3.1. Những vấn đề quan trọng trong thiết kế quá trình gián đọan: Sự khác nhau đáng kể giữa những tính tóan thiết kế cho quá trình gián đọan và cho quá trình liên tục. Thứ tự và thời gian thực hiện các công đọan trong quá trình gián đọan. Thứ tự tối ưu thực hiện các công đọan phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: Có thể sản xuất nhiều hơn một sản phẩm trong cùng một thiết bị ? Kích thước tối ưu của thiết bị là bao nhiêu ? Thiết bị cần làm việc trong bao lâu để tạo ra từng sản phẩm khác nhau ? Đâu là phương án thảo hiệp giữa tính kinh tế và khả năng họat động của hệ thống ?
CHƯƠNG TIẾN HÀNH Q TRÌNH SẢN XUẤT HĨA CHẤT THEO PHƯƠNG THỨC GIÁN ĐỌAN 3.1 Những vấn đề quan trọng thiết kế trình gián đọan: Sự khác đáng kể tính tóan thiết kế cho trình gián đọan cho trình liên tục Thứ tự thời gian thực cơng đọan q trình gián đọan Thứ tự tối ưu thực công đọan phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: Có thể sản xuất nhiều sản phẩm thiết bị ? Kích thước tối ưu thiết bị ? Thiết bị cần làm việc để tạo sản phẩm khác ? Đâu phương án thảo hiệp tính kinh tế khả họat động hệ thống ? 3.2 Sơ đồ Gantt thứ tự thực công đọan Sơ đồ Gantt, hay sơ đồ thời gian họat động hệ thống (Gantt chart, time activity chart) bảng minh họa chuỗi công đọan trình sản xuất (biểu diễn dòng bảng) diễn khỏang thời gian định (biểu diễn cột bảng) Sơ đồ Gantt sử dụng công cụ để kế họach hóa cho dự án thiết kế lớn Trong trường hợp đơn giản ví dụ chương này, Sơ đồ Gantt sử dụng để biểu diễn lịch trình họat động thiết bị cần thiết để tiến hành q trình sản xuất gián đọan Ví dụ 3.1 minh họa cách sử dụng Gantt Charts để chuyển động dòng nguyên liệu qua thiết bị q trình gián đọan Ví dụ 3.1 Xây dựng sơ đồ Gantt minh họa chuỗi công đọan thực sản xuất sau: Bước 1: Gia nhiệt cho hỗn hợp phản ứng thiết bị phản ứng Thời gian tiến hành 1,5 Bước 2: Tiến hành phản ứng thời gian Bước 3: Lọc hỗn hợp sau phản ứng để tách chất xúc tác dừng phản ứng Thời gian tiến hành 0,5 Bước 4: Hỗn hợp sau phản ứng chuyển tới tháp chưng luyện chân không Tất chất chưa phản ứng hết khỏang 50% dung môi tách sản phẩm đỉnh (Thời gian tiến hành 3,5 giờ) Bước 5: Kết tinh sản phẩm Thời gian tiến hành 2,0 Bước 6: Lọc sấy sản phẩm Thời gian tiến hành 4,0 Bước 7: Đóng gói sản phẩm, đưa vào kho Thời gian tiến hành 2,0 Giải: Sơ đồ Gantt cho trình hình E3.2 Lưu ý, sơ đồ, bước bước chập thành cơng đọan, chúng xảy liên tiếp thiết bị Sơ đồ Gantt dòng tên nhiệm vụ (cơng đọan), Sơ đồ Gantt dòng tương ứng với số thiết bị 3.3 Các công đọan khơng có chồng chéo Thời lượng thực chu trình Nói chung, sản phẩm tạo sau thời gian sử dụng nhiều lần chuỗi cơng đọan Ví dụ, q trình gián đọan mơ tả ví dụ 3.1, sau mẻ tạo lượng sản phẩm 634,5 kg Nếu cần sản xuất 5000 kg sản phẩm, chuỗi cơng đọan cần lặp lại khỏang lần (5000/634,5) Có số phương thức để lặp lại chuỗi công đọan Một ví dụ sơ đồ cơng đọan khơng chồng chéo hình 3.1 Đối với sơ đồ với công đọan không chồng chéo nhau, tổng thời lượng để thực trình số mẻ nhân với thời lượng thực mẻ 𝑚 𝑇𝑁𝑂 = 𝑛 ∑ 𝑡𝑖 (3.1) 𝑖=1 Trong đó: TNO - tổng thời lượng để thực n mẻ không chồng chéo nhau, mẻ gồm m cơng đọan có thời lượng t1 , t2 , … , tm Đối với ví dụ này, tổng thời lượng là: 8.(3,5 + 0,5 + 3,5 + + 4,0 + 1,0 ) = 116,0 (giờ) Đối với q trình mơ tả hình 3.1, sử dụng sơ đồ với công đọan không chồng chéo nhau, thiết bị sử dụng không thường xuyên, thời lượng thực trình dài Tuy sơ đồ khơng hiệu quả, lọai trừ lưu trữ kéo dài sản phẩm trung gian, làm cho vấn đề thời gian biểu họat động thiết bị trở nên dễ dàng Tổng thời lượng để thực tất mẻ giảm cách bắt đầu mẻ mẻ trước chưa kết thúc Điều tương đương với việc dịch chuyển theo hướng ngược lại khối biểu diễn công đọan trình gián đọan hình 3.2 Sự dịch chuyển mẻ ngược với thời gian dẫn tới chuỗi công đọan chồng chéo mẻ Giới hạn phương thức dịch chuyển hay trình chồng chéo xảy hai khối thời gian mẻ liên tiếp chạm ( giả thiết thời gian vệ sinh, kiểm tra nạp liệu tính đến) Tình hình 3.3 Từ hình 3.3 thấy rằng, trường hợp giới hạn để xảy chồng chéo công đọan công đọan dài (trong trường hợp này: công đọan sấy thiết bị TD-301 diễn vòng giờ) nhắc lại mà không cần thời gian chờ mẻ Thời lượng để hòan thành n mẻ theo sơ đồ chồng chéo tới hạn xác định sau: 𝑚 𝑇𝑂 = (𝑛 − 1) max(𝑡𝑖 ) + ∑ 𝑡𝑖 (3.2) 𝑖=1 Trong đó: T0 - tổng thời lượng tối thiểu phương án chồng chéo công đọan, [max(ti)] - thời lượng công đọan diễn lâu q trình gián đọan Đối với ví dụ trên: 𝑇𝑂 = (8 − 1)(4,0) + (14,5) = 42,5 So sánh hình 3.1 3.3, việc sử dụng phương thức sản xuất có cơng đọan chồng chéo làm giảm đáng kể thời lượng để thực q trình ( từ 116 xuống 42,5 ) làm cho việc sử dụng thiết bị tốt Trong sản xuất gián đọan, khái niệm thời lượng chu trình thời lượng trung bình để thực chu trình gồm tất công đọan để sản xuất sản phẩm cho mẻ Định nghĩa hình thức xác định cách chia tổng thời lượng để sản xuất mẻ cho số lượng mẻ Như vậy, từ biểu thức 3.1 3.2 có: 𝑚 𝑡𝑐ℎ𝑢 𝑡𝑟ì𝑛ℎ,𝑁𝑂 𝑇𝑁𝑂 𝑛 ∑𝑚 𝑖=1 𝑡𝑖 = = = ∑ 𝑡𝑖 𝑛 𝑛 (3.3) 𝑇 (𝑛 − 1) max(𝑡𝑖 ) + ∑𝑚 𝑖=1 𝑡𝑖 = 𝑛 𝑛 (3.4) 𝑖=1 𝑡𝑐ℎ𝑢 𝑡𝑟ì𝑛ℎ,𝑂 = Đối với sơ đồ có chồng chéo cơng đọan, số mẻ lớn (n >= 10), thời lượng chu trình xác định cách gần sau: 𝑡𝑐ℎ𝑢 𝑡𝑟ì𝑛ℎ,𝑂 ≈ max{𝑡𝑖 } (3.5) Như vậy, ví dụ 3.1, thời lượng chu trình cho trường hợp khơng chồng chéo có chồng chéo cơng đọan tương ứng 14,5 3.4 Hệ thống sản xuất theo không theo nguyên tắc thiết bị giống dạng trình tự sử dụng Những thảo luận liên quan tới sản xuất lọai sản phẩm Tuy nhiên, đa số hệ thống cơng nghệ hóa học sản xuất nhiều lọai sản phẩm khác Qui trình sản xuất lọai sản phẩm gồm cơng đọan giống nhau, hay xảy hơn, gồm số công đọan số tất công đọan Hơn nữa, thứ tự sử dụng thiết bị để sản xuất sản phẩm khác khác Khi tiến hành q trình gián đọan để sản xuất nhiều sản phẩm (>= 2), có trường hợp giới hạn hệ thống sản xuất sau: Hệ thống đa sản phẩm (flowshop, multipoduct): hệ thống này, để sản xuất sản phẩm cần tiến hành công đọan theo trình tự Hệ thống đa mục tiêu (jobshop, multipurpose): hệ thống này, để sản xuất sản phẩm không thiết phải tiến hành cơng đọan theo trình tự 3.4.1 Hệ thống sản xuất theo nguyên tắc thiết bị giống dạng trình tự sử dụng Xét hệ thống sản xuất sản phẩm: A, B C Hình 3.4 minh họa ví dụ thứ tự thiết bị sử dụng để sản xuất sản phẩm Trong hình 3.4, tất sản phẩm sử dụng thiết bị giống theo trình tự nhau, thời lượng sử dụng thiết bị để sản xuất sản phẩm khác khác Hệ thống họat động vậy, số trường hợp, gọi hệ thống sản xuất theo nguyên tắc thiết bị giống dạng trình tự sử dụng (flowshop plant) Thời lượng để tiến hành sản xuất theo sơ đồ chồng chéo công đọan phụ thuộc vào số mẻ sản xuất sản phẩm vào việc mẻ thực theo thứ tự Một cách tiến hành sản xuất đa sản phẩm sản xuất sản phẩm: để hệ thống sản xuất xong sản phẩm thứ nhất, sau thiết lập chế độ công nghệ cho hệ thống để sản xuất sản phẩm thứ 2… Giả thiết cần sản xuất sản phẩm A, B C Nếu số mẻ sản xuất sản phẩm A, B C nA , nB , nC tương ứng, tổng thời lượng để sản xuất, hay thời lượng chu trình sản xuất, xác định theo thời lượng sản xuất sản phẩm Nếu số mẻ lớn (ví dụ, > 10), thời lượng chu trình sản xuất xác định gần sau: 𝑚 𝑚 𝑇𝑁𝑂 = ∑ 𝑛𝑗 {𝑡𝑐ℎ𝑢 𝑡𝑟ì𝑛ℎ }𝑗 = ∑ 𝑛𝑗 {𝑚𝑎𝑥(𝑡𝑗 )}𝑗 𝑗=1 𝑗=1 (3.6) Ví dụ 3.3 Xét trình gián đọan, sản xuất sản phẩm A, B C bảng E3.3 Mỗi trình sử dụng thiết bị theo thứ tự, thời lượng sử dụng thiết bị khác Nhu cầu thị trường dẫn tới việc sản xuất sản phẩm với số mẻ thời gian dài Xác định tổng số mẻ tiến hành chu trình sản xuất tương đương với tháng họat động hệ thống theo phương thức sản xuất riêng sản phẩm, với giả thiết tháng sản xuất tương đương với 500 (với giả thiết sản xuất tiến hành 6000 năm, ngày/ tuần) Bảng E3.3 Thời lượng sử dụng thiết bị (giờ) sản xuất sản phẩm A, B C Giải: Thời lượng để sản xuất sản phẩm xác định theo công thức 3.2 𝑚 𝑇𝑂 = (𝑛 − 1) max(𝑡𝑖 ) + ∑ 𝑡𝑖 𝑖=1 Giả thiết sản phẩm sản xuất x lần tháng: (3.2) Như vậy, phương án sản xuất 500 tiến hành 42 mẻ sản phẩm A, B C Thời lượng chu trình sản phẩm là: 𝑡𝑐ℎ𝑢 𝑡𝑟ì𝑛ℎ,𝑂 = 𝑇𝑜 (𝑛 − 1) max(𝑡𝑖 ) + ∑𝑚 𝑖=1 𝑡𝑖 = 𝑛 𝑛 (3.4) Sử dụng biểu thức (3.6): 𝑚 𝑚 𝑇𝑁𝑂 = ∑ 𝑛𝑗 {𝑡𝑐ℎ𝑢 𝑡𝑟ì𝑛ℎ }𝑗 = ∑ 𝑛𝑗 {𝑚𝑎𝑥(𝑡𝑗 )}𝑗 𝑗=1 (3.6) 𝑗=1 với giá trị gần sau: có: Biểu thức (3.6) cho giá trị x cao chút so với thực tế, giá trị gần tốt, sử dụng để đánh giá số chu trình tính tóan khác cho sản xuất sản phẩm hệ thống sản xuất gián đọan đa sản phẩm Sơ đồ sản xuất có nhược điểm sau: thời lượng chu trình sản xuất lớn, số lượng sản phẩm cần lưu trữ lớn Điều đòi hỏi thiết bị bổ sung hay diện tích nhà xưởng sản xuất bổ sung Mặt khác, sản xuất sản phẩm làm tăng thời gian vệ sinh giá thành Do đó, cần tính tới điều tóan thiết kế tối ưu Ví dụ điển hình sản xuất nhóm đơn sản phẩm theo phương thức gián đọan sản xuất theo vụ mùa (ví dụ: dầu ăn), nguyên liệu thu mua thời gian ngắn cần xử lý nhanh, nhu cầu sản phẩm quanh năm Một phương thức thay sản xuất nhóm đơn sản phẩm (AAA…., BBB…., CCC… ) sản xuất nhóm đa sản phẩm, ví dụ, ABCABCABC, ACBACBACB, AACBAACBAACB, v.v Trong chiến lược này, sản phẩm sản xuất theo trình tự, trình tự nhắc lại nhiều lần (ví dụ 3.4) Ví dụ 3.4 Xét q trình đưa ví dụ 3.3 Xác định số mẻ tiến hành tháng (500 giờ) theo cách sản xuất đa sản phẩm theo trình tự ABCABCABC… Sơ đồ Gantt cho trình tự hình E3.4 Từ hình E3.4, thấy thiết bị giới hạn trình tự thiết bị phân riêng Điều có nghĩa rằng, thiết bị phân riêng sử dụng liên tục không nghỉ suốt 500 Nếu khỏang thời gian 500 tiến hành x mẻ, đó: Như vậy, thêm mẻ sản xuất theo phương thức so với phương thức sản xuất nhóm đơn sản phẩm ví dụ 3.3, với giả thiết khơng có thêm thời gian cho cơng việc vệ sinh Cần lưu ý, trình tự khác, ví dụ BACBACBAC, sử dụng, theo trình tự số lượng mẻ tiến hành nhiều hay so với trình tự đưa ví dụ 3.4.2 Hệ thống sản xuất theo nguyên tắc thiết bị khơng giống dạng trình tự sử dụng Khi sản xuất sản phẩm khác có sử dụng thiết bị khác dạng thiết bị, hay khác trình tự sử dụng thiết bị, ta có hệ thống sản xuất với tên gọi hệ thống sản xuất theo nguyên tắc thiết bị không giống dạng trình tự sử dụng (jobshop) Hình 3.5 đưa ví dụ hệ thống Trong hình 3.5a, tất sản phẩm dịch chuyển từ trái qua phải, có nghĩa chúng dịch chuyển theo hướng qua hệ thống thiết bị, nhiên, khơng phải tất q trình sử dụng thiết bị Trong hình 3.5b sản phẩm A B chuyển động từ trái qua phải, sản phẩm C sử dụng thiết bị theo thứ tự khác với sản phẩm Trình tự sản xuất đa sản phẩm hệ thống phức tạp minh họa ví dụ 3.5 Hiệu tương đối sơ đồ sản xuất khác hệ thống sản xuất hình 3.5b tính tóan ví dụ 3.6 Ví dụ 3.5 Xét hệ thống jobshop có thứ tự cơng đọan hình 3.5b bảng e3.5 Xây dựng sơ đồ Gantt cho sản xuất đơn sản phẩm có chồng chéo công đọan sản phẩm A, B C, cho sản xuất đa sản phẩm theo trình tự ABCABCABC… Giải Sơ đồ Gantt cho trình sản xuất hình E3.5: Sơ đồ cho thấy trình tự cơng đọan thời lượng thực chúng cho mẻ; (?) sơ đồ cho thấy sản xuất sản phẩm A, B C có chồng chéo cơng đọan Có thể thấy, qui tắc biểu thức cho phương thức sản xuất có chồng chéo cơng đọan đưa áp dụng đây.; (?) Sơ đồ cuối cho thấy phương thức sản xuất đa sản phẩm có chồng chéo cơng đọan sử dụng trình tự ABCABCABC… (?) Có nhiều khe ngăn cách việc sử dụng thiết bị, khơng có thiết bị sử dụng suốt thời gian Tình thơng thường cho hệ thống jobshop, chiến lược tăng thời lượng sử dụng thiết bị trở nên quan trọng phức tạp số sản phẩm nhiều Ví dụ 3.6 Nhiệm vụ công nghệ đặt sản xuất số mẻ sản phẩm A, B C Sử dụng thơng tin ví dụ 3.5, xác định tổng số mẻ thực thời gian tháng (500 giờ) sản phẩm, sử dụng phương thức sản xuất đơn sản phẩm phương thức sản xuất đa sản phẩm theo trình tự ABCABCABC… Giải Theo phương thức sản xuất đơn sản phẩm, số mẻ thực x xác định theo biểu thức (3.6): Theo phương thức sản xuất đa sản phẩm, dựa vào hình E3.5, thời lượng thực chu trình ABC 19,5 Giá trị xác định thời gian thời điểm thực sản xuất sản phẩm C: 43,5 – 24 = 19,5 (giờ) 63 – 43,5 = 19,5 (giờ) Như vậy, số mẻ sản xuất A, B C tiến hành là: 500 = 𝑥 (19,5) 𝑥 = 25,64 Trình tự sản xuất nhóm đa sản phẩm rõ ràng hiệu so với cách sản xuất nhóm đơn sản phẩm, trình tự không lọai bỏ khâu lưu trữ sản phẩm trung gian Cần lưu ý rằng, trình tự sản xuất đa sản phẩm khác dẫn tới kết khác nhau, trình tự ABCABCABC… chưa phải trình tự sản xuất sản phẩm hiệu 3.5 Lưu trữ sản phẩm cuối sản phẩm trung gian, thiết bị họat động song song Cả nguyên lý này, nói chung, làm tăng suất hệ thống họat động gián đọan 3.5.1 Lưu trữ sản phẩm cuối phương thức sản xuất đơn sản phẩm Khi kết hợp sản xuất đơn sản phẩm hệ thống sản xuất đa sản phẩm, cần thiết phải lưu trữ sản phẩm q trình sản xuất Xét sản xuất ví dụ 3.3 Hệ thống sản xuất 43 mẻ sản phẩm A, B C thời gian 500 Nếu suất yêu cầu sản xuất sản phẩm tương ứng 10.000, 15.000 12.000 kg/tháng, số lượng sản phẩm cần lưu trữ ? Trên thực tế, thể tích khối lượng sản phẩm định khả lưu trữ Trong ví dụ này, giả thiết mật độ sản phẩm 1000 kg/m3 Đầu tiên xét sản phẩm A với giả thiết nhu cầu sản phẩm ổn định, tốc độ nhu cầu là: rnhu cầu = 10.000 / 500 = 20 kg/h = 0,02 m3/h Lưu ý tốc độ nhu cầu tính tóan sở thời lượng họat động hệ thống, sở 24 giờ/(ngày đêm) Trong trình sản xuất, để sản xuất 10.000 kg sản phẩm A cần phải tiến hành 43 mẻ, với thời lượng tiến hành mẻ tchu trình, A = 2,5 Như vậy, sản phẩm A tốc độ nhu cầu sản xuất 10.000 / (43)(2,5) = 93 kg/giờ = 0,093 m3/h Kết tính tóan tất sản phẩm đưa bảng 3.1 Khi sản xuất vào họat động, tốc độ sản xuất lớn tốc độ tiêu thụ Khi sản xuất ngừng, tốc độ tiêu thụ lớn tốc độ sản xuất (bằng 0) Do đó, tượng tích tụ tiêu hao sản phẩm tháng tương tự hình 3.6 Thể tích lưu trữ nhỏ cần thiết cho sản phẩm Vs, áp dụng chiến lược sản xuất nhóm đơn sản phẩm, xác định sau: 𝑉𝑠 = (𝑟𝑠ả𝑛 𝑥𝑢ấ𝑡 − 𝑟𝑛ℎ𝑢 𝑐ầ𝑢 )𝑡đợ𝑡 (3.7) đó: tđợt – thời lượng thực đợt sản xuất Cách xác định khả lưu trữ tối thiểu cho tất sản phẩm ví dụ 3.3 đưa ví dụ 3.7 Ví dụ 3.7 Đối với sản phẩm A, B C ví dụ 3.3, cần xác định khả lưu trữ tối thiểu cho chiến lược sản xuất đơn sản phẩm đưa ví dụ 3.3 Giải Cần lưu ý rằng, thời lượng chu trình sản xuất tổng thời lượng sản xuất nhóm sản phẩm (campaign), hay: (2,5 + 4,5 + 4,5 )43 = (107,5 + 193,5 + 193,5) = 494,5 (giờ) < 500 Điều phản ánh tính tóan gần thời lượng chu trình sản xuất theo biểu thức 3.6 𝐶 𝑇 = ∑ 𝑛𝑗 {𝑚𝑎𝑥(𝑡𝑗 )} 𝑗=𝐴 𝑗 (3.6) Thời lượng thực tế cho chu trình sản xuất sản phẩm A, B C tìm ví dụ 3.3 2,63; 4,62 4,65 (giờ) tương ứng Tương ứng có giá trị Vs 7,79; 9,18 7,31 m3(?) Rõ ràng, sai số không đáng kể, cách tính tóan theo biểu thức 3.6 chấp nhận số mẻ để sản xuất nhóm sản phẩm không nhỏ 10 3.5.3 Các thiết bị họat động song song Một chiến lược khác để tăng suất trình cho thiết bị họat động song song Chiến lược có lợi có thiết bị “nút thắt cổ chai”, tình giải cách thêm hay vài thiết bị họat động song song với thiết bị Chiến lược mở rộng tới trường hợp giới hạn, thiết bị song song sử dụng cho sản xuất sản phẩm Chiến lược lọai bỏ phụ thuộc vào lịch trình trình sản xuất sản phẩm khác nhau, tốn hơn, số lượng thiết bị tăng m lần, m số sản phẩm Ví dụ sử dụng thiết bị họat động song song hình 3.8 sở số liệu bảng 3.3 Từ sơ đồ hình 3.8 thấy rằng, thời lượng dành cho thiết bị kết tinh nhiều Sơ đồ cho thấy hiệu việc bổ sung thiết bị kết tinh thứ sản xuất sản phẩm C, giảm thời lượng thực chu trình từ 21 xuống 13 giờ, làm tăng đáng sản lượng Việc xác định cần bổ sung thiết bị phải sở chuẩn kinh tế Phương án thỏa hiệp cần cân nhắc lợi ích suất chi phí bổ sung cho thiết bị nhân công vận hành ... hành sản xuất đa sản phẩm sản xuất sản phẩm: để hệ thống sản xuất xong sản phẩm thứ nhất, sau thiết lập chế độ công nghệ cho hệ thống để sản xuất sản phẩm thứ 2… Giả thiết cần sản xuất sản phẩm... gián đọan 3.5.1 Lưu trữ sản phẩm cuối phương thức sản xuất đơn sản phẩm Khi kết hợp sản xuất đơn sản phẩm hệ thống sản xuất đa sản phẩm, cần thiết phải lưu trữ sản phẩm q trình sản xuất Xét sản. .. đánh giá số chu trình tính tóan khác cho sản xuất sản phẩm hệ thống sản xuất gián đọan đa sản phẩm Sơ đồ sản xuất có nhược điểm sau: thời lượng chu trình sản xuất lớn, số lượng sản phẩm cần lưu