Миниатюризация процесса

Для проверки этой статьи нужны дополнительные цитаты . Помогите улучшить эту статью , добавив ссылки на надежные источники . Материалы без источников могут быть оспорены и удалены. Найти источники:  «Миниатюризация процессов» – новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( апрель 2023 г. ) ( Узнайте, как и когда удалять это сообщение )

Миниатюризация химических процессов относится к философской концепции в рамках дисциплины проектирования процессов , которая бросает вызов понятию « экономии масштаба » или «чем больше, тем лучше». В этом контексте проектирование процессов относится к дисциплине, преподаваемой в первую очередь инженерам-химикам. Однако возникающая дисциплина миниатюризации процессов будет включать в себя интегрированные знания из многих областей; например, системное проектирование и проектирование, дистанционное измерение и управление с использованием интеллектуальных датчиков , проектирование биологических систем процессов и передовая производственная робототехника и т. д.

Одной из задач химической инженерии является разработка процессов на основе методов, применяемых в химических лабораториях, а также масштабирование процессов таким образом, чтобы можно было производить экономически доступную продукцию.

По мере того, как процесс становится больше, больше продукта может быть произведено за единицу времени, поэтому, когда технология процесса становится устоявшейся или зрелой и работает стабильно без сбоев или «простоев», можно получить большую экономическую эффективность от масштабирования. При фиксированной цене на сырье (например, цена за баррель сырой нефти) себестоимость продукта может быть снижена с использованием процесса большего масштаба, поскольку капитальные вложения и эксплуатационные расходы обычно не увеличиваются линейно с масштабом. Например, емкость или объем цилиндрического сосуда, используемого для производства продукта, увеличивается пропорционально квадрату радиуса цилиндра, поэтому стоимость материалов на единицу объема уменьшается. Но затраты на проектирование и изготовление сосуда традиционно были менее чувствительны к масштабу. Другими словами, можно спроектировать небольшой сосуд и изготовить его примерно за ту же стоимость, что и более крупный сосуд. Кроме того, затраты на управление и эксплуатацию процесса (или компонента технологического блока) существенно не меняются с масштабом. Например, если для управления небольшим процессом требуется один оператор, тот же оператор, вероятно, сможет управлять более крупным процессом.

Концепция экономии масштаба, преподаваемая инженерам-химикам, привела к представлению о том, что одной из целей разработки и проектирования процесса является достижение «экономии масштаба» путем масштабирования до максимально возможного размера перерабатывающего завода, чтобы себестоимость продукта была экономически доступной. Эта дисциплинарная философия была подкреплена примерами проектов в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, где сырье транспортировалось в виде жидкостей по трубопроводам, большим танкерам и железнодорожным вагонам.

Жидкости по определению являются материалами, которые текут и могут перемещаться с помощью насосов или гравитации. Поэтому существуют большие насосы, клапаны и трубопроводы для перемещения больших объемов жидкостей в обрабатывающей промышленности. Миниатюризация процессов, напротив, будет включать переработку больших объемов твердых веществ из возобновляемых ресурсов биомассы; поэтому потребуется новое мышление в отношении проектирования процессов, оптимизированных для переработки твердых веществ.

Понятие микропроцесса было определено С.С. Софером, профессором Технологического института Нью-Джерси . Микропроцесс имеет следующие характеристики: ^[1]

1) Портативность

2) Возможность массового производства с использованием передовых методов роботизированного производства.

3) Приближаемся к полной автоматизации

4) Новая технология

Философия проектирования микропроцессов в значительной степени была задумана историческим анализом роли, которую миниатюризация компонентов сыграла в индустрии информационных технологий. Именно эволюция миниатюризации компьютерного оборудования позволила задуматься о миниатюризации процесса в контексте проектирования химической инженерии. Вместо традиционной цели проектирования как «масштабирования» обработки до одного централизованного крупного перерабатывающего завода (например, мэйнфрейма), можно представить себе достижение экономических целей с помощью философии «масштабирования» (например, нескольких микрокомпьютеров).

Электрические и электронные устройства всегда играли важную роль в автоматизации химических технологических установок. Однако изначально для контроля условий процесса (таких как температура, давление и уровень в химическом реакторе) использовались простые термометры, например, содержащие ртуть, и манометры, которые были полностью механическими. Условия процесса регулировались в значительной степени на основе эвристических знаний оператора о поведении процесса. Даже при установленной электронной автоматизации многие процессы по-прежнему требуют существенного взаимодействия оператора, особенно на этапе запуска процесса или при развертывании новой технологии.

Управление процессами будущего будет включать широкое использование интеллектуальных датчиков и массово производимых интеллектуальных миниатюрных устройств, таких как программируемые логические контроллеры, которые взаимодействуют по беспроводной связи с исполнительными механизмами процессов. Поскольку эти устройства будут миниатюризированы для снижения стоимости производства, это позволит встраивать их в конструкции так, чтобы они стали невидимыми для стороннего наблюдателя. Стоимость таких датчиков, вероятно, будет снижена до точки, когда они либо «работают, либо не работают». Когда этот порог стоимости будет достигнут, процедура ремонта будет заключаться в отключении датчика и включении резервного рабочего датчика. Другими словами, целые сложные системы управления станут настолько дешевыми, что ремонт станет экономически невыгодным.

Интеллект процесса будет разработан с использованием моделей имитации процесса, основанных на научных основах. Эвристические правила будут запрограммированы в микроконтроллеры, что в значительной степени устранит необходимость постоянного мониторинга эвристических знаний человека о поведении процесса. Процесс, который может автоматически самооптимизироваться с помощью передовых алгоритмов, разработанных инженерами-микропроцессорами, будет встроен и доступен только владельцу знаний. Это позволит строить большие сети автономных микропроцессов.

Продвинутые системы управления процессами для миниатюризации процессов увеличат потребность в контроле безопасности и прав собственности на интеллектуальные процессы в бизнесе, основанном на знаниях. Станет сложнее контролировать интеллектуальную собственность с помощью традиционного метода патентов; поэтому товарные знаки, узнаваемость бренда и законы об авторском праве будут играть более важную роль в обеспечении безопасности ценностей для бизнеса, основанного на знаниях, в будущем.

Технико-экономический анализ, как его преподают в традиционном химическом проектировании процессов, также резко изменится с консервативной точки зрения использования исторической экономики трендов и анализа денежных потоков. Экономическая жизнеспособность данного предприятия будет больше связана с получением экономической информации в реальном времени, которая может быстро меняться на основе эмпирических наблюдений, созданных новой дисциплиной систем разработки микропроцессов; поэтому модели будут больше основаны на «что может быть?», а не на «что показало прошлое?».

Вместо одного большого центрального завода, который должен снабжаться большим количеством сырья, например, нефтеперерабатывающего завода, который может разгружать танкерную партию нефти, если он расположен рядом с океаном, дисциплина миниатюризации процесса предусматривает распространение технологии процесса в области, где сырье нелегко транспортировать в больших количествах на большой централизованный перерабатывающий завод. Миниатюризированная технология процесса может просто включать преобразование твердых материалов биомассы из нескольких распределенных микропроцессов в более легко управляемые жидкости. Затем жидкости можно транспортировать или распределять в более масштабные интеллектуальные узлы обработки с использованием традиционной технологии транспортировки жидкостей.

Исторически малые процессы или микропроцессы как таковые существовали всегда. Например, небольшие виноградники и пивоварни производили сырье, обрабатывали его и хранили продукт в том, что можно было бы считать «микропроцессом» по сравнению с процессами, разработанными на основе модели нефтехимической промышленности или, например, крупномасштабного производства пива. Небольшие деревни в Индии и других местах мира научились производить биогаз из навоза животных в том, что можно было бы считать мелкомасштабными микропроцессами для производства энергии. Однако микропроцессы и миниатюризация процессов как философия проектирования включают в себя понятие приближения к полной автоматизации и являются новой технологией, которая стала возможной благодаря миниатюризации компьютерного оборудования, например, микропроцессора. Легко представить себе процессы, которые можно производить и транспортировать массово. Например, многие приборы, такие как кондиционеры, бытовые стиральные машины и холодильники, можно считать микропроцессами.

Философия проектирования миниатюризации процесса предполагает, что может быть достигнуто «уменьшение масштаба» сложных процессов, включающих операции нескольких технологических единиц, и что экономия масштаба будет больше связана с размером сети распределенных автономных микропроцессов. Поскольку отказ одного автономного микропроцесса не приводит к отключению всей сети, микропроцессы приведут к более экономически эффективному, надежному и стабильному производству продуктов, которые традиционно производились для нефтяного общества.

Поскольку ископаемое топливо по определению потребляется и невозобновляется, будущее топливо и материалы будут основаны на возобновляемой биомассе .

Преобразование биомассы в энергию, возможно, более сложная задача для технолога, чем энергия из ископаемого топлива. Вода, растворенные органические и неорганические соединения и твердые частицы различных размеров могут присутствовать в процессах биомассы. Возможно, именно в разработке микробных топливных элементов философское мышление о миниатюризации процесса будет играть более широкую роль. Распространение знаний в модном, интригующем стиле через миниатюрные устройства может быть существенно улучшено (ускорено) с помощью устройств с низким энергопотреблением (таких как смартфоны). Переосмысление того, «что такое электростанция?», может создать огромные инновации, учитывая последние достижения в области мембранных материалов для строительства, методологий иммобилизованных целых клеток, метаболической инженерии и нанотехнологий .

Проблемы микробных топливных элементов в основном связаны с поиском менее затратных методов производства, материалов для строительства и проектирования систем. Брюс Логан из Университета штата Пенсильвания описал в нескольких исследовательских статьях и обзорах эти проблемы.

Однако даже при существующих конструкциях, которые генерируют мало энергии, есть приложения для распределения электрических систем подзарядки в отдаленных районах Африки, где смартфон может обеспечить доступ к обширной информации в Интернете и обеспечить освещение. Эти системы могут работать на сельскохозяйственных, животных и человеческих отходах, используя природные бактерии.

Ядерная энергетика считается «зеленой технологией», поскольку она не производит углекислый газ, парниковый газ, как это делают традиционные электростанции, работающие на природном газе или угле. Экономика развертывания мини-атомных реакторов обсуждалась в статье в «The Economist».

Преимущества мини-ядерных реакторов также обсуждались министром энергетики Стивеном Чу . ^[2] Как обсуждал Чу, реакторы будут производиться в заводских условиях, а затем транспортироваться в целости и сохранности по железной дороге или на корабле в разные части страны или мира. Экономия масштаба за счет размера заменяется экономией масштаба за счет количества. Многие компании не готовы рисковать инвестированием от 8 до 9 миллиардов долларов в один большой реактор, поэтому одной из самых привлекательных особенностей миниатюризации процесса является снижение риска капиталовложений и возможность возврата инвестиций путем перепродажи и перемещения функционального готового микропроцесса новому владельцу — важное экономическое преимущество портативности микропроцессов.