Süreç mühendisliği

Süreç mühendisliği (veya proses mühendisliği), insanların hammaddeleri ve enerjiyi endüstriyel düzeyde toplum için yararlı ürünlere dönüştürmesini sağlayan temel ilkelerin ve doğa kanunlarının anlaşılması ve uygulanmasıdır.^[1] Süreç mühendisleri, basınç, sıcaklık ve derişim gradyanları gibi doğadaki itici güçlerden ve kütlenin korunumu yasasından yararlanarak, istenilen kimyasal ürünleri büyük miktarlarda sentezlemek ve saflaştırmak için yöntemler geliştirebilirler.^[1] Süreç mühendisliği, kimyasal, fiziksel ve biyolojik süreçlerin tasarımı, işletimi, kontrolü, optimizasyonu ve yoğunlaştırılmasına odaklanır. Süreç mühendisliği, tarım, otomotiv, biyoteknik, kimya, gıda, malzeme geliştirme, madencilik, nükleer, petrokimya, ilaç ve yazılım geliştirme gibi çok çeşitli endüstrileri kapsamaktadır. Sistematik bilgisayar tabanlı yöntemlerin süreç mühendisliğine uygulanmasına "süreç sistemleri mühendisliği" adı verilir.

Geleneksel bir merox ünitesinin basit akış şeması. Süreç mühendisleri bunun gibi katma değerli ürünler üreten tesisleri tasarlar ve geliştirir.

Genel bakış

Süreç mühendisliği, birden fazla araç ve yöntemin kullanılmasını kapsar. Sistemin tam yapısına bağlı olarak matematik ve bilgisayar bilimlerinin kullanılmasıyla süreçlerin modellenmesi ve simülasyonunun yapılması gerekir. Faz değişimi ve faz dengesiyle ilgili süreçler, enerji ve verimlilikteki değişikliklerin miktarının belirlenebilmesi için termodinamiğin ilke ve yasalarını kullanılarak analiz yapılmasını gerektirir. Buna karşın, madde ve enerji akışına odaklanan süreçler dengeye ulaştıkça en iyi akışkanlar mekaniği ve taşınım olayı disiplinleri kullanılarak analiz edilir. Akışkanların ya da gözenekli ve dağınık ortamların varlığında mekanik alanındaki disiplinlerin uygulanması gerekir. Gerektiğinde malzeme mühendisliği ilkelerinin de kullanılması gerekmektedir.^[1]

Bir hidrodesülfürizasyon sürecinin proses akış şeması.

Süreç mühendisliği alanındaki imalatlarda süreç sentezi adımları uygulanır.^[2] Süreç mühendisliğiyle oluşturulan endüstriyel süreçler, madde akış yollarının, depolama ekipmanlarının, dönüşüm ekipmanlarının (distilasyon kolonları, dolum/tepe tankları, karıştırma tankı, ayırma işlemi, pompa vb.) ve debilerin yanı sıra boru ve konveyör listesi, taşınanların isimleri, yoğunluk, viskozite, tane büyüklüğü dağılımı, debiler, basınçlar, sıcaklıklar ve borulama ve süreçteki birim işlemlerin yapı malzemelerinin gösterildiği proses akış şeması (PFD) ile gösterilir.^[1]

Proses akış şeması hazırlandıktan sonra, gerçekleştirilen sürecin asıl hâlinin grafiksel olarak gösteren bir borulama ve enstrümantasyon şeması (P&ID) geliştirmek için kullanılır. P&ID, bir PFD'den daha karışık ve detaylıdır.^[3] Hazırlanan P&ID, teknik şartname ve tasarım kriteri dokümanlarının hazırlanması için bir temel tasarım belgesi olarak kullanılır. P&ID'ler ekipman ve borulama tasarımı, fiyat belirleme ve satın alma için kullanıldığı gibi, tesis inşaatının ilerleyişinin izlenmesi ve operatörlerin eğitimi için de kullanılır.^[4]

Bir evaporatif kristalizörün P&ID'si.

P&ID'deki bilgilerden, süreç için kuşbakışı (saha planı) ve yandan bir plan (genel yerleşim) hazırlanabilir. Saha işleri (toprak taşıma), temel tasarımı, beton plak tasarım işi, ekipmanı desteklemek için yapı çeliği vb. işler için inşaat mühendisleri ve diğer mühendislik disiplinleri dahil edilir. Tüm önceki çalışmalar, projenin kapsamını tanımlamaya ve ardından yapılan tasarımın sahada kurulmasını sağlamak için bir maliyet tahmini yapmaya, mühendislik, tedarik, imalat, kurulum, devreye alma, başlatma ve endüstriyel sürecin sürekli üretime geçmesi için gereken zamanlama çin bir çizelge geliştirmeye yöneliktir.

Maliyet tahmini için ihtiyaç duyulan kesinliğe ve zamanlama gerekliliklerine bağlı olarak genellikle gereksinimleri hakkında geri bildirim yapan müşterilere veya paydaşlara çeşitli tasarım tekrarları sağlanır. Süreç mühendisi, bu ek talimatları (diğer bir deyişle kapsam revizyonları) tüm tasarıma dahil eder ve bunun üzerinden finansman onayının alınması için ek maliyet tahminleri ve zaman çizelgeleri oluşturulur. Finansman onayını takiben proje, proje yönetim birimi üzerinden yürütülür.^[5]

Süreç mühendisliğindeki başlıca faaliyet alanları

Süreç mühendisliği faaliyetleri aşağıdaki disiplinlere ayrılabilir:^[6]

Proses tasarımı: Enerji geri kazanım ağlarının sentezi, damıtma sistemlerinin sentezi (azeotropik damıtma da olabilir), reaktör ağlarının sentezi, akış şemalarının hiyerarşik olarak birbirinden ayrılması, üstyapı optimizasyonu, birden fazla ürün üreten kesikli tesislerin tasarımı. Uç örnekler arasında plütonyum imalatı için üretim reaktörlerinin tasarımı ve nükleer denizaltıların tasarımı verilebilir.
Proses kontrol: Üç temel öğe olan ölçümler topluluğu, ölçüm yapma yöntemi ve istenilen ölçümü kontrol edebilmek için bir sistem ile ifade edilen model öngörülü kontrol, kontrol edilebilirlik ölçüleri, dayanıklı kontrol, doğrusal olmayan kontrol, istatistiksel proses kontrol, proses izleme, termodinamik tabanlı kontrol.^[7]
Proses operasyonları: Süreç ağlarının zamanlanması, çok dönemli planlama ve optimizasyon, veri mutabakatı, gerçek zamanlı optimizasyon, esneklik ölçümleri, arıza teşhisi.
Destekleyici araçlar: Sıralı modüler simülasyon, denklem tabanlı süreç simülasyonu, AI/uzman sistemler, büyük ölçekli doğrusal olmayan programlama (NLP), cebirsel diferansiyel denklemlerin optimizasyonu, karışık tam sayılı doğrusal olmayan programlama (MINLP),^[8] küresel optimizasyon, belirsizlik altında optimizasyon,^[9]^[10] ve kalite fonksiyon yayılımı (QFD).^[11]
Süreç ekonomisi:^[12] Tesisin ısı ve kütle aktarımının analizinden sonra başabaş noktasını, net bugünkü değerini, marjinal satışlarını, marjinal maliyetini, yatırım getirisini bulmak için Aspen, Super-Pro gibi simülasyon yazılımlarının kullanılmasını kapsar.^[12]
Süreç Veri Analizi: Süreçteki üretim sorunları için veri analizi ve makine öğrenimi yöntemlerinin uygulanması.^[13]^[14]

Süreç mühendisliğinin tarihi

Almanya, Wesseling'de bulunan ve LyondellBasell şirketine ait kimyasal tesisleri. Sanayi Devrimi ile dünya çapında bütün endüstriler gelişti. Süreç mühendisleri, endüstriyel tesisleri tasarlar, geliştirir ve optimize eder.

Çok eski zamanlardan beri endüstriyel süreçlerde çeşitli kimyasal teknikler kullanılmıştır. Ancak 1780'lerde termodinamiğin ve kütlenin korunumu yasasının ortaya çıkışına kadar süreç mühendisliği düzgün bir şekilde geliştirilip kendi başına bir disiplin olarak uygulanmadı. Şimdi süreç mühendisliği olarak bilinen bilgi topluluğu, Sanayi Devrimi boyunca deneme yanılma yoluyla gelişti.^[1]

Sanayi ve üretim ile ilgili süreç (veya proses) teriminin kullanımı, 18. yüzyıla kadar uzanır. Bu süre zarfında, çeşitli ürünlere yönelik talepler büyük ölçüde arttı ve bu ürünlerin oluşturulduğu süreçleri optimize etmek için süreç mühendislerine ihtiyaç duyuldu.^[1]

1980 yılına gelindiğinde, süreç mühendisliği kavramı, kimya mühendisliği tekniklerinin ve uygulamalarının çeşitli endüstrilerde kullanılması gerçeğinden ortaya çıktı. Söz konusu zamana kadar süreç mühendisliği, "malzemenin değiştiği süreçleri en uygun şekilde tasarlamak, analiz etmek, geliştirmek, inşa etmek ve işletmek için gerekli bilgi topluluğu" olarak tanımlanıyordu.^[1] Süreç mühendisliği, 20. yüzyılın sonuna gelindiğinde, kimya mühendisliğine dayalı teknolojilerden, metalurji mühendisliği, ziraat mühendisliği ve ürün mühendisliği gibi diğer uygulamalara doğru genişledi.

Ayrıca bakınız

Kaynakça

^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g Process engineering and industrial management. Dal Pont, Jean-Pierre. Londra: ISTE Ltd. 2012. ISBN 9781118562130. OCLC 830512387.
^ "An Overview of Chemical Process Design Engineering". Proceedings of the Canadian Engineering Education Association. 2011. doi:10.24908/pceea.v0i0.3824. Birden fazla yazar-name-list parameters kullanıldı (yardım); Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
^ "Learn How to Read P&ID Drawings - A Complete Guide". hardhatengineer.com (İngilizce). 13 Kasım 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 11 Eylül 2018.
^ "Piping and Instrument Diagrams" (PDF). AICHE. 6 Ağustos 2020 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 11 Eylül 2019. Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
^ Modelling and management of engineering processes. Heisig, Peter, 1962-, Clarkson, John, 1961-, Vajna, S. (Sándor), 1952-. Londra: Springer. 2010. ISBN 9781849961998. OCLC 637120594.
^ Research Challenges in Process Systems Engineering 22 Aralık 2018 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. by Ignacio E. Grossmann and Arthur W. Westerberg, Department of Chemical Engineering at Carnegie Mellon University in Pittsburgh, PA
^ "Process Control". A-to-Z Guide to Thermodynamics, Heat and Mass Transfer, and Fluids Engineering. Thermopedia. 2006. doi:10.1615/AtoZ.p.process_control. ISBN 0-8493-9356-6. Erişim tarihi: 15 Eylül 2019. Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
^ "Mixed-integer nonlinear programming 2018". Optimization and Engineering. 20 (2): 301-306. 2019. doi:10.1007/s11081-019-09438-1. Birden fazla yazar-name-list parameters kullanıldı (yardım); Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
^ Sahinidis (2004). "Optimization under uncertainty: State-of-the-art and opportunities". Computers & Chemical Engineering. 28 (6–7): 971-983. doi:10.1016/j.compchemeng.2003.09.017.
^ Ning (2019). "Optimization under uncertainty in the era of big data and deep learning: When machine learning meets mathematical programming". Computers & Chemical Engineering. 125: 434-448. arXiv:1904.01934 $2. doi:10.1016/j.compchemeng.2019.03.034.
^ "Building a Better Delivery System: A New Engineering/Health Care Partnership". National Center for Biotechnology Information. 14 Nisan 2013 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 15 Eylül 2019.
^ ^a ^b Process engineering economics. New York: Marcel Dekker. 2003. ISBN 0824756371. OCLC 53905871. Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
^ "Processes". 6 Eylül 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi.
^ Shang (2019). "Data Analytics and Machine Learning for Smart Process Manufacturing: Recent Advances and Perspectives in the Big Data Era". Engineering. 5 (6): 1010-1016. doi:10.1016/j.eng.2019.01.019.

Dış bağlantılar

Advanced Process Engineering at Cranfield University (Cranfield, UK) 17 Nisan 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
Centre for Process Systems Engineering (Imperial) 17 Ekim 2015 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
Process Systems Engineering at Cornell University (Ithaca, New York)
Department of Process Engineering at Stellenbosch University 3 Aralık 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
Process Research and Intelligent Systems Modeling (PRISM) group at BYU 2 Şubat 2015 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
Process Systems Engineering at CMU 3 Haziran 2019 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
Process Systems Engineering Laboratory at RWTH Aachen 16 Nisan 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
The Process Systems Engineering Laboratory (MIT) 27 Nisan 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
Research Challenges in Process Systems Engineering by Ignacio E. Grossmann and Arthur W. Westerberg 22 Aralık 2018 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
Advanced Process Engineering Consulting 20 Mayıs 2022 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. at Canada

[:1-1] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g Process engineering and industrial management. Dal Pont, Jean-Pierre. Londra: ISTE Ltd. 2012. ISBN 9781118562130. OCLC 830512387.

[2] "An Overview of Chemical Process Design Engineering". Proceedings of the Canadian Engineering Education Association. 2011. doi:10.24908/pceea.v0i0.3824. Birden fazla yazar-name-list parameters kullanıldı (yardım); Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)

[3] "Learn How to Read P&ID Drawings - A Complete Guide". hardhatengineer.com (İngilizce). 13 Kasım 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 11 Eylül 2018.

[4] "Piping and Instrument Diagrams" (PDF). AICHE. 6 Ağustos 2020 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 11 Eylül 2019. Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)

[5] Modelling and management of engineering processes. Heisig, Peter, 1962-, Clarkson, John, 1961-, Vajna, S. (Sándor), 1952-. Londra: Springer. 2010. ISBN 9781849961998. OCLC 637120594.

[cmu-6] Research Challenges in Process Systems Engineering 22 Aralık 2018 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. by Ignacio E. Grossmann and Arthur W. Westerberg, Department of Chemical Engineering at Carnegie Mellon University in Pittsburgh, PA

[7] "Process Control". A-to-Z Guide to Thermodynamics, Heat and Mass Transfer, and Fluids Engineering. Thermopedia. 2006. doi:10.1615/AtoZ.p.process_control. ISBN 0-8493-9356-6. Erişim tarihi: 15 Eylül 2019. Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)

[8] "Mixed-integer nonlinear programming 2018". Optimization and Engineering. 20 (2): 301-306. 2019. doi:10.1007/s11081-019-09438-1. Birden fazla yazar-name-list parameters kullanıldı (yardım); Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)

[9] Sahinidis (2004). "Optimization under uncertainty: State-of-the-art and opportunities". Computers & Chemical Engineering. 28 (6–7): 971-983. doi:10.1016/j.compchemeng.2003.09.017.

[10] Ning (2019). "Optimization under uncertainty in the era of big data and deep learning: When machine learning meets mathematical programming". Computers & Chemical Engineering. 125: 434-448. arXiv:1904.01934 $2. doi:10.1016/j.compchemeng.2019.03.034.

[11] "Building a Better Delivery System: A New Engineering/Health Care Partnership". National Center for Biotechnology Information. 14 Nisan 2013 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 15 Eylül 2019.

[:0-12] Process engineering economics. New York: Marcel Dekker. 2003. ISBN 0824756371. OCLC 53905871. Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)

[13] "Processes". 6 Eylül 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi.

[14] Shang (2019). "Data Analytics and Machine Learning for Smart Process Manufacturing: Recent Advances and Perspectives in the Big Data Era". Engineering. 5 (6): 1010-1016. doi:10.1016/j.eng.2019.01.019.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]