Пилоттық өсімдіктер: Жаңа технологияларды сынақтан өтетін жүйелер

Кіріспе

Пилоттық зауыт – бұл коммерциялық өндіріске дейінгі жүйе, жаңа өндіріс технологиясын пайдаланады және/немесе жаңа технологиялар негізіндегі өнімдерді шағын көлемде шығарады, негізінен жаңа технология туралы білім алу мақсатында. Алынған білім толық көлемді өндіріс жүйелерін және коммерциялық өнімдерді жобалау үшін, сондай-ақ қосымша зерттеулерді анықтау және инвестициялық шешімдерді қолдау үшін пайдаланылады. Басқа (техникалық емес) мақсаттарына жаңа технологияларға қоғамдық қолдау көрсету және үкіметтік ережелерді саралау кіреді. Пилоттық зауыт – шартты ұғым, себебі пилоттық зауыттар әдетте толық көлемді өндіріс зауыттарынан кіші болады, бірақ олар түрлі өлшемдерде салынды. Сондай-ақ, пилоттық зауыттар білім алуға бағытталғандықтан, олар көбінесе икемдірек болады, мүмкін экономикалық тиімділіктен айырылып. Кейбір пилоттық зауыттар зертханаларда қолдағы жабдықтарды пайдаланып салынса, ал басқалары айқын инженерлік еңбектерді қажет етеді, миллиондаған долларға тұрады және процестік жабдықтар, құралдар мен құбырлардан арнайы жиналады және жасалады. Олар толық көлемді зауыттың қызметкерлерін оқыту үшін де қолданылуы мүмкін. Пилоттық зауыттар көбінесе демонстрациялық зауыттардан кіші болады.

Терминология

Пилоттық зауытқа ұқсас термин – пилоттық желі. Негізінен, пилоттық зауыттар мен пилоттық желілер бірдей функцияларды орындайды, бірақ «пилоттық зауыт» термині (био)химиялық және озық материалдарды өндіру жүйелері контекстінде қолданылады, ал «пилоттық желі» – жаңа технологиялар үшін жалпы түрде қолданылады. «Килолаборатория» термині күтілетін өнім көлеміне сәйкес келетін шағын пилоттық зауыттарды атау үшін де қолданылады.

Өсімдік қасиеттерінің масштабқа тәуелділігі

Жүйенің көлемі ұлғайған сайын, материя мөлшеріне байланысты жүйелік қасиеттер (көлемдік қасиеттер) өзгеруі мүмкін. Химиялық зауыттағы сұйыққа шаққандағы бет ауданының қатынасы мұндай қасиеттің жақсы мысалы. Шағын химиялық масштабта, мысалы, колбада, сұйыққа қатысты салыстырмалы түрде үлкен бет ауданы болады. Бірақ, егер бұл реакция 500 галлондық резервуарға дейін үлкейтілсе, бет ауданы мен сұйықтық арақатынасы әлдеқайда кішірейеді. Осы бет ауданы мен сұйықтық арақатынасының айырмашылығынан термодинамиканың және процесс кинетикасының нақты сипаты сызықты емес түрде өзгереді. Сондықтан, стақандағы реакция, ірі көлемді өндіріс процесіндегі дәл сол реакциядан өте әртүрлі болуы мүмкін.

Үлгілік шкала мен пилоттық-демонстрациялық

Бағалау, пилоттық және демонстрациялық масштабтар арасындағы айырмашылықтар өнеркәсіп саласына және қолданылуына байланысты күшті түрде өзгереді. Кейбір салаларда пилоттық және демонстрациялық қондырғылардың атаулары бір-бірін алмастырып қолданылады. Кейбір пилоттық қондырғылар оңай тасымалдауға болатын модульдер түрінде салынған, оларды жабық күйде бір орыннан екінші орынға жылжытуға болады. Үзіліспен жүзеге асырылатын процестер үшін, мысалы фармацевтикалық өнеркәсіпте, бағалау көбінесе 1–20 кг немесе одан аз салмақтағы үлгілерде жүргізіледі, ал пилоттық масштабтағы сынақтар 20–100 кг салмақтағы үлгілермен жүзеге асырылады. Демонстрациялық масштабтың мақсаты – жабдықты толық коммерциялық қуатпен ұзақ мерзім бойы жұмыс істеудің тұрақтылығын дәлелдеу. Ұдайы процестер үшін, мысалы мұнай өнеркәсібінде, бағалау жүйелері әдетте 1000 мл-ден аз катализатор көлемі бар микрореакторлар немесе CSTR жүйелері болып табылады, олар реакцияларды және/немесе ажырату процестерін бір рет жүргізу үшін қолданылады. Пилоттық қондырғыларда әдетте 1 мен 100 литр аралығындағы катализатор көлемі бар реакторлар орналасқан, және олар көбінесе массалық балансты жабу мақсатымен өнімді ажырату және газ/сұйық айналымын қамтиды. Демонстрациялық қондырғылар, сондай-ақ жартылай өндірістік қондырғылар деп те аталады, 100–1000 литрлік диапазондағы катализатор көлемдерін пайдаланып, коммерциялық емес масштабта процестің тиімділігін зерттейді. Ұдайы процесс үшін демонстрациялық қондырғының дизайны болашақ коммерциялық қондырғының дизайнына ұқсас болады, бірақ өнімділігі әлдеқайда төмен, және оның мақсаты – катализатордың өнімділігі мен ұзақ қызмет ету мерзімін ұзақ мерзім бойы зерттеу, сонымен қатар нарықтық сынақтар үшін өнімнің жеткілікті мөлшерін өндіру. Жаңа процестерді әзірлеу кезінде пилоттық және демонстрациялық қондырғыны жобалау және пайдалану болашақ коммерциялық қондырғыны жобалаумен бірге жүргізіледі, ал пилоттық сынақтардың нәтижелері коммерциялық қондырғының технологиялық схемасын оңтайландырудың кілті болып табылады. Процестік технология сәтті енгізілген жағдайларда, пилоттық сынақтардың нәтижесінде коммерциялық масштабтағы үнемдеулер пилоттық қондырғының өзінің құнынан әлдеқайда артық болады.

The differences between bench scale, pilot scale and demonstration scale are strongly influenced by industry and application. Some industries use pilot plant and demonstration plant interchangeably. Some pilot plants are built as portable modules that can be easily transported as a contained unit. For batch processes, in the pharmaceutical industry for example, bench scale is typically conducted on samples 1–20 kg or less, whereas pilot scale testing is performed with samples of 20–100 kg. Demonstration scale is essentially operating the equipment at full commercial feed rates over extended time periods to prove operational stability. For continuous processes, in the petroleum industry for example, bench scale systems are typically microreactor or CSTR systems with less than 1000 mL of catalyst, studying reactions and/or separations on a once through basis. Pilot plants will typically have reactors with catalyst volume between 1 and 100 litres, and will often incorporate product separation and gas/liquid recycle with the goal of closing the mass balance. Demonstration plants, also referred to as semi works plants, will study the viability of the process on a pre commercial scale, with typical catalyst volumes in the 100 1000 litre range. The design of a demonstration scale plant for a continuous process will closely resemble that of the anticipated future commercial plant, albeit at a much lower throughput, and its goal is to study catalyst performance and operating lifetime over an extended period, while generating significant quantities of product for market testing. In the development of new processes, the design and operation of the pilot and demonstration plant will often run in parallel with the design of the future commercial plant, and the results from pilot testing programs are key to optimizing the commercial plant flowsheet. It is common in cases where process technology has been successfully implemented that the savings at the commercial scale resulting from pilot testing will significantly outweigh the cost of the pilot plant itself.

Өзіндік пилоттық зауытты құру қадамдары

Кәсіптік пилоттық қондырғылар көбінесе зерттеу немесе коммерциялық мақсаттар үшін жобаланады. Олардың мөлшері автоматтандырылмаған және ағыны төмен кішкентай жүйеден бастап, күніне салыстырмалы түрде көп өнім шығаратын жоғары автоматтандырылған жүйеге дейін өзгеруі мүмкін. Мөлшеріне қарамастан, жұмыс істейтін пилоттық қондырғыны жобалау және құрастыру қадамдары бірдей болады. Олар:

Алдын ала жобалау – процесс ағыны диаграммасын (PFD), негізгі құбырлар мен аспаптар схемаларын (P&ID) және жабдықтың бастапқы орналасуын дайындау. Инженерлік модельдеу және оңтайландыру – 2D және 3D модельдер жасалады, процестік параметрлерді модельдеу және химиялық процестерді масштабтау үшін симуляциялық бағдарламалық қамтамасыз ету қолданылады. Бұл модельдеу бағдарламалық жасақтамасы жүйелік шектеулерді, сызықты емес химиялық және физикалық өзгерістерді, сондай-ақ жабдықтың ықтимал мөлшерін анықтауға көмектеседі. Масса және энергия баланстары, аяқталған P&ID және жалпы орналасу схемалары жасалады. Жүйе үшін автоматтандыру стратегиясы әзірленеді (қажет болған жағдайда). Басқару жүйесін бағдарламалау басталады және құрастыру мен жинау кезеңдерінде жалғасады.

Құрастыру және жинау – оңтайландырылған жоба анықталғаннан кейін, пилоттық қондырғы құрастырылады және жиналады. Пилоттық қондырғылар бақыланатын ортада құрастырылып, сынақтан өтетін модульдік блоктар түрінде орналасқан жерде немесе одан тыс жерде жиналады.

Сынақ – жүйелік басқаруды қоса алғанда, дайын жүйелердің сынақтары жүйенің дұрыс жұмыс істеуін қамтамасыз ету үшін жүргізіледі.

Орнату және іске қосу – егер құрастырылса, пилоттық блоктар орналасқан жерде орнатылады. Барлық жабдық орнатылғаннан кейін, жүйе қолданыстағы қондырғылар мен басқару құралдарымен біріктіріліп, толық жүйе іске қосылады. Толық жұмыс істеу сынақтан өтеді және расталады.

Оқыту – операторларға оқыту толыққаннан кейін, толық жүйелік құжаттама тапсырылады.