Koelaitoksen - Pilot plant

Suuri koetehdas rakenteilla

Koelaitoksen on esikaupallisen valmistuksen, jossa käytetään uutta tuotantoteknologiaa ja / tai tuottaa pieniä määriä uusia teknologiaan perustuvia tuotteita, lähinnä varten oppia uutta teknologiaa. Saadun tiedon avulla käytetään sitten suunnitteluun täyden mittakaavan tuotantoon ja kaupallisiin tuotteisiin, samoin kuin tunnistamiseen jatkotutkimusta tavoitteita ja tukevat investointipäätöksiä. Muita (ei-teknisiä) tarkoituksia ovat julkisen tuen saaminen uusille teknologioille ja hallituksen määräysten kyseenalaistaminen. Pilottilaitos on suhteellinen käsite siinä mielessä, että pilottilaitokset ovat tyypillisesti pienempiä kuin täysimittaiset tuotantolaitokset, mutta ne on rakennettu erikokoisina. Lisäksi, koska koelaitokset on tarkoitettu oppimiseen, ne ovat tyypillisesti joustavampia, mahdollisesti talouden kustannuksella. Jotkut koelaitokset on rakennettu laboratorioihin varaston laboratoriovälineillä, kun taas toiset vaativat huomattavia teknisiä ponnisteluja, maksavat miljoonia dollareita, ja ne valmistetaan mittatilaustyönä ja valmistetaan prosessilaitteista, laitteista ja putkista. Niitä voidaan käyttää myös henkilöstön kouluttamiseen täysimittaiseen laitokseen. Koelaitokset ovat yleensä pienempiä kuin esittelylaitokset.

Terminologia

Pilottilaitoksen kaltainen sana on pilot line . Pohjimmiltaan koelaitokset ja pilottilinjat suorittavat samat toiminnot, mutta "pilottilaitosta" käytetään (bio) kemiallisten ja kehittyneiden materiaalien tuotantojärjestelmien yhteydessä, kun taas "pilot line" käytetään yleensä uudelle tekniikalle. Termiä "kilolaboratorio" käytetään myös pienissä koelaitoksissa, jotka viittaavat odotettuihin tuotantomääriin.

Riskienhallinta

Kokeilulaitoksia käytetään vähentämään suurten prosessilaitosten rakentamiseen liittyviä riskejä. He tekevät sen useilla tavoilla:

  • Pilottiasteikkojärjestelmän rajoitusten määrittämiseen käytetään tietokonesimulaatioita ja puoliksi empiirisiä menetelmiä. Näitä matemaattisia malleja testataan sitten fyysisessä pilot-mittakaavassa. Skaalaamiseen käytetään erilaisia ​​mallintamismenetelmiä. Näitä menetelmiä ovat:
    • Kemialliset samankaltaisuustutkimukset
    • Matemaattinen mallinnus
    • Aspen Plus/Aspen HYSYS -mallinnus
    • Äärellinen alkuaineanalyysi (FEA)
      Vesikrakkauslaitos
    • Laskennallinen nestedynamiikka (CFD)
      • Nämä teoreettiset mallinnusmenetelmät palauttavat seuraavat:
        • Viimeistelty massa- ja energiatase
        • Optimoitu järjestelmän suunnittelu ja kapasiteetti
        • Laitteistovaatimukset
        • Järjestelmän rajoitukset
        • Perusta pilottiyksikön rakentamiskustannusten määrittämiselle
  • Ne ovat huomattavasti halvempia rakentaa kuin täysimittaiset laitokset. Liiketoiminta ei laittaa niin paljon pääomaa vaarassa projektia, joka voi olla tehotonta tai mahdotonta. Lisäksi suunnittelumuutoksia voidaan tehdä halvemmalla pilot -mittakaavassa ja prosessin mutkia voidaan selvittää ennen suuren laitoksen rakentamista.
  • Ne tarjoavat arvokasta tietoa täysimittaisen laitoksen suunnittelulle. Tieteellistä tietoa esimerkiksi reaktioista, materiaalin ominaisuuksista, syövyttävyydestä voi olla saatavilla, mutta on vaikea ennustaa monimutkaisen prosessin käyttäytymistä. Muun prosessin suunnittelutietoja voi olla saatavilla, mutta näitä tietoja ei aina voida soveltaa selkeästi kiinnostavaan prosessiin. Suunnittelijat käyttävät pilottitehtaan tietoja tarkentaakseen tuotantokaavan suunnittelua.

Jos järjestelmä on hyvin määritelty ja tekniset parametrit ovat tiedossa, pilottilaitoksia ei käytetä. Esimerkiksi yritys, joka haluaa laajentaa tuotantokapasiteettiaan rakentamalla uuden tehtaan, joka toimii samalla tavalla kuin olemassa oleva tehdas, voi päättää olla käyttämättä koelaitosta.

Lisäksi tietokoneiden prosessisimulaation edistyminen on lisännyt prosessisuunnittelijoiden luottamusta ja vähentänyt pilottilaitosten tarvetta. Niitä käytetään kuitenkin edelleen, koska edes uusin simulaatio ei voi tarkasti ennustaa monimutkaisten järjestelmien käyttäytymistä.

Kasvien ominaisuuksien asteikkoriippuvuus

Järjestelmän koon kasvaessa aineen määrästä riippuvat järjestelmän ominaisuudet (joilla on laajoja ominaisuuksia ) voivat muuttua. Kemiantehtaan pinta -alan ja nesteen suhde on hyvä esimerkki tällaisesta ominaisuudesta. Pienessä kemiallisessa mittakaavassa, esimerkiksi pullossa, on suhteellisen suuri pinta -alan suhde nesteeseen. Kuitenkin, jos kyseinen reaktio skaalataan sopivaksi 500 gallonan säiliöön, pinta-alan ja nesteen suhde pienenee paljon. Tämän pinta-alan ja nesteen suhteen välisen eron seurauksena termodynamiikan tarkka luonne ja prosessin reaktiokinetiikka muuttuvat epälineaarisesti. Tästä syystä reaktio dekantterilasissa voi käyttäytyä suuresti eri tavalla kuin sama reaktio laajamittaisessa tuotantoprosessissa.

Muut tekijät

Muita tekijöitä, jotka voivat muuttua tuotannon mittakaavaan siirtymisen aikana, ovat:

3D-malli monikäyttöisestä pilottilaitoksesta
  • Reaktion kinetiikka
  • Kemiallinen tasapaino
  • Materiaalin ominaisuudet
  • Neste dynamiikkaa
  • Termodynamiikka
  • Laitteiden valinta
  • Levottomuus
  • Tasaisuus / homogeenisuus

Kun tiedot on kerätty pilottilaitoksen toiminnasta, voidaan rakentaa suurempi tuotantolaitos. Vaihtoehtoisesti voidaan rakentaa esittelylaitos, joka on tyypillisesti suurempi kuin koelaitos, mutta pienempi kuin täysimittainen tuotantolaitos, prosessin kaupallisen toteutettavuuden osoittamiseksi. Toisinaan yritykset jatkavat pilottilaitoksen käyttöä testatakseen ideoita uusista tuotteista, uusista raaka -aineista tai erilaisista käyttöolosuhteista. Vaihtoehtoisesti niitä voidaan käyttää tuotantolaitoksina, mikä lisää päälaitoksen tuotantoa.

Penkki mittakaava vs lentäjä vs esittely

Teollisuus ja sovellus vaikuttavat voimakkaasti penkki-, pilotti- ja esittelyasteikon eroihin. Jotkut teollisuudenalat käyttävät pilottilaitosta ja esittelylaitosta keskenään. Jotkut koelaitokset on rakennettu kannettaviksi moduuleiksi, jotka voidaan helposti kuljettaa erillisenä yksikönä.

Eräprosesseissa, esimerkiksi lääketeollisuudessa, mittakaava suoritetaan tyypillisesti näytteille, joiden paino on 1–20 kg tai vähemmän, kun taas pilottitestaus suoritetaan 20–100 kg: n näytteillä. Esittelyasteikko on pääasiassa laitteen käyttäminen täydellä kaupallisella syöttönopeudella pitkiä aikoja toiminnan vakauden osoittamiseksi.

Jatkuvissa prosesseissa, esimerkiksi öljyteollisuudessa, penkkimittakaavan järjestelmät ovat tyypillisesti mikroreaktori- tai CSTR-järjestelmiä, joissa on alle 1000 ml katalyyttiä, ja jotka tutkivat reaktioita ja/tai erottumisia kerran kerrallaan. Kokeilulaitoksissa on tyypillisesti reaktorit, joiden katalyyttitilavuus on 1-100 litraa, ja ne sisältävät usein tuotteiden erottamista ja kaasun/nesteen kierrätystä massataseen sulkemiseksi. Esittelylaitokset, joita kutsutaan myös puolivalmistetehtaiksi, tutkivat prosessin elinkelpoisuutta esikaupallisessa mittakaavassa, ja tyypilliset katalysaattoritilavuudet ovat 100-1000 litraa. Esittelymittakaavan tuotantolaitos jatkuvaa prosessia varten muistuttaa läheisesti odotetun tulevan kaupallisen laitoksen suunnitelmaa, vaikkakin paljon pienemmällä teholla, ja sen tavoitteena on tutkia katalysaattorin suorituskykyä ja käyttöikää pitkällä aikavälillä ja tuottaa samalla merkittäviä määriä tuote markkinatestausta varten.

Uusien prosessien kehittämisessä pilotti- ja esittelylaitoksen suunnittelu ja toiminta toteutetaan usein rinnakkain tulevan kaupallisen laitoksen suunnittelun kanssa, ja kokeiluohjelmien tulokset ovat avainasemassa kaupallisten laitosten vuokaavion optimoinnissa. Tapauksissa, joissa prosessiteknologia on onnistuneesti toteutettu, on tavallista, että pilottitestistä saatavat säästöt kaupallisessa mittakaavassa ovat merkittävästi suuremmat kuin itse koelaitoksen kustannukset.

Vaiheet mukautetun pilottilaitoksen luomiseksi

Mukautetut koelaitokset on yleensä suunniteltu joko tutkimukseen tai kaupallisiin tarkoituksiin. Niiden koko voi vaihdella pienestä järjestelmästä, jossa ei ole automaatiota ja alhainen virtaus, erittäin automatisoidusta järjestelmästä, joka tuottaa suhteellisen suuria määriä tuotteita päivässä. Kokosta riippumatta toimivan pilottilaitoksen suunnittelun ja valmistuksen vaiheet ovat samat. He ovat:

  1. Esisuunnittelu - prosessivirtakaavion (PFD), perusputkisto- ja instrumentointikaavioiden (P & ID) ja laitteiden alkuasettelujen täyttäminen.
  2. Tekninen mallinnus ja optimointi - 2D- ja 3D -malleja luodaan simulointiohjelmistolla prosessiparametrien mallintamiseen ja kemiallisten prosessien skaalaamiseen. Nämä mallinnusohjelmistot auttavat määrittämään järjestelmän rajoitukset, epälineaariset kemialliset ja fysikaaliset muutokset sekä mahdolliset laitteiden mitat. Valmistetaan massa- ja energiataseet, valmiit P & ID: t ja yleiset järjestelypiirustukset.
  3. Järjestelmän automaatiostrategioita kehitetään (tarvittaessa). Ohjausjärjestelmän ohjelmointi alkaa ja jatkuu valmistuksen ja kokoonpanon kautta
  4. Valmistus ja kokoonpano - optimoidun suunnittelun määrittämisen jälkeen räätälöity pilotti valmistetaan ja kootaan. Pilottilaitokset voidaan koota joko paikan päällä tai muualla modulaarisina liukukiskoina, jotka rakennetaan ja testataan kontrolloidussa ympäristössä.
  5. Testaus - valmiiden järjestelmien testaus, mukaan lukien järjestelmän ohjaimet, suoritetaan järjestelmän asianmukaisen toiminnan varmistamiseksi.
  6. Asennus ja käyttöönotto - jos ne rakennetaan muualla kuin paikassa, pilot -liukulaitteet asennetaan paikan päälle. Kun kaikki laitteet on asennettu, järjestelmän koko käynnistys on saatu päätökseen integroimalla järjestelmä olemassa oleviin laitoksen apuohjelmiin ja säätimiin. Täysi toiminta on testattu ja vahvistettu.
  7. Koulutus - käyttäjäkoulutus on valmis ja järjestelmädokumentaatio luovutetaan.

Katso myös

Bibliografia

  • Levin (toimittaja), Pharmaceutical Process Scale-Up (Drugs and the Pharmaceutical), Informa Healthcare, 3. painos, ISBN  978-1616310011 (2011)
  • Lackner (toimittaja), Scale-up in Combustion, ProcessEng Engineering GmbH, Wien, ISBN  978-3-902655-04-2 (2009).
  • M. Zlokarnik, Scale-up in Chemical Engineering, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2. painos, ISBN  978-3527314218 (2006).
  • Richard Palluzi, Pilot Plants: Design, Construction and Operation, McGraw-Hill, helmikuu 1992.
  • Richard Palluzi, Pilot Plants, Chemical Engineering, maaliskuu 1990.

Viitteet

  1. ^ Hans Hellsmark, Johan Frishammar, Patrik Söderholm, Håkan Ylinenpää, Pilotti- ja esittelylaitosten rooli teknologian kehittämis- ja innovaatiopolitiikassa, Tutkimuspolitiikka, Vuosikerta 45, Numero 9, marraskuu 2016, Sivut 1743-1761, ISSN 0048-7333, https : //dx.doi.org/10.1016/j.respol.2016.05.005 .
  2. ^ Pilottituotanto avainteknologioissa; Kuolemanlaakson ylittäminen ja avainteknologioiden teollisen käyttöönoton edistäminen Euroopassa, Alankomaat Soveltavan tieteellisen tutkimuksen järjestö TNO Euroopan komission puolesta, Kasvun pääosasto - Sisämarkkinoiden, teollisuuden, yrittäjyyden ja pk -yritysten pääosasto, 2015. ISBN  978 -92-79-52140-9
  3. ^ David J. am Ende; Mary T. am Ende (28. maaliskuuta 2019). Kemian tekniikka lääketeollisuudessa: aktiiviset farmaseuttiset ainesosat . Wiley. s. 1012–. ISBN 978-1-119-28588-5.