Миниатюризация процесса - Process miniaturization
Химическая миниатюризация процесса относится к философской концепции в рамках дисциплины разработка процесса что ставит под сомнение понятие "экономия от масштаба "или" чем больше, тем лучше ". В этом контексте разработка процесса относится к дисциплине, которой учат в первую очередь инженеры-химики. Однако возникающая дисциплина миниатюризации процессов потребует интегрированных знаний из многих областей; как примеры, системная инженерия и проектирование, дистанционное измерение и контроль с использованием интеллектуальные датчики, разработка систем биологических процессов и передовое производство робототехника, так далее.
Одна из проблем химическая инженерия заключалась в разработке процессов, основанных на химических лабораторных методах, и в масштабировании процессов, чтобы можно было производить продукцию, которая является экономически доступной.
По мере того, как процесс становится более масштабным, за единицу времени может производиться больше продукции, поэтому, когда технология процесса становится устоявшейся или зрелой и работает стабильно без сбоев или «простоев», можно добиться большей экономической эффективности за счет увеличения масштаба. При фиксированной цене на сырье (например, цена за баррель сырой нефти) стоимость продукта может быть уменьшена с использованием более масштабного процесса, поскольку капитальные вложения и эксплуатационные расходы обычно не увеличиваются линейно с масштабом. Например, емкость или объем цилиндрической емкости, используемой для производства продукта, увеличивается пропорционально квадрату радиуса цилиндра, поэтому стоимость материалов на единицу объема уменьшается. Но затраты на проектирование и изготовление судна традиционно были менее чувствительны к масштабу. Другими словами, можно спроектировать небольшой сосуд и изготовить его примерно по той же цене, что и большой сосуд. Кроме того, стоимость управления и эксплуатации процесса (или компонента технологической установки) существенно не меняется в зависимости от масштаба. Например, если для управления небольшим процессом требуется один оператор, этот же оператор, вероятно, сможет управлять более крупным процессом.
Концепция экономии на масштабе, которой учат инженеров-химиков, привела к мысли, что одной из целей разработки и проектирования процессов является достижение «экономии на масштабе» путем увеличения масштабов до завода по переработке максимально возможного размера, чтобы продукт стоимость может быть экономически доступной. Эта дисциплинарная философия была подкреплена примерами конструкций в нефтеперерабатывающей и нефтехимической отраслях, где сырье транспортировалось в виде жидкостей по трубопроводам, большим танкерам и железнодорожным вагонам.
Жидкости, по определению, представляют собой текучие материалы, которые могут передаваться с помощью насосов или гравитации. Поэтому в перерабатывающих отраслях существуют большие насосы, клапаны и трубопроводы для перекачки больших объемов жидкости. Миниатюризация процесса, напротив, будет включать переработку большого количества твердых веществ из возобновляемых ресурсов биомассы; Следовательно, потребуется новое мышление в отношении технологических процессов, оптимизированных для обработки твердых тел.
Концепция микропроцесса была определена 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) Приближение к полной автоматизации
- 4) Новая технология
Миниатюризация электронных устройств
Философия проектирования микропроцессов в значительной степени предвидится на основе исторического анализа роли, которую миниатюризация компонентов сыграла в индустрии информационных технологий. Именно эволюция миниатюризации компьютерного оборудования позволила задуматься о миниатюризации процессов в контексте проектирования химической инженерии. Вместо традиционной цели проектирования, такой как «масштабирование» обработки до одного централизованного крупного перерабатывающего предприятия (например, мэйнфрейма), можно представить себе достижение экономических целей, используя философию «горизонтального масштабирования» (например, несколько микрокомпьютеров).
Электрические и электронные устройства всегда играли важную роль в автоматизации химических производств. Однако первоначально 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 по своей природе. Условия процесса были скорректированы в основном на основе эвристических знаний человека-оператора о поведении процесса. Даже с установленной электронной системой автоматизации многие процессы по-прежнему требуют существенного взаимодействия с оператором, особенно на этапе запуска процесса или во время развертывания новой технологии.
Управление технологическими процессами будущего будет включать повсеместное использование интеллектуальных датчиков и массового производства интеллектуальных миниатюрных устройств, таких как программируемые логические контроллеры, которые обмениваются данными с исполнительными механизмами по беспроводной сети. Поскольку эти устройства будут миниатюризированы для снижения стоимости производства, это позволит встраивать устройства в конструкции, чтобы они стали невидимыми для стороннего наблюдателя. Стоимость таких датчиков, вероятно, будет снижена до такой степени, что они либо «работают, либо не работают». Когда этот порог стоимости будет достигнут, процедура ремонта будет заключаться в отключении датчика и срабатывании резервного рабочего датчика. Другими словами, вся сложная система управления станет настолько дешевой, что ремонт станет экономически невыгодным.
Интеллект процесса будет развиваться с использованием имитационных моделей процесса, основанных на научных основах. Эвристические правила будут запрограммированы в микроконтроллеры, что в значительной степени устранит необходимость постоянного мониторинга с помощью эвристических знаний человека о поведении процесса. Процесс, который может автоматически самооптимизироваться с помощью передовых алгоритмов, разработанных инженерами микропроцессоров, будет встроен и доступен только для обладателя знаний. Это позволит построить большие сети автоматических микропроцессов.
Миниатюризация процессов для предприятий, основанных на знаниях
Усовершенствованные системы управления процессами для миниатюризации увеличивают потребность в контроле безопасности и владении интеллектуальными процессами в бизнесе, основанном на знаниях. Будет сложнее контролировать интеллектуальную собственность с помощью традиционных методов патентования; следовательно, товарные знаки, узнаваемость бренда и законы об авторском праве будут играть более важную роль в обеспечении безопасности ценностей для основанного на знаниях бизнеса будущего.
Технико-экономический анализ, как его преподают при проектировании традиционных химических процессов, также резко изменится с консервативной точки зрения на использование экономики исторических тенденций 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; следовательно, модели будут больше основаны на «что может быть?» скорее, что "что показало прошлое?"
Миниатюризация процессов для будущих обществ на основе возобновляемых материалов
Вместо одного крупного центрального завода, который должен снабжать большим количеством сырья, такого как нефтеперерабатывающий завод, который может выгружать танкер с нефтью, если он расположен рядом с океаном, дисциплина миниатюризации процесса предусматривает распространение технологии процесса на области, где сырье не может быть легко транспортировано в больших количествах на крупный централизованный перерабатывающий завод. Миниатюрный технологический процесс может просто включать преобразование твердых материалов биомассы из множества распределенных микропроцессов в более легко управляемые жидкости. Затем жидкости можно транспортировать или распределять в более крупные интеллектуальные технологические узлы с использованием традиционной технологии транспортировки жидкости.
Исторически сложилось так, что небольшие процессы или микропроцессы как таковой всегда существовали. Например, небольшие виноградники и пивоварни производили сырье, перерабатывали его и хранили продукт в том, что можно было бы назвать «микропроцессом» по сравнению с процессами, разработанными на основе нефтехимическая промышленность макет или, например, крупносерийное производство пива. Небольшие деревни в Индии и других местах в мире научились производить биогаз из навоза животных с помощью того, что можно было бы назвать мелкомасштабными микропроцессами для производства энергии. Тем не менее, микропроцессы и миниатюризация процессов как философия проектирования включают понятие приближения к полной автоматизации и представляют собой новую технологию, которая стала возможной благодаря миниатюризации компьютерного оборудования, например микропроцессора. Легко представить себе процессы, которые можно производить и транспортировать в массовом порядке. Например, многие приборы, такие как кондиционеры, бытовые стиральные машины и холодильники, можно рассматривать как микропроцессы.
Философия проектирования миниатюризации процессов предполагает, что может быть достигнуто «уменьшение масштаба» сложных процессов, включающих операции с несколькими единицами процесса, и что экономия от 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 не является возобновляемым, будущее топливо и материалы будут основаны на возобновляемых источниках энергии. биомасса.
Миниатюризация процесса для микробных топливных элементов
Преобразование биомассы в энергию, возможно, сложнее для технолога, чем получение энергии из ископаемого топлива. Вода, растворенные органические и неорганические соединения и твердые частицы различного размера могут присутствовать в процессах производства биомассы. Возможно, это развитие микробные топливные элементы где философское мышление миниатюризации процесса будет играть более широкую роль. Распространение знаний в модном, интригующем стиле с помощью миниатюрных устройств может быть существенно усилено (ускорено) с помощью устройств с низким энергопотреблением (таких как смартфоны). Переосмысление "что такое силовая установка?" может создавать огромные инновации, учитывая недавние достижения в конструкционных материалах мембран, методологии иммобилизации целых клеток, метаболическая инженерия, и нанотехнологии.
Проблемы микробных топливных элементов связаны, главным образом, с поиском более дешевых методов производства, материалов конструкции и проектирования систем. Брюс Логан из Университета штата Пенсильвания описал в нескольких исследовательских статьях и рассмотрел эти проблемы.
Однако даже при существующих конструкциях, генерирующих низкую мощность, есть приложения в распределение электрической подзарядки Системы в отдаленных районах Африки, где есть смартфон, могут обеспечить доступ к обширной информации в Интернете и обеспечить освещение. Эти системы могут работать с потоками сельскохозяйственных, животноводческих и человеческих отходов, используя естественные бактерии.
Миниатюризация процесса для мини-ядерных реакторов
Атомная энергия считается «зеленой технологией», поскольку она не производит двуокись углерода, парниковый газ, в отличие от традиционных электростанций, работающих на природном газе или угле. Экономика развертывания мини-ядерных реакторов обсуждалась в статье в "Экономист ".
Министр энергетики также обсудил преимущества мини-ядерных реакторов. Стивен Чу.[2] Как обсуждал Чу, реакторы будут производиться в заводских условиях, а затем транспортироваться в целости и сохранности по железной дороге или по морю в различные части страны или мира. Экономия на масштабе за счет размера заменяется экономией за счет масштаба. Многие компании не желают принимать на себя риск инвестировать от 8 до 9 миллиардов долларов в один большой реактор, поэтому одной из наиболее привлекательных особенностей миниатюризации процесса является снижение риска капиталовложений и возможность возврата инвестиций за счет перепродажи. и передача функционального микропроцесса "под ключ" новому владельцу - важное экономическое преимущество переносимости микропроцессов.