مصنع تجريبي
 | تحتاج هذه المقالة إلى مصادر إضافية للتحقق . ( September 2014 ) |
المصنع التجريبي هو نظام إنتاج ما قبل التجاري يستخدم تكنولوجيا إنتاج جديدة و/أو ينتج أحجامًا صغيرة من المنتجات القائمة على التكنولوجيا الجديدة، وذلك بشكل أساسي لغرض التعرف على التكنولوجيا الجديدة. ثم تُستخدم المعرفة المكتسبة لتصميم أنظمة الإنتاج الكاملة والمنتجات التجارية، وكذلك لتحديد أهداف البحث الإضافية ودعم قرارات الاستثمار. وتشمل الأغراض الأخرى (غير الفنية) اكتساب الدعم العام للتكنولوجيات الجديدة والتشكيك في اللوائح الحكومية. [1] المصنع التجريبي هو مصطلح نسبي بمعنى أن المصانع التجريبية تكون عادةً أصغر من مصانع الإنتاج الكاملة، ولكنها مبنية في مجموعة من الأحجام. أيضًا، نظرًا لأن المصانع التجريبية مخصصة للتعلم، فهي عادةً أكثر مرونة، ربما على حساب الاقتصاد. يتم بناء بعض المصانع التجريبية في المختبرات باستخدام معدات المختبرات المخزنة، بينما تتطلب مصانع أخرى جهودًا هندسية كبيرة، وتكلف ملايين الدولارات، ويتم تجميعها حسب الطلب وتصنيعها من معدات العمليات والأجهزة والأنابيب. يمكن استخدامها أيضًا لتدريب الموظفين على مصنع كامل النطاق. تميل المصانع التجريبية إلى أن تكون أصغر مقارنة بمصانع العرض.
مصطلحات
كلمة مشابهة لكلمة مصنع تجريبي هي خط تجريبي . [2] بشكل أساسي، تؤدي المصانع التجريبية وخطوط التجارب نفس الوظائف، ولكن "مصنع تجريبي" يستخدم في سياق أنظمة إنتاج المواد (الكيميائية والحيوية) والمواد المتقدمة، بينما يستخدم "خط تجريبي" للتكنولوجيا الجديدة بشكل عام. يستخدم مصطلح "مختبر الكيلو" أيضًا للمصانع التجريبية الصغيرة للإشارة إلى كميات الإنتاج المتوقعة. [3]
إدارة المخاطر
تُستخدم المصانع التجريبية لتقليل المخاطر المرتبطة ببناء مصانع العمليات الكبيرة. وهي تفعل ذلك بعدة طرق:
- تُستخدم المحاكاة الحاسوبية والطرق شبه التجريبية لتحديد حدود نظام النطاق التجريبي. ثم يتم اختبار هذه النماذج الرياضية في مصنع تجريبي فعلي. تُستخدم طرق نمذجة مختلفة لتوسيع النطاق. تتضمن هذه الطرق: [4]
- دراسات التشابه الكيميائي
- النمذجة الرياضية
- محاكاة العمليات الكيميائية
- تحليل العناصر المحدودة (FEA)
محطة تجريبية للتكسير الهيدروجيني - ديناميكا الموائع الحسابية (CFD)
- تعيد طرق النمذجة النظرية هذه النتائج التالية:
- موازنة الكتلة والطاقة النهائية
- تصميم النظام الأمثل والقدرة
- متطلبات المعدات
- قيود النظام
- الأساس لتحديد تكلفة بناء الوحدة التجريبية
- إن تكلفة بناء هذه المحطات أقل كثيراً من تكلفة بناء المحطات الكاملة. ولا تخاطر الشركة بقدر كبير من رأس المال في مشروع قد يكون غير فعال أو غير قابل للتنفيذ. وعلاوة على ذلك، يمكن إجراء تغييرات على التصميم بتكلفة أقل على نطاق تجريبي، ويمكن حل المشاكل في العملية قبل بناء المحطة الكبيرة.
- توفر هذه البيانات قيمة كبيرة لتصميم المصنع على نطاق واسع. قد تكون البيانات العلمية حول التفاعلات وخصائص المواد والتآكل متاحة على سبيل المثال، ولكن من الصعب التنبؤ بسلوك عملية ذات أي تعقيد. قد تكون البيانات الهندسية من عملية أخرى متاحة، ولكن لا يمكن دائمًا تطبيق هذه البيانات بوضوح على العملية المطلوبة. يستخدم المصممون البيانات من المصنع التجريبي لتحسين تصميمهم لمنشأة الإنتاج على نطاق واسع.
إذا كان النظام محددًا جيدًا وكانت المعايير الهندسية معروفة، فلا يتم استخدام المصانع التجريبية. على سبيل المثال، قد تختار الشركة التي ترغب في توسيع قدرتها الإنتاجية من خلال بناء مصنع جديد يقوم بنفس الشيء الذي يقوم به مصنع قائم عدم استخدام مصنع تجريبي.
بالإضافة إلى ذلك، أدت التطورات في محاكاة العمليات على أجهزة الكمبيوتر إلى زيادة ثقة مصممي العمليات وتقليل الحاجة إلى محطات تجريبية. ومع ذلك، لا تزال تستخدم لأن حتى أحدث المحاكاة لا يمكنها التنبؤ بدقة بسلوك الأنظمة المعقدة.
اعتماد الحجم على خصائص النبات
مع زيادة حجم النظام، قد تتغير خصائص النظام التي تعتمد على كمية المادة (ذات الخصائص الواسعة ). تعد نسبة مساحة السطح إلى السائل في مصنع كيميائي مثالاً جيدًا على هذه الخاصية. على نطاق كيميائي صغير، في قارورة، على سبيل المثال، توجد نسبة مساحة سطح إلى سائل كبيرة نسبيًا. ومع ذلك، إذا تم تكبير التفاعل المعني ليناسب خزانًا سعة 500 جالون، تصبح نسبة مساحة السطح إلى السائل أصغر كثيرًا. ونتيجة لهذا الاختلاف في نسبة مساحة السطح إلى السائل، تتغير الطبيعة الدقيقة للديناميكا الحرارية وحركية التفاعل للعملية بطريقة غير خطية. هذا هو السبب في أن التفاعل في الكوب يمكن أن يتصرف بشكل مختلف تمامًا عن نفس التفاعل في عملية إنتاج واسعة النطاق.
عوامل أخرى
وتشمل العوامل الأخرى التي قد تتغير أثناء التحول إلى نطاق الإنتاج ما يلي:
- حركية التفاعل
- التوازن الكيميائي
- خصائص المواد
- ديناميكا الموائع
- الديناميكا الحرارية
- اختيار المعدات
- التحريض
- التوحيد / التجانس
بعد جمع البيانات من تشغيل مصنع تجريبي، يمكن بناء منشأة إنتاجية أكبر حجمًا. أو بدلاً من ذلك، يمكن بناء مصنع تجريبي، والذي يكون عادةً أكبر من المصنع التجريبي، ولكنه أصغر من مصنع الإنتاج الكامل الحجم، لإثبات الجدوى التجارية للعملية. تستمر الشركات أحيانًا في تشغيل المصنع التجريبي من أجل اختبار أفكار المنتجات الجديدة أو المواد الخام الجديدة أو ظروف التشغيل المختلفة. أو بدلاً من ذلك، يمكن تشغيلها كمرافق إنتاجية، مما يزيد من الإنتاج من المصنع الرئيسي.
مقياس الاختبار مقابل الطيار مقابل العرض التوضيحي
تتأثر الاختلافات بين مقياس المختبر ومقياس الاختبار ومقياس العرض بشكل كبير بالصناعة والتطبيق. تستخدم بعض الصناعات مصنع الاختبار ومصنع العرض بالتبادل. يتم بناء بعض المصانع التجريبية كوحدات محمولة يمكن نقلها بسهولة كوحدة محتوية.
بالنسبة لعمليات الدفعات، في صناعة الأدوية على سبيل المثال، يتم إجراء اختبار المقياس المختبري عادةً على عينات يتراوح وزنها بين 1 و20 كجم أو أقل، في حين يتم إجراء اختبار المقياس التجريبي على عينات يتراوح وزنها بين 20 و100 كجم. ويتلخص اختبار المقياس التجريبي في الأساس في تشغيل المعدات بأقصى معدلات التغذية التجارية على مدى فترات زمنية ممتدة لإثبات الاستقرار التشغيلي.
بالنسبة للعمليات المستمرة، في صناعة البترول على سبيل المثال، عادة ما تكون أنظمة المفاعلات الدقيقة أو أنظمة CSTR التي تحتوي على أقل من 1000 مل من المحفز، تدرس التفاعلات و/أو الفصل على أساس مرة واحدة. عادةً ما تحتوي محطات التجربة على مفاعلات بحجم محفز يتراوح بين 1 و100 لتر، وغالبًا ما تتضمن فصل المنتج وإعادة تدوير الغاز/السائل بهدف إغلاق توازن الكتلة. ستدرس محطات العرض التوضيحي، والتي يشار إليها أيضًا باسم محطات العمل شبه النهائية، جدوى العملية على نطاق ما قبل التجاري، مع أحجام محفز نموذجية في نطاق 100 - 1000 لتر. سيشبه تصميم محطة العرض التوضيحي للعملية المستمرة عن كثب تصميم المحطة التجارية المستقبلية المتوقعة، وإن كان ذلك بمعدل إنتاج أقل بكثير، وهدفها هو دراسة أداء المحفز وعمر التشغيل على مدى فترة ممتدة، مع توليد كميات كبيرة من المنتج لاختبار السوق.
في تطوير العمليات الجديدة، غالبًا ما يتم تصميم وتشغيل المصنع التجريبي والعرضي بالتوازي مع تصميم المصنع التجاري المستقبلي، وتشكل نتائج برامج الاختبار التجريبي عنصرًا أساسيًا لتحسين مخطط سير المصنع التجاري. ومن الشائع في الحالات التي يتم فيها تنفيذ تكنولوجيا العمليات بنجاح أن تفوق المدخرات على النطاق التجاري الناتجة عن الاختبار التجريبي تكلفة المصنع التجريبي نفسه بشكل كبير.
خطوات إنشاء مصنع تجريبي مخصص
تُصمم مصانع الإنتاج التجريبية المخصصة عادةً لأغراض بحثية أو تجارية. ويمكن أن يتراوح حجمها من نظام صغير بدون أتمتة وتدفق منخفض، إلى نظام آلي للغاية ينتج كميات كبيرة نسبيًا من المنتجات في اليوم. وبغض النظر عن الحجم، فإن خطوات تصميم وتصنيع مصنع تجريبي عامل هي نفسها. وهي:
- مرحلة ما قبل الهندسة - استكمال مخطط تدفق العملية (PFD)، ومخططات الأنابيب والأجهزة الأساسية (P&ID's)، وتخطيطات المعدات الأولية.
- النمذجة الهندسية والتحسين - يتم إنشاء نماذج ثنائية وثلاثية الأبعاد باستخدام برنامج محاكاة لنمذجة معلمات العملية وقياس العمليات الكيميائية. تساعد برامج النمذجة هذه في تحديد قيود النظام والتغيرات الكيميائية والفيزيائية غير الخطية وحجم المعدات المحتملة. يتم إنتاج موازنات الكتلة والطاقة ومخططات التصميم والتنفيذ النهائية ورسومات الترتيب العام.
- يتم تطوير استراتيجيات التشغيل الآلي للنظام (إذا لزم الأمر). تبدأ برمجة نظام التحكم وتستمر خلال التصنيع والتجميع
- التصنيع والتجميع - بعد تحديد التصميم الأمثل، يتم تصنيع وتجميع النموذج التجريبي المخصص. يمكن تجميع النماذج التجريبية إما في الموقع أو خارجه على هيئة زلاجات معيارية يتم بناؤها واختبارها في بيئة خاضعة للرقابة.
- الاختبار - يتم إجراء اختبار الأنظمة المكتملة، بما في ذلك عناصر التحكم في النظام، لضمان عمل النظام بشكل صحيح.
- التركيب والتشغيل - إذا تم البناء خارج الموقع، يتم تركيب زلاجات التوجيه في الموقع. بعد وضع جميع المعدات في مكانها، يتم إكمال تشغيل النظام بالكامل من خلال دمج النظام مع المرافق والضوابط الموجودة في المصنع. يتم اختبار التشغيل الكامل والتأكد منه.
- التدريب - تم إكمال تدريب المشغل وتم تسليم وثائق النظام الكاملة.
انظر أيضا
مراجع
- ^ هانز هيلسمارك، يوهان فريشامار، باتريك سودرهولم، هاكان يلينيبا، دور محطات التجارب والعروض التوضيحية في تطوير التكنولوجيا وسياسة الابتكار، سياسة البحث، المجلد 45، العدد 9، نوفمبر 2016، الصفحات 1743-1761، ISSN 0048-7333، https://dx.doi.org/10.1016/j.respol.2016.05.005.
- ^ الإنتاج التجريبي في التقنيات التمكينية الرئيسية؛ عبور وادي الموت وتعزيز النشر الصناعي للتقنيات التمكينية الرئيسية في أوروبا، المنظمة الهولندية للبحوث العلمية التطبيقية TNO نيابة عن المفوضية الأوروبية، المديرية العامة للسوق الداخلية والصناعة وريادة الأعمال والشركات الصغيرة والمتوسطة، 2015. ISBN 978-92-79-52140-9
- ^ ديفيد جيه. أم إندي؛ ماري تي. أم إندي (28 مارس 2019). الهندسة الكيميائية في صناعة الأدوية: المكونات الصيدلانية الفعالة. وايلي. ص. 1012–. ISBN 978-1-119-28588-5.
- ^ "قدرات توسيع نطاق العمليات الصناعية | خبراء عملية EPIC". عملية EPIC المعيارية . تم الاسترجاع في 2022-07-23 .
فهرس
- م. ليفين (محرر)، توسيع نطاق العمليات الصيدلانية (الأدوية والصناعات الدوائية)، إنفورما هيلث كير، الطبعة الثالثة، رقم ISBN 978-1616310011 (2011)
- إم لاكنر (محرر)، التوسع في الاحتراق، ProcessEng Engineering GmbH، فيينا، ISBN 978-3-902655-04-2 (2009).
- M. Zlokarnik، التوسع في الهندسة الكيميائية، Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA، الطبعة الثانية، ISBN 978-3527314218 (2006).
- ريتشارد بالوزي، محطات تجريبية: التصميم والبناء والتشغيل، ماكجرو هيل، فبراير 1992.
- ريتشارد بالوزي، مصانع تجريبية، الهندسة الكيميائية، مارس 1990.
