Hierarchikus folyamattervezés• a beruházási ötleteknek csak 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.

Szükség lesz valamilyen elválasztó rendszerre.

• A rendszer energetikailag nem hatékony mert nincs benne hővisszanyerő rendszer!

Az előző folyamat 2 különböző kapcsolású hővisszanyerő rendszerrel

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

És ezzel az energiavisszanyerő rendszer is változik!

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!

A hierarchikus folyamattervezés „hagyma” diagramja

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.

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!

A folyamattervezés során az alábbi 2 szituációval találkozhatunk:• Új üzem tervezése (zöldmezős beruházás)

• Meglévő folyamat áttervezése (retrofit)KapacitásnövelésMás feed vagy termékspecifikációra átállásA működési költségek csökkentéseA biztonság növeléseA szennyezőanyag kibocsátás csökkentése

• Minden esetben kívánatos a meglévő eszközök, gépek leghatékonyabb felhasználása.

• 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.

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.

A tervezési folyamatot kétféleképpen közelíthetjük meg:

1. 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.

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).

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.

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.

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.

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.

Hierarchikus folyamattervezés1. 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.

Hierarchikus folyamattervezés

1. 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

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