Стабилизация производительности реакторов R1A и R1B за счет подбора температуры полимеризации

В данной работе активно использованы инструменты системы «Lean Six Sigma», основывающейся на проектном подходе с применением статистических методов анализа.

Авторы: А.А. Трубченко (эксперт отдела непрерывных улучшений ООО «Томскнефтехим, черный пояс – сертификация BMGI), Ю.В. Рябов, Максимов В.В. (главный инженер ООО «Томскнефтехим»), ООО «Томскнефтехим», г. Томск 

В настоящее время, одним из путей к повышению прибыльности ООО «Томскнефтехим» является сокращение затрат на выпуск продукции и увеличение мощности Производства полипропилена (ПП), например при выпуске волоконных марок полипропилена (PPH270FF, PPH263FF и PPH350FF), получаемых методом направленной деструкции базового порошка (21030) органическими пероксидами. Повышение удельной активности титан-магниевого катализатора (ТМК) IV-поколения, при выпуске гомополипропилена (гомоПП) 21030 суспензионной полимеризацией, позволит увеличить маржинальный доход от реализации волоконного ПП. Кроме того, подбор оптимальной температуры полимеризации пропилена позволит увеличить среднесуточную производительность Производства ПП и возможно снизить выход атактического полипропилена (АПП), являющимся побочным продуктом.

В данной работе активно использованы инструменты системы «Lean Six Sigma», основывающейся на проектном подходе с применением статистических методов анализа, целями которой являются сокращение отклонений процесса, повышение качества продукции, увеличение производительности и эффективное использование энергоресурсов, сырья и материалов.

Руководителем проекта являлся Трубченко Алексей Александрович (эксперт отдела непрерывных улучшений ООО «Томскнефтехим, черный пояс – сертификация BMGI), в состав команды были включены руководители и технологи Производства ПП, бизнес заказчиком на поиск решения проблемы являлся владелец процесса – начальник Производства ПП, а спонсор проекта 6Сигм – Максимов Владимир Васильевич (Главный инженер ООО «Томскнефтехим»).

По данным автоматизированной системы управления (АСУ) технологической линии А установки полимеризации пропилена (УПП) Производства ПП среднее значение первичной метрики - удельной активности ТМК (тн. ПП21030/ кг ТМК в смену) по линии А УПП в период август-ноябрь 2015г. составило: 35,8 тн./кг., а лучшее – 42,0 тн./кг. Поэтому мы поставили себе цель, используя графический анализ и визуальное управление эффективностью (ВУЭ) – повысить значение удельной активности ТМК (тн./кг.) по линии А УПП до уровня не ниже 38,5 тн./кг. (Рис.1), без существенного повышения содержания АПП в реакторах R1A, R1B и R2A (растворимая в нефрасе фракция ПП), при выпуске волоконных марок ПП.

Постановка цели проекта по удельной активности ТМК 

Рисунок 1. Постановка цели проекта по удельной активности ТМК

Выгрузка технологических данных осуществлялась из MES (manufacturing execution system) системы, а данных об физико-механических свойствах ПП и АПП - из LIMS (Laboratory Information Management System) системы.

Ожидаемый финансовый эффект составит 27,6 млн. руб./год, за счет снижения потребления ТМК на выпуск порошка ПП20130 по линии А УПП и дополнительного выпуска ПП21030 в результате увеличения среднечасовой производительности линии А УПП.

Как известно, температура реакции полимеризации оказывает определяющее влияние на скорость процесса синтеза и свойства полипропилена [1], а наибольшая активность и изоспецифичность каталитической системы обеспечиваются в большей мере оптимальным сочетанием внутреннего и внешнего донора, чем их индивидуальными свойствами [2].

При рассмотрении возможных причин, влияющих на удельную активность ТМК, выделено 6 групп: системы измерения, используемое сырье, окружающая среда, технология синтеза полимеров, используемое оборудование и человеческий фактор. Каждая группа оказывает сильное влияние на активность ТМК. В рамках реализуемого проекта нами выбрана одна группа, как основная, с которой предстоит работать, это технология синтеза полимеров (использована диаграмма Ишикава, древовидная диаграмма).

С помощью матрицы причинно-следственных связей, диаграммы течения процесса промышленного получения гомоПП и мозгового штурма определены все стадии с оценкой по степени влияния на удельную активность ТМК: слабое, среднее и сильное. 4 параметра можно выделить как ключевые: температура полимеризации пропилена в реакторах R1A и R1B; мольные соотношения Si/Ti, Al/Ti и Al/Si на стадии полимеризации пропилена в R1A и R1B; соотношение пропилен/ТМК и соотношение ТЭА/ТМК на стадии предполимеризации ТМК.

Следующим шагом проекта являлся графический, корреляционный и регрессионный анализ статистических данных исторического периода для оценки влияния экспертно выбранных технологических параметров на удельную активность ТМК, а так же для построения математической модели процесса, с целью прогнозируемого управления процессом. Построение регрессионной модели для удельной активности ТМК по линии А УПП от ключевых технологических параметров не представилось возможным, т.к. параметры изменялись в достаточно узком диапазоне.

Для построения более точных моделей процесса необходимо намеренное изменение режимов работы оборудования в больших диапазонах, поэтому был проведен планируемый технологический пробег на линии А УПП Производства ПП в мае-июне 2016г. С помощью программы Minitab 17 разработан дизайн трехуровневого пробега с тремя факторами двумя повторениями центральной точки:

  • Температура полимеризации в R1A и R1B= 67-70-73 оС;
  • Соотношение на предполимеризации ТЭА/ТМК= 3,0-4,5-6,0;
  • Соотношение на предполимеризации пропилен/ТМК= 3,0-4,5-6,0;

При разработке пошаговой программы пробега для производственного персонала был организован мозговой штурм с элементами сессии по решению проблем, с целью определения узких мест предполимеризации ТМК и полимеризации пропилена, а так же выявления рисков изменения технологических параметров в ходе пробега. В итоге была составлена программа пробега, выявлены узкие места и возможные риски, разработаны мероприятия по митигации рисков.

По результатам пробега построена математическая модель процесса с двумя значимыми параметрами и высокой достоверностью 94% (для первичной метрики):

Удельная активность ТМК (т ПП/кг ТМК) = -9,24 + 0,1160*Температура полимеризации R1A/R1B, °С + 0,24740*соотношение при полимеризации Al/Ti (модель №1);

а так же математическая модель процесса с двумя значимыми параметрами, квадратом параметра и высокой достоверностью 38% (для метрики последствий):

Растворимая в нефрасе фракция в R1А/R1В, г/дм3 = -338,1+  9,93*Температура R1A/R1B,°С- 0,1978*ТЭА/ТМК- 0,0716*Температура R1A/R1B,°С *Температура R1A/R1B,°С (модель №2).

Дополнительно, в ходе пробега произведена оценка влияния на значимый показатель качества ПП - пылеобразование ПП соотношения предполимеризации пропилен/ТМК, показано, что при соотношении пропилен/ТМК=3 получено большое количество пылевидной фракции ПП, рекомендуется соотношение пропилен/ТМК= 6.

На основе построенных математических моделей №1,2 и для снижения пылевидной фракции ПП были выданы рекомендации изменения технологического режима:

  • Температура полимеризации в R1A и R1B= 73,0±0,5 оС;
  • Соотношение на предполимеризации ТЭА/ТМК= 6;
  • Соотношение на предполимеризации пропилен/ТМК= 6;
  • Мольное соотношение полимеризации Al/Ti= 140±5.

После выданных производству ПП рекомендаций проводили мониторинг состояния и стабильности процесса. В ходе мониторинга удельной активности ТМК показано статистически значимое изменение и достижение цели проекта по линии А УПП Производства порошка ПП 21030 в июле 2016г. (рис.2).

Удельная активность ТМК до и после применения рекомендаций

Рисунок 2. Удельная активность ТМК до и после применения рекомендаций

Среднечасовая производительность линии А УПП Производства ПП

Рисунок 3. Среднечасовая производительность линии А УПП Производства ПП

За счет работы реакторов R1A и R1B при температуре 73 °С удалось достичь увеличения среднечасовой производительности линии А УПП до 10,8 тн./час (Рис.3), при наработке ПП 21030.

Содержание растворимой в нефрасе фракции ПП в реакторах R1A, R1B, R2A находились в допустимом диапазоне (до 10 г/дм3) и статистически изменилось после применения рекомендаций – увеличилось в среднем на 0,8 г/л.

Для поддержания процесса в необходимом и стабильном состоянии с целью обеспечения производства порошка ПП 21030 и волоконных марок ПП на ООО «Томскнефтехим с высокой технологичностью разработан план внедрения решений и план контроля. Установлены целевые значения и допустимые границы входных параметров и удельной активности ТМК, внесены соответствующие изменения в инструкции персонала и технологические задания на выпуск ПП:

  • Температура полимеризации в R1A и R1B= 73,0±0,5 оС;
  • Соотношение на предполимеризации ТЭА/ТМК= 6;
  • Соотношение на предполимеризации пропилен/ТМК= 6;
  • Мольное соотношение полимеризации Al/Ti= 140±5.

В результате можно сказать, что применение оптимальной температуры полимеризации в R1A, R1B, мольного соотношения полимеризации Al/Ti, массовых соотношений ТЭА/ТМК и пропилен/ТМК на предполимеризации ТМК позволяют увеличить удельную активность ТМК в среднем с 35,8 до 38,5 тн./кг. и среднесуточную производительность технологической линии А производства ПП в среднем на 0,13 тн./час. А годовой экономический эффект от реализации проекта 6Сигм составит 27,6 млн. руб./год. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

  1. Н.А. Волошин, Н.П. Шестак. Технология производства полипропилена: Учебное пособие для рабочих профессий. – М.: НИИТЭХим, 1981. – 83 с.
  2. А.Р. Ионов, В.К. Дудченко, А.А. Трубченко, Д. Мунтеану, И.И. Новошинский, Э.А. Майер. Промышленные испытания новой модификации титан-магниевого катализатора полимеризации пропилена // Известия Томского Политехнического Университета. – 2012. – Т. 321. – №. 3. – С. 110-115.
Начать обсуждение


UP-PRO в сетях