PROJEKTOWANIE PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH. (i biotechnologicznych)

Transkrypt

1 PLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Chemiczny LABRATRIUM PRCESÓW TECHNLGICZNYCH PRJEKTWANIE PRCESÓW TECHNLGICZNYCH (i biotechnologicznych) PRCESS DESIGNING Ludwik Synoradzki, Jerzy Wisialski

2 Badacz technolog Prof. dr hab. inż. Ludwik Synoradzki Kierownik Laboratorium Procesów Technologicznych (LPT) Gm. Technologii Chemicznej p. 49 Konsultacje: wtorek 10:15 11:00 Projektant technolog Dr inż. Jerzy Wisialski Z-ca Kierownika LPT Gm. Technologii Chemicznej, p. 48

3 Laboratorium Procesów Technologicznych (LPT) ma już 30 lat. Utworzone przez Rektora Politechniki Warszawskiej w 1985 roku, jest unikatową jednostką politechniczną, której istota działania polega na sprzężeniu dydaktyka * badania * produkcja eksperymentalna. Praca Dyplomy Doktoraty

4 Projektowanie Procesów Technologicznych wykład prof. dr hab. inż. Ludwik Synoradzki, dr inż. Jerzy Wisialski - sem. V laboratorium komputerowe - sem. V dr inż. Paweł Ruśkowski, dr inż. Agnieszka Gadomska-Gajadhur, dr hab. inż. Dominik Jańczewski, dr inż. Piotr Winiarek, dr inż. Ireneusz Wielgus. laboratorium projektowe (seminarium projekt ) - sem. VI KRDYNACJA PGRAMWA Ludwik Synoradzki

5 REGULAMIN Wykład: obejmuje 15 jednostek 2 h i jest prowadzony przez: prof. dr hab. inż. Ludwika Synoradzkiego i dr inz Jerzego Wisialskiego. Na wykładzie przedstawiane są zagadnienia niezbędne do opracowania procesu chemicznego oraz do opracowania projektu procesowego. Elementy projektu, do których opracowania potrzebne są programy komputerowe studenci wykonują w ramach laboratorium komputerowego (w tym samym semestrze). Na zakończenie wykładu przeprowadzany jest pisemny egzamin testowy, ewentualnie dodatkowo ustny. ceny egzaminacyjne wystawia i wpisuje wykładowca koordynator. Laboratorium komputerowe: obejmuje 15 jednostek 2 h i jest prowadzone w pięciu grupach dziekańskich (dzielonych na dwie podgrupy). 1. Nie przewiduje się zmian przynależności do grupy w trakcie semestru. W wyjątkowych przypadkach na zmianę może wyrazić zgodę kierownik laboratorium, pod warunkiem pozytywnych opinii prowadzących. 2. Zajęcia prowadzone są w laboratorium komputerowym Wydziału Chemicznego z wykorzystaniem zainstalowanego tam oprogramowania. 3. Zaliczanie laboratorium jest oparte na dwóch kolokwiach, oba muszą być zaliczone. Nie przewiduje się kolokwiów poprawkowych. 4. cenę końcową stanowi średnia z ocen z kolokwiów. 5. ceny zaliczeniowe wystawiają i wpisują wykładowcy w swoich grupach. 6. Należy ściśle przestrzegać podanych w harmonogramie terminów poszczególnych ćwiczeń, ponieważ nie ma możliwości zaliczania ćwiczeń z inną grupą. 7. becność na zajęciach jest obowiązkowa. Więcej niż dwie nieusprawiedliwione nieobecności powodują niezaliczenie laboratorium.

6 REGULAMIN cena zintegrowana: Z=(2*W+1*L)/3 (z dokładnością do 0,5). Warunki zaliczenia przedmiotu: zdanie egzaminu i zaliczenie laboratorium, w tym kursu e-learningowego dot. poszukiwań literaturowych (scifiner, reaxys baza patentów RP) ceny zaliczeniową i z egzaminu wpisuje się do indeksu w tym samym wierszu. cenę zintegrowaną wpisuje się do indeksu w oddzielnym wierszu w poz. egzamin. ceny zintegrowane wystawia i wpisuje wykładowca koordynator. W sprawach nieujętych w regulaminie decyduje wykładowca koordynator. Harmonogram ćwiczeń: ICHEM Wzory i równania chemiczne Ćwiczenia indywidualne Schemat ideowy Bilans masowy Kolokwium Wykres Sankeya Ćwiczenia indywidualne Ćwiczenia indywidualne Schemat technologiczno-pomiarowy Ćwiczenia indywidualne Ćwiczenia indywidualne Schemat Gantta Kolokwium

7 PRJEKTWANIE PRCESÓW TECHNLGICZNYCH? C to znaczy opracować proces technologiczny (technologię)? kompleksowość JAK opracować technologię? metodyka CZYM opracować technologię? warsztat

8 Powiększanie skali procesu chemicznego

9 PRJEKTWANIE PRCESÓW TECHNLGICZNYCH Process Designing Całokształt prac związanych z opracowywaniem nowego procesu technologicznego w celu uruchomienia produkcji realizacji w skali przemysłowej. W odróżnieniu od projektowania ogólnego, obejmującego wszystkie problemy związane z opracowaniem dokumentacji projektowej dowolnego przedsięwzięcia inwestycyjnego, projektowanie technologiczne ma na uwadze przede wszystkim sam proces polegający na chemicznej i fizycznej przeróbce surowców na pożądane produkty oraz całokształt związanych z tym zagadnień. prócz zagadnień czysto chemicznych, także problemy z innych dziedzin wiedzy, często o charakterze interdyscyplinarnym, mające wpływ na szeroko rozumianą technologię, która ma być wdrożona w skali przemysłowej.

10 Literatura podstawowa: S. Bretsznajder i inni, Podstawy ogólne technologii chemicznej, WNT, Warszawa 1973 Anderson N.G., Practical Process Research & Development, Academic Press, 2012 Projektowanie Procesów Technologicznych, ficyna Wydawnicza PW, (2001) Literatura uzupełniająca: K. W. Szewczyk, Technologia biochemiczna, ficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2003 L. Synoradzki i inni, Przem. Chem., 56(1977)525, 63(1984)302, 65(1986)141, 179 Miesięczniki: Przemysł Chemiczny rganic Process Research & Development, Industrial & Engineering Chemical Research Chemical& Engineering News (unexpected, hazardous reactions) Prerekwizyty: (Inżynieria Chemiczna i Procesowa) Sposób zaliczenia: egzamin pisemny i ustny

11

12

13

14

15 TYTUŁY WYKŁADÓW Kompleksowość Projektowania Procesów Technologicznych Komputerowe bazy danych w badaniach literaturowych mgr Sadowska-Hinz BG PW Klasyfikacja i czystość patentowa dr inż. Grażyna Padée rzecznik patentowy Schemat ideowy. Bilans masowy Dobór aparatury. Schemat technologiczny pis schematu technologicznego. Założenia dla branż. Bilans cieplny Cykl Badawczo-Projektowo-Wdrożeniowy ptymalnie od Laboratorium do Instalacji Przemysłowej KNCEPCJA CHEMICZNA KNCEPCJA TECHNLGICZNA

16 TYTUŁY WYKŁADÓW c.d. Komputerowa obsługa procesu inż. Stanisław Szymczak, MetaSoft Zagrożenie pożarem i wybuchem dr inż. Marek Woliński, Kierownik Z-du Zagrożeń biektów, Szkoła Główna Służby Pożarniczej Zagrożenie elektrycznością statyczną dr Jan Maria Kowalski, b. Kierownik Pracowni Elektryczności Statycznej, Instytut Przemysłu rganicznego Zagrożenie toksyczne dr inż. Leszek Łukasik Ekonomika. Kalkulacja ceny Dojrzałość projektu LPT Warsztat do opracowywania technologii EGZAMIN ZERWY Ciekawostki technologiczne, Ważni specjaliści, Laboratoryjne rozwiązania aparaturowe

17 PLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Chemiczny LABRATRIUM PRCESÓW TECHNLGICZNYCH PRJEKTWANIE PRCESÓW TECHNLGICZNYCH Ludwik Synoradzki, Jerzy Wisialski KMPLEKSWŚĆ PRJEKTWANIA PRCESÓW TECHNLGICZNYCH

18 PRJEKTWANIE PRCESÓW TECHNLGICZNYCH Process Designing Całokształt prac związanych z opracowywaniem nowego procesu technologicznego w celu uruchomienia produkcji realizacji w skali przemysłowej. W odróżnieniu od projektowania ogólnego, obejmującego wszystkie problemy związane z opracowaniem dokumentacji projektowej dowolnego przedsięwzięcia inwestycyjnego, projektowanie technologiczne ma na uwadze przede wszystkim sam proces polegający na chemicznej i fizycznej przeróbce surowców na pożądane produkty oraz całokształt związanych z tym zagadnień. prócz zagadnień czysto chemicznych, także problemy z innych dziedzin wiedzy, często o charakterze interdyscyplinarnym, mających wpływ na szeroko rozumianą technologię, która ma być wdrożona w skali przemysłowej.

19 Zadanie do rozwiązania przy opracowywaniu technologii można sformułować w sposób ogólny następująco: wykorzystać wiedzę badacza do uruchomienia instalacji przemysłowej aby osiągnąć zysk finansowy. Podstawowe etapy projektowania procesu technologicznego to: opracowanie koncepcji chemicznej procesu, opracowanie koncepcji technologicznej procesu, wykonanie projektu procesowego instalacji przemysłowej. Każdemu z tych etapów powinna towarzyszyć analiza ekonomiczna!!! Bez względu na oryginalność zaproponowanego rozwiązania, realizacji mogą się doczekać tylko te pomysły, dla których zostanie spełnione kryterium opłacalności poniesionych nakładów.

20 Jakie są przyczyny niedostatecznej liczby wdrożeń procesów chemicznych w Polsce? niedojrzałość opracowanych procesów do wdrożenia przemysłowego zbyt wolne tempo opracowywania procesów technologicznych Konsekwencją są wysokie koszty, a przecież celem jest wytworzenie produktu w powiększonej skali jak najtaniej, liczy się więc też czas opracowywania procesu i budowy instalacji produkcyjnej.

21 Prawdopodobieństwo sukcesu na drodze od laboratorium do instalacji przemysłowej jest tym większe im czas fazy badania + rozwój (b+r) jest krótszy, pod warunkiem, że otrzymamy proces dojrzały do wdrożenia.

22 DJRZAŁY PRCES CHEMICZNY powinien być opracowany w sposób kompletny, w formie projektu procesowego zakończonego pozytywnymi wnioskami dotyczącymi wdrożenia. Najważniejsze cechy takiego procesu są następujące: jest zapotrzebowanie na produkt produkcja jest opłacalna nie narusza się praw osób trzecich ryzyko powiększania skali jest minimalne produkcja jest przyjazna dla środowiska

23 PRJEKT PRCESWY ang. Process Design, Basic Design; niem. Verfahrensprojekt Zasadnicza dokumentacja technologiczna będąca, z jednej strony podsumowaniem badań nad procesem, z drugiej zaś zawiera ogólną koncepcję instalacji przemysłowej. Swego rodzaju kamień milowy, pozwalający na realizację dalszych faz cyklu badawczo-projektowo-wdrożeniowego.

24 WDRŻNE PRACWANIA NAUKWE synteza amoniaku (badania: prof. Fritz Haber, NN 1918 Politechnika Karlsruhe; produkcja: inż. Carl Bosch, NN 1931 BASF) synteza kaprolaktamu (cykloheksanonu) (badania: prof. Stanisław Ciborowski Instytut Chemii Przemysłowej w Warszawie; projektowanie: mgr inż. Andrzej Krzysztoforski BP w Tarnowie; produkcja: Zakłady Azotowe Tarnów i Puławy synteza pantotenianu (badania: prof. Ludwik Synoradzki LPT; projektowanie: dr inż. Jerzy Wisialski; produkcja: Grodziskie Zakłady Farmaceutyczne Polfa synteza kwasu dibenzoilowinowego (badania: prof. Ludwik Synoradzki LPT; projektowanie: dr inż. Jerzy Wisialski; produkcja: LPT, GZF Polfa, Ipochem Warszawa, Novichem Chorzów Wymagały współpracy zespołów badawczych i projektowych oraz doskonalenia technologii nawet po uruchomieniu produkcji.

25 CZAS PRACWANIA PRCESU gotowego do wdrożenia nie powinien przekraczać 3 5 lat Dłuższy czas to większy koszt, gorsza rentowność przedsięwzięcia. Wzrasta ryzyko zmienienia się sytuacji rynkowej, zmniejszenia zapotrzebowania na produkt i/lub jego ceny. Podstawowe źródła środków na badania stosowane to: zleceniodawcy przemysłowi, wspomaganie przez NCBiR w ramach różnych projektów. Dla zleceniodawcy przemysłowego 3 lata to już bardzo długo. Regulamin NCBiR zakończenie projektu (czasem z inwestycją) max. 3 lata! Żeby tak szybko opracować średnio skomplikowany proces technologiczny, wykonawca musi mieć duże doświadczenie w danej dziedzinie (chemia i projektowanie!).

26 Średni koszt opracowania nowego leku ~1 mld $ Średni czas opracowania lat Ważność patentu 20 lat (Polska, USA) Sprzedaż Czas ( ) Czas z wyłącznością ważności patentu opracowania przy produkcji 400 mln $/rok Koszt opóźnienia strata ok. 1 mln $/dzień Wynalezienie i wdrożenie procesu produkcyjnego w odpowiednio krótkim czasie to klucze do maksymalnego zysku ze sprzedaży leku lub produktu chemicznego w czasie wyłączności praw patentowych. Neal G. Anderson, Practical Process Research & Development, Academic Press, 2012

27 KMPLEKSWŚĆ PRCESU PRJEKTWANIA BADANIA LABRATRYJNE ANALITYKA EKNMIKA MARKETING PWIĘKSZANIE BEZPIECZEŃSTW SKALI AUTMATYKA Potrzebna wiedza z całych studiów!!!

28 Współdziałanie poszczególnych działów przy powiększaniu skali procesu DZIAŁ / ZAKŁAD Chemia Procesowa: KLUCZWE ZADANIA Zainicjowanie prac rozwojowych dla procesu chemicznego Inżynieria Procesowa: Znalezienie praktycznych rozwiązań potrzebnych do efektywnego powiększania skali Półtechnika: Przeprowadzenie eksperymentów powiększania skali i wyprodukowanie partii próbnej Produkcja: Wyprodukowanie farmaceutycznej substancji aktywnej (FSA) (API!!!) Chemia Farmaceutyczna: Regulacje prawne: Kontrola jakości: Analiza jakościowa: Analiza badań: Przekształcenie FSA w formę leku Współpraca z Min. Zdrowia i jednost. opiniującymi zgodność rozwiązań z przepisami Zagwarantowanie dobrej jakości leku do testów klinicznych Neal G. Anderson, Practical Progress Research&Development, Academic Press, 2012 Gwarancja, że do prod. FSA i kluczowych półprod. zostaną użyte surowce wys. jakości Krytyczna analiza materiałów dostarczonych przez poszczególne działy

29 Powiększanie skali procesu chemicznego

30

31 Porównanie operacji w skali laboratoryjnej i powiększonej peracja Laboratorium Powszechność stosowania Łatwość realizacji Powiększona skala Powszechność stosowania Łatwość realizacji dparowanie na wyparce rotacyjnej X X Zatężanie do sucha X X Użycie łatwopalnych rozpuszczalników (Et 2 ) X X Syfonowanie X X X Chromatografia kolumnowa (oczyszczanie) X X X Suszenie nad stałymi śr. suszącymi (MgS 4 ) X X X Suszenie azeotropowe X X X Dodawanie niebezpiecznych reagentów (BuLi) X X X x Utrzymywanie stałego ph X X X X Szybkie gaszenie / przeniesienie X X X Traktowanie węglem aktywnym X X X Filtracja pod próżnią X X X X Wirowanie X X Suszenie rozpyłowe X Suszenie na tacach X X X X Liofilizacja X x

32 METDYKA opracowywania technologii czywiste zadania badacza chemika: wybór reakcji chemicznych, metod rozdziału, metod analitycznych. Niedostateczna jest jednak: znajomość rynku i zagadnień ekonomicznych oraz konieczność ich kontrolowania od samego początku rozważań o procesie. Brakuje technologiczności myślenia proponowania rozwiązań nadających się do wdrożenia u zleceniodawcy. Badacz chemik oczekuje, że projektant sam rozwiąże problemy powiększania skali, zautomatyzuje proces, określi zasady jego bezpieczeństwa i opłacalności. Szczególnie trudne przy opracowywania procesów małych i średniej wielkości, budżet na badania stosunkowo skromny, a różnorodność zagadnień taka sama. Projektowanie procesów technologicznych spełnia rolę integracyjną wobec różnego rodzaju specjalizacji w przemyśle chemicznym i dziedzin nauki, scala bowiem w jeden uniwersalny schemat sposób opracowywania technologii.

33 ZASADY PRZEJŚCIA D LABRATRIUM D INSTALACJI PRZEMYSŁWEJ Przy opracowywaniu technologii przestrzegaj trzech zasad: opłacalność, praca zespołowa, twórcze alternatywne rozwiązywanie problemów (TARP).

34 płacalność nadrzędna cecha, która charakteryzuje proces dojrzały do wdrożenia. W trakcie badań należy ją wielokrotnie sprawdzać. Po pierwsze przed rozpoczęciem badań, ostatecznie przed rozpoczęciem inwestycji (weryfikacja analizy ekonomicznej). Przykład: Mimo opracowania projektu technicznego wytwórni estrocynowych stabilizatorów termicznych PVC i zakupienia znacznej części aparatury, technologii nie wdrożono ze względu na negatywny wynik analizy ekonomicznej. Zmieniła się radykalnie sytuacja rynkowa, wzrósł koszt kredytu, zapotrzebowanie na produkt było niewystarczające.

35 Zespołowość opracowywania technologii chemicznej wynika z konieczności rozwiązania wielu zagadnień z różnych branż. Zespołem kieruje najpierw badacz technolog, potem projektant technolog. W trakcie realizacji inwestycji koordynacją i nadzorem zajmuje się specjalista wyznaczony przez inwestora (project manager). Twórcze alternatywne rozwiązywanie problemów (TARP) to zasada mająca na celu dążenie do rozwiązań obiektywnie najlepszych bez przyzwyczajania się i upartego bronienia własnych nie zawsze trafnych koncepcji, szczególnie trudne w zaawansowanym etapie prac, kiedy zmiany wcześniejszych założeń zmuszają do dodatkowego wysiłku zespoły badawcze czy projektowe.

36 BADANIA STSWANE BADANIA PDSTAWWE Badania stosowane prowadzą do osiągnięcia zamierzonego celu praktycznego, np. pracowanie technologii propozycja rozwiązania umożliwiającego produkcję w sposób najtańszy. Badania podstawowe to badania naukowe prowadzone w celu zaspokojenia potrzeb poznawczych (nie mają określonego celu praktycznego). postęp wiedzy, uogólnienia np. struktura związku chemicznego, mechanizm reakcji itp. pracowanie technologii chemicznej jest procesem bardzo złożonym. Z jednej strony to przeprowadzenie różnych badań niezbędnych do określenia koncepcji chemicznej, a następnie technologicznej procesu. Z drugiej strony to projektowanie związane z powiększaniem skali prowadzące do kompletnego opisu procesu i stworzenia koncepcji instalacji produkcyjnej.

37 BADANIA STSWANE BADANIA PDSTAWWE H H C H C H C Ph Ph C CH C Ph C CH KW BDBW KDBW Ph Nowe związki C Ph NR Ph C IMIDY Struktura H NH Mechanizmy reakcji Aktywność biologiczna NWY LEK PRZECIWGRUŹLICZY CH CH PLIMRFIZM H 2 N CH KG S N H KTG CH KTG

38 Zadania chemików: JAKIE związki otrzymać? Chemik odkrywca: dodatkowo aktywność bio i nowe właściwości związku - JAK otrzymać wybrane związki? Chemik technolog/producent: praktyczna realizacja i elegancja procesu produkcyjnego Różne podejścia do chemii, ale cel wspólny: przedłużenie życia ludzkiego przy pomocy nowych i efektywnych leków

39 D UZUPEŁNIENIA: sprawdzić regulamin i program PYTANIA: czym różni się technologia chemiczna od technologii biochemicznej (biotechnologii)?