CC BY
54
УДК 004.9: 66.011: 661.11: 661.419.4: 661.487.2
В.Е. Трохин, Л.В. Трынкина, А.А. Казаков, А.М. Бессарабов
РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОГО CALS-ПРОЕКТА ГИБКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
СОЛЯНОЙ И ПЛАВИКОВОЙ КИСЛОТ ОСОБОЙ ЧИСТОТЫ
На основе концепции CALS созданы типовые информационные модели, с помощью которых разработан компьютерный CALS-проект гибкого производства плавиковой и соляной кислот особой чистоты. Для аналитического мониторинга получаемой особо чистой продукции разработана CALS-система компьютерного менеджмента качества.
Информационные технологии, CALS, компьютерное проектирование, гибкая технология, соляная кислота, плавиковая кислота.
V.E. Trokhin, L.V. Trynkina, A.A. Kazakov, A.M. Bessarabov
DEVELOPMENT OF AN INFORMATION CALS-PROJECT FLEXIBLE TECHNOLOGIES HYDROCHLORIC AND HYDROFLUORIC ACIDS HIGH PURITY
Based on the concept of CALS established standard information models, through which developed computer CALS-design of flexible production of hydrofluoric and hydrochloric acids of high purity. For analytical monitoring of high-purity product obtained CALS-designed computer system of quality management.
Information technologies, CALS, computer-aided design, flexible technology, hydrochloric acid, hydrofluoric acid.
Среди веществ особой чистоты немаловажную роль играют высокочистые неорганические кислоты, в частности плавиковая и соляная, применяющиеся в таких областях народного хозяйства, как атомная энергетика, микроэлектроника, полупроводниковая техника, волоконная оптика и др. Для получения указанных кислот нами был разработан метод глубокой очистки, основанный на периодической ректификации и сорбции. При разработке особое внимание уделялось возможности использовать одну и ту же установку для очистки сразу нескольких неорганических кислот. Основным критерием для реализации такой возможности является схожесть технологических условий проведения процессов, что в полной мере достигается в случае ректификации хлорной и азотной кислот [1], и требует дополнительного аппаратурного оформления (абсорбционный модуль, блок вымораживания и захолажива-ния) в индивидуальных схемах очистки плавиковой и соляной кислоты.
Разработанные индивидуальные технологии синтезируются в гибкую производственную систему (ГПС). По разработанной во ФГУП «ИРЕА» методологии [2] при создании многоассортиментных производств особо чистых веществ нами рассматриваются четыре иерархических уровня: номенклатурный, производственно-технологический, организационно-технологический и организационно-производственный. Синтез ГПС соляной и плавиковой особо чистых кислот производится на производственно-технологическом уровне. На этом уровне синтеза решаются следующие задачи: оптимальное использование аппаратурного оформления, полупродуктов и
общих исходных реагентов; использование элементов гибкости для расширения производственных групп по наименованиям; варьирование мощности всей ГПС.
Синтезированная ГПС представляет собой систему гибких производственных ячеек -вымораживающей, адсорбционной, дистилляционной, абсорбционной, фильтрации газа и жидкости, состоящих из стандартных технологических модулей (блоков) - теплообменных, массообменных и коммутирующей арматуры. С целью обеспечения универсальности применения, ремонтпригодности и взаимозаменяемости технологические модули выполнены из стандартизированных деталей (емкостей, царг, теплообменников), изготовленных из кварцевого стекла и фторопласта.
Разработка ГПС проводилась с применением наиболее перспективной информационной CALS-технологии (Continuous Acquisition and Life cycle Support) [3]. Концепция CALS определяет набор правил, регламентов, стандартов, в соответствии с которыми строится информационное («электронное») взаимодействие участников процессов проектирования, производства, обслуживания и т.д. В России для выполнения опережающих научных исследований в области CALS-технологий создан научно-исследовательский центр CALS-технологий «Прикладная логистика» (НИЦ CALS-технологий), являющийся головным в области разработки и внедрения CALS-технологий в оборонной промышленности. Однако за рубежом уже широко развернуты работы по CALS-технологиям не только в оборонной, но и в других наукоемких областях промышленности. Отечественная наукоемкая продукция, не имеющая современного компьютерного обеспечения ее жизненного цикла (CALS-технология) будет существенно отставать и экономически, и качественно от аналогичной продукции, изготовленной на западе в системе новых электронных технологий. В связи с этим перспективно внедрение CALS-стандарта ISO-10303 STEP, который позволяет решить проблему электронного представления проектно-конструкторской информации ГПС кислот особой чистоты.
Выполняемая нами работа осуществлялась по госконтракту Роснауки № 02.513.12.3072 «Разработка методов получения высокочистых кислот-окислителей с контролируемой дисперсностью» и состоит из следующих двух основных направлений:
- на основе CALS-стандарта IS0-10303 STEP разрабатывается готовые схемы баз данных, называющиеся в стандарте «протоколами (правилами) применения» и представляющие собой типовые решения по проектно-конструкторской документации и выдаче исходных данных на проектирование;
- компьютерный мониторинг качества получаемых особо чистых продуктов с занесением результатов исследований в пилотный CALS-проект.
В настоящее время проводятся работы по разработке пилотного CALS-проекта электронного описания технологии получения соляной и плавиковой кислот особой чистоты. Для важнейшего этапа проектирования «Исходные данные на проектирование» были разработаны готовые схемы баз данных (рис. 1). Стандарты никаким образом не определяют вопросы физического хранения данных. Предполагается, что все логические структуры данных хранятся в «текстовом обменном файле» (репозитории). Исходя из этого предположения стандарт определяет также программный интерфейс доступа к данным (System Data Access Interface), содержащий набор функций на языках C++ и С# для доступа к содержимому обменного файла.
В соответствие со стандартом по химической промышленности в структуру «протокола применения» CALS-проекта входит 17 обязательных разделов [3]: общие сведения о технологии; характеристика выполненных научно-исследовательских и опытных работ; технико-экономическое обоснование рекомендуемого метода производства; патентный формуляр; техническая характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов основных и конечных продуктов; физико-химические константы и свойства исходных, промежуточных и конечных продуктов; химизм, физико-химические основы и принципиальная технологическая схема производства; рабочие технологические параметры производства; материальный 254
баланс производства; техническая характеристика побочных продуктов и реализуемые отходы производства; области их применения и методы утилизации; математическое описание технологических процессов и аппаратов; данные для расчета, конструирования, выбора основного промышленного технологического оборудования и защиты строительных конструкций; рекомендации для проектирования автоматизации производства; аналитический контроль производства; методы и технологические параметры очистки химически и механически загрязненных сточных вод, обезвреживания газовых выбросов и ликвидации вредных отходов; мероприятия по технике безопасности промсанитарии и противопожарной профилактике; указатель отчетов и рекомендуемой литературы по рассматриваемой технологии производства.
Все эти разделы занесены в пилотный CALS-проект (рис. 1). На экранной форме дополнительные подпункты отображены только в разделе 12 «Данные для расчета, конструирования и выбора промышленного оборудования», который содержит проектную документацию на производство, например, чертеж технологической схемы.
Рис. 1. СМБ-проект «Исходные данные на проектирование». Подкатегория: «Оборудование» (технологическая схема соляной и плавиковой кислот особой чистоты)
Приведенная в CALS-проекте технологическая схема (рис. 1) для получения высокочистых соляной и плавиковой кислот представляет собой установку периодической ректификации с необходимыми технологическими подводками (электричество, охлаждающая вода, фильтрованный воздух, вакуум). Конструктивно технологическая схема состоит из следующих 4-х модулей: модуль химической обработки; модуль десорбции газов с узлом фильтрации; модуль ректификации кислоты адсорбционного состава; модуль абсорбции. Исходная кислота ЩО, HF) поступает в реактор химической обработки (поз.1), где в результате взаимодействия с солями серебра (только для плавиковой кислоты) и перманганата калия, некоторые примеси переводятся в более легкоотделимые формы (As3+^■ As5+, СТ).
В связи с тем, что сырье, как и товарный продукт, представляет собой раствор газа в жидкой фазе, необходимо произвести деление потоков, осуществляемое в модуле десорбции. В результате этого получаем два потока: поток сверхазеотропного газа (НС1, HF) и соответствующую кислоту азеотропного состава. Для отделения от аэрозолей, содержащих примеси, избыточный газ поступает на узел фильтрации (поз. 5), после которого направляется в абсорбционную колонну (поз. 6), а кислота - в ректификационную установку (поз. 11). Ректификационная кислота азеотропного состава и отфильтрованный газ объединяется в установке абсорбции (поз. 6), являющейся конечной установкой для получения товарного продукта. Следует отметить, что для коррекции концентрации получаемых кислот в технологической схеме предусмотрен дополнительный подвод высокочистой воды (поз. 2).
При разработке технологии получения кислот особой чистоты особое внимание уделялось простоте, надежности и ремонтопригодности основных элементов конструкции. Предполагалось создание технологии конструирования комплекса универсальных деталей, с использованием химически стойких и инертных материалов (кварца, фторопласта-4), В качестве примера (рис. 2) в рамках конструкторского CALS-проекта приведены отдельные узлы и детали, входящие в ректификационный модуль технологической схемы.
Рис. 2. Элемент СМБ-проекта. Подкатегория: «Оборудование». Узлы и детали технологической схемы: а - головка ректификационной колонны; б - обвязка стандартной вертикальной емкости;
в - крышка-переходник
Для аналитического мониторинга кислот особой чистоты разработана на основе концепции CALS система компьютерного менеджмента качества (КМК-система) [4]. При ее разработке проведена группировка исходной информации по следующим обобщающим категориям: объекты анализа (анализируемое вещество); используемый метод анализа по нормируемым примесям; стандартные формы выходной документации. Например, обобщающая категория «Документация» содержит две группировки: нормативно-техническая и выходная документация. К нормативно-технической документации относятся ГОСТы, ОСТы или ТУ, которые регламентируют аналитические исследования. В подкатегории «Типы выходных
документов» находятся основные типовые формы документов, подлежащих автоматизированному заполнению в ходе исследований: входной контроль сырья, инспекционный контроль, контрольная задача, паспорт продукта, сертификация и технологический контроль.
Применение концепции CALS в пилотном проекте гибкой технологии соляной и плавиковой кислоты особой чистоты позволяет создать базу для внедрения систем автоматизированного проектирования и компьютерного менеджмента качества, существенно сократить время аналитических исследований и конструкторских работ, а также повысить качество (достоверность результатов) проводимых работ. Выбранная информационная технология позволяет создать не только эффективные системы проектирования и контроля качества продукции, соответствующие международным стандартам, но и успешно интегрироваться в систему управления производством.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бессарабов А.М. Автоматизированная CALS-система для проектирования промышленного производства хлорной и азотной кислоты особой чистоты / А.М. Бессарабов, А.Г. Вендило, В.Е. Трохин // Приборы и системы. 2011. №1. С. 23-29.
2. Г ибкие автоматизированные системы в производстве химических реактивов и особо чистых веществ / А.М. Бессарабов, А.В. Квасюк, А.Л. Кочетыгов, А.В. Поляков // Промышленные АСУ и контроллеры. 2009. № 12. С. 15-19.
3. Бессарабов А.М. CALS-технологии при проектировании перспективных химических производств / А.М. Бессарабов, А.Н. Афанасьев // Химическая технология. 2002. №3. С.26-30.
4. Bessarabov A.M., Zhdanovich O.A. Development of an analytical quality control system of high-purity chemical substances on the CALS concept basis / A.M. Bessarabov, O.A. Zhdanovich // Oxidation Communications. 2007. Vol. 30. No 1. P. 206-214.
Трохин Василий Евгеньевич -
кандидат химических наук, заведующий лабораторией государственного научноисследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ (ФГУП «ИРЕА»)
Трынкина Любовь Владимировна -
старший научный сотрудник Федерального государственного унитарного предприятия «Г ос-ударственный научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ» (ФГУП «ИРЕА»)
Казаков Александр Александрович -
аспирант государственного научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ (ФГУП «ИРЕА»)
Бессарабов Аркадий Маркович -
доктор технических наук, профессор, заведующий Учебно-научным центром государственного научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ (ФГУП «ИРЕА»)
Статья поступила в редакцию 22.08.11, принята к опубликованию 14.10.11
