Hierarchikus folyamattervezés

2. Hierarchikus folyamattervezés • a beruházási ötleteknekcsak kb. 1%-t valósítják meg • csak a gazdaságilag hatékony megoldások kerülnek a részletes tervezés és költségbecslés szakaszába • Egy kémiai folyamat során a reaktorban a FEED-ből TERMÉK (PRODUCT) és MELLÉKTERMÉK (BYPRODUCT) képződik az alábbi egyszerűsített séma szerint. • Nem az összes FEED reagál el, visszamarad valamennyi a reakció végén.

3. Szükség lesz valamilyen elválasztó rendszerre. • A rendszer energetikailag nem hatékony mert nincs benne hővisszanyerő rendszer!

4. Az előző folyamat 2 különböző kapcsolású hővisszanyerő rendszerrel

5. Ha megváltoztatjuk a reaktort, az elválasztó rendszer is változni fog!

6. És ezzel az energiavisszanyerő rendszer is változik!

7. A folyamatábrák kiértékelése szimuláció és költségbecslés alapján lehetséges. A folyamatábra összeállításának 2 legfőbb problémája: • I. Be tudjuk e azonosítani az összes lehetséges szerkezetet? • Az, hogy már meglévő üzemeket is fejlesztenek azt mutatja, hogy ez nem lehetséges. • II. Tudunk e minden szerkezetet optimálni valós összehasonlítás céljából? • Optimalizáció során észrevesszük, hogy egy adott feladatot nagyon sokféle módon lehet végrehajtani. Továbbá a feladatok kapcsolódási sorrendje is igen változatos lehet. Ez óriási számítási kapacitást igényel!

8. A hierarchikus folyamattervezés „hagyma” diagramja

9. Folyamatos és szakaszos eljárások • Szakaszos eljárás során a paraméterek (hőmérséklet, koncentráció, nyomás… stb.) időben változnak. • A gyakorlatban a legtöbb szakaszos eljárás szakaszos és félfolyamatos lépésekből áll.

10. A szakaszos eljárások: • Kis volumenek esetében gazdaságosak • Flexibilisek ha változtatunk a termék formulálásán. • Könnyen alkalmazkodnak a változó gyártási sebességhez az egyidejű folyamatok számának változása által. • Ugyanabban az üzemben lehetővé teszik egy egész sor különböző termék előállítását szabványos többcélú készülékben. • A legalkalmasabbak ha gyakori tisztításra vagy sterilizálásra van szükség. • Alkalmasak közvetlen léptéknövelésre • Lehetővé teszik a termék későbbi beazonosítását. Ez nagyon fontos az élelmiszer és a gyógyszeriparban. • Egyik legfőbb probléma a Batch-to-Batch egyezés!

11. A folyamattervezés során az alábbi 2 szituációval találkozhatunk: • Új üzem tervezése (zöldmezős beruházás) • Meglévő folyamat áttervezése (retrofit) • Kapacitásnövelés • Más feed vagy termékspecifikációra átállás • A működési költségek csökkentése • A biztonság növelése • A szennyezőanyag kibocsátás csökkentése • Minden esetben kívánatos a meglévő eszközök, gépek leghatékonyabb felhasználása.

12. Retrofit során a már meglévő készülékek kapcsolási sorrendjét megváltoztatjuk, esetleg új készüléket építünk be, ha szükséges. • Minél kevesebb változtatás, annál jobb! • Tervezés szempontjából legegyértelműbb a zöldmezős beruházás mivel itt szabadon választhatjuk meg a készülékek méretét és kapcsolási rendjüket. • A retrofitnél a már meglévő készülékek korlátozó tényezőként jelentkeznek és a cél sem mindig teljesen egyértelmű.

13. Példa: 50%-kal akarjuk egy már meglévő üzem kapacitását növelni. Ekkor biztosan akad legalább egy készülék, amely már maximális kapacitáson működik! Ezt a készüléket szűk keresztmetszetnek nevezzük (bottleneck). • A szűk keresztmetszet megszüntetése történhet: • A készülék lecserélésével • A kapcsolódási pontok átkötésével • A készülék átalakításával • Egy újabb készülék bekötésével párhuzamosan Az üzemnek mindig lesz egy kapacitás küszöbe, amelyet a készülékek kapacitása határoz meg. Ennek leküzdéséhez tőkére van szükség. Egy idő után a pénz elfogy és az egyik küszöbérték véglegessé válik.

14. A tervezési folyamatot kétféleképpen közelíthetjük meg: • Létrehozunk egy nem egyszerűsíthető (irreducible) szerkezetet. • Ez a megközelítés a „hagyma” logikát követi. • A reaktor kiválasztásával kezdjük és haladunk kifelé. Minden szinten újabb döntéseket kell hoznunk, melyek előző tapasztalatokon (heurisztikus) és ökölszabályokon alapszanak. • A döntéseket mindig egy hiányos kép ismeretében kell meghoznunk és egy szerkezetet csak akkor adhatunk a teljes szerkezethez, ha gazdaságilag indokolt. Ez tartja a szerkezetet a legegyszerűbb nem redukálható szinten.

15. Ennek a megközelítésnek 2 fő hátránya van: • A terv minden szakaszában különböző döntéseket kell hoznunk. A döntések összehasonlítása csak a szerkezet optimalizácója után lehetséges, ami csak a teljes szerkezet ismeretében lehetséges. Ehhez nagyon sok teljes tervet kell összeállítani és kiértékelni. • A sok lehetséges opció kiértékelése nem garantálja, hogy köztük lesz a legjobb terv is, mivel a keresés nem teljes. A folyamatábra különböző részei között komplett kölcsönhatások is előfordulhatnak, melyeket nem tudunk kihasználni, mivel a legegyszerűbb szerkezetre törekszünk. Ezen megközelítés legfőbb előnye, hogy a tervező csapat ellenőrzi az alapvető döntéseket és végig kapcsolatban maradnak (interact).

16. 2. Egyszerűsíthető szuperszerkezet létrehozása és optimálása. • Ennek során olyan szuperszerkezetet állítunk elő, mely tartalmazza az összes lehetséges folyamatot és az összes kapcsolódást. • A tervezési problémát eztán matematikai modellé kell átalakítani. • Folyamatos (anyagáram, hőmérséklet, méret) és diszkrét (a kapcsolódás benne van-e vagy senem a folyamatábrában) matematikai változók. • Célfüggvényt (objective function) hozunk létre és szerkezeti és paraméter optimalizációval kiértékeljük.

19. Ennek a megközelítésnek 2 fő hátránya van: • Az optimális szerkezetet nem táláljuk meg amennyiben nem szerepelt a szuperszerkezetben. Minél több opciót építünk be, annál nagyobb az esélyünk az optimális szerkezet megtalálására. • Ha pontosan reprezentáljuk a műveleti egységeket, a metamatikai modell hatalmas és az objektív függvény alakja nagyon szabálytalan lesz. Számos csúcsot és völgyet fog tartalmazni. A lokális és globális optimumokat nehéz megkülönböztetni egymástól. • A legsúlyosabb probléma, hogy a tervezőmérnököt kivonjuk a döntéshozatalból. Ezért számos olyan dolgot nem tuduk kellően figyelembe venni amelyeket nem tudunk beépíteni a matematikai modellbe, pl. biztonságtechnika vagy az üzem elrendezése.

20. Előnyei: • Nagyon sok különböző tervlehetőséget vehetünk figyelembe egyidejűleg. • A tervezés során jelentkező nagyszámú és összetett kompromisszum is kezelhető ezzel a megközelítéssel. • A teljes tervezési folyamatot automalizálhatjuk ezáltal a tervezés gyorssá és hatékonnyá válik.

21. Hierarchikus folyamattervezés Döntési hierarchia vázlata: • 1. Szakaszos vagy folyamatos üzem • 2. Előzetes anyagmérleg • 3. Reaktor és visszaforgatás • 4. Szétválasztó rendszer általában a. Gázvisszanyerő rendszer b. Folyadékvisszanyerő rendszer • 5. Energiavisszanyerő hálózat • 6. Egyéb segédrendszerek, szabályozás • 7. Elhelyezés, vezetékek, stb.

22. Hierarchikus folyamattervezés 1. Szakaszos vagy folyamatos üzem • 24h/7 , évi 8400 munkaóra • éves karbantartási időszak vagy véletlenszerű meghibásodások miatti leállások jellemzik • megfelelő mennyiségű alapanyagot és segédanyagot folyamatosan táplálni, a melléktermékeket folyamatosan elvezetni kell • folyamatos szabályozásra van szükség, s a szabályozórendszer kiépítése és működtetése komoly költségekkel jár • a hosszantartó működés megbízhatóbban működő szerelvények használatát követeli meg • a folyamatos szabályozásnak köszönhetően alkalmasabb a termékminőség adott szinten tartásához.

23. Hierarchikus folyamattervezés • Szakaszos vagy folyamatos üzem • a szakaszos üzem egyszerre egy-egy véges adagot dolgoz fel • az időszakos leállásoknak köszönhetően mód van a berendezések pihentetésére, az esetleges javítások elvégzésére • 50t/év termelés fölött folyamatos üzem • 5t/év termelés alatt szakaszos üzem

24. Hierarchikus folyamattervezés 2. Előzetes anyagmérleg • Felhasznált és kibocsájtott anyagáramok azonosítása és ezek nagyságrendi becslése • A várható konverzió és szelektivitás mérlegelése • Az el nem reagált anyagok kezelésének módjai • Az elválasztó/visszanyerő rendszer működésének hatékonyságtervezése • Várható anyagveszteségek és az elválasztásnál felhasználandó segédanyagok mennyiségének becslése • Keletkezett melléktermékek felhasználásának lehetőségei