CHEM-A210 Yksikköoperaatiot ja teolliset prosessit. Hanketyypit, projektitoiminta, T&K-prosessi, prosessisynteesi ja taseet

Transkriptio

1 CHEM-A210 Yksikköoperaatiot ja teolliset prosessit Hanketyypit, projektitoiminta, T&K-prosessi, prosessisynteesi ja taseet Pekka Oinas, professori Sarwar Golam, yliopistonlehtori A!, Tehdassuunnittelu Syksy

2 Tehdassuunnitteluosio 1. PROJEKTITOIMINTA 2. T&K-PROSESSI 3. TASEET 4. PROSESSISUUNNITTELU 5. PROSESSIKAAVIOT 6. PROSESSIN SÄÄDÖT 7. TEOLLISUUSKATSAUS Ma Ma Ma Ma Ma LUENTO To To To To To LASKARI

3 LUENTO 1: OPPIMISTAVOITE Ymmärtää: 1. hanketyypit 2. projektitoiminta ja aikataulusuunnittelu 3. tutkimus-ja kehityshankkeen vaiheet 4. prosessisynteesi 5. prosessianalyysi ja simulointitarpeet 6. taseet 3

4 Prosessikehityssykli Process design Process analysis Process synthesis Fig. 1. Process development cycle 4

5 HANKETYYPIT JA NIIDEN TAVOITTEET 1. TUTKIMUS- JA KEHITYSHANKE (T&K) Prosessin kehittely toteutuskelpoiseksi, laboratorio- ja pilotkokeet, prosessin peruskonseptin luonti 2. ESISELVITYSHANKE (FEASIBILITY STUDY) Toteutettavuusselvitys, jolla selvitetään projektin toteutuksen edellytykset (markkinat, kustannukset, tuotot, kannattavuus, kypsyys, ympäristötekijät, turvallisuus jne.) Sisältää tarvittavat esisuunnitelmat. 3. INVESTOINTIHANKE Toteuttava prosessisuunnittelu, laite- ja laitossuunnittelu. Riittävän tiedon saaminen investointipäätöstä varten. 4. PARANNUSHANKE Kapasiteetin nosto, energiatalouden parantaminen, retrofit 5

6 PROJEKTI Kehitys- ja investointihankkeet toteutetaan aina omina projekteina. Projektin tunnusmerkit: 1. Aikataulu alkamishetki päättymishetki 2. Resurssit budjetti henkilöstö muut resurssit 3. Tavoite yleensä tekninen tavoite esim. laitoksen rakentaminen Projektin kootaan tehtävän toteutuksen kannalta riittävä määrä eri alojen henkilöitä. 6

7 PROJEKTIN ORGANISAATIO Johtoryhmä, hankevastuinen (isot päätökset) Projektipäällikkö (vastaa projektin toteutuksesta) Projektiryhmä (tekee varsinaisen työn) tutkija prosessisuunnittelija putkisto-, laite-, sähkö-, automaatio,- rakennus-, hankintasuunnittelija 7

8 AIKATAULU Voidaan esittää janakaaviona (alla) tai toimintaverkkona. 8

9 TOIMINTAVERKKO Toimintaverkko on aikasuunnittelussa käytettävä graafinen menetelmä, jossa esitetään tapahtumat, tehtävät ja niiden väliset riippuvuudet. Tehtävä on toiminto jonka suorittamien vaatii aikaa (nuoli) Tapahtuma on tehtävän alkaminen tai loppuminen. Ei vaadi aikaa (ympyrä). Aputehtävä on kahden tapahtuman välinen riippuvuus, joka ei vaadi aikaa (katkoviiva). Kriittinen polku on alku ja lopputapahtumien välinen eniten aikaa vaativa reitti, joka määrää projektin keston. On huomattava että seuraava tehtävää ei saa aloittaa, jos sitä edelliset ovat kesken. Kriittisellä polulla pelivara = 0. Nämä tapahtumat eivät saa myöhästyä, muuten projekti myöhästyy. 9

10 Kriittinen polku on tässä osoitettu kaksoisviivalla. 10

11 Kuva. Toimintaverkko 11

12 TUTKIMUS- JA KEHITYSHANKKEEN VAIHEET 1. Ideavaihe Tuote- tai prosessi-idea 2. Tutkimus- ja kehityshanke: Markkinatutkimus Tuotekehitys Prosessikehitys Esisuunnittelu Feasibility study 3. Investointihanke 12

13 ERI VAIHEIDEN TARKOITUS 1. IDEAVAIHE: Ideointi ja ideoiden karsinta 2. TUTKIMUS- JA KEHITYSVAIHE (T&K) Lähtötietojen hankinta ja idean kehittely toteutuskelpoiseksi MARKKINATUTKIMUS Kysynnän selvittäminen (määrä, laatu, hinnat) TUOTEKEHITYS Tuotteen kehittäminen halutuksi PROSESSIKEHITYS Tuotantoprosessin teknisen periaatteen kehittäminen ESISUUNNITTELU Riittävän teknisen tiedon saaminen toteutettavuusselvitystä varten FEASIBILITY STUDY (toteutettavuusselvitys) Hankeen toteutettavuuden selvittäminen investointipäätöstä varten (tekniikka, talous, riskit,..) 3. INVESTOINTIPÄÄTÖS 13

14 Idea Tuotekehitys Markkinatutkimus Tutkimuspäätös Tutkimusvaihe Kehityspäätös Prosessikehitys Esisuunnittelu, Pre-feasibility study Laboratoriokokeet Koetoiminta (bench ja pilot) Ostettu prosessiteknologia Kehityshanke Investointihanke Kuva. Tutkimus- ja kehitysprojektin vaiheita 14

15 ltr 250 ml 250 ml -10 ltr Kuva. Prosessin kehitys- ja suunnittelukulut eri vaiheissa 15

16 Bench-scale Pilot-scale 16

17 Virheiden kustannukset 1000 Relative cost of eliminating mistakes Laboratory Miniplant or bench Pilot plant Production plant 17

18 IDEAVAIHE Idea voi olla: -> tuoteidea Lähtökohtia: -> prosessi-idea: - uuden prosessin kehitys - raaka-ainetta tarjolla - tuotteen kysyntä - joutilas (idle) prosessi tarjolla - ratkaisu asiakkaan ongelmaan - vanhan prosessin parannus - keksintö voi syntyä sattumalta esim. virheen tuloksena. -uutta innovointia Ideat syntyvät yleensä tarpeesta 18

19 Innovation INNOVATION = new or improved product new or improved method How can we be innovative? daily routines and experience as basis knowledge of existing techniques and practices ask the right questions find a proper working strategy look for new possibilities PO P. Oinas November 2015

20 Innovation FINDING OF IDEAS sources search process mapping brainstroming EVALUATION OF IDEAS check financial potential check weak points check technical feasibility check what is not known Customers Agents Consultants Interlinked problems Literature Trade shows Exhibitions Meetings Conferences Internet Process simulation PO 20 2 November 2015

21 21

22 IDEASTA TUOTANTOON (uusi teknologia) REITTI OMA T&K LISENSOINTI AKVISITIO KESTO 3-7 V 2-3 V 6-12 KK PO 22 2 November 2015

23 PERUSTIEDON ARVIOINTI tuoteominaisuudet prosessikehityksen tarve taustatieto asiakastarpeet resurssit (osaaminen, laitteet) sovellusosaaminen Pre-feasibility -tutkimus TOIMENPITEET PO teknologia- ja tuoteselvitys alustavat laboratoriokokeet lisäosaamisen vaatimukset ja olemassaolo 23 PROJEKTIPÄÄLLIKÖN NIMEÄMINEN PROJEKTISUUNNITELMA 2 November 2015

24 Projektisuunnitelma PÄÄTAVOITE JA ALATAVOITTEET TAUSTA ORGANISAATIO TYÖPAKETIT (WP s) AIKATAULU KUSTANNUKSET RAHOITUS KOULUTUSSUUNNITELMA TUOTOKSET (deliverables) RISKIT (ERI TASOT) ODOTUKSET VAIKUTUKSET VALTUUTUS MUUTOKSENHALLINTA (moc) YMPÄRISTÖTEKIJÄT TURVALLISUUSTEKIJÄT TARKISTUSPISTEET KOMMUNIKOINTI PERUSKYSYMYKSET - Mihin ongelmaan haetaan ratkaisua? - Miten se ratkaistaan? PO 24 2 November 2015

25 PROJEKTISUUNNITELMA Projektisuunnitelmassa kerrotaan, mitä tehdään, missä aikataulussa ja millaiset resurssit siihen varataan. Se on projektipäällikön "henkivakuutus". Jos projektin aikana vaatimukset muuttuvat joko niin, että tilaajalta tulee uusia toivomuksia tai ympäristö muuttuu niin, että projektin tavoitteet eivät enää ole mielekkäitä, voidaan palata projektisuunnitelmaan ja korjata sitä muuttuneiden tarpeiden mukaisesti. Tällöin otetaan uudestaan kantaa aikatauluun ja resursseihin: uusiin tavoitteisiin ei ehkä ole realistista pyrkiä samassa aikataulussa samoin resurssein kuin aikaisempiin tavoitteisiin pyrittiin. Aikataulun kiristäminen tai resursseista tinkiminen heijastuu yleensä lopputuotteeseen ja sen laatuun, mikä kostautuu myöhemmin verkkopalvelun elinkaaren aikana. PO 25 2 November 2015

26 RISKITASOT Laitteet Prosessit Henkilöt Ympäristö Tuotteet Business PO 26 2 November 2015

27 TEOLLISUUSPROSESSIN T&K-TOIMINTO SISÄLTÄÄ 1. PROSESSIEN MALLINUS JA SIMULOINTI 2. KOKEEELLINEN TYÖ 2. PROSESSISUUNNITTELUN KÄYNNISTYS 3. PROSESSISEURANTA 4. IDEAGENEROINTI JA TYÖSTÖ ERITYISASIAT TEHDASALUEILLA 1. KIINTOAINEEN KÄSITTELY (ERISTYS) 2. LIUOTTINEN JA TUOTTEEN TALTEENOTTO (SAANTO) 3. JÄTEMÄÄRÄN MINIMOINTI 5. MUUTOKSENHALLINTAPROSEDUURIT 6. TROUBLE-SHOOTING -PROSEDUURIT 8. SCALE-DOWN 9. TIEDON JA TEKNOLOGIAN SIIRTO JA SAATAVUUS PO 10. TUOTELAADUN PARANTAMINEN 27 2 November 2015

28 PREFEASIBILITY- SELVITYS - teknologiavaihtoehdot - alustava kustannusarvio - taselaskenta PROJEKTI- SUUNNITELMA - tavoitteet - tukimussuunnitelma TOTEUTUS - prosessikehitys - tuotekehitys VIIMEISTELY - jatkotoimenpiteet - parannusehdotukset - raportointi INVESTOINNIN PERUSTYÖ PO 28 2 November 2015

29 T&K-PROJEKTIN TOTEUTUS KÄYNNISTYSKOKOUS TIEDONHAKU kirjallisuus ainetiedot KOKEELLINEN TYÖ suunnittelu hankinnat rakentaminen turvallisuustarkastelut kokeelliset testit tuotetestit päättäminen RAPORTOINTI JA OHJAUS jatkuva kommunikointi asiakkaan kanssa (sisäinen, ulkoinen asiakas) projektikokoukset ohjausryhmän kokoukset tiedotus partnerit raportit ja muistiot PO 29 2 November 2015

30 MALLIPERUSTEINEN PROSESSIKEHITYS ALKUTIEDOT TEKNOLOGIAN VALINTA VIRTAUSMALLINNUS MEKANISTINEN MALLINUS LABORATORIOKOKEET PILOT PLANT MALLIN VALIDOINTI SKAALAUS TUOTANTOMITTAKAAVA OPTIMOINTI MOCK-UP -KOKEET PO P. Oinas 30 2 November 2015

31 INVESTOINTIESITYS: PERUSTYÖT TUTKIMUKSESSA OSALLISTUMINEN INVESTOINTIESITYKSEN VALMISTELUUN TIEDONSIIRTO (KNOWLEDGE TRANSFER) KRIITTISTEN PROSESSILAITTEIDEN SUUNNITTELU PO 31 2 November 2015

32 T&K-PROJEKTIN PÄÄTTÄMINEN PÄÄTÖSKOKOUS tulosten esittely (asiakkaalle) tulosten arviointi päätös jatkosta projektitoiminnan arviointi PO 32 2 November 2015

33 MARKKINATUTKIMUS Markkinatutkimuksessa selvitetään kysyntä ja sen kehitys sekä tuotteen kilpailijat: määrä: valmistus, tuonti/vienti (ulkomaan kauppatilastot) myyntilaadut käyttökohteet kilpailevat tuotteet valmistajat hinnat kilpailijoiden menestyminen ja tasetiedot (Orbis) vrt. due diligence, suunnitellun yrityskaupan osapuolen suorittamaa yrityskaupan kohteen tarkastus, jossa kartoitetaan ennakolta yrityskauppaan liittyviä riskejä ja vastuita. 33

34 MARKKINATUTKIMUS Markkinatutkimuksen käyttötarkoitukset: q Päätöksenteon tuki laadun ja luotettavuuden parantaminen q Päätöksenteon tehostaminen q Riskinoton pienentäminen q Ajankohtaisen ja luotettavan tiedon selvittäminen q Uusien markkinoiden mahdollisuudet Tiedonlähteet: - käsikirjat, kemian talouslehdet (ICIS Chemical Markets, European Chemical News jne.), tilastot (Suomessa tilastokeskus), maahantuojat, markkinatutkimuslaitokset (mm. PEP: Process Economics Program SRI: Strategic Research Insights) - käyttäjät / myyjät 34

35 Esimerkki markkinapotentiaalin selvittämisestä: 1. Uuden tuotteen ominaisuudet 2. Edut kilpailijoihin nähden (eri sovellutuksissa) saadaan potentiaalisimmat käyttökohteet, joille kullekin selvitetään: Sovellutus 1: 3. Alueelliset markkinat? 1000 t/a 4. Arvioitu markkinaosuus? 20% volyymi 0,2 * 1000 = 200 t/a 5. Arvioitu myyntihinta 1000 /t markkinavolyymi 1000 /t * 200 t/a = /a 6. Kate raaka-aineisiin ja muihin kuluihin nähden? Sovellutus 2: samat selvitykset, jne. Valittujen sovellutusten volyymi lasketaan yhteen. => Saadaan kokonaisvolyymi 35

36 TUOTEKEHITYS Tuotteet voidaan nähdä ratkaisuina asiakkaan ongelmiin. Tuote sisältää usein myös asiakaspalvelua siitä, kuinka tuotetta käytetään ja kuinka asiakas parhaiten hyötyy tuotteesta. Tuotteita voi siis suunnitella ja kehittää käyttäen kemian tekniikan tietämystä aineominaisuuksista ja ilmiöistä. Tuotesuunnittelu tarkoittaa tuotteen suunnittelua ominaisuuksiltaan asiakasta kiinnostavaksi ja sen testausta sovellutuskohteissa. Tuotesuunnittelussa käytettäviä lähestymistapoja ovat: 1. tuotteen kemiallisen laadun muuttaminen (esim. muovien polymerisoitumisaste ja ketjujen välinen linkittyminen) 2. seostaminen erilaisilla komponenteilla (pehmittimien lisääminen) 3. mikrorakenteen muuttamien; pigmenttipartikkelikoko; nanotuote 4. makrorakenteen muuttaminen (komposiittirakenne; lujitemuovi) Tehtävä: Keksi vastaavia esimerkkejä elintarviketuotteista 36

37 TUOTEKEHITYKSESSÄ TARVITTAVAT TEKNIIKAT - FRAKTIOIVA (erotteleva): - sellun keitto, öljynjalostus, sokerin valmistus erotustekniikat tärkeitä - SYNTETISOIVA (reaktioihin perustuva): - kemikaalien reaktiivinen valmistus (useimmat kemikaalit) reaktiotekniikat tärkeitä - SEKOITTAVA (tuoteorientoitunut): - paperin, teknokemian tuotteiden ja monien elintarvikkeiden valmistus tuoteominaisuustekniikat tärkeitä 37

38 Valion tuotekehitystä 38

39 PROSESSIN TUTKIMUSVAIHE Varsinkin jos ryhdytään kehittämään omaa prosessia tai tuotetta, tarvitaan tutkimus- ja kehitysvaihe (T&K-vaihe). Prosessin tutkimusvaihe on oikeastaan prosessikehittelyn laboratoriovaihe. Tutkimusvaiheen tavoitteena on prosessin ja tuotteen perustiedon; kemiallisten ja fysikaalisten ilmiöiden, aineominaisuuksien sekä prosessiin liittyvän patenttitilanteen selvittäminen. Laboratoriokokeilla selvitetään puuttuvat prosessikemikaalien termodynaamiset ominaisuudet, mm.: 1. reaktiokinetiikka, reaktionopeudet, konversiot, selektiivisyydet eri lämpötiloissa 2. katalyyttitestit, katalyyttimyrkkyjen ja katalyyttien keston selvitys 3. prosessikemikaalien termodynaamisten suureiden mittaus, höyrynpaineet, tasapainomittaukset (VLE/LLE) 39

40 PROSESSIKEHITYS Prosessikehityksen tavoitteena on tutkittavan prosessin kehittely toteutuskelpoiseksi teolliseen mittakaavaan. Prosessikehityksen lähtökohtia voivat olla: a. Tuoteidea Selvitetään, onko tuotteen valmistamiseen valmista tekniikkaa jonka voi ostaa jossain muodossa? Pyörää ei kannata keksiä uudestaan. b. Prosessi-idea Selvitetään, mitä vastaavia prosesseja ja patentteja on jo olemassa. Molemmat johtavat siis olemassa olevan prosessitekniikan selvitykseen. Tiedonlähteitä ovat: kirjallisuus, lehdet, prosessikatsaukset Samalla selvitetään patenttiesteet ja mahdollisuudet niiden kiertoon/oma patentointi. 40

41 Prosessikehittelyssä ryhdytään siis selvittämään prosessitutkimuksessa saatua perusaineistoa käyttäen, miten teknisesti toteutuskelpoinen prosessin toimintaperiaate voidaan luoda. PROSESSIPERIAATE Prosessiperiaate (-konsepti) sisältää tiedon: 1. käytettävien yksikköoperaatioiden tyypistä, 2. niiden järjestyksestä; esim. missä järjestyksessä erotukset tehdään 3. niiden välisistä kytkennöistä (esim. kierrätykset) 4. toiminta-arvoista (p, T, aine ja energiataseet, prosessivirrat, pitoisuudet, ph, jne.) 5. säätöperiaatteesta (pääsäädöt) Yllä mainittu lista kuvaa myös työskentelyjärjestystä. Kolmea ensimmäistä kohtaa kutsutaan myös prosessisynteesiksi, koska se on prosessirakenteen luomista. 41

42 PROSESSIKEHITYKSEN VAIHEET prosessin tavoitteiden asettaminen (mm. suorituskyky) synteesi, joka tehdään yleensä kokemukseen perustuen (luodaan prosessirakenne; valitaan operaatiot, niiden väliset kytkennät sekä toimintaparametrit; p, T jne.) analyysi, jossa arvioidaan lähtötiedot, lasketaan prosessin toiminta-arvot prosessirakenteelle (aine- ja energiataseet sekä laitekoot). suorituskyvyn arviointi, jossa arvioidaan tuloksen hyvyyttä suorituskykymittareilla (kustannukset ja EHS- asiat). päätöksenteossa arvioidaan, oliko lopputulos haluttu ja palataan edellisiin vaiheisiin yrittäen parantaa suunnitelmaa. Prosessikehitys on siten iteratiivista. 42

43 PROSESSISYNTEESI Prosessikehityksen keskeinen tehtävä on päättää, millaisia operaatioita käytetään sekä miten nämä on kytketty toisiinsa prosessivirroin. Tätä ns. prosessin rakenteen luomista eli prosessisynteesiä on tutkittu teoriatasolla runsaasti. Käytännössä prosessisynteesi tehdään kokemukseen perustuen siten, että luodaan kokemusperäiseen insinööritaitoon perustuen vaihtoehtoja, joille tehdään mitoitus ja lasketaan suorituskykykriteerejä. Parasta vaihtoehtoa parannetaan edelleen sopivin muutoksin. Kuva. Kaksi erilaista erotuslaitteiden kytkentävaihtoehtoa (neljän komponentin erotus puhtaiksi tuotteiksi) 43

44 KOKEMUSPERÄINEN PROSESSISYNTEESI Käytännössä prosessisynteesi tehdään kokemukseen perustuen siten, että luodaan eri vaihtoehtoja, tehdään niiden mitoitus ja lasketaan suorituskykykriteerejä. Päävaiheet: 1. kemian ja muiden lähtötietojen selvitys 2. syöttö- ja tuotevirtojen laadun ja määrän selvitys (kuva 3a) 3. prosessin päävaiheiden selvitys (3b) 4. vaiheiden muuntaminen yksikköoperaatioiksi (3c) 5. yksikköoperaatioiden muuntaminen laitteiksi alustavasti 6. talouden ja muiden kriteerien tarkastelu (feasibility) Tuloksena syntyy lohkokaavioita ja lopuksi virtauskaavio. 44

45 Esimerkki: sodium dodecylbenzene sulfonate :n (Natriumdodekyylibentseenisulfonaatin) valmistusprosessi ja sen prosessisynteesi eri vaiheessa: Prosessin päävaiheet ja reaktioita ovat seuraava: Alkylointi: C 6 H 6 + C 12 H 24 > C 6 H 5 *C 12 H 25 (AlCl 3 katalyytti) Sulfonointi: C 6 H 5* C 12 H 25 + H 2 SO 4 -> C 12 H 25 *C 6 H 4 *SO 3 H + H 2 O Neutralointi: C 12 H 25 *C 6 H 4 *SO 3 H + NaOH -> C 12 H 25 *C 6 H 4 *SO 3 Na + H 2 O Bentseenin ja dodekeenin alkylointi reaktio tapahtuu 45 o C lämpötilassa, 1 barin (abs) paineessa ja AlCl 3 katalyytin avulla. Konversio on 70%, sivureaktioina raskaampia alkylointijakeita. Tee prosessisynteesi (input/output; päävaiheet ja yksikköoperaatiot) sisältäen reaktorin, erotusoperaation kierrätyksineen. 45

46 Kuva 3. Eri vaiheiden tuottamia lohkokaavioita a) input/output -kaavio, b) päävaiheet ja kierrätys, c) yksikköoperaatiot 46

47 Bentseeni: Kaava: C 6 H 6 Moolimassa: 78,11 g/mol Tiheys: 877 kg/m³ Sulamispiste: 5,5 C Kiehumispiste: 80,1 C Dodekeeni: Kaava: C 12 H 24 Moolimassa: 168,3 g/mol Tiheys: 758 kg/m³ Sulamispiste: -35,2 C Kiehumispiste: 213,4 C Dodekyylibentseeni: Kaava: C 18 H 30 Moolimassa g/mol Tiheys: 856 kg/m³ Sulamispiste: -7 C Kiehumispiste: 290 to 410 C (isomeeriseos) Kuva: Prosessin periaatekaavio 47

48 HIERARKKINEN LÄHESTYMISTAPA PROSESSISYNTEESIIN Prosessi voidaan jakaa esi-, pää- ja jälkikäsittelyyn (isbl) sekä aputoimintoihin, kuten varastot, käyttöhyödykejärjestelmät poisteiden käsittely (osbl). R.A. VARASTO ESI- KÄSITTELY PÄÄKÄSIT- TELY JÄLKI- KÄSITTELY VARASTO TUOTE KÄYTTÖ- HYÖDYKKEET LÄMMÖN TALTEEN- OTTO POISTEJÄRJES TELMÄT JÄTE Kuva. Prosessin osat (isbl ja sen eri vaiheet sekä osbl) 48

49 Esikäsittelyn tehtävä on saattaa raaka-aineet pääkäsittelyn vaatimaan kuntoon (poistaa esim. katalyyttimyrkyt). Jälkikäsittely taas erottaa tuotteet, sivutuotteet ja reagoimattomat raaka-aineet toisistaan. Pääkäsittely on prosessin tärkein osa ja prosessikehitys aloitetaan siitä, vielä sen keskeisestä osasta, joka on usein reaktori. Kuva: Perusprosessi: esi-, pää -ja jälkikäsittely 49

50 Prosessin periaatteen valinnan (prosessisynteesin) järjestys seuraa sipulikuvassa esitettyä prosessin osien hierarkiaa. 1. Prosessissa käsiteltävien aineiden ja reaktioiden ominaisuuksien selvittäminen 2. Prosessin tehtävän ja vaiheiden selvitys 3. Reaktoriosan periaatteen suunnittelu 4. Erotus- ja kierrätysosan suunnittelu 5. Poistejärjestelmän suunnittelu 6. Lämpöintegroinnin suunnittelu 7. Käyttöhyödykejärjestelmien suunnittelu 8. Varastojen suunnittelu 9. Lopputarkastelu Kuva: Prosessihierarkia (sipuli) 50

51 PROSESSIANALYYSI JA SUORITUSKYKY Prosessianalyysivaiheessa lasketaan prosessin toiminta-arvot prosessirakenteelle sisältäen: 1. aine- ja energiataseet sisältäen virtojen kemikaalien pitoisuudet, operointiolosuhteet, kuten p, T sekä faasit ja entalpiat. 2. laitekoot 3. EHS, talous ja kannattavuus Jotta toimintaa voi kehittää, suorituskykyä täytyy seurata eri kriteerien suhteen. Kriteerejä mitataan valituilla mittareilla (tunnusluvuilla). Esim. kriteerin 'turvallisuus' mittari voi olla tapaturmien määrä vuodessa. 51

52 52

53 TURVALLISUUS INDEKSIT, YMPÄRISTÖINDEKS. VANHANAIKAINEN HSE KANNATTAMATON TALOUS TEKNIIKKA KANNATTAVUUS- TUNNUSLUVUT HYVÄKSYTTÄVÄ; BAT. TEOR, MAX. EI YHTEISKUNNAN HYVÄKSYNTÄÄ KUVA: KOLME SUORITUSKYKYKRITEERIÄ 53

54 takaisinmaksuaika sidotun pääoman tuotto päästömäärät, energiatehokkuus työsairaudet, sairauspoissaolot kemikaaliriskit, työtapaturmat, läheltä piti -tilanteitten lukumäärä Tekninen tehokkuus = saanto, energiatehokkuus Käyttövarmuus = luotettavuus, vikaantuvuus, riskit Tekninen uutuus = kehityspotentiaali 54

55 PROSESSISIMULOINTI Jotta prosessikehitystä ja -suunnittelua voitaisiin tehdä, tarvitaan analyysivaiheessa simulointia. Simulointi on kahta tyyppiä: - Stationäärisimulointi (vakiotilan simulointi) - Dynaaminen simulointi (ajasta riippuvan tilan simulointi) Prosessisimuloinnin pääasiallinen käyttökohde on siten prosessin aine- ja energiataseiden laskenta analyysivaiheessa sekä osittain myös laitemitoitus varsinkin aineensiirtolaiteiden osalta (esim. tislaus). Kemian teollisuudessa simulointiohjelmat ovat yleensä ympäri maailmaa käytössä olevia kaupallisia ohjelmistoja kuten; ASPEN PROII ChemCad 55

56 AINE JA ENERGIATASEET Mitä on kylläinen (saturated) 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 höyry on 100 C:sta, mutta sitä kuumempi on tulistettua (superheated). 56

57 ESIMERKKI 1200 kpa 300 kpa Systeemin energiatase: mi & = mi & + mi & (1) Systeemin ainetase: m& = m& + m&...(2) Yhtälö (1) ja (2) i = entalpia () kj/kg m = massavirta () kg/h m& 3 = i i - i i 3 2 * m& 1 57

58 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 (L) 798, Höyry (V) Neste (L) 561 Entalpiat lasketaan yleensä 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 t ref = referenssilämpötila 58

59 59

60 60

61 Kertaus Kehitys- ja investointihankkeet toteutetaan aina omina projekteina Tuote- tai prosessi-ideaa seuraa tutkimus-ja kehitysvaihe Prosessikehitys on tutkivan prosessin kehittely toteutuskelpoiseksi teolliseen mittakaavaan. Prosessisynteesi on prosessin rakenteen luomista. Prosessin suorituskykyä täytyy seurata eri kriteerien suhteen Taseiden tarkastelu on aina prosessille välttämätöntä 61