Гибкие производства малотоннажных химических продуктов

ХИМИЯ ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВА МАЛОТОННАЖНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ В. А. ОСТРОВСКИЙ Санкт-Петербургский государственный технологический институт

ВВЕДЕНИЕ

THE FLEXIBLE MANUFACTURE OF LOW TONNAGE CHEMICAL PRODUCTS V. A. OSTROVSKII

© Островский В.А., 2000

Drugs, dyes, components of photosensitivity materials, flavoring ingredients, and other lowtonnage chemical products are necessary for civilization at the present time as well as in the future. Recent advances in fundamental science, technology, management and economics are incorporated into a flexible manufacture of low tonnage chemical products. Composition algorithms of flexible low-tonnage chemicaltechnology systems have been considered.

56

Лекарственные препараты, красители, компоненты светочувствительных материалов, пищевые добавки и другие малотоннажные химические продукты абсолютно необходимы современной цивилизации. Гибкие производства малотоннажных химических продуктов объединяют новейшие достижения фундаментальной науки, технологии, теории управления и экономики. Рассмотрены алгоритмы компоновки гибких химико-технологических систем. Приведены примеры современного оборудования малотоннажных производств.

www.issep.rssi.ru

Современная цивилизация немыслима без продукции химических производств. Эта аксиома со школьной скамьи ассоциируется у многих с циклопическими сооружениями большой химии: доменными печами и конвертерами металлургических заводов, ректификационными колоннами нефтеперерабатывающих комплексов, непрерывными производствами минеральных кислот, цемента, удобрений, целлюлозы, бризантных ВВ и других крупнотоннажных химических продуктов. Но в повседневной жизни человека незримо окружают тысячи наименований совершенно иных химических соединений. Это лекарственные препараты, витамины, бесчисленные тонкие химикаты – вкусовые добавки, консерванты, антиоксиданты, красители, кинофотоматериалы и другие продукты малой химии. Каждый житель планеты, даже незнакомый с химической формулой воды, от момента рождения и в течение всей жизни непрерывно потребляет малотоннажные химические продукты. Ассортимент последних непрерывно обновляется, а конкуренция на рынке продуктов малой химии достигает невиданного накала и драматизма. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ПО ОБЪЕМУ ВЫПУСКА ПРОДУКЦИИ Каталоги производителей и дистрибьюторов продуктов тонкой химии включают десятки тысяч наименований химических соединений. Эти вещества характеризуются различной молекулярной структурой, физическими, химическими и токсикологическими свойствами. Они различаются областями применения, требованиями к чистоте продукции и производственных помещений, опасностью и, наконец, объемом (тоннажем) выпуска. Можно классифицировать химическое производство по тоннажу выпуска продукции следующим образом (в т/год): микротоннажные (до 0,1), малотоннажные (0,1–10), среднетоннажные (10–1000), крупнотоннажные (5–10 тыс.) и супертоннажные (свыше 100 тыс.).

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 1 2 , 2 0 0 0

ХИМИЯ Между данными группами химических производств имеются принципиальные отличия. Крупно- и супертоннажные производства нацелены на выпуск в огромных масштабах продукции стабильного ассортимента, микро- и малотоннажные – на обеспечение спроса химической продукции с широким и быстро обновляющимся ассортиментом, но относительно небольшим объемом выпуска [1]. Очевидно, что технологические процессы, лежащие в основе упомянутых групп, организуются в соответствии с различными принципами. Крупнотоннажные производства основаны на непрерывных технологических процессах, работающих даже по праздникам в круглосуточном стационарном режиме. Непрерывные производства отличаются сложностью и спецификой аппаратурного оформления, переработкой огромной массы реагентов и растворителей, потреблением больших количеств энергии. Подобные технологические монстры нередко загрязняют окружающую среду гигантским количеством отходов. Во избежание чрезвычайных последствий ошибок операторов системы управления и контроля таких производств полностью автоматизированы. Отметим, что непрерывные производства созданы для выпуска одного, реже нескольких химических продуктов. Отсюда их инерционность при переходе с одного вида продукции на другой. Напротив, синтез малотоннажных химических продуктов основан на разнообразных химических процессах, протекающих в относительно простых реакторах периодического действия. Малотоннажные химические продукты разнообразны по химическому строению и потребительским свойствам, их ассортимент непрерывно и быстро обновляется. Важно, что к качеству продукции малотоннажной химии, особенно к лекарственным препаратам, предъявляют исключительно жесткие требования. Еще один характерный штрих – рыночная стоимость малотоннажных химических продуктов сопоставима, а подчас и превосходит цену на золото и драгоценные камни. Неудивительно, что в странах с развитой рыночной экономикой добыча и первичная переработка сырья уступают место наукоемким и прибыльным производствам малотоннажных химических продуктов. ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ ПРОДУКЦИИ МАЛОЙ ХИМИИ В каталогах фирм, производящих и распространяющих продукцию малой химии, содержатся десятки тысяч

наименований химических соединений, основные группы которых приведены ниже. Группы продуктов по назначению Химические и биохимические вещества для здравоохранения, сельского хозяйства, защиты окружающей среды и личного потребления Химические добавки и компоненты

Химические продукты для научных исследований и аналитических работ Компоненты сложных материалов со специальными свойствами

Основные продукты малой химии Синтетические лекарственные и душистые вещества, средства защиты растений, другие биологически активные вещества, продукты бытовой химии Синтетические красители, катализаторы, ингибиторы коррозии, вулканизаторы, присадки к маслам и топливам, фотохимикаты Химические реактивы, высокочистые вещества, биохимические препараты Люминофоры, ферриты, полимеры медицинского и инженерного назначения

Необходимым условием успешной конкуренции на рынке производителей малотоннажных химических продуктов является способность производства к быстрому изменению ассортимента продукции в соответствии с конъюнктурой рынка. Проектирование, монтаж и ввод в эксплуатацию промышленных установок химического синтеза, ориентированных на выпуск только одного малотоннажного продукта, не имеют перспективы. Следует отметить тенденцию к переходу от отдельных установок по получению химического продукта к гибким химико-технологическим системам [2–5]. ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Тонкий органический синтез в производственных масштабах наряду с химическими процессами включает технологические операции, выполняемые при помощи химических аппаратов: реакторов, фильтров, теплообменных систем, перемешивающих устройств, насосов. Комплекс таких аппаратов составляет установку. Результатом эволюции нескольких установок является химико-технологическая система (ХТС), под которой понимают совокупность всех физико-химических процессов и средств, обеспечивающих эффективное производство продукции заданного качества и ассортимента. ХТС состоит из элементов, в которых протекают технологические операции, необходимые для достижения цели. Понятия “система” и “элемент” относительны. Одна система может быть элементом другой, более

О С Т Р О В С К И Й В . А . Г И Б К И Е П Р О И З В О Д С Т В А М А Л О ТО Н Н А Ж Н Ы Х Х И М И Ч Е С К И Х П Р О Д У К ТО В

57

ХИМИЯ сложной системы. В общем случае ХТС можно описать при помощи следующей схемы [6]: ПУ υ x

u d, z

y

Здесь x, y, z – входные, выходные и конструкционные параметры системы, d – параметры состояния, υ и u – наблюдаемые и управляющие параметры, связывающие рабочие элементы ХТС с подсистемой управления (ПУ). Многоассортиментные ХТС в отличие от гибких производственных систем (ГПС), давно известных в машиностроении, являются принципиально новыми объектами современной технологии. Методология организации гибких ХТС полностью не разработана. Дело в том, что только малотоннажные химические производства функционируют в условиях неопределенности цели и информации. Следовательно, гибкие ХТС уникальны тем, что они обречены активно взаимодействовать с фундаментальной химической наукой, питаясь ее идеями и методами. Наряду с этим гибкие ХТС остаются элементом рыночной инфраструктуры. Рассмотрим схему внешних связей ХТС, предназначенных для выпуска лекарственных препаратов [7]: Дизайн

Синтез

Скрининг

Клиника

ХТС

Потребность

Замысел и конструирование (дизайн). На этой стадии предлагаются структурные формулы соединений, способных удовлетворить потребность. Здесь важно сконструировать и предложить формулы веществ, наиболее полно отвечающих сформулированной медиками и молекулярными биологами стратегической задаче. К традиционным профессиональным навыкам, знаниям, интуиции, всегда помогающим химикам на этой стадии, теперь прибавились мощные компьютерные программы, позволяющие прогнозировать биологическую активность вещества с высокой достоверностью. Направленный синтез. На этой стадии разрабатываются оптимальные тактические маршруты, приводящие к цели наиболее рациональным способом. Уже на стадии синтеза возможен отсев некоторых из намеченных веществ из-за высокой трудоемкости, опасности проведения синтеза, высокой стоимости реагентов и других причин. Фармакологический скрининг. Здесь на основе экспериментов in vitro отсеивается основное количество

58

веществ, предложенных и синтезированных химиками. Наиболее перспективные препараты, прошедшие этот этап, передаются на клиническую проверку. Клиническая проверка – наиболее ответственная и длительная стадия. Препарат, успешно прошедший клиническую проверку и рекомендованный к применению ответственными государственными органами, проходит этап разработки технологии и организации производства. Разработка технологии и создание (синтез) ХТС – наиболее трудоемкая фаза создания лекарственного препарата, требующая максимальных финансовых вложений. Потребность и конъюнктура рынка. Весь процесс создания производства определяется потребностью рынка, поэтому вся цепочка будет эффективно работать только производя конкурентоспособную продукцию, имеющую реальный спрос на рынке. Эффективность процесса создания препарата и успех его реализации на рынке зависят от распределения нагрузки по отдельным стадиям, неравноценным по трудоемкости и затратам. Стоимость неизбежно возрастает от начала к концу процесса. Поэтому важно, чтобы наукоемкие первые стадии были загружены больше других, что сократит как время создания препаратов, так и расходы на их производство. Теперь понятно, почему наиболее процветающие фирмы, производящие лекарственные средства, содержат собственные, прекрасно оснащенные химические лаборатории, в которых работают высококвалифицированные ученые, в том числе и лауреаты Нобелевской премии. Для рынка малотоннажных химических продуктов характерно быстрое изменение потребности в конкретном веществе. Поэтому важно успеть вовремя отреагировать на запрос и произвести как можно быстрее нужную продукцию. Отсюда принципиально важная особенность многоассортиментных ХТС – способность быстро перестроиться на выпуск новой продукции. Иными словами, такие ХТС должны быть гибкими. ГИБКОСТЬ (ПЕРЕСТРАИВАЕМОСТЬ) КАК НЕОБХОДИМАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАЛОТОННАЖНОГО ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА Для оценки гибких производственных систем (ГПС) рекомендуют использовать различные критерии гибкости (F – flexibility), характеризующие способность системы реагировать на изменение потребности рынка без существенного изменения аппаратурной схемы. Действительно, подобные критерии широко используют при проектировании станкостроительных, автомобилестроительных заводов, предприятий компьютерной

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 1 2 , 2 0 0 0

ХИМИЯ сборки. Однако химическая технология значительно сложнее, чем механическая. Только в химическом процессе происходит переработка объекта на молекулярном уровне, а объекты многообразны по агрегатным состояниям, физико-химическим свойствам. Только в химической технологии каждый новый продукт получается, как правило, при других условиях (температура, время, давление, природа катализатора, растворителя) с применением различных режимов дозировок реагентов, перемешивания и т.д. Поэтому выбор адекватного критерия F для ХТС – проблема дискуссионная. Рискнем привести выражение для критерия гибкости F в неявном виде. Постулируем, что гибкость химико-технологической системы пропорциональна следующим параметрам:

мала. В этом случае высокое значение критерия Ψ1 может быть обеспечено иным, более прогрессивным путем – организацией ХТС по блочно-модульному типу. Рассмотрим эту возможность на примере производства субстанций препаратов для лечения СПИДа из группы NARTIs [8]. Упрощенная схема синтеза АЗТ включает получение тритилированого тимидина 1, мезилирование тритилпроизводного 2, получение из мезилтритилтимидина 3 ангидротимидина 4, азидирование последнего с образованием тритилазидопроизводного 5, наконец, снятие защитной тритильной группы с образованием азидотимидина (АЗТ) 6.

O

F ∼ αΨ1βΨ2χΨ3δΨ4…, где Ψ1 – степень подобия химико-технологических процессов, Ψ2 – универсальность и управляемость оборудования, Ψ3 – эффективность управления ХТС, Ψ4 – уровень квалификации и опыт персонала; α, β, χ, δ – коэффициенты пропорциональности. Степень подобия химико-технологических процессов. Рассмотрим две ХТС (1 и 2 ), каждая из которых предназначена для получения только одного продукта. Допустим, что химические схемы, условия синтеза и аппаратурное оформление синтеза продуктов 1 и 2 имеют общие признаки, определяемые областью S. 2

HN O O

HO HO

O Me

Me

HN O O

N TrO HO

1

N

2

O HN O O

TrO

O Me

Me

HN

N

O TrO

N O

S 1

CH3SO2O Чем больше область S, тем больше вероятность того, что при переключении с одного продукта на другой не потребуется существенного изменения аппаратурной схемы и условий проведения процесса синтеза веществ. Такой случай достаточно типичен, когда продукты 1 и 2 принадлежат к одному гомологическому ряду или для их синтеза требуются однотипные химические превращения. Подобный путь организации гибкого производства безальтернативен для небольших предприятий с узкой специализацией. Например, если предприятие хорошо освоило процессы гидридного восстановления, то шансы выпускать несколько препаратов, получаемых с применением подобных процессов, возрастут. Однако рынок требует быстрого обновления ассортимента продуктов, принадлежащих к различным химическим рядам и получаемых с применением разнообразных процессов, область перекрывания которых

3

4 O

HN

TrO

O O OH 5

O Me

Me

HN O O

N HO

N3

N

6

Теперь отметим, что из ключевого промежуточного продукта тритилангидротимидина 4 можно получать не только АЗТ 6, но и d4T 8, фосфазид 10, которые уже используются наряду с АЗТ в комбинаторной терапии СПИДа. Также из реагента 4 может быть получен новый перспективный отечественный препарат – тетразолилтимидин 12.

О С Т Р О В С К И Й В . А . Г И Б К И Е П Р О И З В О Д С Т В А М А Л О ТО Н Н А Ж Н Ы Х Х И М И Ч Е С К И Х П Р О Д У К ТО В

59

ХИМИЯ O

O Me

HN

HO

O O

Me

HN O

N

O O

HO P O

N

H 8

N3

10

O Me

HN O O

HO

N

N N N N

12

Рациональный алгоритм компоновки ХТС блочномодульного типа по получению четырех целевых продуктов (6, 8, 10, 12) представлен ниже. Звенья производственной цепочки, связывающей 1–6, соединены последовательно, но начиная с блока 4 происходит разветвление в направлениях 4–9–10, 4–9–11–12, 4–5–6 и 4–7–8.

может быть сведено к минимуму. В итоге очевиден выигрыш в гибкости ХТС, позволяющий быстро и эффективно реагировать на потребности рынка. Универсальность и управляемость оборудования. В современном химическом машиностроении происходит настоящая революция, вызванная потребностями многоассортиментных производств. Собственно химический процесс в емкостном реакторе, а также последующие стадии фильтрования, экстракции, перегонки растворителя и другие типичные операции выполняются с применением высокотехнологичного универсального оборудования. Каждый аппарат современного малотоннажного химического производства рассматривается как элемент унифицированной ХТС. Отсюда жесткие требования к автономности, универсальности, взаимозаменяемости, диапазону регулирования параметров химических процессов и другим характеристикам оборудования. На рис. 1 и 2 показаны емкостные реакторы периодического действия, различного назначения и объема. Первый, элемент пилотной установки, предназначен для воспроизведения лабораторных экспериментов в условиях, приближенных

10

1

2

3

9

11

12

4

5

6

7

8

Некоторое усложнение системы за счет подключения группы аппаратов из параллельных модулей оправдано тем, что наряду с продуктом 6 можно получить еще три (8, 10, 12 ). При этом стержневой модуль 1–4 обслуживает синтез сразу всего спектра соединений. Такая древообразная структура с общим корнем позволяет легко переключаться на выпуск того или иного препарата, не создавая нескольких специализированных ХТС. Конечно, унифицированные аппаратурные комплексы, организованные на блочно-модульном принципе, сложнее и дороже простых установок периодического действия, их подсистемы управления сложнее и обслуживают всю многоэлементную ХТС как единое целое. Отметим, что “избыточное оборудование” в блочномодульных системах в результате оптимизации системы

60

Рис. 1. Химический реактор “Pilot-Tec” (объем 10– 25 л), изготовленный фирмой “Schott” из боросиликатного стекла DURAN-Glas

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 1 2 , 2 0 0 0

ХИМИЯ

Рис. 2. Промышленная установка на базе реактора периодического действия (объем до 8 м), изготовленного фирмой “Schott”. На заднем плане элементы технологической обвязки реактора (коммуникации, емкости), изготовленные из стекла DURAN-Glas

к производственным, что необходимо для оптимизации процессов с учетом эффектов масштабирования. Второй – действующий элемент гибкой ХТС. Материал, из которого изготовлено подобное оборудование, химически и термически устойчив: боросиликатное стекло, металл, футерованный защитными эмалями, тефлоном и другими покрытиями. Аппараты подобного типа легко преобразуются в перегонные установки с возможностью раздельного отбора фракций (рис. 3), снабжены автономными системами теплообмена – мобильными и компактными промышленными ультратермостатами, позволяющими эффективно и в широком диапазоне регулировать температуру реакционной среды. Последнее обстоятельство весьма существенно, так как позволяет обойтись без централизованной заводской котельной или холодильной установки. Все основные аппараты снабжены широким набором вспомогательных устройств и элементов управления: прямым и обратным холодильниками, дозирующими и перемешивающими устройствами, системой теплообмена, а также датчиками контроля параметров – температуры, давления, скорости перемешивания, рН, показания которых поступают на компьютеры системы

Рис. 3. Универсальный химический реактор тира CR 51-К, изготовленный фирмой “Buchi”

контроля и управления (рис. 3). Автоматический нутчфильтр (рис. 4) – типичный пример современного унифицированного аппарата для гибкой ХТС. Этот совершенный механизм способен без участия аппаратчика выполнить пять операций: фильтрование, разрыхление, промывку, сушку и выгрузку осадка. Подобные устройства незаменимы при работе с токсичными и опасными для здоровья веществами. Созданы принципиально новые подходы к решению наболевшей проблемы утилизации отходов малотоннажных многоассортиментных производств. Сливы в водоемы, выбросы в атмосферу или захоронение отходов в земле, как известно, запрещены законами большинства государств. Однако до сих пор эти законы нарушаются из-за отсутствия специальных средств утилизации отходов. Эту деликатную функцию несет мини-завод, разработанный специально для предприятий малой химии. Подобный комплекс, рассчитанный на несколько месяцев работы, внешне представляет собой цистерну, смонтированную на железнодорожной платформе (рис. 5). Внутренняя рабочая емкость разделена на отдельные секции-отсеки, в которых отходы проходят несколько последовательных технологических операций, включая фракционирование, фильтрование, кондиционирование по рН, химическую, флотационную, микробиологическую очистку и другие

О С Т Р О В С К И Й В . А . Г И Б К И Е П Р О И З В О Д С Т В А М А Л О ТО Н Н А Ж Н Ы Х Х И М И Ч Е С К И Х П Р О Д У К ТО В

61

ХИМИЯ оборудования уже невозможна. Впрочем, при правильной организации управления гибкой ХТС затраты на ее создание окупаются в короткие сроки. Эффективность управления ХТС. Гибкая ХТС не является замкнутой системой, но активно эволюционирует в соответствии с изменением потребностей рынка. Следовательно, большую роль играет управление блочно-модульной схемой, блоки которой должны работать согласованно. Ошибки на стадии управления могут привести к омертвлению технологических объектов, не дающих конкурентоспособной продукции. Методологии управления гибкими ХТС уделяется много внимания, хотя эта проблема еще далека от исчерпывающего решения. Оперативное переключение производственных потоков, рациональная загрузка модулей и другие проблемы гибких ХТС могут быть решены только квалифицированным персоналом, действующим на всех иерархических уровнях.

Рис. 4. Автоматическая фильтрующая система (WD Filter System), изготовленная фирмой “Sparkless”

необходимые операции. На выходе уникального устройства может быть получена химически чистая вода, которую возвращают в производственный цикл. Стоимость ХТС, включающих подобные элементы, очень велика, что сужает круг предприятий и фирм, реально конкурирующих на рынке малотоннажных химических продуктов. Однако эволюция малотоннажных производств без подобного высокотехнологичного

Уровень квалификации и опыт персонала. К кадровому обеспечению предприятий малой химии предъявляются особые требования. Это естественно, если принять во внимание сложность синтеза химических соединений, являющихся объектами гибких ХТС. От специалистов в данной области требуются глубокие знания химической сущности технологических процессов, конъюнктуры рынка, умение вступать в контакт и эффективно взаимодействовать со всеми участниками сложного процесса создания малотоннажных химических продуктов. Большинство таких специалистов пришло на гибкие ХТС из научных лабораторий. Это естественно, учитывая, что сложность и наукоемкость таких производств нисколько не уступают тонкому органическому синтезу в лаборатории. Актуальной задачей химического, химико-технологического и экономического

Рис. 5. Передвижной моноблок для переработки химических отходов, изготовленный фирмой “Maisonneuve”

62

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 1 2 , 2 0 0 0

ХИМИЯ образования является направленная подготовка управленческих и инженерных кадров для предприятий малой химии, ориентированных на выпуск малотоннажной продукции. Малотоннажные химические продукты являются необходимым условием устойчивого развития цивилизации на рубеже столетий. Гибкие производства таких продуктов непрерывно эволюционируют, объединяя новейшие достижения фундаментальной науки, технологии и теории управления. ЛИТЕРАТУРА 1. Фурман Ф.М. Малая химия. М.: Химия, 1989. 135 с. 2. Кафаров В.В., Макаров В.В. Гибкие автоматизированные производственные системы в химической промышленности. М.: Химия, 1990. 320 с. 3. Легасов В.А., Сафонов М.С, Бельнов В.К., Рабовская Н.С. Гибкие системы в химической технологии // ЖВХО. 1987. Т. 32, № 3. С. 258–265. 4. Тимофеев В.С. Технологические аспекты построения гибких автоматизированных производственных систем // Там же. С. 265–268.

5. Балцер Д., Вайсс В., Викторов В.К. и др. Химико-технологические системы: Синтез, оптимизация, управление / Под ред. И.П. Мухленова. Л.: Химия, 1986. 6. Перевалов В.П., Колдобский Г.И. Основы проектирования и оборудование производств тонкого органического синтеза. М.: Химия, 1997. С. 102. 7. Роземблит А.Б., Голендер В.Е. Логико-комбинаторные методы в конструировании лекарств. Рига: Зинатне, 1983. С. 13. 8. Островский В.А. Синтетические лекарственные средства против ВИЧ/СПИД // Соросовский Образовательный Журнал. 1999. № 9. С. 44–51.

Рецензент статьи В.Ф. Швец *** Владимир Аронович Островский, доктор химических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного технологического института. Область научных интересов – синтез, реакционная способность полиазотистых гетероциклов, катализ органических реакций. Автор монографии, более 250 научных статей, 55 авторских свидетельств на изобретения, патентов в области химии и химической технологии.

О С Т Р О В С К И Й В . А . Г И Б К И Е П Р О И З В О Д С Т В А М А Л О ТО Н Н А Ж Н Ы Х Х И М И Ч Е С К И Х П Р О Д У К ТО В

63