CHEM-A1100 KEMIALLISET TUOTANTOPROSESSIT. Sarwar Golam, TkT. Yliopistonlehtori A!, Tehdassuunnittelu Syksy 2015

Transkriptio

1 CHEM-A1100 KEMIALLISET TUOTANTOPROSESSIT Sarwar Golam, TkT. Yliopistonlehtori A!, Tehdassuunnittelu Syksy

2 Ymmärtää: Oppimistavoite 1. Tuotantolaitoksen eri prosessit, osa-alueet ja järjestelmät 2. Prosesseissa käsiteltävät aineet ja tuotteet 3. Prosessien suorituskyky 4. Peruskäsitteet, aine- ja energiataseet sekä prosessin hallinta 2

3 1. PROSESSI Teollisuusprosessi on monivaiheinen tapahtumaketju, jonka raakaaine käy läpi tavoitteena halutun tuotteen aikaansaaminen. Nämä vaiheet voivat olla joko fysikaalisia tai kemiallisia tapahtumia (yksikköoperaatiot ja prosessit). Nämä ovat luonteeltaan yleisiä prosessista riippumattomia tekniikoita Prosessi on siten osien ja niiden välisten kytkentöjen muodostama järjestelmä (systeemi), jonka osilla on voimakas vuorovaikutus toisiinsa. Pelkkä osien toiminnan ymmärtäminen ei riitä, jos halutaan tutkia systeemin ominaisuuksia, koska järjestelmä on enemmän kuin osiensa summa. Prosesseille on tyypillistä, että vaikka niiden osat olisivat yksinkertaisia, koko järjestelmän toiminta voi olla kovinkin monimutkaista. Prosesseja esiintyy mm. teollisuudessa, luonnossa ja taloudessa. 3

4 Kuva: Forest BtL (Biomass to Liquid) Prosessi 4

5 Kuva 2. Termomekaaninen laitos, paperikone ja vesikiertoja 5

6 1.1 PROSESSITEKNIIKAN OSA-ALUEITA Eri näkökulmia ja osaamisalueita prosesseihin fysik. ilmiöt systeemi talous PROSESSI kemia organisaatio EHS energia EHS= environment, health and safety 6

7 Prosessin ymmärtäminen vaatii: Osia kuvaavat yksikköoperaatiot sekä niissä olevat ilmiöt Laitteiden prosessitekninen mitoitus ja valinta Laiteiden mekaaninen mitoitus ja materiaalit Prosessin ilmiöt, suunnittelu, talous, turvallisuus jne. Järjestelmien dynamiikka ja säätö Kokonaisprosesseja voidaan tarkastella pääosin stationäärisen prosessisuunnittelun ja -simuloinnin keinoin sekä dynamiikan osalta prosessien säätötekniikan avulla. Olemassa olevia valmistusteknologioita kuvataan kemian näkökulmasta teknillisen kemian, bioprosessitekniikan, elintarviketeknologian, sellutekniikan yms. yhteydessä kunkin alan näkökulmasta 7

8 1.2 TUOTANTOLAITOKSISSA ESIINTYVIÄ PROSESSEJA Tuotantoprosessi sisältää mm. seuraavat toiminnalliset osat: - Tekninen prosessi (tekninen tuotantoprosessi) - Toimintaprosessi (toimintatavat, jota kuvaa esim. organisaatio ja laatujärjestelmä) - Materiaaliprosessi (raaka-aineen hankinta, tuotteiden toimitus, logistiikka) - Rahaprosessi (rahaliikenne ja yrityksen laskentatoimi) MATERIAALI- PROSESSI TUOTANTO- LAITOS: Tekniikka, AINEET Toimitaproses RAAKA- TUOTANTO PROSESSI TUOTTEET Kuva 3. RAHAPROSESSI 8

9 1.3 TEKNISESÄ PROSESSISSA ESIINTYVIÄ TOIMINTOJA Arvoketju Toimitusketju Kuva 4. Arvoketju 9

10 Arvoketju sisältää ja se sisältää kaikki tuotteen arvoa lisäävät osatoiminnot. Perustoimintojen lisäksi, jotka ovat toimitusketjua, se sisältää myös tukitoiminnot, kuten kehitystoiminnan jne. (kuva 4. ylä- ja alaosassa). Yrityksen toiminnan hyvyyttä ei ratkaise pelkkä valmistusprosessi vaan koko arvoketju. Toimitusketju on tuotantolaitosta laajempi mutta arvoketjua suppeampi käsite. Toimitusketju sisältää materiaaliprosessin eri osat; oston, tuotannon, myynnin, varastot ja kuljetukset. 10

11 1.4 TUOTANTOPROSESSIN JAKOA LAAJUUDEN MUKAAN 1. Klusteri / laajatehdasalue (site) Yhteen kytketyt tehdasalueet. Tehokkaan klusterin tärkeimmät ominaisuudet ovat tuottavuuden kasvu, innovaatiokyky ja strateginen kyvykkyys. 11

12 useita tehtaita, varastoja ja palvelujärjestelmiä esim. Kilpilahden tehdasalue (Neste) Kuva. BASF:n tuotantoalue Ludwigshafenissa (Saksa) 12

13 2. Tehdas (plant) - yksi tehdas joka tekee jotain yl. myytävää tuotetta - esim. BtL, Sellu, Petrokemian tehdas Kuva. Osa Borealiksen tehdasaluetta Kilpilahdessa (Porvoo). 13

14 3. Laitos tai yksikkö (process, units) yksi tuotantoyksikkö joka tekee esim. välituotetta esim. eteeniyksikkö 4. Osaprosessi (section) laitoksen yksi osa (esim. krakkausosa) 5. Laite (equipment) prosessin osa muodostuu laitteista, putkista ja instrumenteista ja rakennusteknisistä osista 14

15 1.5 PROSESSIN RAKENNETTA Prosessi voidaan jakaa esi-, pää- ja jälkikäsittelyyn (ISBL) sekä aputoimintoihin kuten varastot, käyttöhyödykejärjestelmät ja jätteiden käsittely (OSBL). 15

16 1.6 TUOTANTOLAITOKSEN ALUELLISET OSA 1. Tuotantoalue; Inside Battery Limit (ISBL) 2. Ulkoalue; Outside Battery Limit (OSBL); offsite Ulkoalue voi olla yhteinen usealle prosessille. 1. ISBL sisältää prosessin 2. OSBL sisältää varastot ja käyttöhyödykkeiden tuotannon yms. 3. Patteriraja (battery limit) on raja prosessin ja ulkoalueen välillä. 16

17 Prosessialuetta, jossa kaksi ISBL-aluetta ja niille yhteinen OSBL: ISBL: prosessi Kuva. ISBL ja OSBL ISBL: prosessi OSBL Suurennos isbl-alueesta, jossa näkyy laitteita: Kuva. ISBL PATTERIRAJA 17

18 1.6.1 OSBL:N OSIA a) käyttöhyödykkeiden (vesi, sähkö, höyry, jne.) tuotannon b) varastot c) poisteiden käsittelyn (jätteet/jätevesi, jne..) d) palvelujärjestelmät (kunnossapito, hallinto, tutkimus, sosiaalitilat, terveydenhoito jne.) Varastot ja käyttöhyödykejärjestelmät halutaan erottaa tuotantolaitoksesta mm. turvallisuus- ja hygieniasyistä, koska varastoissa voi olla runsaasti vaarallisia kemikaaleja. Varastoille on myös paljon liikennettä, joka halutaan pitää poissa tuotantoalueelta. Ulkoalueella on myös toimintoja, joista voi olla haju- yms. haittoja mm. jäteveden puhdistus. Etäisyyttä tarvitaan. 18

19 1.7 PROSESSEISSA KÄSITELTÄVÄT AINEET 1. Raaka-aineet 2. Välituotteet 3. Tuotteet 4. Poisteet Kaasut; kaasun pesuun tai polttoon esim. soihdussa. Nesteet; eri typpisillä viemäreillä Kiinteät aineet 5. Käyttöhyödykkeet 6. Katalyytit 7. Apuaineet (esim. vaahdon-, likaantumisen, korroosionesto jne.) 19

20 1.7.1 RAAKA-AINEET Raaka-aineilla ja tuotteilla on yleensä tarkat spesifikaatiot. Raaka-aineilla laatu vaikuttaa: käsittelytapaan valmistuskapasiteettiin ja usein prosessin mitoitukseen ja jopa prosessin valintaan. Kyky hyödyntää huonoa raaka-ainetta voi olla kilpailutekijä. 20

21 1.7.2 TUOTTEET TUOTTEIDEN TYYPIT (Kline matrix) Volyymi Erilaistuminen (value added) (pieni) (suuri) (pieni) erikoiskemikaali hienokemikaali (suuri) pseudo-commodity massatuote (branded-commodity) (true-commodity) Volyymi tarkoittaa tuotantomäärää. Erilaistuminen sitä, miten erilaisia (lisäarvoa) eri valmistajien tuotteet ovat. Massatuote = bulkkituote = commodity (synonyymejä) Mieti esimerkki kunkin ryhmän tuotteesta. 21

22 Kemikaalien kaupallinen luokitukset: 22

23 Taulukko: Bulkkituotteiden ja erikoiskemikaalien eroja Commodity (massatuote) Specialty (erikoiskemikaali) Examples Base products (ethylene, ammonia, chlorine ) + Intermediates (urea, acetic acid, acrylonitrile ) Around 20 base products intermediates Remains unchanged on the market during years Pigments Surfactants Insecticides Aromas Antioxydants Number of > molecules Product Rapid turnover specificity Competition Price Quality + performances Ratio sales / investment Product type Mainly small molecules Surfactants, polymers, particulate solids Production Single product, high tonnage, Batch production, process continuous production low tonnage Selling price 0.5 to 2 /kg 3 to 500 /kg 23

24 ERIKOISTUOTTEET: There are three classes of differentiated chemical products: 1. Specialty chemicals; special chemical compound. (e.g. pharmaceuticals/food/cosmetic additives, ) 2. Chemicals, whose microstructure rather than molecular structure, creates value (paint, ice cream, nano products) 3. Devices that work because of a chemical change (blood oxygenator, catalyst of car..) 24

25 Bulkkituotteilla on yleensä eri kauppalaadut, kuten: Kemikaalilaatu (voi olla erilaisia) Polymeerilaatu Elintarvikelaatu Hienokemikaalilaatu Pro-analysis laatu (analyyttisen puhdas) Farmakopeian mukainen laatu (lääkelaatu) 25

26 TUOTTEISTA YLEISTÄ Tuotteet voidaan nähdä ratkaisuina asiakkaan ongelmiin. Tuotteillakin on siten elinkaari kuten prosesseilla. Tuote sisältää usein myös asiakaspalvelua siitä kuinka tuotetta käytetään ja kuinka asiakas parhaiten hyötyy tuotteesta. Tuotteita voi suunnitella käyttäen kemian tekniikan tietämystä aineominaisuuksista ja ilmiöistä. Jos tuote on ratkaisu asiakkaan ongelmiin; esim. painovärin ohenneöljy, sen koostumusta voidaan vaihdella kovinkin paljon kemiallisesta näkökulmasta. Tavallisesti se voi olla monimutkainen seos, jolla on halutut ominaisuudet; esim. viskositeetti, liuotuskyky, myrkyttömyys, väri jne.. 26

27 Taulukko 1. Polymeerilaatuisen propeenin spesifikaatiota (spekkiä) SPECIFICATION FOR POLYMER GRADE PROPYLENE SpecificationPoints Test Method Value Propylene, wt-%, min. D Propane, wt-%, max. D Acetylene, ppm by wt., max. D Ammonia, ppm by wt., max. GC* 0.2 Arsine, ppm by wt., max. GC* 0.02 Phosphine, ppm by wt., max. GC* 0.02 Butadiene, ppm by wt., max. D C4 s Total, ppm by wt., max. D-2712* 15 C5 s and Heavier, ppm by wt., max. D-2712* 10 Carbon Dioxide, ppm by wt., max. D-2505* 1 Carbon Monoxide, ppm by wt., max. D-2504* 0.03 Ethane, ppm by wt., max. D-2712* 300 Ethylene, ppm by wt., max. D

28 1.7.3 KÄYTTÖHYÖDYKKEET Vesi: Jäähdytysvesi, prosessivesi, juomavesi, jäävesi, kiertovesi Höyry: eri paineita, joilla voidaan lämmittää eri lämpötilatasoilla. Lauhde: syntyy höyrystä lauhtumalla. Johdetaan takaisin höyryn kehitykseen Sähkö: eri jännitteitä Paineilma: Instrumenttiilma: instrumenttien voiman lähteeksi Typpi: ilman poistoon palavien aineiden varastoinnissa Polttoaineet: polttoöljy, polttokaasu Pesut: mm. elintarviketeollisuudessa; hapan, emäs, huuhtelu Kylmäaineet: riippuen halutun lämpötilan tasosta; glykoli jne. 28

29 1.8 KEMIAN TUOTANTOPROSESSIN TYYPIT TUOTTEEN VALMISTUSTAVAN MUKAAN FRAKTIOIVA (erotteleva): - sellun keitto, öljynjalostus, sokerin valmistus erotustekniikat tärkeitä SYNTETISOIVA (reaktioihin perustuva): - kemikaalien reaktiivinen valmistus (esim. aspiriini) reaktiotekniikat tärkeitä SEKOITTAVA (tuoteorientoitunut): - paperin, teknokemian tuotteiden ja monien elintarvikkeiden valmistus tuotetekniikat tärkeitä 29

30 1.9 PROSESSIN SUORITUSKYKY Jotta toimintaa voi kehittää, suorituskykyä täytyy seurata eri kriteerien suhteen. Kriteerejä mitataan valituilla mittareilla (tunnusluvuilla). Esim. kriteerin 'turvallisuus' mittari voi olla tapaturmien määrä vuodessa. Suorituskykykriteerit voi ryhmitellä kolmeen ryhmään: 1. TALOUS 2. YMPÄRISTÖ, TERVEYS, TURVALLISUUS 3. TEKNINEN SUORITUSKYKY 30

31 TURVALLISUUS INDEKSIT, YMPÄRISTÖINDEKS. VANHANAIKAINEN HSE KANNATTAMATON TALOUS TEKNIIKKA KANNATTAVUUS- TUNNUSLUVUT HYVÄKSYTTÄVÄ; BAT. TEOR, MAX. EI YHTEISKUNNAN HYVÄKSYNTÄÄ KUVA: KOLME SUORITUSKYKYKRITEERIÄ 31

32 PERUSTYÖKALU: TASELASKENTA Tee aina ensin tase! AINETASE HAIHDUTIN 6 4 Tasealueet tehdään: koko systeemin eri laitteiden ympärille kokoainetase osa-ainetase (muut paitsi yksi riippumattomia) KITEYTIN 5 32

33 REAKTIOTAPAUS Happi CO2, H2O &n 2 n& 3 &n 1 REAKTORI &n 4 erotin &n 5 EtO Eteeni &n 6 &n 7 Moolitase ei päde reaktiossa, mutta osa-ainetase voidaan kirjoittaa seuraavasti. Reaktorin tase: 06, * n& x = n& x Reagoimaton osuus (60%) reaktorin syötöstä menee kiertoon! Taseen ratkaisu tapahtuu joko analyyttisesti tai iteroiden. 33

34 ENERGIATASEET Mitä on kylläinen höyry? Se on kiehumapisteessä olevaa höyryä eli se on tasapainotilassa saman lämpöisen (kiehuvan) veden kanssa. ENTALPIAT (höyrytaulukko) Höyryn ja veden entalpiat saadaan höyrytaulukosta (Keskinen). - kylläisen arvot omassa taulukossa - tulistetulle höyrylle on oma taulukko. Mitä on tulistettu höyry? Se on kylläistä höyryä jota on lämmitetty edelleen. Esim. 101 kpa:ssa kylläinen höyty on 100 C:sta, mutta sitä kuumempi on tulistettua. 34

35 ESIMERKKI 1200 kpa 300 kpa Systeemin energiatase: m& i = m& i + m& i (1) Systeemin ainetase: m& = m& + m&...(2) Yhtälö (1) ja (2) m& 3 = i i - i i 3 2 * m& 1 i = entalpia m = massavirta 35

36 Virtojen lämpötilat ja entalpiat saadaan höyrytaulukosta kun tiedetään paine ja olomuoto. Tulistetulle höyrylle tulee tietää tulistusaste lisäksi. VIRTOJEN ENTALPIAT JA LÄMPÖTILAT: Virta P/kPa t/ o C Faasi Entalpia i/kj/kg neste 798, höyry neste 561 Entalpiat lasketaan ominaislämmöillä muille kuin vedelle, koska entalpiataulukkoja ei ole monille aineille: i = c ( t - t ) 1 P1 1 ref i = c ( t - t ) + l 2 P2 2 ref 2 i = c ( t - t ) 3 P3 3 ref l = latentti (eli höyrystymis) lämpö tref = referenssilämpötila 36

37 37

38 38

39 Kertaus Tuotantoprosessien ymmärtäminen vaatii: 1. Kokonaisprosessin ja sen osa-alueiden ja järjestelmän hallintaa. 2. Prosessien suorituskyvyn kriteerien ymmärtämistä. 3. Aine ja energiataseen ymmärtämistä ja tehokasta hyödyntämistä. 39