Пилотный завод — это докоммерческая производственная система, которая использует новую производственную технологию и/или производит небольшие объемы новой технологической продукции, в основном с целью изучения новой технологии. Полученные знания затем используются для проектирования полномасштабных производственных систем и коммерческой продукции, а также для определения дальнейших исследовательских целей и поддержки инвестиционных решений. Другие (нетехнические) цели включают получение общественной поддержки новых технологий и оспаривание правительственных постановлений. [1] Пилотный завод — это относительный термин в том смысле, что пилотные заводы, как правило, меньше, чем полномасштабные производственные заводы, но строятся в различных размерах. Кроме того, поскольку пилотные заводы предназначены для обучения, они, как правило, более гибкие, возможно, за счет экономии. Некоторые пилотные заводы строятся в лабораториях с использованием стандартного лабораторного оборудования, в то время как другие требуют значительных инженерных усилий, стоят миллионы долларов и собираются на заказ и изготавливаются из технологического оборудования, приборов и трубопроводов. Их также можно использовать для обучения персонала для полномасштабного завода. Пилотные заводы, как правило, меньше по сравнению с демонстрационными заводами.
Слово, похожее на пилотный завод, — пилотная линия . [2] По сути, пилотные заводы и пилотные линии выполняют одни и те же функции, но «пилотный завод» используется в контексте (био)химических и передовых систем производства материалов, тогда как «пилотная линия» используется для новых технологий в целом. Термин «килограммовая лаборатория» также используется для небольших пилотных заводов, относящихся к ожидаемым выходным количествам. [3]
Пилотные установки используются для снижения риска, связанного со строительством крупных технологических установок. Они делают это несколькими способами:
Если система хорошо определена и известны технические параметры , пилотные установки не используются. Например, компания, которая хочет расширить производственные мощности путем строительства нового завода, который делает то же самое, что и существующий завод, может решить не использовать пилотную установку.
Кроме того, достижения в моделировании процессов на компьютерах повысили уверенность проектировщиков процессов и сократили потребность в пилотных установках. Тем не менее, они все еще используются, поскольку даже самые современные методы моделирования не могут точно предсказать поведение сложных систем.
По мере увеличения размера системы свойства системы, зависящие от количества вещества (с обширными свойствами ), могут изменяться. Соотношение площади поверхности и жидкости на химическом заводе является хорошим примером такого свойства. В небольших химических масштабах, скажем, в колбе, существует относительно большое соотношение площади поверхности и жидкости. Однако, если рассматриваемая реакция масштабируется до размера 500-галлонного резервуара, соотношение площади поверхности и жидкости становится намного меньше. В результате этой разницы в соотношении площади поверхности и жидкости точная природа термодинамики и кинетика реакции процесса изменяются нелинейным образом. Вот почему реакция в стакане может вести себя совершенно иначе, чем та же реакция в крупномасштабном производственном процессе.
Другие факторы, которые могут измениться в ходе перехода к производственным масштабам, включают:
После сбора данных по работе пилотной установки может быть построено более крупное производственное предприятие. В качестве альтернативы может быть построено демонстрационное предприятие, которое обычно больше пилотной установки, но меньше полномасштабной производственной установки, чтобы продемонстрировать коммерческую осуществимость процесса. Иногда предприятия продолжают эксплуатировать пилотную установку, чтобы проверить идеи для новых продуктов, нового сырья или различных условий эксплуатации. В качестве альтернативы они могут работать как производственные мощности, увеличивая производство на основном заводе.
Различия между стендовыми, пилотными и демонстрационными масштабами во многом зависят от отрасли и области применения. В некоторых отраслях пилотная и демонстрационная установки используются взаимозаменяемо. Некоторые пилотные установки строятся как переносные модули, которые можно легко транспортировать как отдельный блок.
Для периодических процессов, например, в фармацевтической промышленности, лабораторные испытания обычно проводятся на образцах весом 1–20 кг или меньше, тогда как пилотные испытания проводятся на образцах весом 20–100 кг. Демонстрационные испытания по сути представляют собой эксплуатацию оборудования при полной коммерческой скорости подачи в течение длительных периодов времени для подтверждения стабильности работы.
Для непрерывных процессов, например, в нефтяной промышленности, системы лабораторного масштаба обычно представляют собой микрореакторы или системы CSTR с менее чем 1000 мл катализатора, изучающие реакции и/или разделения на однократной основе. Пилотные установки обычно имеют реакторы с объемом катализатора от 1 до 100 литров и часто включают разделение продукта и рециркуляцию газа/жидкости с целью закрытия баланса масс. Демонстрационные установки, также называемые полузаводскими установками, будут изучать жизнеспособность процесса в предкоммерческом масштабе с типичными объемами катализатора в диапазоне 100–1000 литров. Конструкция демонстрационной установки для непрерывного процесса будет очень похожа на конструкцию ожидаемой будущей коммерческой установки, хотя и с гораздо меньшей производительностью, и ее целью является изучение производительности катализатора и срока службы в течение длительного периода, при этом производя значительные количества продукта для рыночных испытаний.
При разработке новых процессов проектирование и эксплуатация пилотной и демонстрационной установки часто будут проходить параллельно с проектированием будущей коммерческой установки, а результаты программ пилотных испытаний являются ключевыми для оптимизации технологической схемы коммерческой установки. Обычно в случаях, когда технология процесса была успешно внедрена, экономия в коммерческом масштабе в результате пилотных испытаний значительно превышает стоимость самой пилотной установки.
Индивидуальные пилотные установки обычно проектируются либо для исследовательских, либо для коммерческих целей. Они могут варьироваться по размеру от небольшой системы без автоматизации и с низким расходом до высокоавтоматизированной системы, производящей относительно большие объемы продукции в день. Независимо от размера, этапы проектирования и изготовления рабочей пилотной установки одинаковы. Они: