EN
Pikalinkit
Prosessioptimoinnin ydintä kemian insinööreille on saavuttaa mahdollisimman tehokas toiminta tuhlaamatta resursseja tai vahingoittamalla ympäristöä. Kun insinöörit pyrkivät parantamaan tehokkuutta, lisäämään saantoa ja vähentämään kustannuksia, he todellisuudessa tekevät tehtaiden toiminnasta parempaa samalla, kun neuvokkaammin otetaan huomioon maapallo. Kolme keskeistä aluetta erottuvat erityisen tärkeiksi työkaluiksi tässä työssä: reaktiokinetiikka, termodynamiikka ja massansiirto. Reaktiokinetiikka kertoo oleellisesti, kuinka nopeasti reaktiot tapahtuvat ja mitä tuotteita lopulta syntyy. Termodynamiikka puolestaan antaa insinööreille katsauksen siihen, mihin kaikki prosessien aikana syntyvä energia menee. Sitten on vielä massansiirto, joka liittyy materiaalien siirtämiseen laitteiston sisällä, jotta kaikki sekoittuu oikein ja reaktiot voivat edetä optimaalisissa olosuhteissa. Nämä peruskäsitteet muodostavat teollisuuden alalla kestävämmän ja puhtaamman valmistuskäytännön perustan.
Katsomalla todellisia käyttösovelluksia voidaan nähdä, kuinka nämä optimointitekniikat ovat toimineet hyvin eri sektoreilla. Otetaan esimerkiksi yksi petrokemiallinen tehdas, jossa otettiin käyttöön monimutkainen termodynaaminen mallinnus. Tulokset olivat itse asiassa melko vaikuttavat – he onnistuivat merkittävästi kasvattamaan tuotantoaan samalla kun heidän jätetään vähentyi. Tämänlainen kehitys tarkoittaa parempaa kannattavuutta yrityksille ja auttaa myös siirtymään vihreämpien valmistusmenetelmien käyttöön. Mikä tekee näistä menestystarinoista mielenkiintoisia, on se, että ne osoittavat selvästi jotain, johon valmistajien tulisi kiinnittää huomiota uudelleen suunniteltaessa toimintajärjestelmiään. Kun yritykset alkavat ottaa käyttöön tällaisia optimointeja, he tuntevat ajan myötä kaksinkertaiset edut sekä taloudellisesti että ekologisesti.
Etyyleeniglykoli ja polypropeeni ovat tärkeitä raaka-aineita kemian teollisuudessa, koska niillä on moninaisia käyttömahdollisuuksia. Etyyleeniglykolia käytetään yleisimmin antijäädytteen valmistukseen, mutta se toimii myös tärkeänä rakennuspalikkana polyes-ter-kuituille ja hartseille. Näistä materiaaleista valmistetaan kaikenlaisia tuotteita, tekstiilien kankaille erilaisiin muovituotteisiin. Polypropeeni taas on eräs monikäyttöisimmistä polymeereistä. Sitä käytetään valmistettaessa erilaisia muovituotteita, ruoanpakkausastioiden kautta autojen osiin. Polypropeenin erottaa muista materiaaleista sen keveys ja silti hyvä lujuusominaisuus. Tämä yhdistelmä selittää, miksi tätä materiaalia käytetään niin laajasti nykyisin sekä arkielämässä että teollisuudessa.
Eteenylin glykoli valmistetaan hapettamalla eteenyliä katalyytin avulla, kun taas polypropeeni saadaan polymeeroimalla propyyliä tietyissä olosuhteissa. Molempien valmistusprosessien yhteydessä reaktiolämpötiloja, painetasoja ja muita ympäristötekijöitä on hallittava huolellisesti, jotta tuloksena saadaan tasalaatuista tuotantoa ilman resurssien tuhlaamista. Tarkastellessa nykyisiä markkinakehityksiä, näiden materiaalien kysyntä vaikuttaa olevan kasvussa. Eteenylin glykolin käyttöä ennustetaan lisääntyvän erityisesti autojen edetessä yhä kehittyneemmiksi, kun taas polypropeenin suosio hyötyy nykyisestä keskustelusta muovin kierrätyksen ympärillä. Toimialan ennusteiden mukaan polypropeenin käyttö jatkaa vahvaa kasvuansa, sillä sitä tarvitaan monilla eri aloilla muun muassa pakkausten ja lääketieteellisten laitteiden valmistukseen. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että eteenylin glykolin ja polypropeenin käsittelyn ymmärtäminen on edelleenkin keskeistä, jotta yritykset pysyvät kilpailukykyisinä nykyaikaisessa valmistuksessa.
Tekoäly muuttaa kemian teollisuuden prosessien optimointia, etenkin koska se parantaa ennakoivaa huoltoa ja mahdollistaa reaaliaikaisen datan analysoinnin. Kun tekoälyä sovelletaan prosessien ohjausjärjestelmiin, se auttaa tehtaita säästämään resursseja ja vähentämään jätettä. Otetaan lämpötilan säätö esimerkiksi. Älykkäät algoritmit säätävät lämmitystasoa niin, ettei tehdas hukkaa ylimääräistä energiaa, mikä tarkoittaa parantunutta tehokkuutta ja vähemmän laitekatkokset. Maailman talousfoorumin tutkimusten mukaan noin 44 prosenttia työntekijöistä kemian teollisuudessa saattaa joutua uudelleenkoulutettavaksi, kun tekoäly jatkaa muutosta. Suuret nimet kuten BASF ovat nähneet jo tuloksia tekoälyn käytöstä. Heidän tuotantolinjansa toimivat nykyään sulavammin, käyttäen vähemmän sähköä ja ollen edullisempia käyttää jokapäiväisessä toiminnassa. Kaikki nämä edut osoittavat kuinka suurta vaikutusta tekoälyllä on ollut kemian teollisuudessa, tekemällä prosessit älykkäämmiksi ja hallinnoimalla resursseja tavalla, jota emme olisi aikaisemmin uskoa mahdolliseksi.
Kemian teollisuuden yritykset ottavat mukaan Internet of Things -tekniikan (IoT) toimintaansa, erityisesti älykkäiden polymeerien valmistuksessa tuotantolinjoilla. Mitä tämä tarkoittaa? Ensinnäkin koneet voivat nyt tehdä asioita automaattisesti, seurata tilannetta reaaliajassa ja jakaa tietoa yhtä aikaa tehtaan eri osien välillä. Tämä auttaa tehtaita toimimaan entistä sulavammin päivä päivältä. Tuotteiden valmistajat huomaavat, että heidän prosessinsa hallitaan tiukemmin, jolloin lopputuotteiden laatu säilyy jatkuvasti hyvinä. Otetaan esimerkiksi yritykset Evonik ja AMSilk, jotka ovat kokeilleet IoT-teknologiaa muuttamassa valmistusprosessiaan. Ja miten tämä on toiminut? AMSilk onnistui vähentämään valmistuskustannuksiaan jopa 40 % ottamalla käyttöön älykkäitä IoT-ratkaisuja järjestelmässään. Tällaiset esimerkit tekevät selväksi, miksi monia perinteisiä valmistusmenetelmiä korvataan uudemmalla lähestymistavalla, joka perustuu yhteydessä oleviin laitteisiin. Nykyaikaisen tehtaan tulisi pystyä mukautumaan nopeasti, toimia tehokkaasti ja säästää rahaa aina kuin mahdollista, ja IoT-tekniikka näyttää täyttävän kaikki nämä edellytykset.
Siirtyminen kasveista valmistettuun polyvinyyliasetaattiin merkitsee suurta siirtymää vanhojen öljypohjaisten liimojen käytöstä kohti paljon ympäristöystävällisempää vaihtoehtoa. Mikä tekee tästä erityisen? No, se vähentää ympäristövahinkoja, sillä käytämme todella kasvavia raaka-aineita öljyn porautumisen sijaan. Tämä tarkoittaa vähemmän fossiilisten polttoaineiden käyttöä ja vähemmän kasvihuonekaasupäästöjä ilmakehään. Yleensä valmistajat tekevät näistä ympäristöystävällisistä liimoista kasveja tai muita orgaanisia luonnonmukaisia hiilipohjaisia lähteitä. Yrityksille, jotka haluavat oikeasti edistää kestävää kehitystä, siirtyminen biojohdannaisiin vaihtoehtoihin auttaa heitä saavuttamaan kansainväliset hiilipäästöjen leikkaustavoitteet ja silti pitää liiketoiminta normaalisti. Lisäksi terveellisemmät ekosysteemit ovat plussaa, josta ei tarpeeksi puhuta.
Biojätepohjaisen polyvinyyliasetaatin valmistus alkaa uusiutuvien raaka-aineiden hankinnalla, yleensä esimerkiksi kasvikuitujen tai muiden luonnossa esiintyvien polymeerien. Kun nämä raaka-aineet on kerätty, ne altistetaan erityisille kemiallisille reaktioille, joita kutsutaan polymeroinniksi. Tämän prosessin tavoitteena on säilyttää näiden aineiden arvokkaat ominaisuudet käyttämättä liikaa energiaa. Tutkijat ovat vuosien ajan tehneet kovasti töitä tämän asian parissa tutkien erilaisia molekyylikokonaisuuksia, joiden ominaisuudet vastaavat tai jopa ylittävät perinteisten öljypohjaisten tuotteiden ominaisuudet. Joissakin tuoreissa läpimurtoissa on näytetty lupaavia vaihtoehtoja, jotka toimivat yhtä hyvin mutta jättävät pienemmän ympäristöjalanjäljen.
Eri teollisuudenalojen käytännön sovellusten tarkastelu osoittaa, kuinka luontopolymeerinen polyvinyyliasetaatti on saavuttanut suosiotaan paremman ympäristövaikutuksen ansiosta. Rakennusyhtiöt ja pakkausteollisuuden yritykset ovat alkaneet käyttää näitä uusia materiaaleja, koska ne tekevät yhtä hyvin tiimiä kuin perinteiset versiot, mutta niiden hiilijalanjälki on pienempi. Vertailevat testit, joissa materiaaleja on verrattu toisiinsa, eivät yleensä paljasta eroja niiden liimapitoisuuden tai kestävyyden välillä verrattuna perinteisiin vaihtoehtoihin. Tämä tarkoittaa, että yritykset voivat siirtyä käyttämään näitä materiaaleja menettämättä tuotelaatua, mikä selittää, miksi monet valmistajat ovat viime aikoina siirtyneet vihreiden ratkaisujen käyttöön.
Formaldehydi on edelleen suuri huolenaihe kemian teollisuudessa vakavien terveysriskien ja ympäristövahinkojen vuoksi. Tähän aineeseen altistuneet työntekijät kärsivät usein hengitysongelmista ja ihoreaktioista, kun taas tuotantolaitoksien läheisyydessä asuvat yhteisöt kamppailevat saastuneen ilmanlaadun kanssa. Viranomaisten sääntelyjen kiristyessä joka vuosi yhä useampi yritys etsii nyt keinoja vähentää formaldehydin käyttöä. Osa tehtaista on ryhtynyt kokeilemaan vaihtoehtoisia kemikaaleja tai parantamaan suljetuksia järjestelmiä päästöjen vähentämiseksi. Nämä muutokset eivät ainoastaan auta suojelemaan työntekijöitä ja läheisiä asukkaita, vaan myös parantamaan yritysten asemaa tulevien ympäristölainsäädäntöjen noudattamisessa.
Useita innovatiivisia lähestymistapoja on kehitetty osana formaldehydin vähennysstrategioita. Näihin kuuluu vaihtoehtoisten kemikaalien käyttöönotto ja tuotantoprosessien hionta formaldehydin tuotannon vähentämiseksi. Puhdasta tuotantoa edistävät teknologiat ovat keskeisessä roolissa; esimerkiksi edistetyt katalysaattorit on kehitetty hajottamaan formaldehydipäästöjä tehokkaasti valmistusvaiheissa.
Ympäristönsuojeluryhmät ja erilaiset tieteelliset tutkimukset korostavat jatkuvasti formaaldehydin pitojen leikkaamisen tärkeyttä. Saadut luvut osoittavat säännöllisesti todellisia etuja, kun yritykset ryhtyvät näihin muutoksiin, jolloin ilmassa olevien haitallisten hiukkasten määrä vähenee ja työntekijöiden terveysongelmat vähenevät. Myös alan asiantuntijat tukevat tätä ja suosittelevat valmistajille vähähihaisempien materiaalien käyttöönottoa sekä ilmanvaihtojärjestelmien parantamista. Näillä muutoksilla voidaan tietysti täyttää turvallisuusstandardit, mutta siinä yhteydessä tehtaat alkavat myös nähdä olevansa osa ratkaisua eikä vain noudattavan sääntöjä. Toteutuksen osalta on selvää, että kaikkien muutosten toteuttaminen vaatii aikaa ja rahaa, mikä selittää, miksi monilla yrityksillä on edelleen vaikeuksia siirtyä uudelle järjestelmälle.
Mikroreaktorijärjestelmät muuttavat peliä virtauskemiassa, erityisesti etyleeniglykolin valmistuksessa. Nämä pienet mutta tehokkaat yksiköt sisältävät paljon etuja kompaktissa suunnittelussa. Ne parantavat reaktioita tehokkaita, tekevät toiminnoista turvallisempia yleisesti ja mahdollistavat tuotannon laajentamisen ilman suuria vaikeuksia. Mikroreaktorit erottuvat siinä, että ne ylläpitävät tarkasti oikeat olosuhteet reaktioiden tapahtumiselle. Tämä johtaa huomattavasti korkeampiin saantiin ja parempaan selektiivisyyteen etyleeniglykolin synteesissä, ja myös vähemmän vaarallisten sivutuotteiden syntymiseen matkan varrella. Turvallisuuden parantaminen on toinen suuri etu, koska nämä reaktorit hallinnoivat kaiken tarkasti. Perinteiset eräpohjaiset menetelmät aiheuttavat usein vakavia räjähdysvaaroja, koska lämpöä kertyy liian nopeasti, mutta mikroreaktorit hoitavat näitä eksotermisiä reaktioita paljon huolellisemmin, estäen tällaiset onnettomuudet jo etukäteen.
Mikroreaktorijärjestelmät tulevat parannettujen käyttöspesifikaatioiden kanssa, jotka parantavat niiden tuotantokapasiteettia. Ne tarjoavat käyttäjälle paremman hallinnan lämpötilatasojen, paineasetusten ja reaktanttien liikkeen nopeuden suhteen systeemin läpi. Tämän tiukan valvonnan ansiosta kemialliset reaktiot ovat paljon tasaisempia erien välillä. Lopputulos? Korkeammat hyötysuhteet ja suuremmat tuotantomäärät ilman, että vanhoja eräprosesseja tarvitsee skaalata, koska ne vaativat yleensä suurempia koneita, jotka kuluttavat paljon energiaa. Lisäksi toinen mainittava etu on se, että näillä pienemmän mittakaavan toiminnoilla todellisuudessa säästetään sekä tuotekehityksen että päivittäisten käyttökustannusten osalta.
Tutkimukset osoittavat todellisia etuja mikroreaktorijärjestelmien käytössä etyleeniglykolin valmistuksessa. Tärkeintä on niiden kyky hallita lämpöä ja siirtää materiaaleja tehokkaasti, mikä johtuu niiden pienistä kanavista, jotka antavat järjestelmille erittäin suuren pinta-alan suhteessa niiden kokoon. Teollisuuden ammattilaiset kertovat, että tehtaat, jotka siirtyvät tähän teknologiaan, saavat parempia tuloksia ja samalla turvallisemman tuotannon. Otetaan esimerkiksi BASF – yksi suurimmista kemianalan yrityksistä – joka on käyttänyt mikroreaktoreita etyleeniglykolin tuotantolaitoksissaan useiden vuosien ajan. Heidän insinööriensä mukaan tehokkuus on parantunut, mutta myös tuotantokatkokset ovat vähentyneet, mikä on ymmärrettävää, kun reaktiot voidaan pitää niin tarkasti hallinnassa näin pienellä mittakaavalla.
Jatkuviin prosessointimalleihin, joita voidaan skaalata, liittyy teollisuuden kemiallisten aineiden valmistuksen muutos eri tehtävissä maanlaajuisesti. Näissä järjestelmissä kemialliset reaktiot pysyvät jatkuvassa käynnissä eikä niitä pysäytellä ja käynnistetä uudelleen perinteisten eräprosessointimenetelmien tavoin. Kun laitteistoa ei tarvitse jatkuvasti käynnistää uudelleen jokaisen erän jälkeen, valmistajat säästävät sekä aikaa että rahaa. Koko prosessi toimii tehokkaammin, koska materiaalit liikkuvat läpi ilman keskeytyksiä. Parempi hallinta mahdollistaa siihen, että operaattorit voivat säätää asioita tarvittaessa. Tärkeintä on, että tämä menetelmä johtaa johdonmukaisempiin tuotteisiin, joissa ei ole laatuongelmia eri erien välillä.
Mikä tekee jatkuvasta käsittelyprosessoinnin niin innovatiiviseksi? No, kyse on erityisesti uusista työkaluista, joita olemme nähneet äskettäin – ajattele reaaliaikaista analytiikkaa, automaattista valvontajärjestelmiä ja älykkäitä ohjausjärjestelmiä, jotka säätävät toimintaa reaaliajassa. Kun nämä teknologiaratkaisut integroidaan valmistusprosesseihin, ne tarjoavat käyttäjille hetkellisen tiedon saannin koko tuotantoprosessin aikana. Tämä tarkoittaa parempaa valvontaa nykyisestä tilanteesta ilman tarvetta odottaa myöhempää raportointia. Otetaan esimerkiksi Sanli Tech International. He eivät ole mikä tahansa vanha kemiateollisuuden yritys, vaan yksi alan merkittävimmistä nimistä. Heidän insinööriansa ovat viime aikoina käynnistäneet jatkuvan käsittelyprosessoinnin menetelmiä useilla toiminnoilla. Mitä tuloksena saadaan? Selkeitä parannuksia toiminnan tehokkuudessa, mutta samalla säilytetään huipputasoinen tuotelaatu.
Käytännön esimerkit osoittavat, kuinka tehokkaita skaalautuvat jatkuvan prosessoinnin mallit voivat olla, kun niitä sovelletaan eri sektoreilla. Otetaan esimerkiksi lääketeollisuus: monet valmistajat ovat raportoineet tuotantoon kuluvan ajan ja kokonaiskustannusten vähenemisestä ilman, että laatu kärsii. Jopa parantunutta puhdastasoa on mainittu. Tuore Maailman talousfoorumin raportti tukee tätä havaintoa ja siinä todetaan, että yritykset, jotka ovat omaksuneet tällaisen lähestymistavan, tarvitsevat noin puolet vähemmän tuotanta-aikaa kuin ennen, samalla kun laadunvalvonta säilyy tiukkana. Ei tietysti jokainen yritys saavuta tarkasti 50 prosentin säästöä, mutta suunta on selvästi kohti merkittäviä parannuksia, joita kannattaa harkita.
Kiertotalousmallin käyttöönotto muoviteollisuudessa merkitsee suurta muutosta tuotantoprosessien ajattelussa, etenkin sen ansiosta, että jätetään vähemmän ja käytetään tehokkaammin käytettävissä olevia resursseja. Koko idean lähtölaukaus on muuttaa polymeerien elinkaarta niin, etteivät ne aiheuta ympäristölle yhtä paljon haittaa, mikä on viime aikoina noussut erityisen tärkeäksi yrityksille, jotka pyrkivät kestävään kehitykseen. Viime aikoina on nähty mielenkiintoisia kehityskulkuja, erityisesti uusien kierrätysmenetelmien saralla, jotka mahdollistavat valmistajille vanhan polypropeenin materiaalien keräämisen ja niiden uudelleenkäytön. On myös edistytty biologisesti hajoavien vaihtoehtojen kehittämisessä, jotka hajoavat luonnollisesti käytön jälkeen sen sijaan, että ne päätyisivät ikuisiksi ajoiksi kaatopaikoille. Kaikki nämä edistysaskelet auttavat vähentämään muovijätettä ja säästämään raaka-aineita pitämällä polymeerit kiertossa pidempään. Toimialan analyytikot uskovat, että muutaman vuoden kuluessa suurin osa polymeerien valmistajista joutuu adoptoimaan tällaisia käytäntöjä voidakseen pysyä kilpailukykyisenä, koska asiakkaat kiinnittävät yhä enemmän huomiota siihen, mitä tuotteille tapahtuu niiden käytön jälkeen.
Nanoteknologia muuttaa katalyyttisten prosessien kemian teollisuutta. Nanomateriaalien erityispiirteet mahdollistavat nopeammat reaktiot ja paremmat tulokset. Platina-nanopartikkelit toimivat esimerkiksi tehokkaampana katalyyttinä kuin perinteiset menetelmät. Jotkin materiaalit, kuten grafeeni, parantavat lämmön siirtoa ja mahdollistavat reaktiot matalammilla lämpötiloilla, mikä vähentää energian tarvetta. Tutkimukset osoittavat, että nanoteknologian käyttöönotto valmistusprosesseihin johtaa merkittäviin parannuksiin eri aloilla. Yritykset raportoivat saavansa näkyviä etuja näistä muutoksista, mukaan lukien nopeamman tuotannon ja alhaisemmat käyttökustannukset katalyyttisten reaktioiden kanssa työskenneltäessä.