Przemysł chemiczny wymaga zastosowania specjalistycznych rozwiązań, które muszą sprostać trudnym warunkom pracy, związanym m.in. z ekstremalnie wysoką temperaturą, a także kontaktem z mediami agresywnymi oraz wysoko korozyjnymi.
Z powodu różnorodności procesów technologicznych branża chemiczna jest jedną z najbardziej wymagających gałęzi przemysłu. Skrajnie wysokie temperatury, niebezpieczne substancje chemiczne, ługi czy kwasy to najtrudniejszy egzamin sprawdzający niezawodność i wysoką jakość urządzeń pracujących w instalacjach chemicznych.
Zakres branży
Branża chemiczna to bez wątpienia jedna z najistotniejszych gałęzi przemysłu przetwórczego, w zakres której wchodzi zarówno chemia organiczna, jak i nieorganiczna. Przemysł chemii organicznej zajmuje się wytwarzaniem produktów na bazie ropy naftowej, węgla kamiennego, gazu ziemnego, kauczuku, drewna oraz innych substancji organicznych. Natomiast bazą surowcową przemysłu chemii nieorganicznej są: siarka, fosforyty, sole mineralne, składniki powietrza i inne materiały nieorganiczne.
– Mówiąc „branża chemiczna”, najczęściej mamy na myśli polskie zakłady wielkiej syntezy chemicznej, rafinerie, zakłady papiernicze, firmy z branży tworzyw sztucznych i chemii gospodarczej, a więc instalacje produkcyjne, na terenie których występują substancje palne, toksyczne, wybuchowe i agresywne chemicznie – wyjaśnia Mariusz Szwagrzyk, product manager z firmy Endress+Hauser Polska.
Innego podziału przemysłu chemicznego można dokonać, uwzględniając taki czynnik jak tonaż produkcji. Biorąc pod uwagę to kryterium, omawianą branżę dzieli się na tzw. wielką chemię, chemię małotonażową oraz przetwórstwo chemiczne. Pierwszy z wymienionych obszarów zajmuje się wytwarzaniem na wielką skalę, w milionach ton, półproduktów i produktów, takichjak np.: paliwa, tworzywa sztuczne, nawozy sztuczne, gaz przemysłowy. Drugi natomiast – skupia się na produkcji w dużo mniejszej skali takich chemikaliów, jak leki, kosmetyki, materiały hi-tech itd. Z kolei przetwórstwo chemicznie w wyniku obróbki termicznej i mechanicznej czy mieszania przetwarza chemikalia w produkty finalne.
Od przenoszenia do pakowania
Proces produkcyjny w instalacji chemicznej składa się z wielu etapów, począwszy od fazy doprowadzania surowców bazowych, a skończywszy na cyklu dystrybucji produktu końcowego. Niezwykle ważnym punktem jest wdrożenie w zakładzie odpowiedniego systemu przenoszenia. Zastosowanie znajdują tu różnego rodzaju przenośniki, np. pneumatyczne systemy przeładunkowe, które mogą przenieść praktycznie każdą objętość materiałów na dowolną odległość. Z kolei przenośniki mechaniczne, wśród których znajdują się przenośniki ślimakowe oraz przeznaczone do dużych obciążeń łańcuchowe przenośniki zgarniakowe, są stosowane do przenoszenia materiałów proszkowych i pylących.
Proces chemiczny jest zazwyczaj bardzo skomplikowany i oprócz odpowiednich systemów przenoszenia wymaga też zastosowania systemów magazynowania, dozowania, ważenia, przesiewania, pakowania itd. Istotne jest, że oferowane przez dostawców systemy są w pełni zautomatyzowane i łatwe do podłączenia do zakładowego systemu DCS (Rozproszony System Sterowania).
Warto podkreślić, że przemysł chemiczny stawia niezwykle wysokie wymagania przede wszystkim producentom pakowaczek. Różnorodność pakowanych produktów chemicznych jest ogromna – oprócz płynów oraz past pakowane są materiały stałe – od substancji pylistych poprzez cząsteczki mające kilka milimetrów do brył grubości pięści.
Dużym ułatwieniem w procesie produkcji jest zautomatyzowana linia pakująca składająca się z pakowaczki, paletyzatora i foliomatu.
Dokonując wyboru odpowiedniej pakowaczki, należy wziąć pod uwagę nie tylko właściwości pakowanego produktu, ale także rodzaj worków.
I tak na przykład dla produktów granulowanych stosuje się zazwyczaj automatyczne pakowaczki do worków otwartych bądź pakowaczki systemu FFS (form-fill-seal), które same formują worki w trakcie procesu pakowania. Natomiast specjalne pakowaczki z zanurzoną rurą sprawdzają się w przypadku produktów trudnych do odpowietrzenia. Z kolei pakowaczki obrotowe lub pneumatyczne ustawione w szeregu ze zbiornikiem wstępnym ciśnieniowym i z wibratorem doskonale nadają się do produktów, które się sklejają i zbrylają.
Urządzenia pomocnicze
W procesie produkcyjnym oprócz pakowaczek używa się również innych urządzeń pomocniczych, takich jak np. zakręcarki, etykieciarki, kartoniarki, saszetkarki, tubiarki, zgrzewarki czy rozlewaczki stosowane do rozlewu różnego rodzaju produktów (również łatwopalnych, wybuchowych o dużej lepkości itd.) w butelki, puszki, słoiki, kanistry oraz beczki.
Innymi urządzeniami, których odbiorcą jest przemysł chemiczny, są analizatory i systemy analityczne przeznaczone dla: różnego rodzaju chemicznych procesów technologicznych, łącznie z produkcją nawozów sztucznych, amoniaku czy metanolu; procesów petrochemicznych od olefinów do polimerów; produkcji płyt polimerowych, a także innych specjalnych procesów chemicznych. Na przykład firma ABB oferuje pełne tego typu rozwiązania analityczne stworzone na potrzeby przemysłu chemicznego, które obejmują: analizatory gazu i fotometry, chromatografy gazowe, spektrometry masowe, spektrometry FTIR/NIR, cyrkonowe analizatory tlenu, analizatory właściwości fizycznych, analizatory cieczy i wody oraz sondy pomiarowe.
Oczywiście w przemyśle chemicznym – podobnie jak w wielu innych branżach – zastosowanie znajdują również roboty przemysłowe. W tym często niebezpiecznym dla człowieka środowisku ich użycie staje się szczególnie uzasadnione.
Kontrola procesów
Spełnienie różnorodnych wymogów procesowych – jak np. złożona instalacja realizująca ciągłe procesy technologiczne w produkcji podstawowych wyrobów petrochemicznych (jak etylen), czy też niewielki, ale nowoczesny reaktor fermentacyjny służący do produkcji antybiotyków na bazie mikroorganizmów – z pewnością nie jest łatwym zadaniem. Ogromna liczba różnorodnych substancji chemicznych wprowadza dodatkowe komplikacje. Skrobia, melasa, żywice, granulaty polimerowe, kompozyty z włókien szklanych, pigmenty oparte na tlenku tytanu, enzymy, związki metaloorganiczne czy pigmenty do farb i kleje – to tylko niektóre z nich.
Jednak dzięki zastosowaniu odpowiedniej aparatury oraz rozwiązań automatyki można osiągnąć zadowalające efekty w procesie produkcyjnym.
Przykładem są urządzenia służące do pomiaru poziomu (łącznie z mediami agresywnymi i posiadającymi właściwości ścierne), przepływu, temperatury, ciśnienia, a także do analizy cieczy (np. pomiar pH czy pomiar przewodności w procesach chemicznych).
Oczywiście przemysł chemiczny wymaga zastosowania odpowiednich materiałów, które sprostają ciężkim warunkom pracy. Zastosowanie osłon czujników z polwinitu, teflonu i jego pochodnych, a także szkła borokrzemowego pozwala stosować urządzenia w bezpośrednim kontakcie z kwasami i zasadami.
W bogatej ofercie dostawców aparatury kontrolno-pomiarowej przeznaczonej dla przemysłu chemicznego znajdują się takie urządzenia służące do pomiaru poziomu, jak m.in.: kompaktowe sondy pojemnościowe, wysokotemperaturowe, wibracyjne sygnalizatory poziomu wszelkiego rodzaju cieczy, inteligentne radary prowadzące do ciągłego pomiaru poziomu cieczy i materiałów sypkich metodą pomiaru czasu przelotu fali elektromagnetycznej, przetworniki do bezkontaktowego pomiaru poziomu cieczy oraz urządzenia wspomagające selekcję radarów, służące do mikroimpulsowego, bezkontaktowego pomiaru poziomu wszelkiego rodzaju cieczy, które gwarantują najwyższą jakość pomiaru niezależnie od zmian właściwości produktu, wahania ciśnienia i temperatury, jak również gazowania cieczy i oparów nad jej powierzchnią.
Natomiast przepływ w zakładach chemicznych realizowany jest za pomocą przepływomierzy, takich jak np. przepływomierz masowy Coriolisa dla cieczy i gazów, przepływomierz elektromagnetyczny służący do pomiaru przepływu cieczy przewodzących, przepływomierz wirowy dla cieczy, pary i gazów itd.
Procesy przetwórcze w branży chemicznej nagminnie odbywają się z użyciem wysokich temperatur i ciśnień. W związku z tym niezastąpione są spełniające najostrzejsze wymogi przetworniki ciśnienia absolutnego i względnego czy przetworniki różnicy ciśnień, dzięki którym można osiągnąć bardzo wysoką dokładność. Wysokie wymagania muszą również spełniać przetworniki temperatury (np. obiektowe, główkowe), które dzięki iskrobezpiecznemu wykonaniu można stosować w strefach zagrożonych wybuchem.
– System automatyki kontrolno-pomiarowej, który działa na styku zjawisk fizycznych zachodzących w instalacji produkcyjnej i jej otoczenia, jest odpowiedzialny za zwiększenie produktywności, jednak w branży chemicznej jego szczególną rolą jest realizacja aktywnej warstwy bezpieczeństwa. Literatura i analiza LOPA mówi o 10- lub nawet 100-krotnym obniżeniu ryzyka katastrofy przemysłowej w branży chemicznej, jakie osiąga się przez zastosowanie systemu automatyki kontrolno-pomiarowej opartego na atestowanych i niezawodnych komponentach. Norma PN-EN 61511 wskazuje również, że w branży chemicznej, ze względu na podwyższone ryzyko działalności zakładów, celowe jest użycie obwodów zabezpieczeniowych SIS/ESD, które są systemami automatyki, działającymi równolegle do systemu podstawowego, jednak o wyższym priorytecie, szybszymi i atestowanymi pod kątem dyspozycyjności. Stanowią one kolejną aktywną warstwę służącą poprawie bezpieczeństwa i obniżającą ryzyko awarii. Duża odpowiedzialność, jaka spada na tę warstwę powoduje, że projektowanie funkcji bezpieczeństwa, jaką ma ona wykonywać, a następnie realizacja w praktyce odbywają się zawsze z użyciem urządzeń kontrolno-pomiarowych najwyższej jakości i niezawodności, udokumentowanych przez niezależnych audytorów atestami nienaruszalności bezpieczeństwa SIL2 lub SIL3 – mówi Mariusz Szwagrzyk z firmy Endress+Hauser Polska. Co więcej, uważa on, że dokumenty PN-EN 61511, PN-EN 61508 oraz dyrektywa ATEX 94/9/UE stanowią elementarz, według którego postępują zarówno projektanci, jak i dostawcy systemów automatyki kontrolno-pomiarowej dla branży chemicznej oraz sami inwestorzy.
Zarządzanie
Zastosowanie w zakładach chemicznych specjalistycznych technologii informatycznych jest obecnie koniecznością. Okazuje się, że takie systemy, jak ERP (Enterprise Resource Planning – planowanie zasobów przedsiębiorstwa), CRM (Customer Relationship Management – zarządzanie relacjami z klientami) czy DMS (Document Management System – archiwizacja dokumentów, zarządzanie dokumentami i ich obiegiem) nie są już wystarczające. Proces produkcji wyrobów chemicznych wymaga zastosowania systemów wspomagających i nadzorujących produkcję oraz gwarantujących wysoką jakość produktów.
Mowa tu o systemach wizualizacji produkcji, monitoringu parametrów środowiska produkcyjnego, zarządzania produkcją wsadową, zarządzania przeglądami okresowymi, parkiem maszynowym, a także systemach logistycznych i dystrybucyjnych.
Systemy oferowane przez dostawców zintegrowanych rozwiązań informatycznych mają za zadanie wspierać zakłady chemiczne na drodze automatyzacji procesu dokonującej się za pomocą kontrolowania okresu trwałości (w celu ograniczenia ilości odpadów i dostarczania przeterminowanych towarów), zarządzania zakupami poprzez kontrolę partii czy serii, zarządzania zwrotami i należnościami, wprowadzania modyfikacji w produktach oraz ich zatwierdzania, a także kontroli kosztów oraz zarządzania czasem, materiałami i siłą roboczą.
Przykładowe wdrożenia
Przykładem zautomatyzowania oraz skomputeryzowania procesu produkcyjnego są Zakłady Chemiczne Police. Automatyzacji został poddany proces załadunku w dziale pakowni mocznika. Założenia systemu obejmowały: automatyczne sterowanie wagami w celu zapewnienia powtarzalności, dokładności oraz szybkości procesu załadunku; stworzenie bazy danych gromadzącej harmonogramy oraz historię załadunków; tworzenie raportów; wizualizację procesu załadunku; pełen nadzór nad procesem załadunku.
Kontrola załadunku odbywa się poprzez zliczanie impulsów pochodzących z wag oraz czujników fotooptycznych. Czujniki fotooptyczne rozmieszczone są wzdłuż tras transportu produktu od wagi do pojazdu podstawionego pod rampę i połączone ze sterownikami VersaMax. Za pomocą oprogramowania narzędziowego Proficy Machine Edition sterowniki zaprogramowano tak, aby rozpoznawać kierunek ruchu oraz wielkość transportowanego opakowania. Za pośrednictwem sieci Ethernet dane te są przekazywane do bazy danych.
Innym przykładem firmy korzystającej z osiągnięć współczesnej automatyki jest firma Megaron, która zajmuje się produkcją mieszanek mineralnych do wewnętrznych prac wykończeniowych w budownictwie. W firmie tej z powodzeniem zastosowano roboty Fanuc przy paletyzacji wyrobów. Roboty w specjalny i za każdym razem identyczny sposób układają wyprodukowane wyroby na paletach. Jeden robot pracuje na linii wyrobów suchych, a dwa kolejne układają gotowe masy szpachlowe oraz preparaty gruntujące. Spakowane wyroby dostarczane są z maszyny pakującej rolotokiem do stanowiska paletyzacji. Stamtąd robot je zabiera chwytakiem i układa na palecie.
Ciekawym rozwiązaniem jest też wdrożony przez firmę Turck system, oparty na technologii RFID, który znalazł zastosowanie w zakładzie produkcyjnym Wacker w niemieckim Burghausen. System ten pozwala automatycznie dostosowywać pracę przesiewaczy do wielkości zamontowanych sit. Dzięki temu można łatwo uzyskać pożądany rozmiar ziaren proszku dyspersyjnego. Do momentu zastosowania tego innowacyjnego rozwiązania rozmiar sit był mierzony i dobierany ręcznie przez pracowników fabryki. Aby wykluczyć popełnianie błędów przez człowieka, wdrożono system, co pozwoliło zautomatyzować pomiar sit. W konsekwencji osiągnięto nie tylko wysoką jakość samego procesu, lecz także możliwa stała się jego rejestracja.
CE