設計に含める必要があります。必要に応じて、減圧バルブやサンプル クーラーなど、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と流体システムは、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、そのようなすべてのユニットと機器は、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、材料の適合性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、機器の定格を超えて加圧する可能性のあるプラント内の閉鎖系には、安全のために過圧を防ぐ適切なサイズの圧力リリーフバルブを含める必要があります。多くの場合、これらのパラメーター (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を通じ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が保証されます。

工場が受けるあらゆる制約の範囲内で、設計パラメータは、従業員と周辺地域の安全と福祉を確保しながら、良好な経済的パフォーマンスが得られるように最適化されます。柔軟性のために、原料や経済状況が変化して再最適化が必要な場合に備えて、工場はいくつかの最適な設計パラメータの範囲内で動作するように設計される場合があります。より近代では、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、化学工場の設計や最適化に役立っています。

プロセス制御では、工場内のさまざまなセンサーやその他のデバイスから自動的に収集された情報を使用して、工場を稼働させるさまざまな機器を制御し、それによって工場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がプロセスコントローラーです。以前は、空気圧制御が使用されることがありました。現在では電気制御が一般的です。工場には多くの場合、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、その他の機器の動作位置などのパラメーターを表示する制御室があります。さらに、制御室のオペレーターは、多くの場合、自動制御を無効にすることを含む、工場操作のさまざまな側面を制御できます。コンピューターを使用したプロセス制御は、より現代的なテクノロジーを表しています。原料の組成の変化、製品の要件や経済性の変化、または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動作条件を再最適化することができます。

あらゆる産業環境と同様に、化学工場施設全体ではさまざまな労働者が働いており、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編成されています。このような労働者には通常、エンジニア、プラント オペレーター、保守技術者が含まれます。現場のその他の人員には、化学者、管理者、事務員が含まれます。運用や保守に携わるエンジニアの種類には、化学プロセス エンジニア、機械設備を保守する機械エンジニア、電気またはコンピューター設備を担当する電気/コンピューター エンジニアなどがあります。

大量の液体原料または製品は、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に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り込まれます。少量の原料または製品は、ドラムで工場との間で輸送される場合があります。約 55 ガロンの容量のドラムの使用は、工業量の化学物質を梱包する場合に一般的です。少量の原料バッチは、作業員がドラムまたは他の容器からプロセス ユニットに追加できます。

プラントへの供給と操作、製品の梱包や出荷準備に加えて、プラント作業員は、日常分析やトラブルシューティング分析用のサンプル採取、および日常保守と非日常保守を行う必要があります。日常保守には、定期的な検査や、摩耗した触媒、分析試薬、各種センサー、機械部品の交換が含まれます。非日常保守には、漏れ、供給または製品の仕様を満たしていない、バルブ、ポンプ、コンプレッサー、センサーなどの機械的な故障などの問題の調査と修正が含まれます。

化学物質を扱う場合、化学事故などの問題を避けるために安全性が懸念事項です。米国では、化学物質を扱う労働者に対し、取り扱うあらゆる種類の化学物質の化学物質安全データシート(MSDS) へのアクセスを雇用主が提供しなければならないという法律があります。特定の化学物質の MSDS は、化学物質を購入した人に供給者が作成して提供します。化学物質の安全性、有害廃棄物、汚染をカバーするその他の法律、たとえば資源保全回収法(RCRA) や有毒物質規制法(TSCA) などの法令や、米国の化学施設反テロ基準などの規制も遵守する必要があります。Hazmat (危険物) チームは、化学物質の漏れ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、化学工場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、米国化学物質安全性・有害性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工場は、主にインフラの必要性から、世界中で比較的少数の製造拠点に立地しています。これは、特殊化学品やファインケミカルのバッチ工場ではそれほど重要ではありません。すべての汎用化学品/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、関連する材料のグループは、産業共生、材料、エネルギー、ユーティリティの効率、およびその他の規模の経済を誘発するために、多くの場合 1 か所で生産されます。これらの製造拠点には、多くの場合、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インフラストラクチャを共有する化学工場と呼ばれるユニットのビジネスクラスターがあります。たとえば英国では、汎用化学品を製造する主な拠点が 4 つあります。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、スコットランドのフォース湾近くのグランジマウス、および北東イングランド 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。^[8]英国の石油化学製品の約50％は、汎用化学品でもあり、ティーズ川河口のティーズサイドにある産業クラスター企業によってウィルトン、^[9]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で生産されています。

化学プロセス プラントにおける腐食は、年間数十億ドルを消費する大きな問題です。化学プロセス プラントでは、酸性煙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です。最近では、FRP (繊維強化プラスチック) が建設材料として使用されています。英国標準規格BS4994 は、容器、タンクなどの設計と建設に広く使用されています。

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• イングランド北東部プロセス産業クラスター
• 化学技術者協会
• Sグラフ
• ユニット操作

• ASME B73 標準委員会、化学標準ポンプ
• Helmus, Frank P. (2008).プロセスプラント設計: 問い合わせから承認までのプロジェクト管理。Weinheim: Wiley- VCH。ISBN 978-3527313136。
• Kletz, Trevor (2010)。プロセスプラント：本質的に安全な設計のためのハンドブック（第2版）。フロリダ州ボカラトン：CRC Press/Taylor & Francis。ISBN 978-1439804551。
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• Vogel, G. Herbert (2005).プロセス開発: 最初のアイデアから化学生産プラントまで(第 1 版、再版). Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3527310890。
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