На главную » Научные направления »

Разработка гибких многоассортиментных технологий в предметной области «химические реактивы и особо чистые вещества».

   1.1. При создании многоассортиментных производств химических реактивов и особо чистых веществ нами рассматриваются четыре иерархических уровня: номенклатурный, производственно-технологический, организационно-технологический и организационно-производственный. Иерархической структуре соответствуют 3 вида гибкости: технологическая, структурная и организационная.

    Признак организационно-технологического уровня - объединенное отделение. Задачи: оптимизация аппаратурного оформления и минимизация производственного цикла.

   Признак организационно-производственного уровня - отдельный цех как сложная кибернетическая система. Задачи:  стабилизация материальных и информационных потоков между объединенными отделениями; распределение сырьевых, энергетических и трудовых ресурсов.

   Признак производственно-технологического уровня - многоассортиментное производство. Задачи: оптимальное использование полупродуктов и общих исходных реагентов; использование элементов гибкости с целью расширения производственных групп по наименованиям; варьирование мощности всего технологического процесса.

   Характерные признаки номенклатурного уровня: продукт одного вида или одна технологическая стадия. Основные задачи: расширение набора квалификаций по чистоте одного продукта; варьирование мощности технологической стадии. Функционирование данного уровня обеспечивается технологической гибкостью, которая определяется способностью на имеющемся оборудовании выполнять несколько технологических задач за счет гибких технологических способов получения заданных веществ (по номенклатуре) или при незначительных затратах на переналадку оборудования (остановка на промывку, перекоммутация трубопроводов и прочие операции).

   Организация гибкого производства является сложной задачей, так как при ее решении возникают вопросы совмещения выпускаемых продуктов не только на основе сходства их физико-химических свойств, применяемого способа получения, но и на основе принадлежности их к определенному классу веществ. В производстве высокочистых веществ в зависимости от степени чистоты целевого продукта различают два основных класса веществ: химические реактивы и особо чистые вещества. Перед началом работы по созданию гибких производств необходимо выяснить: химический состав целевого продукта, его класс и состав лимитируемых примесей; способ получения продукта и реализации технологического процесса; типы используемого оборудования.

   Для получения количественной оценки целесообразности синтеза гибкого производства необходимо провести анализ с целью выделения групп процессов, для которых это целесообразно. Первым этапом анализа является декомпозиция выпускаемого ассортимента на основе иерархического подхода по трем основным признакам: по технологическому сходству, химическому сходству и по классам целевых продуктов. Каждый из перечисленных признаков имеет свои уровни градации. Так, технологическое сходство подразделяется на сходство способов подготовки сырья (растворение, фильтрация, дробление и т.д.), способов производства ( тип превращения сырья в целевой продукт, однотипность технологических операций и используемого оборудования), способов фасовки. Химическое сходство определяется прежде всего принадлежностью соединений к одному и тому же классу (кислота, основание, соль, эфир и т.д.). внутри которого выделяются подуровни на основании физико-химических свойств соединений данного класса. Например, соли группируются по характеру кислотного остатка (нитраты, сульфаты, фосфаты и т.д.).

   Вторым этапом анализа является агрегирование процессов по технологическому сходству. При этом объединяются различные циклы производства: подготовки сырья, получения продуктов (целевых веществ) и фасовки. Каждый цикл организуется в виде отдельных совмещенных схем, где продукты производятся с учетом их физико-химических признаков, выделенных выше. Система гибких взаимосвязей между совмещенными узлами позволяет организовать производство в виде гибкой схемы.

  С позиций системного анализа структура цеха, реконструированного на основе гибкой схемы, имеет 4 иерархических уровня: номенклатурный (I), производственно-технологический (II), организационно-технологический (III) и организационно-производственный (IV). Иерархической структуре соответствуют 3 вида гибкости: технологическая, структурная и организационная (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Иерархическая цеховая структура на основе гибких производственных систем для предметной области «химреактивы и особо чистые вещества»

   Нами предложены следующие характеристики уровней:

Номенклатурный уровень. Признак: продукт одного вида или одна технологическая стадия. Задачи: расширение набора (пакета) квалификаций одного продукта; варьирование мощности технологической стадии. Функционирование данного уровня обеспечивается технологической гибкостью, которая определяется способностью на имеющемся оборудовании выполнять несколько технологических задач за счет гибких технологических способов получения заданных веществ (по номенклатуре) или при незначительных затратах на переналадку оборудования (остановка на промывку, перекоммутация трубопроводов и прочие операции).

Производственно-технологический уровень. Признак: многоассортиме-нтное производство. Задачи: оптимальное использование полупродуктов и общих исходных реагентов; использование элементов гибкости с целью расширения производственных групп по наименованиям; варьирование мощности всего технологического процесса.     Реализация данного уровня обеспечивается структурной гибкостью, которая характеризуется возможностью наращивания системы на основе модульного принципа, а также свойствами аппаратов периодического действия (АПД) (многофункциональное использование одного и того же аппарата).

Организационно-технологический уровень. Признак: объединенное отделение.        Задачи: оптимизация аппаратурного оформления; минимизация производственного цикла.         Действие данного уровня обеспечивается организационной гибкостью 1-й ступени, которая дает возможность осуществить максимальную загрузку технологического оборудования при реализации производственного цикла. Его введение обусловлено тем, что все объединенные отделения в пределах цеха связаны между собой как материальными, так и информационными потоками.

Организационно-производственный уровень. Признак: цех как сложная кибернетическая система. Задачи:  стабилизация материальных и информационных потоков между объединенными отделениями; распределение сырьевых, энергетических и трудовых ресурсов. Функционирование этого уровня обеспечивается организационной гибкостью 2-й ступени, в которую входит комплекс задач гибкого календарного планирования и оперативно-диспетчерского управления с централизованным распределением работ.

   Для основного из рассматриваемых в нашей работе производственно-технологического уровня были созданы 2 гибких многоассортиментных производства:

• алифатических углеводородов и петролейных эфиров реактивной квалификации;
• неорганических кислот особой чистоты.

   1.2. Выпускаемые нами алифатические углеводороды (пентан, гексан, гептан, нонан, изооктан, декан) и петролейные эфиры (40-70, 70-100, 65-75, 90-110), находят широкое применение в различных отраслях науки и техники: органический и элементоорганический синтез; фармацевтика и парфюмерия; составление, испытание и аттестация различных видов моторного топлива; очистка и обезжиривание деталей и оборудования. Особое место занимает их использование в химическом и физико-химическом анализе, экстракции примесей различной природы из анализируемых объектов, применение в качестве стандартов в газожидкостной и высокоэффективной жидкостной хроматографии. Широкий круг отраслей и направлений применения обуславливает большое разнообразие требований к качеству данных продуктов, для выполнения которых невозможно ограничиться каким-либо одним методом очистки.

   Технологическое производство алифатических углеводородов строится по обычной схеме от сырья (растворители технических марок) к продуктам более высоких квалификаций («чистый», «чистый для анализа», «химически чистый»). Для получения химических веществ реактивной квалификации необходимо специализированное оборудование, позволяющее добиваться требуемого качества с помощью специальных перемешивающих устройств, конструкционных материалов, совмещения стадий и др. Особенно перспективно в этом направлении применение аппаратурных модулей глубокой очистки.

   Конструктивно технологическая схема строится из последовательности стандартизованных аппаратурных модулей, на каждом из которых реализуется процесс очистки от определенной группы примесей и выделение основного продукта. Выбор модулей, последовательность их использования, организация и формирование технологических потоков определяются достижением необходимого уровня качества и выбором сырья.

   Созданная нами технология получения ассортимента алифатических углеводородов и петролейных эфиров (рис. 1.2) базируется на 5 типовых аппаратурных модулях: адсорбции, химической очистки, предварительной ректификации, точной ректификации и финишной ректификации. Модули предварительной, точной и финишной ректификации являются выпускающими, т.е. с них производится вывод соответствующей готовой продукции. Модули адсорбционной и химической очистки не являются выпускающими. Между ними и модулями ректификации существуют технологические потоки (т.н. внутренние), с которых отбор продукции не производится

Рис. 1.2. Гибкая схема технологии получения алифатических углеводородов и петролейных эфиров реактивной квалификации

   В типовой модульной технологической схеме (рис. 1.2), на примере переработки н-гептана и изооктана, показаны связи между отдельными технологическими модулями, пересечение и объединения технологических потоков (основных, побочных и возвратных). Основным технологическим потоком является последовательный процесс очистки технологического сырья (н-гептана «технического»; изооктана «технического») до химического реактива низких квалификаций (н-гептан «чистый», изооктан «чистый»), более высоких (н-гептан «эталонный» по ГОСТ 25828-83, изооктан «эталонный» по ГОСТ 12433-83), до реактивов специальной очистки (н-гептан «химически чистый» для УФ-спектроскопии; изооктан «химически чистый» для УФ-спектроскопии).

   Побочными потоками являются технологические процессы получения петролейных эфиров марок 70-100, 90-110, которые получаются путем переработки и переквалификации отходов основного технологического потока. При этом  квалификация получаемого продукта, первоначально принимаемая как «чистая» (петролейный эфир 70-100 «чистый» и 90-110 «чистый»), путем доочистки может быть повышена до более высокой.

   1.3. Современный этап технического прогресса характеризуется бурным развитием микроэлектроники. Это, в свою очередь, стимулирует совершенствование существующих и разработку новых методов получения особо чистых кислот. Особо чистые кислоты являются базой для производства важнейших изделий и материалов. Качество особо чистой кислоты определяется содержанием в ней лимитируемых микропримесей. При выборе способов очистки предпочтение отдается методам, в которых ограничена возможность внесения дополнительных загрязнений.

   Для глубокой очистки в основном применяются такие процессы как дистилляция, кристаллизация, абсорбция, ректификация, ионный обмен и т.д. В этих процессах обеспечивается очистка особо чистых кислот до содержания отдельных примесей на уровне 10^-6-10^-8 % мас.  Целью данной работы является синтез технологий ассортимента неорганических кислот особой чистоты (соляной, плавиковой, хлорной и азотной) на основе общих принципов формирования гибких технологических схем из типовых модулей (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Блок-схема технологий получения высокочистых соляной, плавиковой, хлорной и азотной кислот

   Разработка модульной технологии осуществлялось путем такого сочетания отдельных технологических  процессов, которое дает возможность использования максимального разнообразия исходного сырья. В качестве примера такого синтеза приводится разработка технологий высокочистых азотной и хлорной кислот на одной технологической линии, и галогеноводородных кислот (плавиковой и соляной) – на другой. При этом во втором случае имеет место возможность использования практически всех возможных видов исходного сырья (газ, концентрированные и разбавленные кислоты), представленного на рынке химических продуктов.

   Созданная нами технология получения ассортимента неорганических кислот особой чистоты базируется на 7 типовых аппаратурных модулях: адсорбции, химической очистки, предварительной ректификации, точной ректификации и финишной ректификации.  На приведенной блок-схеме (рис. 1.3) последовательно указаны все технологические стадии процессов по получению указанных кислот особой чистоты.