Гибкая производственная система
FLEXIBLE PRODUCTION SYSTEM

Изобретение относится к гибкой полипродуктовой, политехнологичной, изменяемой и расширяемой химико-технологической системе для производства химических продуктов и к производственным процессам с использованием элементов такой системы.
Известна гибкая производственная система (см. авт. свид. SU №1826361 A1, МПК B23Q 41/02, 2003), содержащая связанные между собой проходами гибкие производственные модули, выполненные с возможностью многоярусного размещения, каждый из которых включает корпус с установленным в нем технологическим оборудованием, систему модульных и магистральных коммуникаций, вспомогательное оборудование и систему управления, где корпусы модулей установлены своими углами на углы дополнительно введенных промежуточных опор, выполненных в виде куба, размещенных на стыках смежных в горизонтальной плоскости корпусов и образующих межмодульную сообщающуюся полость, причем корпус каждого из модулей выполнен замкнутым, а проходы - изолированными от межмодульной полости, при этом магистральные коммуникации, вспомогательное оборудование и пульты системы управления размещены в межмодульной полости.
К недостаткам известной системы относится то, что используют металлоемкие промежуточные опоры, на которые установлены корпусы модулей, т.е. не реализуют самонесущие возможности модулей.
Известна гибкая производственная система (см. патент РФ №2510320 С2, МПК B23Q 41/02, 2014), которая содержит систему управления, автоматизированную систему инструментального обеспечения, по меньшей мере один гибкий производственный участок, включающий технологическое оборудование, имеющую обойму с поворотными в автономном режиме ячеистыми секциями, расположенными по ее периферии, и средства обмена грузами между обоймой и технологическим оборудованием.
К недостаткам известной системы относится то, что указанная система не может быть использована для синтеза химических продуктов.
Известна система и способ изготовления (см. WO 2005/076093 А1, МПК G05D 27/02, 2004), или настраиваемая система производства, которая включает в себя производственное помещение, имеющее первую систему обработки воздуха и множество портативных модулей, предусмотренных в производственном помещении. Модуль имеет внутреннюю часть, которая может быть соединена с внутренней частью другого модуля, и внутренняя часть каждого модуля включает в себя один или несколько компонентов для выполнения, по меньшей мере, одной конкретной задачи химического производственного процесса. По меньшей мере, один модуль включает в себя систему управления средой внутри модуля и средство соединения внутренней части модуля с внутренней частью другого модуля. Система также включает в себя центральный контроллер, работающий для выполнения одной или нескольких операций и сбора информации, для работы системы и одного или нескольких модулей.
К недостаткам известной системы относится то, что известная система может быть размещена только в производственном помещении и не может работать на открытой площадке.
Известна производственная система (см. патент РФ №2564250 С2, G05B 19/418, 2013, принят за прототип), которая содержит ядро, предназначенное для снабжения одного или более производственных отсеков двумя или более средствами общего пользования; два перемещаемых производственных отсека, выполненные с возможностью разъемного соединения с ядром и приема средств общего пользования; два рабочих пространства, которые определены первым и вторым перемещаемыми производственными отсеками и вмещают первую и вторую установки для выполнения первого и второго производственных процессов, что приводит к уменьшению времени простоя за счет возможности переключения с изготовления одного продукта на другой посредством отсоединения одного отсека от ядра и подсоединения другого отсека к этому ядру.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной системы, принятой за прототип, относится то, что в известной системе ядро не предназначено для возврата и рециркуляции средств общего пользования и химических продуктов, а ядро и отсеки не образуют самонесущий каркас. Кроме того, известная система не применима для синтеза и/или очистки неорганических веществ, а часть средств общего пользования, например, теплоносители и/или газовые огнетушащие вещества, не генерируют и не хранят в производственных отсеках, при этом отходы производства не перерабатывают и не изолируют. Кроме того, не проводят очистку установок, находящихся в соединении с ядром, средствами общего пользования, например, теплоносителем.
Проблема при производстве химических продуктов состоит в том, что возникла необходимость снижения капитальных затрат на создание химико-технологической системы, за счет ее размещения в рамках имеющихся производственных зданий и открытых площадок, сокращения времени трансформации системы под производство нового продукта за счет использования унифицированных производственных отсеков, подключаемых к хордовой (линейной) многоуровневой эстакаде, увеличения межремонтного пробега системы за счет своевременной замены отсеков, увеличения прибыли путем оперативного наращивания объемов производства за счет подключения дополнительных производственных отсеков.
Технический результат - снижение затрат на перестройку химико-технологической производственной системы за счет ее размещения в рамках имеющихся производственных зданий и открытых площадок, сокращение времени трансформации системы под производство нового продукта за счет использования унифицированных производственных отсеков, подключаемых к хордовой многоуровневой эстакаде, увеличение межремонтного пробега системы за счет своевременной замены отсеков.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной гибкой производственной системе для производства химических продуктов, содержащей: ядро, которое предназначено для снабжения одного или более производственных отсеков двумя или более средствами общего пользования, например, воздухом, водой и электричеством; первый и второй перемещаемый производственный отсек, выбранные из множества доступных отсеков, выполненные с возможностью разъемного соединения с множеством положений ядра и приема средств общего пользования; первое и второе рабочее пространство, которое определено первым и вторым перемещаемым производственным отсеком и вмещает первую и вторую установку для выполнения параллельно первого и второго производственного процесса синтеза и/или очистки органических молекул, при этом второе рабочее пространство изолировано от первого рабочего пространства; компоненты компьютерных сетей для отдельных отсеков и ядра, систем для мониторинга, управления или автоматизированных процессов; область хранения, очистки и перенастройки перемещаемых производственных отсеков, размещенную удаленно от ядра; перемещение первого продукта через соединительные средства, которые идут от первого отсека во второй отсек, и транспортировку первого продукта из первого отсека во второй отсек в контейнере или сосуде, чтобы довести первый продукт до второго этапа производства, отличающейся тем, что ядро выполняют в виде хордовой многоуровневой эстакады, предназначенной для возврата и рециркуляции части средств общего пользования и химических продуктов, содержащей: кабели связи и электропитания на верхнем уровне, напорные трубопроводы на среднем уровне, дренажные трубопроводы на нижнем уровне; при этом перемещаемые производственные отсеки представляют собой унифицированные блок-боксы, которые выполняют в стандартных транспортных габаритах, а хордовая эстакада и блок-боксы образуют самонесущий каркас, где перемещением блок-боксов с помощью манипулятора получают новую конфигурацию гибкой производственной системы, адаптированную для синтеза и/или очистки новых химических продуктов, включающих неорганические вещества, и/или для использования нового сырья, при этом необязательно объединяют рабочие пространства блок-боксов вертикально и/или горизонтально, а часть средств общего пользования, например, теплоносители и/или газовые огнетушащие вещества, генерируют и/или хранят в блок-боксах, соединенных с хордовой эстакадой, где очистку установок блок-боксов осуществляют, не отсоединяя от хордовой эстакады, частично средствами общего пользования, например, теплоносителем, а испытания установок блок-боксов давлением на герметичность осуществляют, не отсоединяя от хордовой эстакады, частично средствами общего пользования, например, газовыми огнетушащими веществами, при этом отходы производства частично перерабатывают или изолируют в блок-боксах.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, получены в ходе экспериментов на опытной установке.
Опытные химические производства традиционно размещались в многоэтажных цехах, что экономило производственные площади предприятий. Однако аппаратам химического производства требуется только фундамент, функцию которого, в случае гибкой химико-технологической производственной системы, будет выполнять самонесущий каркас и открытая бетонная площадка.
Основной элемент предлагаемой гибкой химико-технологической производственной системы, это питающая хордовая эстакада линейного строения. Структурно хордовая эстакада может содержать участки разветвления, а в базовой версии содержит три уровня коммуникаций: линии связи и электропитания – сверху; напорные трубопроводы с арматурой; безнапорные трубопроводы – внизу.
Установки, размещенные в стандартных блок-боксах контейнерного типа – «кубиках» гибкой химико-технологической производственной системы, условно поделены на группы. Питающая группа блок-боксов содержит системы общего обеспечения: электроподстанции, парогенераторы, системы подготовки воды и газов, системы очистки и контроля выбросов. Емкостная группа блок-боксов содержит резервуары для хранения и дозированной подачи расходных материалов, очистки основного оборудования, сбора и хранения отходов. Реакторная группа блок-боксов содержит установки с технологической обвязкой: системы подготовки реагентов, реакторы и смесители, нутч- и друк-фильтры, сепараторы и центрифуги, выпарные аппараты и сушки.
Система управления построена в архитектуре нейронной сети, где локальная подсистема установлена в каждом блок-боксе и все локальные подсистемы взаимодействуют.
В нефтяной промышленности накоплены значительные объемы различных отходов, например, таких как отходы выделения и очистки минеральных масел, требующие квалифицированной утилизации. Разработана гибкая производственная система, транспортируемая к местам накопления отходов.
Гибкая производственная система для получения анионных поверхностно-активных веществ (ПАВ) является опытной установкой и первым примером химико-технологической системы с хордовой эстакадой. Система предназначена для: отработки аппаратурно-технологической части процесса по результатам, полученным на лабораторных микроустановках; получения исходных данных, необходимых для масштабирования процесса; наработки опытных партий продуктов для последующих исследований.
Для размещения оборудования и трубопроводов разработана блочно-модульная конструкция с унифицированными блок-боксами со стандартными размерами, например, 6060×2400×2591 мм, которые представляют собой пространственный каркас из профильной трубы по ГОСТ 8639-82 «Трубы стальные квадратные. Сортамент». Во всех вершинах блок-бокса устанавливаются типовые фитинги для железнодорожных, автомобильных, морских контейнеров (ГОСТ 20527-82 «Фитинги угловые крупнотоннажных контейнеров. Конструкция и размеры»). Фитинги позволяют надежно крепить их к платформам транспортных средств и между собой при помощи стяжных замков. Компоновка блок-боксов возможна как в горизонтальном направлении, так и по вертикали.
Пространственная прочность и жесткость блок-бокса достигается за счет установки вертикальных связей, а по горизонтали диафрагмой жесткости служат поперечные балочные конструкции и рамы под технологическое оборудование. Каждый блок-бокс, при необходимости, может быть укомплектован сборно-разборной кровлей, обслуживающими лестницами, площадками и ограждением. Блок-боксы размещены в технологической последовательности и объединены одной технологической хордовой эстакадой, состоящей из сборно-разборных элементов.
Описание изобретения содержит чертежи, см. фиг. 1 и 2.
В приведенных далее неограничивающих примерах, перемещением и подключением блок-боксов вдоль хордовой эстакады с помощью грузового манипулятора получают новую конфигурацию гибкой производственной системы, адаптированную для синтеза химических продуктов с использованием нового сырья. Гибкая производственная система может быть смонтирована путем подключения к хордовой эстакаде неограниченного числа однотипных или уникальных блок-боксов, перемещаемых по необходимости из области хранения манипулятором.
Пример 1. Гибкая химико-технологическая производственная система для получения анионных ПАВ функционирует следующим образом, см. фиг. 1. Сырье 1 с высоким содержанием ароматических групп из хранилища 2 подают через хордовую эстакаду 3 в первый реакторный блок 4, где его термостатируют, и прибавляют сульфирующий реагент 5, который подают из хранилища 6. Поскольку для сульфирования высокоароматического сырья требуется меньшее количество сульфирующего реагента и более мягкий температурный режим, но большая длительность процесса, систему конфигурируют в виде трех последовательных реакторных блоков 4, 7 и 8. После предварительного анализа реакционной массы 9 в реакторы 7 и 8 необязательно вносят дополнительное количество сульфирующего реагента 5. Для увеличения времени процесса реакционную массу 9 через реакторный блок 7 подают в реакторный блок 8, при этом поддерживая температурный режим. Затем реакционную массу 9 подают в блок нейтрализации 10, где нейтрализуют щелочным реагентом 11, подаваемым из хранилища 12. Продукт 14 по хордовой эстакаде направляют на хранение или фасовку.
Пример 2, см. фиг. 2. Сырье 1 с низким содержанием ароматических групп из хранилища 2 подают через хордовую эстакаду 3 в реакторные блоки 4 и 7, где его термостатируют, и прибавляют сульфирующий реагент 5, который подают из хранилища 6. Поскольку для сульфирования низкоароматического сырья требуется большее количество сульфирующего реагента и более жесткий температурный режим, но меньшая длительность процесса, систему конфигурируют в виде двух параллельных реакторных блоков 4, 7 и двух параллельных блоков нейтрализации 10, 13. Параллельная конфигурация блоков позволяет сохранить производительность системы по сырью на уровне примера 1, несмотря на снижение единичной загрузки сырья в реактор. Реакционную массу 9 подают в блоки нейтрализации 10 и 13, где нейтрализуют щелочным реагентом 11, подаваемым из хранилища 12. Продукт 14 по хордовой эстакаде направляют на хранение или фасовку.
Термостатирование блоков реакторов и нейтрализации осуществляют рециркулируемыми теплоносителями - рассолом, водой или паром, при этом, например, пар, может быть использован для очистки блоков реакторов и нейтрализации по завершению процесса синтеза. Отдельные установки блок-боксов или новую конфигурацию гибкой производственной системы после монтажа испытывают давлением на герметичность, а именно, нагнетают газовые огнетушащие вещества – двуокись углерода или хладоны, в систему и контролируют давление.
Таким образом, без перестройки всей химико-технологической системы, а только заменой одного блок-бокса, осуществляют переход на новый тип сырья, что уменьшает затраты на перестройку. При этом сохраняют производительность системы на требуемом уровне. Взаимозаменяемость блок-боксов позволяет предельно сократить время простоя в случае аварии и увеличить межремонтный интервал в случае регламентного технического обслуживания.
Реализация предлагаемого изобретения может повлиять на развитие нефтехимического кластера путем промышленной реализации новых гибких химических технологий на существующих промышленных площадках, а также создания конкурентоспособной и современной отрасли химической промышленности и способствовать внедрению современных экологически безопасных технологий производства. Гибкая химико-технологическая производственная система по определению содержит в себе пакет перспективных технологий и готовых логистических решений, что увеличивает ее инвестиционную привлекательность. Привлечение инновационного опыта позволит расширить продуктовые линейки действующих предприятий за счет синтеза на основе полупродуктов и перевести значительную часть отходов в категорию сырьевых ресурсов.