مقدمة للعمليات الطبيعية فى الهندسة الكيميائية

إعداد و كتابة: مهندس / حسين جمال مدين

تدقيق علمى و نشر: مهندس / محمد كمال عبدالعزيز

لابد أنك تعرضت كثيرًا لمصطلح العمليات الطبيعية Unit Operations سواء فى دراسة الهندسة الكيميائية أو مجالات العمل المختلفة المتعلقة بالهندسة الكيميائية والصناعات التحويلية ولابد أنك تساءلت عن ماهية العمليات الطبيعية وتصنيفها والفرق بينها وبين العمليات الكيميائية Unit Processes.

ما سبب تسمية العمليات الطبيعية بهذا الاسم؟هل يعنى ذلك أنها تتم بدون تدخل الانسان؟

سبب تسميتها بهذا الاسم نسبة لعلم الطبيعة والذي يطلق على علم الفيزياء وهذا يعنى أن العمليات الطبيعية هى أى عملية فى الصناعة تُحدث تغيير فى الخواص الفيزيائية للمادة دون إحداث أى تغيير فى التركيب الكيميائى للمادة.

مثال: التقطير يؤدى الى تغيير فى تركيز المكونات,الطحن يؤدى إلى تغيير فى حجم جزيئات المادة الصلبة, الضغط باستخدام المضخات يؤدى الى تغيير فى ضغط السائل, التسخين باستخدام المبادل الحراري يؤدي إلى تغيير فى درجة حرارة المائع.

و كما نلاحظ فى هذه الأمثلة أنه لا يحدث أى تغير فى التركيب الكيميائى للمادة لكن يحدث تغيير فى الخواص الفيزيائية فقط. بينما المجال المهتم بحدوث التغير فى التركيب الكيميائى هو هندسة التفاعلات الكيميائية وتصميم المفاعلات.ومع ذلك نجد أن كِلا النوعين من العمليات( الطبيعية والكيميائية) يجب أن يوجد بشكل متلازم فى معظم الصناعات وخاصةً الصناعات التحويلية التي تجرى بشكل عام على 3 خطوات:

عمليات ما قبل المفاعل الكيميائي وتكون عمليات طبيعية هدفها فصل المواد الخام و جعلها مناسبة لدخول المفاعل من حيث درجة الحرارة بشكل عام والشكل والحجم فى حالة المواد الصلبة والضغط فى حالة الموائع وخواص أخرى عديدة.
مرحلة المفاعل والتى يحدث فيها تفاعل يؤدى إلى تغيير فى التركيب الكيميائى والحصول على المنتج المرغوب فيه ولكن المتفاعلات لا تتفاعل بأكملها ولكنها تتفاعل بنسبة معينة قد تصل إلى 90:95% فى أقصى حالاتها .
لذلك توجد المرحلة الأخيرة وهى مرحلة ما بعد المفاعل والتي تفصل المنتج المطلوب عن المتفاعلات التى لم يحدث لها تفاعل وتعيد تدويرها إلى المفاعل أو مرحلة ما قبل المفاعل مرة اخرى وأيضا تجعل المنتج فى صورة نقية مناسبة للتسويق .

والرسم التالي يوضح العمليات السابقة :

المثال التالي يوضح هذه العمليات:

تبدأ صناعة الاسمنت بمجموعة من العمليات الطبيعية تتمثل فى تكسير crushing المواد الخام ثم طحنها grinding الى أجزاء دقيقة ثم خلطها mixing مع الاضافات المطلوبة ومن ثم نقلها الى الفرن الدوار rotary kiln الذى يمثل المفاعل فى صناعة الأسمنت و الناتج من الفرن تحدث له مجموعة من العمليات الطبيعية تتمثل فى التبريد cooling و التجفيف drying والطحن grinding وأخيرًا التعبئة والتسويق بعد أن يصبح المنتج جاهزا فى صورته النهائية .

العمليات الطبيعية تعتمد على كلٍ من العلم والخبرة فى نفس الوقت لذلك لدراسة العمليات الطبيعية بشكل جيد يجب الاهتمام بالنظريات العلمية من ديناميكا حرارية Thermodynamics وميكانيكا الموائع Fluid mechanics وانتقال الحرارة Heat transfer انتقال المادة Mass transfer وموازنة المادة والطاقة Mass and Energy balances من جانب وعلى الجانب الأخر يجب الاهتمام بدراسة المعدات و ألية عملها وتصميمها الميكانيكى وتركيبها وصيانتها .

تصنيف العمليات الطبيعية

تصنيف العمليات الطبيعية من المواضيع المهمة للمهندس الكيميائي ويوجد اكثر من طريقة للتصنيف منها:

التصنيف بناءً على نوع الطاقة المنتقلة من المعدة الى المادة سواء كانت طاقة ميكانيكية أو كهربية أو حرارية.
التصنيف بناءً على نوع ظاهرة الانتقال التى تحدث سواءً كان انتقال حرارة Heat transfer أو انتقال مادة Mass transfer أو انتقال موائع بالدفع Momentum transfer أو عمليات الميكانيكية Mechanical operations.

فى هذا المقال سنتناول التصنيف الثاني:

العمليات الطبيعية التي تشمل انتقال حرارة Heat Transfer:

المبادلات الحرارية Heat exchangers وتستخدم لنقل الحرارة من خط سريان Stream مرتفع فى درجة الحرارة إلى آخر منخفض فى درجة الحرارة بحيث يحدث توفير فى الطاقة الحرارية للصناعة ككل وتعتبر من أكثر عمليات انتقال الحرارة شيوعًا فى المصانع.
سخانات النار Fire heaters ويتم التسخين فيها بتعريض أنابيب يمر بها المائع للنار المباشرة. مثل الغلايات Boilers وتستخدم لتحويل سائل معين للحالة الغازية بضغط و درجة حرارة مرتفعين لاستخدامه فى غرض معين فى الصناعه (عادةً تسخين المياه للحصول على البخار و استخدامه للتسخين أو الحصول على الطاقة الكهربية) .
التكثيف Condensation وتتم بسحب طاقة حرارية من المادة لتحويل البخار إلى سائل لاستخدامه فى غرض معين.
التبخير Evaporation و يتم بإمداد طاقة حرارية للسائل (عادة عن طريق البخار الغير مباشر Steam) دون الوصول الى مرحلة الغليان وتستخدم لزيادة تركيز مادة معينة فى محلول يحتويها مثل تركيز محلول السكر والعصائر .
الصهر Melting ويتم بإمداد كمية كبيرة من الطاقة الحرارية للمادة الصلبة كافية لصهرها وعادةً ما تكون معادن لتكوين سبائك أو مواد بوليمرية (بلاستيك) لتشكيلها وأحيانًا أملاح .
التبريد بالهواء Air Cooling ويتم باستخدام الهواء للتبريد ويستخدم عندما يكون اقتصادى أكثر من المبادلات الحرارية أو عند عدم توفر خط سريان ذو درجة حرارة منخفضة ويتم باستخدام مراوح تبريد أو ابراج التبريد.
الاسالة liquefaction و تتم بسحب طاقة حرارية من الغاز مع التأثير بضغط مرتفع لتحويله الى الحالة السائلة و التي تكون اسهل فى النقل و تستخدم فى بعض الأغراض الصناعية.

العمليات الطبيعية التي تشمل انتقال مادة Mass Transfer :

(بعضها يشمل أنتقال مادة و حرارة فى نفس الوقت ولكن تم الأتفاق أن توضع تحت تصنيف انتقال المادة )

(العمليات: التقطير اللحظى والفصل باستخدام أبراج التقطير و امتصاص الغاز و نزع الغازات و استخلاص السوائل و الاستخلاص تسمى "عمليات الفصل" Separation Processes)

التقطير اللحظى Flash distillation ويعتمد على الأختلاف فى درجة الغليان بين المكونات المراد فصلها فى المخلوط ويتم برفع الضغط ودرجة الحرارة ثم خفض الضغط فجأة فيحدث فصل لجزء كبير من المادة الاقل فى درجة الغليان فى صورة غاز.
الفصل باستخدام أبراج التقطير Column distillation و يستخدم لفصل سائلين او أكثر ممتزجين جزئيًا او كليًا ويعتبر برج التقطير عدد من عمليات التقطير اللحظى المتصلة لزيادة نسبة الفصل بين مكونات المخلوط وبالتالى فإنه أيضا يعتمد بشكل اساسى على الفرق فى درجة الغليان بين مكونات المخلوط بالإضافة الى تكثيف البخار الناتج وإعادة جزء منه الى البرج وتبخير جزء من السائل الناتج من أسفل البرج وإعادته الى البرج.ويتكون برج التقطير من عدد من المراحل تسمى "الصوانى" Trays لها تصميمات مختلفة والجدير بالذكر أن أبراج التقطير هى أكثر طرق فصل السوائل شيوعًا و خاصة فى صناعات البترول و البتروكيماويات و بالنسبة للمصنع الواحد عادةً ما يكون برج التقطير أكبر المعدات حجما و أكثرها تكلفة.
امتصاص الغاز Gas absorption و كما يتضح من الاسم فإن هذه العملية تستخدم لفصل غاز معين من مخلوط غازى به عدة غازات مختلفة وتعتمد على أختلاف ذوبانية الغازات فى سائل معين يسمى مذيب وتتم بإمرار هذا المخلوط الغازى على المذيب حيث يتم امتصاص الغاز ذو الذوبانية المرتفعة فى السائل وفصلة عن السائل بعد ذلك بطرق أخرى.
نزع الغازات Stripping وتعتبر هذه العملية عكس عملية الامتصاص Absorption وتستخدم لفصل غاز مذاب فى سائل عن طريق امرار غاز آخر مع رفع درجة الحرارة وخفض الضغط.
استخلاص السوائل Liquid-Liquid extraction وتستخدم لفصل سائلين أو أكثر ممتزجين جزئيا أو كليا ولكنها تختلف عن التقطير فى الاساس العلمى للفصل حيث تعتمد هذه التقنية على الفرق فى ذوبانية مكونات المخلوط السائل فى سائل معين يسمى مذيب و تتم بإمرار المذيب على مخلوط السائل فيحدث إذابة للمكون الأعلى فى الذوبانية ويتم فصله بعد ذلك بطرق اخرى وتستخدم هذه العملية عادة عندما يكون الفرق فى درجات الغليان صغير بحيث لا يُسمح باستخدام التقطير.
الاستخلاص Leaching or Extraction وتستخدم هذه العملية لاستخلاص سائل من مادة صلبة باستخدام سائل آخر يسمى مذيب و من أشهر امثلة عملية الاستخلاص: استخلاص الزيوت من بذورها.
التجفيف Drying تستخدم هذه التقنية لإزالة كمية من الرطوبة من المادة الصلبة لجعلها مناسبة للتعبئة والتوزيع والتسويق وعادةً ما تكون هذه العملية آخر العمليات فى الصناعة وأيضًا بعد إحدى العمليات الترشيح او التبخير او البلورة وتتم بإمرار هواء ساخن خالى من الرطوبة على المادة الصلبة بحيث تنتقل الرطوبة من المادة الصلبة إلى الهواء.
الترطيب Humidification وتعنى زيادة نسبة الرطوبة فى غاز معين عادة الهواء مثل أنظمة الهواء والماء Air-Water Systems عن طريق إمرار الغاز على المياه فيحدث تبخر لجزء من المياه داخل خط سريان الغاز والجدير بالذكر أن تجفيف المواد الصلبة يعتبر أيضا ترطيب للهواء حيث تقل نسبة الرطوبة فى المادة الصلبة وتزيد فى الهواء المستخدم للتجفيف.
إزالة الرطوبة Dehumidification وتستخدم لتقليل نسبة الرطوبة الموجودة فى غاز معين وتشبه كثيرًا تجفيف المواد الصلبة وهى عكس عملية الترطيب حيث يحدث تكثيف لبخار المياه الموجود فى الغاز ويتم فصله أو باستخدام مركب اخر يمتص بخار الماء مثل حمض الكبريتيك Sulphuric acid .
البلورة Crystallization و تستخدم هذه العملية بكثرة للحصول على مادة صلبة فى صورة بلورات نقية من محلول مركز من هذه المادة مثل الحصول على بلورات السكر من محلول السكر المركز وتتم بالعديد من الاليات أكثرها إنتشارًا وصول المحلول إلى مرحلة فوق التشبع ثم التبريد فجأة وتكون البلورات.
الامتزاز Adsorption تعتبر هذه العملية من التقنيات الحديثة لإزالة مادة موجودة فى مائع بتركيز قليل مثل وجود شوائب فى المياه أو غازات ضارة بالبيئة فى مخلفات المداخن وتتم بانتقالها الى سطح مواد صلبة تسمى مواد ممتزة Adsorbent وتتميز هذه المواد بأنها مسامية ولها مساحة سطحية عالية جدًا قد تصل إلى 2000m2/g ومن أكثر المواد الممتزة المستخدمة:الكربون النَشِط Activated carbon .
التبادل الأيوني Ion exchange وتستخدم هذه العملية فى حالة وجود مواد متأينة فى محلول يُراد فصلها عن المحلول واستبدالها بأيونات مركب اخرى يسهل فصلها بطرق اخرى ومن أكثر تطبيقات التبادل الأيوني شيوعًا عملية إزالة عسر المياه حيث يتم استبدال أيونات الكالسيوم والماغنسيوم المسببة لعسر المياه بأيونات الصوديوم الذي يسهل فصله عن المياه ولا يسبب العسر و يتم التبادل الايونى باستخدام خامات صلبة قابلة للتأين مثل أنواع من البوليمر أهمها البوليستيرين Polystyrene وبعض الاملاح مثل كلوريد الصوديوم NaCl.

العمليات الطبيعية التي تشمل انتقال كمية حركة (انتقال الموائع بالدفع) Momentum Transfer :

المضخات Pumps و تستخدم فى إمداد السوائل بالطاقة الميكانيكية ورفع إما ضغطها أو سرعتها أو إرتفاعها. يوجد أنواع عديدة من المضخات طبقًا للاستخدام المطلوب ويمكن القول بأنه لا يخلو أى مصنع من المضخات وتتكون من محرك Motor متصل بغرفة صغيرة بها ريش Impellers تنقل السائل أثناء دورانها.
الضواغط Compressors وتستخدم لنقل الغازات خلال الانابيب لمسافات بعيدة ورفع ضغطها لضغوط عالية قد تصل فى بعض الأحوال لأكثر من ألف ضغط جوي لمختلف الاغراض مثل التفاعلات الكيميائية مرتفعة الضغط ومن المهم دراسة كفاءة الضاغط Efficiency ونسبة الضغط به Pressure ratio.
التوربينات Turbines و تعتبر عكس المضخات و الضواغط حيث تستخدم لتقليل ضغط غاز او استخلاص الطاقة من مائع له ضغط عالى او سرعة عالية أو ارتفاع عالى وتدوير ريش التربينة بسرعة عالية ويتم تحويل هذه الطاقة لطاقة كهربية فى محطات توليد الطاقة Power generation stations و السدود .
المراوح Fans وتستخدم لنقل الغاز ورفع ضغطه ولكن بشكل صغير يصل الى 2 ضغط جوي بهدف نقل الغاز فقط خلال الانابيب ولكنه بالمقابل طريقة رخيصة لنقل الغاز مقارنة بالضاغط لسهولة تصميمه واستخدام قدر صغير من الطاقة.
الصمامات Valves توجد مئات من الصمامات فى أى مصنع حيث أنه من أبسط العمليات وأهمها ويستخدم لتقليل والتحكم بسرعة أو ضغط أو معدل تدفق المائع ويوجد انواع كثيرة من الصمامات لكل منها استخدام محدد.
تقليب وخلط الموائع Mixing and ِِAgitation of Fluid لخلط وتقليب الموائع أغراض كثيرة أهمها: عمل تجانس فى درجة حرارة المائع ولزوجته وتركيز المواد به, مزج سوائل قابلة للذوبان فى بعضها البعض,تعليق جزيئات صلبة فى مائع ويوجد عدة معدات وآليات شائعة للقيام بعملية الخلط نناقشها في مقالات لاحقة.

تقليل الحجم وتداول المواد الصلبة Size reduction and Solid handling :

(تستخدم هذه العمليات بشكل عام فى المحاجر والمناجم وصناعة الأسمدة والأسمنت و المواد السيراميكية)

التكسير Crushing تستخدم هذه العملية لتكسير أى حجم من الخام (عادة صخور) إلى جزيئات قطرها حوالى 150-250 mm ومن أمثلة الكسارات :كسارة الفك Jaw crushers و الكسارة ذات المحور الدوار Gyratory crusher و أسطوانات التكسير Crushing rolls.
الطحن Grinding تستخدم هذه العملية لطحن الخام الناتج من عملية التكسير أو ما يوازيه فى الحجم إلى جزيئات صغيرة يتراوح قطرها 50-100 µm ومنها أنواع قد تصل إلى 1 µm تسمى الطواحين الفائقة Ultra fine grinders و من أكثرها شيوعا مطحنة المطرقة Hammer mill و مطحنة الكرات Ball mill.
تكبير الحجم Size enlargement فى بعض الأحيان تمثل الجزيئات الصلبة الصغيرة مشكلة فى عملية النقل لذلك يتم تجميعها إلى جزيئات أكبر فى الحجم و أفضل فى بعض الخواص و يتم ذلك بعدة طرق نناقشها فى مقالات لاحقة.
النخل Screening وتستخدم هذه العملية لفصل الجزيئات الصلبة طبقا لحجمها حيث تمر المواد الصلبة على منخل Screen ذو ثقوب بقطر معين يسمح بمرور الجزيئات ذات القطر الأصغر و يحجز ذات القطر الأكبر وفى الواقع لا يتكون جهاز النخل من منخل واحد فقط بل يتكون من عدة مناخل لفصل عدة احجام و استخدام الحجم المطلوب و طحن الجزيئات ذات الحجم الأكبر و تكبير حجم الجزيئات ذات القطر الأصغر.
نقل المواد الصلبة Solid conveying تختلف المواد الصلبة عن الموائع فى طريقة نقلها ويتم نقلها بإحدى الطرق الأتية: النقل على سير Belt conveyor أو النقل فى بريمة Screw conveyor أو Bucket elevator أو الناقل الهزاز Vibrating conveyor أو النقل باستخدام ضغط الهواء أو الماء Pneumatic/hydraulic conveying.
خلط المواد الصلبة Solid mixing تستخدم هذه العملية بكثرة فى الصناعات الغذائية والدوائية والمواد البلاستيكية والمنظفات الصلبة (مسحوق التنظيف) وبعض الكيماويات ويوجد عدة آليات للخلط أهمها:

البعثرة Dispersion وتسمى أيضًا Micromixing نظرًا لأنه يحدث حركة عشوائية للجزيئات منفردة.
Convective mixing وتسمى أيضًا Macromixing نظرًأ لأنه يحدث حركة لمجموعة كبيرة من الجزيئات بالنسبة لمجموعة كبيرة من المادة الأخرى.

عمليات الفصل الميكانيكي Mechanical separation ويقصد بها فصل المواد الصلبة المعلقة فى مائع:

الترشيح Filtration ويعنى فصل المواد الصلبة عن طريق مرور المائع من خلال وسط ترشيح ذو ثقوب معينة تحجز المواد الصلبة و تكون ما يسمى طينة الترشيح Filter cake وهو سمك من المواد الصلبة التى تم حجزها و يستخدم الترشيح إما للحصول على المائع نقى من أى شوائب صلبة أو للحصول على المواد الصلبة ذاتها أو كلاهما ومن أهم اليات الترشيح استخدام الضغط Pressure filters أو التفريغ Vacuum filters أو قوة الطرد المركزى Centrifugal filter.
الفصل باستخدام الأغشية Membrane separation والغشاء Membrane عبارة عن حاجز فيزيائي يسمح بمرور مواد معينة دون أخرى. يمكن تصنيف عمليات الفصل باستخدام الأغشية طبقًا للقوة الدافعة المستخدمة فى الفصل من خلال الغشاء:

فرق الضغط Pressure difference مثل التناضح العكسى Reverse osmosis.
الضغط البخارى ويستخدم بشكل عام مع الغازات مثل نفاذية الغاز Gas permeation ونفاذية البخار Vapor permeation.
فرق الجهد الكهربى مثل التنقية بأستخدام الكهرباء والتى تسمى Electrodialysis.

الترسيب Sedimentation وتستخدم هذه العملية مع الكميات الكبيرة من السوائل المعلق بها شوائب ذات كثافة عالية حيث يكون من غير الاقتصادى استخدام الترشيح وعادة ما تكون متبوعة بعملية الترشيح وتتم عن طريق ترك السائل فترة زمنية كافية للسماح للمواد الصلبة المعلقة بالترسيب فى القاع ثم يُسحب السائل النقي من أعلى.
التعويم Floatation وتعتبر هذه العملية عكس عملية الترسيب حيث يتم تجميع الشوائب والجزيئات الصلبة على سطح السائل عن طريق ضخ هواء من أسفل الجهاز مما يكون فقاعات تساعد على رفع الشوائب للأعلى و يتم سحب السائل النقى من أسفل وتستخدم عندما تكون الشوائب ذات كثافة منخفضة.
تجميع الغبار وتنقية الغاز Dust collection تتمثل فى مجموعة مختلفة من العمليات تُستخدم لفصل الغبار (جزيئات صلبة دقيقة) الموجودة في غاز معين ومن أمثلتها:

Cyclone separator يعتبر من أكثر طرق فصل الغبار شيوعًا فى المصانع.
الغسيل الجاف Dry scrubbing
الترسيب الكهربى Electrical precipitator وتعتمد هذه العملية على التيار الكهربى لفصل ذرات الغبار بناء على شحنتها.

المصادر والمراجع

[1] McCabe, Warren L, Smith, J., Harriot, P. Unit operations of chemical engineering.Chemical Engineering Science, (McGraw Hill, Inc, 1993).

[2] Wankat, P. C. Separation Process Engineering : Includes Mass Transfer Analysis. International Journal of Environmental Studies, (Prentice Hall International Inc, 2012).

[3] Richardson, J.F., Harker, J.H., Backhurst, J.., 2002. Coulson and Richardson’s Chemical Engineering Volume 2: Particle Technology and Separation Processes, Chemical Engineering Science.

[4] Coulson, J. M., Richardson, J. F., Backhurst, J. R., Harker, J. H. & Barlow, W. Chemical engineering: fluid flow, heat transfer and mass transfer. Butterworth-Heinemann ,(1999).